3.4. Мероприятия по снижению сопротивления движению.

Снижение сопротивления движению позволяет уменьшить расход электроэнергии на тягу поездов, а так же повысить скорости движения без увеличения мощности тяговых двигателей. Все многообразие мероприятий по снижению сопротивления движению можно подразделить на организационные и конструктивные.

Организационные мероприятия проводятся без изменения подвижного состава и характеристик пути. К ним относятся:

• полная загрузка вагонов (основное сопротивление);

• правильное формирование поездов (сопротивление от воздушной среды);

• закрытие дверей и люков в грузовых поездах (сопротивление от воздушной среды);

• систематическая регулировка тормозов (трение колодок при отпущенных тормозах);

• надлежащий уход за подшипниковым и шарнирными узлами;

• надлежащее содержание верхнего строения пути;

• уменьшение времени промежуточных стоянок поездов, особенно в зимнее время.

Конструктивные мероприятия направлены на совершенствование подвижного состава и пути. К ним относятся:

• п рименение подвижного состава обтекаемой формы;

• применение наклоняющихся вагонов (в настоящее время применяется система принудительного наклона вагонов пассажирских поездов в кривых, которая позволяет увеличить скорость движения поездов в кривых без реконструкции пути и повысить комфортность. Уменьшение сопротивления движению является побочным эффектом применения этой системы. Система сложна, так как связана с безопасностью движения, следовательно отслеживает несколько взаимосвязанных параметров и управляется микропроцессором. В России система пока не внедрена);

• применение "плавающих" колесных пар (для уменьшения износа колесных пар и рельсов в кривых в Швеции разработана тележка грузового вагона, колесные пары которой с помощью системы тяг располагаются по радиусам кривой. Система достаточно проста и не требует сложного оборудования);

• у меньшение тары вагонов путем применения легких сплавов (снижение сопротивление движению на 1 т полезной нагрузки);

• укладка бесстыкового пути (сопротивление от ударов на стыках);

• усиление верхнего строения пути (сопротивление от деформации пути);

• изменение плана и профиля пути.

4. Образование и реализация силы тяги.

4.1. Образование силы тяги при точечном контакте колеса и рельса.

Вспомним уравнение движения поезда в общем виде без учета взаимного перемещения вагонов внутри поезда:

.

здесь F – равнодействующая сил, действующих на поезд.

В общем случае равнодействующая сил, действующих на поезд, складывается из силы тяги локомотива, силы сопротивления движению и тормозной силы поезда:

.

Рассмотрим образование силы тяги локомотива. Рассмотрим образование силы тяги при абсолютно жестком колесе и рельсе, т.е. ни колесо, ни рельс при взаимодействии не испытывают деформацию и, как следствие этого, контакт колеса и рельса является точечным.

К ак известно, источником движения поезда при электрической тяге являются тяговые двигатели электровоза. Тяговый двигатель развивает вращающий момент М, который посредством редуктора 3-4 передает его на колесную пару 1. При этом происходят потери. Обозначив потери на трение как М_тр, а потери на преодоление момента инерции – М_ин, можно записать

.

Как известно из курса физики, момент на ободе колеса можно заменить парой сил с плечом D_к/2. Сила F_к1 приложена в точке опоры колеса на рельс (точка А) и направлена в противоположную сторону по отношению к направлению движения. Эта сила стремиться переместить точку А против движения колеса. Под воздействием силы давления колеса на рельс G_к, как реакция рельса на силу F_к1, в точке контакта возникает внешняя по отношению к колесу сила F_сц, которая равна по модулю силе F_к1 и направлена противоположно последней. Эта сила препятствует перемещению точки А. Точка А оказывается как бы зафиксированной относительно рельса и называется мгновенным центром поворота.

С ила F_к2, приложенная к точке 0 стремиться переместить ее в направлении движения. Для пояснения рассмотрим мгновенную схему. Возьмем бесконечно малое сечение колеса ds в вертикальной плоскости. При этом сечение можно представить как стержень с шарнирно закрепленным концом в точке А. сила F_к2, приложенная к точке 0 стремиться повернуть стержень по часовой стрелке. Точка 0 перемещается на бесконечно малое расстояние dx. За счет конечности диаметра колеса точка А за тот же промежуток времени переместится относительно рельса, т.е. возникнет новый мгновенный центр поворота. Следовательно, в следующий момент времени необходимо рассматривать новое сечение с новым центром поворота.

Таким образом, вследствие действия внешней силы F_сц в точке опоры колеса на рельс, мгновенный центр поворота непрерывно перемещается вдоль рельса, а геометрический центр колеса получает поступательную скорость V, которая является скоростью движения электровоза.

Следовательно, внешняя сила F_сц является той силой, благодаря которой вращающий момент ТД реализуется в виде силы F_к, приложенной к центру колеса и сообщающей поступательное движение колесу, а вместе с ним и всему поезду.

Сила тяги всего электровоза в первом приближении равна сумме сил тяги всех обмоторенных осей. однако следует учитывать, что при неустановившемся движении сила тяги выполняет работу не только на преодоление сил трения и сообщения ускорения поезду, но и на сообщение ускорения вращающимся частям поезда. Т.е. можно записать

F_у = F_к – F_ин.вр.

Силы инерции вращающихся частей F_ин.вр пропорциональны моменту инерции вращающихся частей и обратно пропорциональны радиусу инерции. Следовательно, справедливо выражение

.

Здесь учтены только моменты инерции немоторных колесных пар, т.к. моменты инерции обмоторенных колесных пар и якорей ТД учтены в формуле для М_к.

Тяговая характеристика является нелинейной функцией скорости. Поэтому для оценки тяговых и тормозных свойств ЭПС существует понятие жесткости тяговой характеристики

.

Знак "плюс" соответствует тяговому режиму, знак "минус" – электрическому торможению. Величина жесткости прежде всего зависит от системы возбуждения ТД.

Понятие "жесткость" позволяет определить изменение силы тяги со скоростью в виде приращения

dF = (V)dV.

Э то соотношение позволяет решать практические задачи по оценке тяговых и тормозных свойств ЭПС в различных условиях. Например, можно определить, насколько изменяются тяговые свойства локомотива вследствие разброса тяговых характеристик двигателей. Зная зависимости F(M), M(Ф), Ф(I), I(r) можно записать:

,

т.е. жесткость тяговой характеристики равна произведению жесткостей всех ее составляющих. Нелинейность зависимости силы тяги от момента на валу ТД определяется нелинейной зависимостью потерь в тяговой передаче.