1.3 Сцепление колес с рельсами, ограничение силы тяги по условиям сцепления

Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила Ро (рис.2), с которой колесная пара давит на рельс. Сцепление, необходимо для реализации силы тяги, можно получить лишь при условии, что некоторая доля этой силы Ро будет больше силы тяги Fкд , развиваемой данной колесной парой. Эту зависимость выражают неравенством Fкд ≤ Ро φк , где φк – коэффициент сцепления.

Таблица 1

Если сила тяги Fкд превысит произведение Ро φк, то сцепление нарушится, колесо начнет проскальзывать по рельсу, при этом сила сцепления резко уменьшится, колесо как бы лишится упора и начнет вращаться все быстрее. Это явление называют боксованием. При нем вращающий момент, развиваемый двигателем и реализуемый колесной парой, падает (из-за уменьшения тока и коэффициента сцепления) и сила тяги снижается, что прежде всего вызывает уменьшение скорости движения поезда, возможно также и нарушение коммутации ТЭД.

Чтобы определить наибольшую допустимую силу тяги электровоза, необходимо знать значение коэффициента сцепления. Коэффициент сцепления зависит от многих факторов: состояния поверхности рельсов (масляные пятна, торфяная или угольная пыль, листья уменьшают сцепление, песок – увеличивает); общего состояния пути; радиуса кривой и возвышение рельсов на кривых. При небольшом дожде коэффициент сцепления снижается, при сильном дожде, смывающем грязь с рельсов уменьшения коэффициента сцепления нет.

На коэффициент сцепления влияют факторы, зависящие от состояния электровоза. Так, повышенный прокат бандажей, разность в диаметрах по кругу катания комплекта колесных пар или колес одной колесной пары, большие поперечные разбеги колесных пар, различие жесткости рессор и пружин, неудачный подбор ТД по характеристикам ухудшают сцепление, особенно с ростом скорости движения.

Подсчитывают коэффициент сцепления обычно по формулам, выведенным после многочисленных опытов в различных условиях (таблица 1).

Как можно видеть из таблицы 2, коэффициент сцепления у электровозов переменного тока до скорости 50 км/ч выше, чем у электровозов постоянного тока. Это обусловлено соединением ТД: у переменника – параллельно, а у постоянника – последовательно или последовательно – параллельно.

Улучшение сцепных свойств электровозов зависит от их состояния, качества ремонта и тех. обслуживания, качества песка и мастерства машиниста при управлении электровозом на больших токах и плохой погоде.

1.4 Последствия боксования колесных пар, предупреждение и прекращение боксования

Боксование электровозов – явление частое и довольно опасное. Оно возникает, когда сила тяги превысит силу сцепления колес с рельсами, что приводит к уменьшению силы тяги. Сильное боксование может вызвать механические или электрические повреждения деталей и узлов электровоза.

Причины механических и электрических повреждений и их последствия. При возникновении боксования коэффициент сцепления резко падает, т.к. трение покоя заменяется трением скольжения, и под действием значительного вращающего момента двигателя увеличивается частота вращения якоря и колесной пары. Вследствие этого под влиянием центробежной силы проводники обмотки якоря начинают растягивать скрепляющие их бандажи, пластины коллектора увеличивают давление на миканитовые манжеты конусов якорей. Чем дальше от оси вращения расположена та или иная деталь, тем сильнее действует на нее центробежная сила. Частота вращения якоря может превысить допустимое значение, предусмотренное при создании двигателя, что может привести к полному ее разрушению. Проскальзывание колес приводит к быстрому износу бандажей и рельсов, а также к образованию пропилов на рельсах.

Очень опасно резкое прекращение боксования, например подачей большого количества песка. В этом случае большая часть кинетической энергии отдельных деталей превращается в энергию удара, а в результате чего повреждаются изоляция обмотки якоря, ее крепления в пазах, зубья передачи. Корпус ТД с опорно – осевым подвешиванием в этот момент как бы приседает или подпрыгивает, поворачиваясь вокруг оси колесной пары. В результате этого может произойти излом деталей подвески ТД, проворот бандажей и другие повреждения механической части электровоза.

Не менее серьезны последствия электрических повреждений, возникающих в результате нарушения коммутации. Нарушение коммутации и, как следствие этого, круговой огонь на коллекторе «боксующего» двигателя возникают из-за значительного снижения времени коммутации тока в витках обмотки якоря. В большей мере это относится к двигателям электровозов переменного тока, у которых коммутация и без того осложнена пульсацией тока в обмотках полюсов и якоря.

Повышенное напряжение на коллекторе «боксующего» двигателя вызывает увеличение напряжение между соседними коллекторными пластинами, что вызывает повышенное искрение под щетками и как следствие – круговой огонь. На электровозах переменного тока круговой огонь приводит к короткому замыканию тягового трансформатора (рис.3) и протеканию по его обмоткам и через ВУ значительного тока, опасного для всех элементов цепи.

Рис.3 Круговой огонь якоря Рис.4 Короткое замыкание якоря

При запыленном и влажном воздухе внутри двигателя или грязных изоляторов пальцев кронштейнов щеткодержателей дуга перебрасывается на остов ТД, что на электровозе вызывает короткое замыкание вторичной обмотки тягового трансформатора (рис.4) через остов ТД. При нечеткой работе защиты может произойти сильные повреждения ТД, ВУ и тягового трансформатора.

Обнаруживают боксование по загоранию сигнальных ламп, характерному звуку, колебанию стрелки амперметра ТД в сторону понижения тока.

Меры предупреждения и прекращения боксования. Предотвратить боксование значительно легче, чем прекратить его. Чтобы предотвратить боксование, применяют песок для повышения сцепления колес с рельсами. Подавать песок следует часто, но малыми порциями, т.е. импульсно. Длительная подача песка, также большими порциями, приводит к увеличению сопротивления движению.

Подавать песок нужно при входе в кривую и проследование ее, на прямых участках пути в сырую и снежную погоду, при изморози, гололеде, листопаде, торфяной и угольной пыли на рельсах, особенно при больших токах двигателей. Когда поезд подходит к месту, где возможно возникновение боксования, целесообразно применять вспомогательный локомотивный тормоз одновременно с подачей песка, чтобы очистить тормозными колодками поверхность бандажей от грязи и масла. Давление воздуха в тормозных цилиндрах не должно превышать в этом случае 0,01 – 0,02 Мпа.

В случае возникновения боксования уменьшают ток ТД, переходя на более низкую позицию или отключении ослабления поля.

Для борьбы с начавшимся разносным боксованием можно рекомендовать притормаживание колес вспомогательным тормозом с давлением в тормозных цилиндрах 0,1 – 0,15 Мпа. Сильное и длительное торможение снижает силу тяги и поэтому не допустимо, возможно также юз колес, нагрев баедажей, перегрузка током двигателей и ВУ. После прекращения боксования постепенно восстанавливают прежний режим работы ТД.