5.2. Принцип возникновения тормозной силы при механическом колодочном торможении.

О бразование 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.

5.3. Расчетный тормозной коэффициент.

Тормозная сила поезда равна сумме тормозных сил всех тормозных колодок:

В = К_к.

Коэффициент трения зависит от материала тормозной колодки и колеса, состояния поверхностей трения, температуры, нажатия и скорости движения. Расчет коэффициента трения производится по эмпирическим формулам, из которых 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. Недостатком колодок из чугуна с повышенным содержанием фосфора заключается в повышенном искрении. 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.

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 нажатие на колодку и расчетный коэффициент трения. Для сохранения величины тормозной силы необходимо, чтобы соблюдалось равенство

К_к = _крК_р.

Поскольку приведенное равенство должно соблюдаться для любой тормозной колодки в составе поезда, то для определения расчетного тормозного коэффициента необходимо знать действительное нажатие К, действительный коэффициент трения _к и расчетный коэффициент трения _кр:

.

Действительный коэффициент трения можно определить по известным эмпирическим формулам, а величину расчетного коэффициента трения – по тем же формулам, но для среднего значения нажатия при груженом и порожнем режимах торможения.

При использовании расчетного тормозного коэффициента тормозная сила будет равна

В = _крК_р.

Удельная тормозная сила

.

Таким образом, под расчетным тормозным коэффициентом поезда 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.

П о номограммам, приведенным в справочной литературе возможно решение следующих задач:

• определение тормозного пути по заданной скорости движения и расчетному тормозному коэффициенту;

• 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_кп  G_кп_кп,

т.е.

_кпК_кп  G_кп_кп.

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 с коростей. 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.

Д ля ликвидации юза возможно использование противоюзовой защиты, работа которой основана на резком снижении давления в тормозном цилиндре и затем медленном его нарастании.

Важным 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.

На рисунке изображены зависимости удельной тормозной силы b, основного удельного сопротивления _o. Зависимости построены для случая торможения на спуске величиной i. Предположим, что результирующая сила _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 _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.