6.2 Сила тяги локомотива

Сила тяги создается локомотивом. Рассмотрим процесс образования силы тяги локомотива. Около каждой оси любого локомотива установлен электрический тяговый двигатель, вал которого находится в зубчатом зацеплении с осью локомотива. На валу двигателя возникает вращающий момент М₁, который с помощью зубчатых колес создает на оси колесной пары локомотива движущий момент М₂. (рис 6.2) [6].

Заменим момент М₂ парой сил F₁ и F_2. Сила F₂ приложена от колеса к рельсу к точке 0. На основании третьего закона механики в точке 0 возникает сила F^/_к, приложенная от рельса к колесу и направленная в противоположную сторону. Сила F^/_к является силой тяги одной оси локомотива.

1-вал тягового электродвигателя; .

2-ось колесной пары локомотива;

3-зубчатые колеса

Рисунок 6.2 - Схема образования силы тяги локомотива.

Сила тяги локомотива F_к равна произведению числа его осей m на силу тяги одной оси, т.е. F_к= F^/_кm.

Сила тяги F_к называется касательной силой тяги и зависит от скорости F_к= f(υ). Эта зависимость устанавливается опытным путем. Сила тяги F_к не должна превышать силы сцепления колес локомотива с рельсами F_к(сц).

Сила сцепления колес одной оси с рельсами F^/_к(сц) равна произведению силы нормального давления одной оси р на коэффициент сцепления ψ_к, т.е. F^/_к(сц) = р ψ_к. Это равенство тождественно закону трения Кулона, а коэффициент сцепления по своей природе аналогичен коэффициенту трения.

Сила сцепления всех колес локомотива с рельсами F_к(сц)= m F^/_к(сц)=mрψ_к.

Произведение mр равно массе локомотива Р, в данном случае вес -G, поэтому

F_к(сц)= 1000 Gψ_к., (6.5)

где ψ_к -коэффициент сцепления, в зависимости от скорости определяется:

ψ_к= a+b/(c+d υ). (6.6)

Конкретное значение коэффициентов a, b, c и d зависит от типа локомотива. Формулы для определения ψ_к приведены ПТР. Сила тяги локомотива должна быть ограничена значением F_к(сц), определяемым по формуле (6.5), иначе возникает буксование (вращение колес на месте).

График зависимости силы тяги локомотива от скорости называется тяговой характеристикой. В качестве примера на рис.6 даны тяговые характеристики электровозов постоянного и переменного тока и тепловоза. На тяговых характеристиках показаны зависимости F_к= f(υ), и ограниченная по сцеплению F_к(сц)= φ(υ). Тяговая характеристика – основной документ, определяющий зависимость силы тяги локомотива от скорости.

Рисунок 6.3 - Тяговые характеристики электровозов ВЛ10 (а), ВЛ80^р (б) и тепловоза 2ТЭ116 (в)

6.3 Силы сопротивления движению поезда

Силы сопротивления движению поезда складываются из основных и дополнительных сил[6].

К основным силам сопротивления движению отнесены:

- сопротивление движению локомотива;

- сопротивление движению вагонного состава;

- сопротивление движению при трогании с места

Дополнительное сопротивление движению будет складываться из:

- сопротивление движению от уклона (продольная составляющая веса поезда)

- сопротивление движению в кривых.

Основное удельное сопротивление движению локомотива :

в режиме тяги

w'₀ = а₀ + а₁ V + a₂ V² (6.7)

в режиме холостого хода

wх = b₀ + b₁ V + b₂ V², (6.8)

где: а0. а1. a2. b0. b1. b2 - коэффициенты зависящие от конструкции пути.

- V, км/ч – скорость движения локомотива.

Основное удельное сопротивление движению вагонов :

Основное удельное сопротивление движению порожних 4-х и 6-и осных вагонов:

w^"₀ = а + b V + c V² (6.9)

Основное удельное сопротивление движению грузовых 4-х и 6-и осных вагонов, если масса приходящаяся на ось q₀ › 6т, грузовых 8-и осных и пассажирских вагонов:

w^"₀ = а + (b+c V + d V²)/ q₀ , (6.10)

где - а,b,c,d –коэффициенты, зависящие от типа вагонов, типа подшипников, конструкции пути - рекомендуются ПТР

Средневзвешенное основное удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги:

w₀ = (w'₀ P+ w^"₀ Q) /P+Q (6.11)

Средневзвешенное основное удельное сопротивление движению поезда в режиме холостого хода:

w₀ = (w'х P+ w^"₀ Q) /P+Q (6.12)

Удельное сопротивление движению состава при трогании с места:

w_тр = а /( q₀ +7) (6.13)

где а - коэффициент учитывающий тип подшипников.

Для вагонного состава с подшипниками скольжения а = 142

Для вагонного состава с подшипниками качения а = 28

При вагонном составе с различными типами подшипников значение а рассчитывается.

Сопротивление движению от уклона (продольная составляющая веса поезда)

Рисунок 6.4 - К определению составляющей веса поезда I

Рассмотрим поезд, движущий по наклонному участку (рис.6.4). Разложим вес поезда G по правилу параллелограмма на две составляющие: перпендикулярную к оси пути N и продольную оси пути I. Продольная составляющая веса поезда I препятствует движению поезда на подъем и способствует – на спуск.

Как следует из рис. 6.4 величина I = G sin α.

Поскольку угол α мал, sin α можно заменить tg α, тогда I = G tg α, но

tg α = h/l. Поэтому I = G h/l. Отношение h/l называется уклоном и обозначается через i, т.е. i = h/l. С учетом последнего I = G i.

Удельная составляющая веса поезда

i = I/ G. (6.14)

Поскольку вес состава G в тоннах сил численно равен массе состава (P + Q) в тоннах, то i = I/ (P + Q) g, т.е. (6.4).

Следовательно, удельная продольная составляющая веса поезда I численно равна уклону.

Слагаемые силы тяжести препятствует движению поезда на подъем, поэтому ее называют также сопротивлением от уклона и обозначают w_i;

w_i = i. (6.15)

Это название не соответствует своему существу при движении поезда на спуск. Поэтому правильнее силу I называть так, как это принято в механике, - продольной составляющей веса поезда.

Сопротивление движению в кривых:

При S_кр ≥ L_п

w_r = 700/R (6.16)

где R – радиус кривой,м;

S_кр – длина кривой,м;

L_п – длина поезда,м.

При S_кр < L_п

w_r = 700/R * S_кр / L_п (6.17)

определим, что S_кр = ΠRα/180⁰, тогда

w_r = 12,2 α / L_п (6.18)

где α – угол поворота кривой.

Суммарное (общее) сопротивление движению:

W_к = W₀ + W_i + W_r = (w₀ + w_i + w_r) (P + Q) g = w_k (P + Q) g. (6.19)