2. Образование силы тяги локомотива

Силы, действие которых может вызвать изменение скоро­сти движения транспортного средства, предназначенного для перевозки пассажиров или грузов, можно разделить на следу­ющие группы:

1. Сила тяги. Является движущей и под ее действием транспортное средство движется в нужном направлении.

2. Силы сопротивления движению. Возникают при движе­нии транспортного средства и направлены навстречу движе­нию.

3. Тормозная сила. Представляет собой искусственно соз­даваемую силу сопротивления движению.

Сила тяги, необходимая для перемещения какого-либо транспортного средства, может быть создана разными спосо­бами. У самолетов и судов сила тяги образуется за счет от­брасывания в сторону, противоположную движению, масс воз­духа или смеси воздуха и газообразных продуктов сгорания или воды. Такой же эффект у ракетного двигателя достигает­ся при истечении газа, образующегося в результате химиче­ской реакции между топливом и окислителем, из его сопла. У автомобилей и локомотивов сила тяги образуется при взаи­модействии колес с опорной поверхностью дороги или рельса.

Локомотивные колеса жестко насажены на ось. Устройст­во, содержащее ось и два колеса, жестко насаженных на нее, называют колесной парой.

На рис. 2.1 показано колесо колесной пары локомотива, на которое действует вертикальная сила Р от веса и к которо­му приложен вращающий момент М. Заменим М экви­валентной парой сил F₁ — F₂ с плечом D/2, т. е.

F₁=F=2М / D.

Сила F₂ представляет собой активную силу, воздействую­щую со стороны колеса на рельс. В соответствии с третьим за­коном Ньютона вследствие действия силы F₂ в точке А воз­никает равная ей и противоположно направленная сила воз­действия рельса на колесо F_КО. Силы F₂ и F_КО уравнове­шивают друг друга. Сила F₁, остающаяся неуравновешенной, и является силой тяги, развиваемой данным колесом.

Рис. 2.1. Схема образования силы тяги

Однако сила F₁ будет движущей только при наличии ре­акции рельса F_КО. Поэтому на практике за силу тяги коле­са принято считать силу F_КО, приложенную от рельса к ко­лесу. Эта сила, являясь внешней по отношению к колесу, создает упор колеса о рельс, без которого невозможно поступа­тельное движение локомотива. Так как сила F_КО приложена к ободу колеса по касательной, то ее называют касательной силой тяги. Сумму сил F_КО всех движущих колес локомоти­ва называют касательной силой тяги локомотива Fк.

Тяговой характеристикой локомотива называется зависимость касательной силы тяги F_К от скорости движения ло­комотива V.

Если увеличивать М, растет F₁ и соответственно F_КО. Сила F_КО представляет собой разновидность силы трения, и ее можно определить по формуле

F_КО = ψ_О P

(2.1)

где ψ_О — коэффициент сцепления между колесом и рельсом.

При постоянной Р увеличение F_КО происходит только за счет увеличения ψ_О.

Величина ψ_О зависит от многих факторов (формы и раз­меров поверхностей касания колеса и рельса, механических свойств материалов, из которых они изготовлены, степени чис­тоты рабочих поверхностей колеса и рельса и т. д.). При на­иболее благоприятных условиях может быть ψ_О^max = 0,38-0,42. При наиболее неблагоприятных условиях величина ψ_О^max может снижаться до 0,10-0,15.

До тех пор, пока соблюдается неравенство

(2.2)

колесо катится по рельсу без скольжения. При F₂>F_KO^max=Pψ_О^max только часть силы F₂ будет уравновешена си­лой F_KO^max. Под действием неуравновешенной части силы F₂, равной F_Д = F₂- F_KO^max = (2М/D) - Pψ_О^max , колесо будет вра­щаться ускоренно и двигаться по рельсу со скольжением. Та­кое движение колеса называют буксованием.

Буксование чрезвычайно вредное явление. С увеличением скорости скольжения колеса по рельсу уменьшается ψ_О^max и, следовательно, сила тяги, как в любом режиме движения F_ko = Рψ_О. Скольжение колеса по рельсу сопровождается большими износами их рабочих поверхностей. Наконец, при буксовании частота вращения колесной пары может достичь таких значений, при которых может быть поврежден ее при­вод.

Буксование прекращают путем уменьшения вращающего момента М, увеличения ψ_О за счет подачи кварцевого пес­ка в зону контакта колеса и рельса или одновременно и тем и другим.

Для предотвращения возникновения буксования необхо­димо всегда соблюдать условие (2.2), представляющее собой аналитическое выражение основного закона локомотивной тяги, словесная формулировка которого звучит так: активная сила, приложенная к ободу движущегося колеса, не должна превосходить максимальную силу сцепления.