Силы сопротивления движению поезда

Понятия о силах действующих на поезд

В процессе движения на поезд действуют различные силы, способствующие увеличению скорости, поддержанию равномерного движения или замедлению движения поезда. Все эти силы, отличающиеся по величине, направлению и характеру действия, разделяют на управляемые и не управляемые машинистом.

К управляемым относят силы тяги и торможения поезда, обозначаемые в расчетах буквами F и В. При необходимости машинист может регулировать величину и продолжительность действия этих сил.

Неуправляемыми являются силы различных сопротивлений движению поезда, обозначаемые в расчетах буквой W, а также сила тяжести (веса) поезда. Кроме того, при любом измене­нии скорости движения проявляется действие сил инерции массы поезда.

В зависимости от соотношения величины и направления действия указанных сил изменяется характер движения поезда:

1) если сила тяги, приложенная к поезду, больше сил сопротивления движению, поезд получает ускоренное движение (разгон);

2) когда сила тяги равна силам сопротивления движению устанавливается равномерная (равновесная) скорость поезда;

3) если сила тяги меньше сил сопротивления движению или при отсутствии силы тяги действуют тормозные силы поезд замедляет движение.

Силы тяги

Силой тяги называют внешнюю силу, приложенную к движущим колесам локомотива в направлении его движения, которая вызывает перемещение локомотива и состава. Тяговая мощность тепловоза зарождается в цилиндрах дизеля и снимается с его коленчатого вала в виде вращающего момента. Поэтому существует понятие «эффективная сила тяги». Но дизель нельзя использовать непосредственно в качестве тяговой машины, потому что в пределах рабочих чисел оборотов коленчатого вала его вращающий момент и тяговое усилие мало изменяются от скорости вращения. В то же время в тепловозе, как в любом локомотиве, во-первых, необходимо иметь наибольшую силу тяги при взятии поезда с места и, во-вторых, нужно, чтобы она изменялась в широких пределах в зависимости от про­филя пути, скорости и других обстоятельств.

Для приспособления дизеля к условиям тяги поездов между валом дизеля и колесными парами применяют промежуточные передачи. Эти передачи позволяют преобразовать постоянный вращающий момент коленчатого вала дизеля в переменный на колесных парах тепловоза.

Наиболее распространеннойявляется электрическая передача, сочетающая хорошие тяговые способности электродвигателей с последовательным возбуждением и возможность автоматического управления работой дизель-генератора.

Сила тяги тепловоза появляется в результате взаимодействия колес с рельсами при прикладывании вращающего момента М_дв от тяговых электродвигателей к колесным парам (рис. 1). Возникающий при этом вращающий момент колеса М, может быть заменен парой сил, дающей тот же результат. Одна из этих сил F_K приложена к центру оси колеса, другая F_Kl-в точке К касания бандажа с рельсом. Указанная пара сил, действующая на плече, равном половине диаметра колеса, стремится провернуть колесо вокруг его геометрической оси. Проворачиванию препятствует сила сцепления колеса с рельсом F_c, возникающая как противодействие силе F_kS. Причем сила сцепления появляется неизбежно, так как бандаж и головка рельса, плотно прижатые друг к другу нагрузкой на ось Р, имеют на своей поверхности множество мелких неровностей. Горизонтальное усилие от колеса на рельс F_Kl воспринимается указанными неровностями и на основании третьего закона механики порождает ответную (реактивную) силу F_c от рельса на колесо. Физически силу сцепления можно представить в виде упора, не позволяющего колесу проскользнуть по рельсу. Одинаковые по величине, но противопо­ложные по направлению силы F_kS и F_c взаимно уравновешиваются, а оставшаяся сила F_K вызывает перекатывание и поступательное движение колесной пары по рельсам. Через узлы экипажной части тепловоза сила F_K от каждой колесной пары передается на тележку и далее на раму тепловоза.

Для ускорения поезда нужно, чтобы сила тяги локомотива была больше сил сопротивления. Сила тяги возникает при передаче вращающего момента от ТЭД к колесным парам. Вращающий момент на колесной паре определяется по формуле:

М_{к =} М_дв м п_п,

Где: М_дв- вращающий момент на валу якоря ТЭД,

М - передаточное число тягового редуктора;

п_п, -КПД передачи.

Силой тяги называется внешняя сила, приложенная к движущим колесам локомотива в направлении его движения.

Вращательный момент М_к заменяем парой сил F и F₁

В точке касания колеса с рельсом согласно 3-го закона Ньютона возникает реактивная сила F_сц, действующая от рельса на колесо. Эта сила препятствует проскальзыванию колеса относительно рельса. Одинаковые по величине и противоположно направленные силы F₁ и F_сц взаимно уравновешиваются, а оставшаяся сила F вызывает поступательное движение колесной пары.

Сумма сил F всех тяговых электродвигателей и является силой тяги локомотива

Силы сопротивления движению поезда

3.

Основное сопротивление – действует на поезд независимо от плана и профиля пути:

· Внутреннее сопротивление подвижного состава – силы трения в буксах, МОП;

· Сопротивление от взаимодействия пути и подвижного состава – прогиб рельсов, сопротивление в стыках, скольжение бандажей по рельсам; Чем больше скорость, тем больше сопротивление;

· Сопротивление воздушной среды – завихрение воздуха в результате несовершенства формы (необтекаемости) подвижного состава, лобового сопротивления, кормового сопротивления от разрежения воздуха.

Дополнительное сопротивление – возникает при движении по уклонам и в кривых участках пути, а также при низких температурах воздуха, сильном встречном и боковом ветре, при трогании с места.

Силы сопротивления отнесенные к единице веса состава называют удельным сопротивлением w_i

Удельное сопротивление от уклона численно равно величине уклона:

w_{i =} i,

На уклоне 6%₀

w_{i =} i, = 6 кгс/тс

Сопротивление от кривизны пути вызвано трением гребней бандажей о головку наружного рельса, трением в автосцепках, шкворнях и скользунах. Чем меньше радиус кривой, тем больше это сопротивление.

Сопротивление от ветра, возникающее при встречном, лобовом или косом ветре. Величина этого сопротивления зависит от скорости ветра и поезда и увеличивается при наличии открытых дверей и люков вагонов. Попутный ветер облегчает движение. Машинист должен знать характер ветров на обслуживаемом участке и учитывать влияние ветра на скорость движения поезда.

Дополнительное сопротивление движению поезда можно уменьшить за счет смягчения профиля пути, увеличения радиуса кривых, смазывания боковой поверхности головки наружного рельса в кривых.

Все сопротивления движению можно представить в виде сил, приложенных к поезду, в направлении, противоположном действию силы тяги или силы инерции движения поезда.

Вопросы для закрепления материала

1. Какие силы способствуют, увеличению скорости, поддержанию равномерного движения или замедлению движения поезда?

2. От соотношения, величины и направления каких сил изменяется характер движения поезда?

3. Что называют силой тяги?

4. Что называется силой сцепления?

5. Что нужно для ускорения поезда?

6. Что такое основное сопротивление движению поезда?

7. Что такое дополнительное сопротивление движению поезда?

8. Как можно представить в виде сил сопротивления движению?