Основное сопротивление движению

Основное сопротивление движению зависит от многих факторов, поэтому теоретическим путем определить значение основного сопротивления движению очень сложно. Представим его в виде двух составляющих: основного сопротивления движению, обусловленная трением в подшипниках подвижного состава, трением качения и скольжения колес по рельсам или дороге, деформацией пути и сопротивление воздушной среды при отсутствии ветра:

W₀ = W_{о тр} +W_{о аэр},

Сопротивление движению от трения. Наиболее су­щественной является величина W_{o тр}, состоящая из суммы сопротивления движению от трения в подшипниках подвижного состава, качения и скольжения колес по рельсам или дороге и сопротивление движению от деформации пути:

.

Сопротивление трения в подшипни­ках. Силы трения в буксах колесных пар, в под­шипниках тяговых электродвигателей и передаточных механизмах зависят от коэффициентов трения и давления между трущимися поверхностями.

В момент трогания подвижного состава сопротивление воздушной среды, сопротивление движению со стороны пути будут равны нулю и все сопротивление движению будет сосредоточено в подшипниках. Особенно суще­ственна эта величина в подшипниках скольжения, так как в состоянии покоя между шейкой и вкладышем отсутствует жидкостная пленка, особенно после длитель­ной стоянки. В этом случае в момент трогания поезда движение шейки в подшипнике скольжения начинается при сухом трении, которому соответствует наибольшее значение коэффициента трения.

Затем, когда шейка оси приходит во вращение, она захватывает смазку. Начинается образование жидкостной пленки между вкладышем и шейкой и появление так назы­ваемого масляного клина, что способствует уменьшению коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит также от температу­ры окружающего воздуха. При низкой температуре вязкость смазки увеличивается, что приводит к увеличению коэффициента тре­ния и соответственно сопро­тивления движению в момент трогания поезда после дли­тельной стоянки. При высо­кой температуре вязкость смазки уменьшается. Поэто­му в зимнее время следует применять менее вязкие сма­зочные материалы, в лет­нее время - наоборот.

При роликовых подшип­никах составляющая сопро­тивления от трения будет меньше, так как коэффициент трения роликовых подшипников значительно меньше, чем у подшипников скольжения. Кроме того, при трогании подвижного состава, оборудованного ролико­выми подшипниками, не происходит заметного увели­чения коэффициента трения и, следовательно, сопро­тивления движению.

При трогании с места сопротивление от трения в роликовых буксах составляет около 10% соответствую­щего сопротивления букс со скользящими подшипни­ками и в меньшей степени зависит от продолжитель­ности стоянки поезда. Это является важным преиму­ществом роликовых подшипников.

Сопротивление от трения в буксах вагонов, осевых подшипниках колес троллейбуса зависит от отношения внутреннего диаметра подшипника к диаметру круга качения колеса, нажатия на шейку оси, коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит от материалов, из которых изготовлены шейки и подшипники, способа подачи масла к трущимся поверхностям, смазки, температуры окружающего воздуха.

В пределах эксплуатационных скоростей коэффициент трения φ для подшипников скольжения в среднем равен 0,005 - 0,01 и для роликовых подшипников - 0,001- 0,002. Этим ориентировочным значениям коэффициента трения соответствуют удельные значения основного сопротивле­ния движения от трения подвижного состава с подшипни­ками скольжения, равные 0,5 - 1,0 Н/кН, и с роликовыми подшипниками, равные 0,1 - 0,2 Н/кН.

Сопротивление от трения качения W_к. При качении колеса вдоль рельса или дороги под дейст­вием силы нажатия колеса на рельс происходит упругая деформация бандажа и рельса или колеса и дороги. Ко­лесо и рельс непрерывно меняют свою форму и снова ее восстанавливают. Сопротивление от трения качения коле­са зависит от нажатия колеса на рельс или дорогу, ра­диуса круга качения колеса, а также площади опорной поверхности колеса, причем, чем больше эта площадь, тем выше потеря энергии и, следовательно, значение сопротив­ления движению.

Для рельсового транспорта площадь опорной поверх­ности определяется твердостью материала, из которого изготовлены бандажи колес и рельсы, профилем бандажа и головки рельса. Для безрельсового электрического транспорта с резиновыми колесами (пневматическими баллонами) площадь опорной поверхности колеса зависит от давления в баллонах, формы и состояния поверхности колес, а также от материала покрытия дороги. Удельное сопротивление движению от трения качения на рельсовом транспорте равно 0,2 - 0,4 Н/кН. На безрельсовом транс­порте оно значительно выше.

Сопротивление от трения скольжения W_ск. В процессе движения подвижного состава одновре­менно с качением неизбежно и проскальзывание колес относительно рельсов. Это трение обусловлено различием диаметров кругов качения колес, закрепленных жестко на одной оси, конусностью бандажей, а также неровностью пути. Поэтому колесная пара при своем движении прос­кальзывает как вдоль, так и поперек рельса. На безрель­совом транспорте также происходит проскальзывание колес относительно пути.

На преодоление сил трения при проскальзывании затрачивается энергия, которая и определяет составляю­щую сопротивления движению от скольжения W_ск. Подсчитать эту энергию сложно, так как при этом необ­ходимо учесть множество факторов.

Основными из них являются скорость движения, конструкция ПС, износ бандажей и рельсов. На рельсовом транспорте составляющая удельного сопротивления движению от скольжения колес не превышает 0.2 – 0.4 Н/кН.

Сопротивление движению от деформации пути. Так как строение пути неоднородно и обладает переменной упругостью, то при движении ПС имеют место его деформация и просадка. В свою очередь эти неровности пути вызывают колебания в отдельных элементах ПС, которые усиливают деформа­цию пути. Сопротивление движению от неровностей пути для рельсового транспорта при сварных стыках и хорошем состоянии пути незначительно. При плохом сос­тоянии и содержании пути эта составляющая сопро­тивления движению значительно увеличивается. На без­рельсовом транспорте это сопротивление зависит от не­ровностей пути по траектории качения колеса, от скорости движения.

Зависимость W_{о тр} от скорости движения. В результате экспериментальных исследований была установлена зависимость составляющей основного сопротивления движению, обусловленной силами трения W_{o тр} от скорости движения которую можно представить в виде W_{o тр} = А + Вv, где А и В - постоянные, которые зависят от конструкции буксы, конст­рукции пути и типа колесной пары.

Если движение начинается с нулевой скорости, то при низких скоростях наблюдаются высокие значения основ­ного сопротивления движению от трения, это явление объясняется выдавливанием смазки как в буксах с под­шипниками качения, так и в буксах с подшипниками скольжения. В последних начальное значение сопротив­ления движению от трения значительно выше.

При расчетах увеличением основного сопротивления движению при v = 0 пренебрегают, так как в эксплуатации оно преодолевается за счет значительного запаса силы тяги, которым обладает, как правило, подвижной состав городского электрического транспорта (ГЭТ).

Сопротивление воздушной среды W_{o аэр}. При движе­нии подвижной состав испытывает сопротивление воз­душной среды. При этом, с одной стороны, происходит непосредственное трение воздуха о наружные поверхности подвижного состава. С другой стороны, воздушные массы получают ускорение от лобовой и хвостовой поверхностей поезда, а также от неровностей его боковых поверхностей. Массы воздуха получают ускорение и накапливают ки­нетическую энергию, которая в дальнейшем расходуется на трение между отдельными слоями воздуха.

Аэродинамическими исследованиями движения тела неизменяемой формы в воздухе установлено, что при пос­тоянной скорости движения составляющая основного соп­ротивления W_{o аэр} приблизительно пропорциональна произ­ведению квадрата скорости на площадь поперечного се­чения подвижного состава S:

где С_х — коэффициент обтекаемости, который определяется, как правило, опытным путем.

Для подвижного состава небольшой длины характер­ным размером S является наибольшая площадь попе­речного сечения кузова головного вагона.

Как показали проведенные исследования, от формы движущегося тела при одной и той же площади его поперечного сечения существенно зависит сопротивление воздушной среды. Путем изменения формы кузова можно в значительной степени снизить коэффициент обтекаемос­ти. Этим самым можно уменьшить сопротивление движе­нию и, следовательно, расход электрической энергии.

Следует отметить, что составляющая W_{0 аэр} при отно­сительно низких скоростях движения (до 40 - 50 км/ч) мала по сравнению с W_{o тр}. Поэтому на городском транс­порте обтекаемые формы (с хорошей аэродинамикой) придают только скоростному подвижному составу.

Для подземных линий метрополитена условия взаимо­действия подвижного состава и воздушной среды отли­чаются от условий для наземного транспорта. Двигаясь в тоннеле, поезд выталкивает воздух подобно поршню в насосе. При этом перед поездом возрастает давление воз­духа, а позади его образуется разрежение. Одновременно воздух перемещается навстречу движению поезда по зазору между ним и стенками тоннеля, что создает относитель­но большое сопротивле­ние движению, даже при низких скоростях движения.

Для подземных ли­ний метрополитена со­противление от взаимо­действия поезда и воз­душной среды в тоннеле является составляющей ос­новного сопротивления движению. Для наземного городского транспорта сопротивление воздуха в тон­неле относится к дополнительному сопротивлению дви­жения.