Основное сопротивление движению поезда

Основное сопротивление поступательному движению возникает в результате: трения в буксовых подшипниках; от сопротивления качения колёс по рельсам; трения скольжения колёс по рельсам; сопротивления от рассеивания энергии движения поезда верхним строением пути и подвижным составом; воздушного сопротивления; сопротивления за счёт работы поглощающих аппаратов автосцепок состава.

Рисунок 1. Сопротивление движению от трения в подшипниках буксового узла: К₁ – сила сопротивления движению от трения в подшипнике буксового узла; D_K – диаметр колесной пары по кругу катания; F_б – сила трения качения подшипника в буксе.

Сила сопротивления от трения подшипников букс колёсных пар (рисунок 1). Поступательное движение подвижного состава сопровождается качением колёс по рельсам, вращение которых возможно за счёт сцепления колес с рельсами и подшипников осей колёсных пар. От трения в подшипниках букс возникает момент (М_п) сопротивления вращению колесной пары. Этот момент направлен против момента вращения колеса (М_к) при поступательном движении. Величина момента сопротивления от трения в подшипниках букс зависит от: конструкции подшипника (скольжения или качения); конструкции буксового узла (челюстная, поводковая букса); качества сборки при монтаже буксового узла; от смазки – её чистоты, качества и количества; температуры буксового узла и многих других факторов.

Сопротивление от качения колёс по рельсам (рисунок 2). От статической нагрузки подвижного состава каждое колесо прогибает рельс, а при движении возникает «волна» перед колёсами, которую колесо «пытается» преодолеть. Отсюда – чем твёрже грунт, чем мощнее рельсы, тем меньше их изгиб и «волна» перед колёсами, т.е. меньше сопротивление от качения колёс по рельсам, и наоборот. В зимнее время при низких температурах грунт, рельсы и колёса подвижного состава становятся твёрже, поэтому эта составляющая основного сопротивления движению уменьшается относительно летнего периода эксплуатации.

Рисунок 2. Сопротивление движению от качения колеса по рельсам:

К₂ – сила сопротивления поступательному движению от качения колеса по рельсам; А^/ - смещения центра взаимодействия при качении колеса по рельсам.

Сопротивление от трения скольжения колёс по рельсам (рисунок 3). Многочисленными исследованиями установлено, что колёса подвижного состава взаимодействуют с рельсами не в точках касания, а площадках в виде эллипса. Причём, чем меньше диаметр и твёрже колесо, тем меньше пятно контакта. Пятно контакта зависит и от твёрдости рельс и грунта, чем меньше прогибается рельс от нагрузки колеса, тем меньше пятно контакта, и наоборот. В центре пятна контакта возникают наибольшие напряжения, величина которых может превысить предел текучести металла рельса и колеса. Это вызывает износ и рельс и колёс подвижного состава.

Рисунок 3. Сопротивление движению от трения скольжения колес по рельсам.

В зависимости от степени износа рельса и колеса контактная площадка может принимать различную форму – не только эллипса, но и круга, полоски. Пятно контакта существенно влияет на сопротивление движению, так как при поступательном движении подвижного состава перекатывания колёс будут сопровождаться трением скольжения частей взаимодействия колёс в пределах пятна контакта с рельсами вследствие разных диаметров профиля поверхности качения колёс. Кроме того, колёса жёстко связаны осью. Поэтому поступательное движение будет сопровождаться проскальзыванием одного колеса относительно другого, т.к. пути качения относительно поступательного пути из-за разницы диаметров кругов катания будут разные. Этот эффект усугубляется вилянием колёсной пары во время движения от одного рельса к другому даже на прямых участках пути (рисунок 4).

Рисунок 4. Виляние колесных пар при движении подвижного состава в прямом горизонтальном участке пути.

В режимах тяги или торможения проявляются упругие свойства обода и рельса. В зависимости от величины касательной силы обода происходит упругое перемещение точки взаимодействия вперёд обода колеса относительно рельса в режиме тяги, или назад в режиме торможения (рисунок 5). С увеличением касательной силы больше реактивной силы сцепления в режиме тяги колесо начинает проскальзывать, увеличивая обороты не соответствующие частоте вращения при поступательном движении локомотива. Этот эффект называют «боксование» (от слова бокс).

Рисунок 5. Упругое перемещение центра взаимодействия колеса и рельса: а) режим тяги; б) режим торможения.

В режиме торможения (рисунок 5б), при достижении предела по сцеплению происходит уменьшение частоты вращения колёс относительно частоты вращения колёс при поступательном движении подвижного состава на выбеге, вплоть до полного прекращения вращения колёс по рельсам. Прекращение вращения колёс при поступательном движении подвижного состава, называемый юзом, сопровождается скольжением пятна контакта колёс относительно поверхности рельс, образуя площадки на поверхности кругов катания колес, называемые ползунами.

Рисунок 6. Характеристика взаимодействия пятна контакта колеса и рельса локомотива в режимах тяги и торможения.

В процессах боксования и юза в точках взаимодействия колёс с рельсами будет действовать не коэффициент сцепления – ψ (коэффициент трения покоя), а коэффициент трения скольжения - φ. Характеристика взаимодействия колеса и рельса в указанных режимах представлена на рисунке 6.

Диаметр гребней колёсной пары больше диаметра круга катания. Поэтому касание гребня внутренней плоскости головки рельса всегда сопровождается трением скольжения направленным против поступательного движения, создавая силу сопротивления движению. Перевод рельсовой колеи с 1524 мм на 1520 мм значительно уменьшило свободу качения колёс цилиндрической частью обода и чаще гребень трётся о внутреннюю плоскость головки рельса. Это приводит к интенсивному износу гребней колёсных пар и внутренней части головок рельс (рисунок 7).

Рисунок 7. Характерные износы частей бандажа и рельса в процессе эксплуатации.

Сопротивление движению от неровности рельсового пути (рисунок 8), возникающего от ударов при прохождении стыков и неровностей рельсового пути, как на перегонах, так и горловинах станций, особенно при движении по стрелочным переводам. Момент скатывания колеса с одного рельса на другой сопровождается ударом. Составляющая силы удара направлена против движения подвижного состава. Чем больше рельсовых стыков под движущимся поездом, тем интенсивнее сопротивление движению. Кроме того, рельсы неравномерно изнашиваются в вертикальной плоскости, особенно в местах частого боксования колёсных пар локомотивов и торможении поезда, например – станционных путях, пунктах остановки, на подъёмах и крутых затяжных спусках. Эта неравномерность износа поверхности головки рельс, подобно стыку создаёт дополнительное сопротивление движению поезда. Бесстыковой («бархатный») рельсовый путь значительно снижает сопротивление движению поезда.

Рисунок 8. Сопротивление движению от неровности рельсового пути.

Сопротивление движению от воздушной среды.Поезд при движении вынужден преодолевать аэродинамическое сопротивление воздушной среды. Перед лобовой частью поезда образуется зона сжатого воздуха, который оказывает давление на лобовую часть локомотива. Боковые поверхности и крыши подвижного состава соприкасаются со струями скользящего по ним воздуха, увлекают часть его за собой, создавая поток и трение части воздуха о стенки подвижного состава. В междувагонном пространстве образуются завихрения. Под подвижным составом часть воздуха увлекается поездом, который, соприкасаясь с верхним строением пути, создаёт сопротивление движению. За последним вагоном поезда образуется разрежение. Эти явления вызывают внешние силы, направленные против движения поезда, образуя силу сопротивления воздушной среды. Сила сопротивления воздушной среды изменяется пропорционально квадрату скорости и имеет большое значение для организации скоростного движения поездов. Обтекаемая форма лобовой и хвостовой частей состава значительно снижает сопротивление движению подвижного состава (Рисунок 9).

Рисунок 9. Сопротивление движению от воздушной среды.

Сопротивление движению от поглощающих аппаратов автосцепок Движение поезда сопровождается продольными динамическими силами, вызывающие рывки по длине поезда за счёт упругих элементов сцепления, большой весовой разницы вагонов, смены режима ведения поезда, изменения профиля пути и ряда других причин. Эти рывки и продольные колебания по длине поезда частично поглощаются сцепными устройствами, рассеивая энергию в окружающую среду и снижая кинетическую энергию поезда. На восполнение этих потерь затрачивается работа силы тяги локомотива.