2. Тормозная сила

Образование тормозной силы (рисунок 1.1).

Если к катящемуся по рельсу колесу нагруженному силой P_k прижать ТК с силой K, то между поверхностью касания колеса и колодкой возникает сила трения B

, (1)

где - коэффициент трения между колодкой и колесом.

R - радиус колеса; P_k - осевая нагрузка; K - сила нажатия колодки;

В - сила трения; B_t - тормозная сила; а - точка контакта колеса с рельсами.

Рисунок 1.1 – Схема сил, действующих на колесо

Со стороны колеса на колодку и далее на подвеску, раму и буксу действует реактивная сила равная силе B и противоположно направленная. Сила B является внутренней силой по отношению к колесу и не может сама произвести торможение. Эта сила создает момент , который направлен против вращения колеса.

Под действием этого момента в точке а создается сила B_T, которая действует на рельс со стороны колеса и стремится сдвинуть его. Данная сила является внешней, численно равна силе B и направлена в обратную сторону движению. Сила В_Т – тормозная сила

, (2)

Момент силы трения М_Т, направленный против вращения колеса, называется тормозным моментом

. (3)

Таким образом, тормозная сила реализуется в точках контакта колес с рельсами.

Коэффициент сцепления и коэффициент трения.

Качение колеса по рельсу без проскальзывания происходит за счет силы сцепления В_с, действующей со стороны рельса на колесо в точке их контакта

, (4)

где - коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления – это отношение максимально возможной силы сцепления к действительной нагрузке колеса на рельс. Он зависит от:

• состояния поверхности рельсов и колес;

• нагрузки колеса на рельс, изменяющейся в процессе движения вследствие неровностей пути;

• разгрузки колес;

• скорости движения и т.п.

Простым и эффективным способом повышения коэффициента сцепления является подача песка под колеса.

Между соприкасающимися поверхностями двух тел возникает сила трения, которая препятствует движению этих тел или затрудняет его. Величина силы трения ТК зависит от силы нажатия колодки и коэффициента трения (формула (1)). Коэффициент трения показывает, какую часть от силы нажатия составляет сила трения. Коэффициент трения ТК зависит от многих факторов:

• материала колодки;

• скорости движения;

• удельного давления колодки;

• материала колеса;

• состояния рельсов и т.п.

Зависимость коэффициента трения ТК от скорости представлена на рисунке 1.2.

1 – чугунные ТК, 2 – чугунные фосфористые ТК, 3 – композиционные ТК

Рисунок 1.2 – Зависимость коэффициента трения ТК от скорости

Между тормозной силой и силой сцепления существует строго определенная зависимость: для вращения заторможенного колеса необходимо, чтобы тормозная сила не превосходила силу сцепления его с рельсом. Нарушение этой зависимости ведет к заклиниванию колесной пары колодками, и тогда она начинает скользить по рельсам (идет юзом).

Юз колесной пары может привести к образованию больших ползунов на колесах, а также к сдвигу металла на поверхности качения (появление навара). В зимнее время несвоевременно обнаруженный ползун может привести к появлению трещин в рельсах. Кроме того, возникшая в результате скольжения колес по рельсам сила трения будет в 2-3 раза меньше тормозной силы. Следовательно, при движении юзом не только повреждаются колеса и рельсы, но и в несколько раз снижается эффективность торможения.

Поэтому максимальное значение тормозной силы ограничивается условиями сцепления колес с рельсами.

На соотношение тормозных сил и сил сцепления влияют следующие факторы:

• загрязнение рельсов и колесных пар;

• примерзание ТК к колесным парам в зимнее время при длительной стоянке;

• полное служебное или экстренное торможение (срыв стоп-крана), при повышенном давлении в ТМ пассажирского поезда;

• неисправный на вагоне ВР или ТЦ;

• несоответствие включения режимов ВР;

• малый или большой выход штока ТЦ;

• установка композиционных ТК на вагон, не оборудованный под них.

• большие утечки в тормозной магистрали, которые приводят к увеличению тормозной силы и замедленному отпуску;

• замерзание тормозных приборов;

Тормозной путь и его определение.

Тормозным путем называется расстояние, проходимое поездом с момента постановки ручки КрМ (или стоп крана) в тормозное положение и до полной остановки. Измеряется при экстренном положении.

На тормозной путь основное влияние оказывают следующие факторы:

• скорость поезда в начале торможения;

• профиль пути;

• состояние пути и погодные условия;

• масса и длина поезда;

• обеспечение поезда тормозами и тип тормозной системы;

• режим торможения.

При расчетах тормозной путь условно делят на две части:

1. Подготовительный тормозной путь. Принимается, что за время прохождения подготовительного пути тормоза в действие еще не пришли.

2. Действительный тормозной путь. Принимается, что все тормоза состава начинают действовать одновременно и с максимальной силой.

Для ускорения расчетов составлены номограммы (или таблицы) тормозных путей пассажирских и грузовых поездов при экстренных торможениях с разных скоростей движения для спусков разной крутизны в зависимости от расчетного тормозного коэффициента.

Зависимость между действительной и расчетной силами нажатия ТК.

Между действительной силой нажатия ТК и расчетной существует определенная зависимость. Чтобы подсчитать величину расчетной силы нажатия, по которой определяется обеспеченность поезда тормозами, необходимо знать действительную силу нажатия.

Действительная сила нажатия определяется размером ТЦ, давлением воздуха в нем, усилием отпускной пружины, передаточным числом ТРП.

Чтобы по имеющемуся значению действительной силы нажатия ТК найти расчетную силу, можно воспользоваться готовыми формулами. В ряде случаев удобнее пользоваться графиками, составленными по этим формулам.

Для эксплуатируемого подвижного состава с автоматическими тормозами приняты определенные расчетные силы нажатия ТК (в пересчете на чугунные) на ось пассажирских и грузовых вагонов (приведены в Инструкции ЦТ-ЦВ-ЦЛ-ВНИИЖТ/277).