Монография "ТЯГОВЫЕ РАСЧЕТЫ"

3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОЕЗД

3.2. Сила тяги

3.2.5. Сила сцепления


3.2.5.4. КОЭФФИЦИЕНТ СЦЕПЛЕНИЯ

 

[ТПДеев] Как было отмечено выше, сцепление имеет сложную физическую природу контактного молекулярно-механического взаимодействия колес с рельсами. Более того, локомотив представляет собой сложную динамическую нелинейную колебательную систему, подверженную возмущающим воздействиям случайного характера, что затрудняет численное определение сил, обусловливающих сцепление.

На устойчивость сцепления влияют многочисленные факторы, в т.ч. специфические для разных дорог: типы и параметры локомотивов и пути, их техническое состояние; режимы работы и скорости движения локомотивов и поездов; климатические и погодные условия и т.д. Наконец, расчет сцепления является также технико-экономической проблемой, которую решают с позиций противоречивых требований: с одной стороны, при повышении нагрузки от колесной пары на рельсы возрастают весовые нормы и провозная способность дорог, что повышает экономичность и производительность тяги, а с другой - возрастают разрушения рельсов, износ бандажей и рельсов, что снижает эффективность тяги и может повлечь сбои движения поездов. Например, известно, что 98% случаев излома рельсов происходит по контактным напряжениям. Скольжение колес на 90% определяет износ и срок службы бандажей колесных пар. По статистическим наблюдениям у электровозов на каждые 10 тыс. км пробега толщина бандажей уменьшается от 0.5 до 1.5 мм. Все это в совокупности порождает неопределенность и осложняет построение расчетной модели силы тяги по сцеплению, которая была бы достаточно достоверной по природе сцепления, универсальной по учету факторов, действующих на всей сети дорог, и, наконец, удовлетворяющей технико-экономическим требованиям.

[ТЭТ] В силу указанных причин коэффициент сцепления определяется опытным путем. Эти исследования имели цель установить численные значения коэффициента сцепления в различных условиях, изучить наиболее эффективные пути его повышения, экспериментально проверить гипотезы о физических процессах сцепления. Подобные опыты неоднократно повторялись с тем, чтобы возможно полнее учесть все действующие факторы.

[ТПДеев] Во время испытаний на ленте динамометрического стола вагона-лаборатории, прицепляемого к локомотиву, непрерывно записываются сила тяги и скорость движения. Результаты обрабатывают и находят графическую зависимость касательной силы тяги от скорости на пределе срыва сцепления. Значение коэффициента сцепления определяют по формуле

,     (3.2.5.4-1)

где Fкб – касательная сила тяги в момент срыва сцепления (в начале боксования), Н.

 

Полученные опытным путем значения коэффициента сцепления на пределе срыва сцепления o пересчитывают в значения так называемого расчетного коэффициента сцепления к, выполняющего нормативно-расчетные функции для всей сети железных дорог. Значение к нельзя принимать равными o, иначе локомотивы будут часто боксовать, увеличатся износ бандажей и рельсов, порчи тяговых двигателей, сбои движения поездов. Поэтому с запасом устойчивости против боксования принимают значения Fк сц, которые примерно на 20% меньше предельной силы тяги по сцеплению Fкб. Кроме того, значения o, полученные при конкретной массе локомотива Мл, пересчитывают в значения к с учетом сетевого нормативно-расчетного значения сцепного веса локомотива Pсц. [ЖДТЭ] Сцепной вес локомотива - сумма нагрузок от движущих колес локомотива на рельсы, используемая для создания силы сцепления между колесами и рельсами и позволяющая превратить окружное усилие на ободе движущих колес во внешнюю силу тяги локомотива или тормозную силу при действии колодочных или дисковых тормозов. Существующая в настоящее время система эксплуатации локомотивов предполагает их использование на удлиненных тяговых плечах. И если для электровозов вес локомотива в процессе поездки практически не меняется (лишь незначительно расходуется песок), то при движении тепловозов фактор снижения веса существенен. Опыт эксплуатации показывает, что за пробег между очередными заправками на тепловозах песок расходуется почти полностью, а топлива в большом числе случаев в топливных баках остается существенно менее половины. При таких расходах в такой же мере уменьшается сцепной вес тепловоза, а, следовательно, и его сила тяги, ограниченная сцеплением колес с рельсами. В условиях, когда тепловозы работают в режимах, близких к ограничению по сцеплению, отмеченный фактор становится важным и его следует учитывать в расчетах. В ПТР 1985 г. сцепной вес тепловозов определен при 1/3 запасов топлива и песка. Для электровозов сцепной вес равен расчетному. Расчетный вес локомотива - вес локомотива с 2/3 запасов расходуемых материалов (песка, смазочных материалов, топлива), со штатным комплектом инструмента, инвентаря, с учетом веса членов локомотивной бригады (из расчета массы одного человек 70 кг).

Таким образом, значения расчетного коэффициента сцепления пересчитываются по формуле

,     (3.2.5.4-2)

где kу сц – коэффициент запаса устойчивости против боксования (kу сц 0.8);
Pсц – сцепной вес локомотива, тс.

 

По полученным значениям к с помощью методов математической статистики подбирают коэффициенты эмпирической формулы, структура которой обычно имеет вид

,     (3.2.5.4-3)

где Aсц, Bсц, Cсц, Dсц, Eсц – коэффициенты формулы;
V – скорость, км/ч.

 

[ПТР] Структура формулы для определения коэффициента сцепления при реостатном торможении электровозов т имеет такой же вид, что и формула 3.2.5.4-3. Коэффициент сцепления при рекуперативном торможении для всех электровозов определяется по формуле

р = 0.8 к.     (3.2.5.4-4)

[ПТР] В кривых малого радиуса (для электровозов R < 500 м, для тепловозов R < 800 м) уменьшение сцепления учитывается с помощью соответствующего коэффициента

,     (3.2.5.4-5)

где Ккр – коэффициент снижения силы тяги локомотива по сцеплению при движении его в кривых участках пути;
Aкр, Bкр, Cкр, Dкр – коэффициенты формулы.

 

В зимний период при особо неудовлетворительных условиях сцепления (бураны, гололед и др.) в зависимости от особенностей участка расчетный коэффициент сцепления локомотивов уменьшается в соответствии с данными опытных поездок, но не более 15% от значений, полученных по формулам. Период времени, в течение которого действуют уменьшенные нормы расчетного коэффициента сцепления локомотивов, и степень уменьшения коэффициента сцепления локомотивов устанавливаются начальником дороги по согласованию с ОАО «РЖД». Снижение коэффициента сцепления в тоннелях допускается как исключение и определяется опытным путем.

На основе величин Pсц, к и Ккр определяется касательная сила тяги по сцеплению

Fк сц = 1000 к кр Pсц g = 1000 к Ккр Pсц g.     (3.2.5.4-6)

Данная величина используется для решения различных задач в тяговых расчетах, в частности:

- определение максимально реализуемой касательной силы тяги при построении кривой скорости;

- определение массы состава;

- и т.д.

[ТЭТ] Первые систематические опыты по определению коэффициента сцепления электровозов проводились в СССР в 1935 г. на Опытном кольце ВНИИЖТа. Они показали, что значения коэффициента сцепления электровозов ВЛ и Сс при скорости до 35 км/ч на сухих рельсах без применения песка лежали в пределах от 0.24 до 0.30. С учетом достижений передовых машинистов, а также результатов поездок с тяжеловесными поездами для электровозов ВЛ19 были установлены значения коэффициента сцепления 0.33 при трогании с места и 0.24 при следовании по наиболее тяжелому затяжному подъему.

На следующем рисунке показаны результаты испытаний по определению коэффициента сцепления электровоза ВЛ10, проведенных ВНИИЖТом в 1970 г.

Рис.3.2.5.4-1. Результаты испытаний по определению коэффициента сцепления

При трогании электровоза BЛ10 коэффициент сцепления достигал 0.36 и снижался с ростом скорости. Большой разброс опытных точек объясняется тем, что они получены при испытаниях на участках с рельсами разных типов, различным состоянием пути и с электровозами, имеющими различное техническое состояние (прокат бандажей, разница характеристик двигателей, различие в силах нажатия), в разных метеорологических условиях (в оттепель, во время снегопада, изморози) и т.п.

[ТПДеев] Формулы к, приведенные в ПТР, позволяют сопоставить степень использования сцепного веса различными локомотивами.

Рис.3.2.5.4-2. Графики зависимости коэффициента сцепления локомотивов от скорости

- грузовые электровозы постоянного тока;

- грузовые электровозы переменного тока;

- пассажирские электровозы;

- тепловозы ТЭ10;

- остальные тепловозы.

Коэффициент сцепления электровозов переменного тока, реализуемый при трогании и разгоне, больше на 5 - 6%, чем у электровозов постоянного тока. Объясняется это тем, что у первых тяговые двигатели постоянно включены в параллельную схему и отсутствует реостатный разгон поезда. У электровозов коэффициент сцепления значительно больше, чем у тепловозов, в силу более жесткой тяговой характеристики, лучшей статической развески и рессорного подвешивания, меньшей базы тележек, большего диаметра колес, рационального размещения тяговых двигателей, двусторонней зубчатой передачи.


назад           вперед