3.2. Принцип возникновения тормозной силы при механическом колодочном торможении.

Образование тормозной силы при колодочном торможении происходит аналогично образованию силы тяги, однако вместо вращающего момента ТД на колесо действует сила трения, пропорциональная нажатию К на тормозную колодку и коэффициента трения колодки о колесо _к.

В случае двустороннего нажатия колодок на колесо имеется пара сил, которую можно заменить моментом М_т.

В случае одностороннего нажатия колодки сила _кК вызывает равную по величине и направленную встречно силу реакции колеса. Поскольку тормозная колодка имеет жесткую связь с рамой тележки, то реакция колеса передается на узел крепления колеса в раме тележки – буксу. На рисунке эта реакция обозначена _кК'. Указанная пара сил создает тормозной момент М_т, направленный навстречу вращению колеса. Этот момент можно представить в виде пары сил В_т. Под действием силы В_т, приложенной к рельсу в точке контакта колеса и рельса, возникает сила реакции рельса В_сц, приложенная к колесу. Эти две силы уравновешивают друг друга. Вторая сила В_т, приложенная к центру вращения колеса, передается на кузов и вызывает замедление поезда.

3.3. Расчетный тормозной коэффициент.

Тормозная сила поезда равна сумме тормозных сил всех тормозных колодок:

.

Коэффициент трения _к зависит от материала тормозной колодки и колеса, состояния поверхностей трения, температуры, нажатия К и скорости движения. Расчет коэффициента трения производится по эмпирической формуле

,

где a, b, d, e, f – коэффициенты, зависящие от материала колодки.

Из формулы следует, что с ростом скорости коэффициент трения уменьшается. Это является недостатком колодочного тормоза, так как желательно иметь постоянную тормозную силу во всем диапазоне скоростей.

На подвижном составе железных дорог России применяются тормозные колодки, изготовленные из обыкновенного чугуна, чугуна с повышенным содержанием фосфора и композиционных материалов. Коэффициент трения колодок из композиционных материалов примерно в два раза выше, чем у чугунных, кроме этого композиционные колодки меньше загрязняют путь. Основной недостаток – сильная зависимость коэффициента трения от температуры и состояния поверхности трения.

Для облегчения тормозных расчетов составов с большим количеством вагонов разных типов и чтобы не вводить в расчет зависимость коэффициента трения от силы нажатия на колодку, используют расчетное тормозное нажатие на колодку К_р и расчетный коэффициент трения _кр.

.

Коэффициент h получают при подстановке в формулу для действительного коэффициента трения усредненного нажатия, которое зависит от типа тормозной колодки.

Величина К_р нормируется и зависит от типа колодки и нагрузки на ось.

При оборудовании подвижного состава однотипными тормозными колодками, тормозная сила будет равна

.

Удельная тормозная сила

.

Таким образом, под расчетным тормозным коэффициентом поезда _р понимают расчетную силу нажатия тормозных колодок, приходящуюся на 1 кН веса поезда. Минимальная величина расчетного тормозного коэффициента поезда нормируется для различных типов поездов. На практике величина 100_р используется для определения максимально допустимых скоростей движения по элементам профиля, имеющими различные уклоны.

В справочной литературе п риведены кривые зависимостей тормозного пути от расчетного тормозного коэффициента для различных скоростей движения s_т = (100_р), называемые номограммами. По номограммам, возможно решение следующих задач:

• определение тормозного пути по заданной скорости движения и расчетном тормозном коэффициенте;

• определение допустимой скорости движения по элементам профиля при заданном тормозном пути и расчетному тормозному коэффициенту;

• определение требуемого расчетного тормозного коэффициента по заданной скорости движения и тормозному пути;

• определение допустимой величины уклона по заданной скорости движения, тормозному пути и расчетному тормозному коэффициенту.

Для нормальной реализации процесса торможения необходимо, чтобы тормозная сила была не более силы сцепления колес с рельсами. В противном случае происходит заклинивание колеса (так называемый юз). При этом возможно повреждение колесной пары (ползун) с невозможностью продолжать дальнейшее движение.

В_к  G_к_к,

т.е.

_кК  G_к_к.

Следовательно

.

Отношение наибольшей силы нажатия тормозных колодок к нагрузке на ось колесной пары называют коэффициентом нажатия тормозных колодок:

.

Для нормальной реализации тормозной силы необходимо, чтобы коэффициент нажатия тормозных колодок был меньше отношения коэффициента сцепления и коэффициента трения.

Так как коэффициент сцепления колес с рельсами зависит от скорости в меньшей степени, чем коэффициент трения, то наибольшая опасность заклинивания колесный пар при торможении возникает в зоне малых скоростей. В зоне скоростей V < V_А особенно опасен юз заторможенной колесной пары при трогании поезда. При скорости 5-8 км/ч коэффициент сцепления оказывается в 3-5 раз меньше коэффициента трения колодки и восстановить вращение колеса обычно уже не удается.

В ажным вопросом любого вида торможения является его устойчивость. При торможении на площадке тормозная сила всегда обеспечивает замедление поезда – т.е. торможение устойчиво. Иная картина наблюдается при торможении на спуске.

Н а рисунке изображены зависимости удельной тормозной силы b, основного удельного сопротивления w_o. Зависимости построены для случая торможения на спуске величиной i. Предположим, что результирующая сила w_o + b имеет две точки пересечения с линией i – А и В. Точка А является точкой неустойчивого равновесия, так как при случайном изменении скорости в любую сторону появляется сила, равная w_o + b – i, которая способствует еще большему изменению скорости. Точка В является точкой устойчивого равновесия. Отсюда можно сформулировать условие устойчивости механического торможения: знаки отклонения скорости и ускорения, вызванного изменением замедляющей силы, должны быть противоположны.