1.1. Назначение тормозов подвижного состава и образование тормозной силы.

Назначение тормозов подвижного состава.

Для остановки поезда при движении его на прямом горизонтальном участке пути достаточно просто выключить тяговые двигатели локомотива (перевести гидропередачу в режим холостого хода), и через определенный промежуток времени поезд остановится благодаря естественным силам сопротивления движению поезда. Однако, в этом случае, за счет силы инерции поезд пройдет значительное расстояние, прежде чем остановиться. Для сокращения этого расстояния необходимо искусственно увеличить силы сопротивления движению поезда.

Устройства, применяемые в поездах для искусственного увеличения сил сопротивления движению, называются тормозными устройствами (тормозами), а силы, создающие искусственное сопротивление, — тормозными силами.

Тормозные силы и силы сопротивления движению гасят кинетическую энергию движущегося поезда. Наиболее распространенным средством для получения тормозных сил является колодочный тормоз, при котором торможение осуществляется прижатием колодок к вращающимся колесам, благодаря чему возникают силы трения между колодкой и колесом. При трении колодок о колеса происходит разрушение мельчайших выступов поверхности, а также молекулярное взаимодействие микронеровностей контактирующих поверхностей. Трение тормозных колодок можно рассматривать как процесс превращения механической работы сил трения в тепло.

Образование тормозной силы.

Если к катящемуся по рельсу колесу, нагруженному силой  (рис.1.1), прижать тормозную колодку с силой  , то между поверхностью катания колеса и колодкой возникнет сила трения  , где  — коэффициент трения между колодкой и колесом.

Рис.1.1

Со стороны колеса на колодку и далее на подвеску, раму и буксу действует реактивная сила, равная силе  и противоположно направленная.

Сила  по отношению к колесу является внутренней силой, которая сама по себе не может произвести торможение; она создает момент  , направленный против вращения колеса. Под действием момента  в точке а контакта колеса с рельсом возникает сила  , действующая на рельс со стороны колеса и стремящаяся сдвинуть его.

Внешняя сила  , действующая па колесо со стороны рельса, численно равная силе  и направленная в сторону, обратную движению, и является тормозной силой: .

Момент силы трения  , направленный против вращения колеса, называется тормозным моментом: . Таким образом, тормозная сила реализуется в точках контакта колес с рельсами.

1.2. Коэффициент сцепления и коэффициент трения.

Качение колеса по рельсу происходит за счет силы сцепления  действующей между ними и приложенной в точке контакта: 

где  — коэффициент сцепления.

Между колесом и рельсом на контактируемых площадях давление достигает 12 — 15 тыс. кгс/см². В зоне контакта происходит механическое вдавливание и молекулярное притяжение контактируемых поверхностей. Таким образом, сцепление колес с рельсами физически представляет процесс, при котором происходит преодоление механического зацепления и молекулярного притяжения контактируемых поверхностей. Коэффициент сцепления  , равный отношению максимально возможной силы сцепления к действительной нагрузке колеса на рельс, зависит от состояния поверхности рельсов и колес, от нагрузки колеса на рельс и скорости движения. Для грузовых вагонов при скоростях от 20 до 120 км/ч и нагрузке колесной пары на рельс от 6 до 22 тс (от 60 до 220 кН) коэффициент сцепления изменяется от 0,13 до 0,07 и для пассажирских при скоростях от 40 до 160 км/ч — от 0,14 до 0,09. Во время тумана, росы, при моросящем дожде, особенно при образовании на рельсах инея и загрязненных рельсах, коэффициент сцепления уменьшается и может быть менее 0,04. При сильном дожде, когда рельсы чистые, коэффициент сцепления остается таким же, как и при сухих рельсах. При входе колес в кривые участки пути и при выходе из них  уменьшается на 5-10%. Коэффициент сцепления повышается до   при подсыпке песка на рельсы и различных способах очистки их. Расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами определяется по формуле

;

где  - нагрузка от колесной пары на рельсы (осевая нагрузка), кН;

- функция скорости, параметры которой зависят от типа подвижного состава.

Значения расчетных коэффициентов сцепления для разных типов подвижного состава при скоростях движения, принимаемых для проверки отсутствия заклинивания колесных пар приведены в табл.1.1.

Таблица №1.1. Расчетные коэффициенты сцепления для различных типов подвижного состава.

Тип подвижного состава	Расчетная скорость, км/ч	Значение функции f(v)	Расчетный коэффициент сцепления при нагрузке от колесной пары на рельс, кН
			60	100	150	200	250
Пассажирские и изотермические вагоны, вагоны электро- и дизельпоездов	40	0,70	0,140	0,135	0,130	0,124	-
	120	0,55	0,110	0,107	0,102	0,097	-
	140	0,53	0,106	0,102	0,098	0,094	-
	160	0,51	0,101	0,097	0,094	0,090	-
Грузовые вагоны	20	0,71	0,131	0,125	0,121	0,116	0,110
	100	0,52	0,097	0,094	0,090	0,086	0,081
	120	0,47	0,092	0,090	0,085	0,081	0,070
Локомотивы	20	0,65	-	-	0,132	0,126	0,119
	100	0,49	-	-	0,097	0,093	0,088
	160	0,46	-	-	0,087	0,083	0,078

Величина коэффициента трения тормозной колодки зависит от многих факторов: материала колодки, скорости движения, удельного давления колодки, материала колеса, состояния рельсов и др. Коэффициент трения показывает, какую часть от силы нажатия составляет сила трения. Для чугунных стандартных тормозных колодок действительный коэффициент трения определяется из соотношения: ; где  — сила нажатия на колодку, кН;  — скорость движения поезда, км/ч. Для композиционных колодок используется соотношение: . На рис.1.2 и рис.1.3 приведены зависимости действительных коэффициентов трения чугунных и композиционных колодок от скорости движения при различных нажатиях на колодку.

Рис.1.2.

Рис.1.3.