Образование тормозной силы

Для торможения подвижного состава к нему должны быть приложены внешние силы от неподвижных рельсов. Действие этих сил должно быть направлено против направления движения поезда.

Рис.1. Образование тормозной силы

Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Т между колодкой и колесом, которая действует от колодки на колесо против его вращения, т. е. стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Т не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду - колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним. Сила трения Т вызывает тормозной момент Мт, направленный против вращения колесной пары. В точке А контакта колеса с рельсом тормозной момент раскладывается на две составляющие – это силу сцепления колеса с рельсом В=Т и тормозную силу Вт. Под действием внутренней силы Т колесо начинает «цепляться» за рельс в точке контакта А. Возникает сила сцепления колеса с рельсом В, равная по величине силе Т. Сила В стремится сдвинуть рельс за собой по ходу движения поезда. Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным. В свою очередь, неподвижный рельс тормозит катящееся по нему колесо с силой В_т, являющейся реакцией рельса на силу В. Сила В_т является внешней силой по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой. Величина этой силы равна силе трения и зависит от коэффициента трения и силы нажатия.

В_т = Т = φк К

где: φк – коэффициент трения тормозной колодки;

К– сила нажатия тормозной колодки;

Отношение силы трения к силе нажатия называется коэффициентом трения и обозначается в тормозных расчетах φк.

На графике видно зависимость расчетных значений коэффициентов трения чугунных (кривая 1) и композиционных (кривая 2) тормозных колодок от скорости поезда.

Основными факторами, влияющими на величину коэффициентов трения, являются скорость движения, удельная сила нажатия колодки на колесо и материал колодки. Из графика видно, что с уменьшением скорости коэффициент трения увеличивается. По мере уменьшения скорости машинист ощущается усиление тормозного эффекта, т.е. замедление поезда, особенно при чугунных колодках. С увеличением силы нажатия К коэффициент трения φк снижается, но это не значит, что с ростом силы нажатия К сила трения Т уменьшается - она увеличивается, но не пропорционально К.

Из сравнения графиков коэффициентов трения чугунных и композиционных колодок видно, что у композиционных колодок коэффициент трения выше, а сами графики более пологие. Интенсивность снижения коэффициента трения при увеличении скорости значительно меньше.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что коэффициент трения φк зависит от следующих факторов:

1. Скорости движения поезда;

2.Материала изготовления колодок (чугунные, композиционные, чугунно-фосфорные);

3. Толщины тормозных колодок;

4. Температуры окружающего воздуха;

5. Погодных условий;

6.Состояния поверхности трения тормозной колодки и колеса

Рис.2. График изменения коэффициента трения колодок

1. Чугунная колодка

2. Композиционная колодка

Под действием нагрузки и тормозной силы в точке соприкосновения вращающегося колеса с рельсом возникает сила сцепления, как реакция рельса. Сила сцепления равна произведению величины нагрузки, воспринимаемой колесом, на коэффициент сцепления.

В_с = Р φ_с

где: Р - осевая нагрузка;

φ_с - коэффициент сцепления между колесом и рельсом;

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

Коэффициент сцепления также показывает, какую часть от нагрузки на колесо составляет сила сцепления.

Коэффициент сцепления зависит в основном от осевой нагрузки, состояния поверхностей колеса и рельса, скорости движения, площади контакта, типа тягового привода и может изменяться в широких пределах (0.04 - 0.30). Снижается при моросящем дожде, образовании на рельсах инея или при загрязнении рельсов нефтепродуктами, смазкой, торфяной пылью. Наиболее высокие его значения получаются при сухих и чистых рельсах, а также при наличии на них тонкого слоя сухого чистого песка. Простым и эффективным способом повышения коэффициента сцепления является подача песка под колесные пары.