Реализация сил тяги и торможения

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 18Следующая ⇒

Образование силы тяги. Сила тяги реализуется движущими колесными парами трамвайного вагона или движущими колесами троллейбуса. Движущими называются колесные пары или колеса, которые приводятся во вращение тяговыми электродвигателями.

Из механики известно, что нарушение состояния покоя или изменение скорости движения центра тяжести тела можно совершить только под влиянием внешних сил, действующих на это тело. Следовательно, вращающий момент, развиваемый тяговым двигателем, не может вызвать поступательного движения подвижного состава, так как он обусловлен внутренними силами. Если бы движущее колесо не опиралось на рельсы или на дорогу, оно под воздействием только внутреннего момента не могло бы вызвать поступательного движения подвижного состава. В этом случае движущее колесо вращалось бы около своей геометрической оси, не вызывая поступательного движения подвижного состава. Для поступательного движения подвижного состава необходимо наличие внешних сил. Такая внешняя сила возникает в результате сцепления движущих колес с рельсами или дорожным покрытием.

Рассмотрим возникновение силы сцепления отдельного колеса (рис. 2). Примем, что точка А является точкой опоры колеса на рельс. К колесу будет приложен момент М_д, развиваемый тяговым двигателем, увеличенный за счет редуктора тяговой передачи в μ раз за вычетом момента сил трения М_ТР в подшипниках и передаче и момента вращения M_j определяемого инерциями колеса и связанных с ним вращающихся частей.

Рис. 2. Реализация силы тяги колесом

Тогда момент, приложенный к колесу,

где ,

здесь R – радиус колеса; - сопротивление движению от трения в подшипниках;

здесь J – момент инерции вращающихся частей;

- угловое ускорение.

Направление движения указано стрелкой v. Представим момент М_к в виде пары сил F_K с плечом, равным радиусу колеса R. Одна из этих сил приложена в точке А от колеса к рельсу и направлена против движения. Она стремится создать скольжение опорной точки колеса относительно рельса в сторону, противоположную поступательному движению. Однако как реакция на эту силу под действием нормального нажатия колеса G_K в опорной точке А возникает благодаря наличию сцепления (трения) с рельсом или дорожным покрытием сила сцепления Т_к. Эта сила Т_к является реактивной, внешней по отношению к колесу и согласно третьему закону Ньютона равна и противоположна силе F_K т. е. Т_К = F_K.

Если сила сцепления Т_к не превысит предельной величины Т_к_.пр, то точка А колеса, соприкасающаяся с рельсом или дорогой, окажется как бы неподвижной, т. е. мгновенным центром вращения. Вокруг этой точки под действием вращающего момента начнут поворачиваться все остальные точки колеса. Сила сцепления Т_к будет непрерывно перемещать мгновенный центр вращения, а вместе с ним и колесо вдоль пути. В последующие моменты в соприкосновение с рельсом или дорогой будут приходить все новые и новые точки окружности колеса, оказывающиеся мгновенным центром его вращения.

Таким образом, в результате возникновения в опорной точке А колеса на рельс или путь внешней силы Т_к, направленной по касательной к окружности колеса, мгновенный центр его вращения непрерывно перемещается вдоль пути, а геометрический центр 0 получает поступательную скорость v. Приложенная к колесу внешняя сила Т_к представляет собой силу сцепления, направленную по касательной к окружности колеса в точке его касания с поверхностью пути, и является силой тяги, вызывающей поступательное движение подвижного состава. Поэтому силу сцепления Т_к называют касательной силой тяги на ободе движущего колеса. Силу F_K, которая обусловлена вращающим моментом тягового двигателя, называют силой тяги .

При равномерном движении подвижного состава, чему соответствует равномерное вращение колеса (угловая скорость ω = const), при отсутствии трения в подшипниках и передаче можно принять F_K = T_K.

При ускоренном или замедленном вращении колеса с учетом трения в подшипниках силы F_K и T_K не будут равны, так как действующий на колесо результирующий момент М_к, согласно выражению равен алгебраической сумме моментов, действующих на колесную пару. Следовательно, соотношение между силами F_K и T_K будет иметь вид

Это соотношение справедливо для одного колеса. Для подвижного состава соотношение между силой тяги F и силой сцепления Т будет иметь вид:

Ограничение силы тяги. Сила тяги ограничивается предельно допустимой силой сцепления, имеющей природу сил трения. Если этот предел будет превышен, произойдет срыв сцепления. Движущие колеса начнут скользить относительно пути в точке касания А. При этом их угловая скорость ω ' будет больше угловой скорости ω , соответствующей поступательной скорости v, на значение угловой скорости скольжения ω _ск колес по рельсам ω ' = ω + ω _ск. Начнется боксование колес, при котором происходит повышенный износ бандажей (или шин) и пути.

По мере увеличения скорости скольжения сила сцепления колеса с поверхностью качения резко уменьшается, что приводит к чрезмерному увеличению частоты вращения двигателя. Это в свою очередь вызывает дальнейший рост скорости скольжения и соответственно снижение силы сцепления. Нормальное качение колеса становится невозможным. Поэтому при боксовании подвижного состава на тяжелых подъемах или скользкой дороге он останавливается и иногда не может тронуться с места вследствие вновь возникающего боксования. В этом случае нарушение сцепления может вызвать задержку движения. Восстановить сцепление колес с рельсами можно, увеличив силу сцепления.

Следовательно, для предельной силы сцепления всего подвижного состава по выражению получим следующее ограничение:

откуда наибольшая допустимая по условию сцепления сила тяги

Величины и малы по сравнению с величиной Т_пр. Поэтому приближенно можно принять для подвижного состава .

Сила сцепления определяется как произведение силы нажатия G_K колеса на рельс и коэффициента сцепления ψ _к колеса с рельсом, т. е.

Т_к = G_к ψ _к.

Образование тормозной силы. Определим условие нормального качения колеса при торможении. В период торможения к поезду приложена тормозная сила. Рассмотрим процесс образования этой силы на примере одного колеса (рис. 3).

В тормозном режиме на каждую колесную пару вагона, движущегося в направлении, указанном стрелкой v, действует тормозной момент М_т, направленный против часовой стрелки. В этом же направлении будет приложен момент М_тр, определяемый внутренним сопротивлением в подшипниках. Момент М_j, определяемый инерциями колеса и связанных с ним вращающихся частей, будет направлен по часовой стрелке.

Рис. 3. Реализация тормозной силы

Результирующий момент М будет равен алгебраической сумме моментов, действующих на колесную пару: .

Представим тормозной момент парой сил В_к, приложенных соответственно в точках О и А. Если бы колеса вращались свободно, не касаясь рельсов или дороги, т. е. были приподняты над уровнем пути, то под действием тормозного момента они бы остановились. В действительности колеса опираются на рельсы или путь, следовательно, в точке соприкосновения А возникает сила сцепления Т_к. Поэтому колеса не останавливаются, а продолжают катиться по пути, одновременно как бы упираясь в него под действием тормозного момента.

Таким образом, под действием тормозной силы В_к в результате сцепления колеса с рельсом в точке А образуется внешняя сила Т_к, направленная противоположно силе В_к. Точка А в каждый момент является как бы неподвижной, т. е. мгновенным центром вращения.

В целом на подвижной состав действует сумма тормозных сил всех колес, которые можно заменить их равнодействующей. Условно эту равнодействующую можно считать приложенной к центру тяжести подвижного состава. При движении колеса силы В_к и Т_к не будут равны, так как действующий на колеса результирующий момент М равен алгебраической сумме моментов. Следовательно, соотношение между силами В_к и Т_к для одной оси будет иметь вид

и для всего подвижного состава

Ограничение тормозной силы. Если в режиме торможения тормозная сила В превысит предельно допустимую силу сцепления Т_пр, произойдет заклинивание колес. Тормозные колеса начнут скользить относительно пути в точке А. Это явление называется юзом . При юзе резко уменьшается тормозная сила, так как она определяется коэффициентом трения качения между колесом и рельсом при скольжении их относительно друг друга. А коэффициент скольжения всегда меньше коэффициента сцепления, соответствующего нормальному торможению. Юз — опасное явление для безопасности движения, так как во время юза увеличиваются время торможения итормозной путь. Кроме того, во время юза при скольжении колес происходит сильное истирание бандажей колесных пар или шин троллейбуса. Таким образом, предельная сила сцепления всего подвижного состава будет иметь следующие ограничения:

откуда наибольшая допустимая по условиям сцепления тормозная сила

Величины и значительно меньше величины Т_пр, поэтому приближенно можно принять, что .

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒