Основы тяги и торможения. Сила сцепления колес с рельсами, ее зависимость от внешних факторов.

[ПСОТП, ОТПОсип] В процессе движения поезда на него действуют различные внутренние и внешние силы. Как известно из механики, внутренние силы уравновешиваются внутри системы и не влияют на ее движение. На характер поступательного движения системы влияют только внешние силы или их составляющие, направленные по ходу движения или в противоположную сторону.

Рис.3.1-1. Силы, действующие на поезд

К внешним силам, действующим на поезд, относятся:

- касательная сила тяги F_к, создаваемая локомотивом во взаимодействии с рельсами и приложенная к ободам ведущих колес;

- тормозная сила В_т, создаваемая тормозными средствами поезда во взаимодействии с рельсами и приложенная к ободам тормозных колес;

- силы сопротивления движению W - все остальные внешние силы, приведенные к ободам колес подвижного состава.

Силу тяги и тормозные силы называют управляемыми, т.к. их можно регулировать. На силы сопротивления движению воздействовать нельзя, поэтому их называют неуправляемыми.

Сила тяги направлена по движению поезда, тормозная сила действует в противоположном направлении. Силы сопротивления, как правило, также действуют против движения. Исключение составляет случай движения по спуску.

По законам механики несколько сил, действующих на точку или механическую систему, можно заменить одной силой, которую в теории тяги поездов называют ускоряющей F_у или равнодействующей F_д силой:

F_y = F_д = F_к - W - B_т. (3.1-1)

Одновременно три составляющие равнодействующей силы на поезд не действуют, т.к. в один и тот же момент времени не имеет смысла тратить топливо (электроэнергию) на реализацию силы тяги локомотивом и использовать тормозную систему локомотива или вагонов. В зависимости от того, какие силы действуют в данный момент на поезд, различают следующие режимы движения:

- режим тяги, когда действуют сила тяги F_к и силы сопротивления движению W: F_д = F_к - W;

- режим выбега (холостого хода), когда на поезд действуют только силы сопротивления движению: F_д = -W,

- режим торможения, когда к силам сопротивления движению прибавляется тормозная сила В_т: F_д = - (W + В_т).

Равнодействующие силу, имеющую отрицательное значение, иногда называют замедляющей силой.

Старыми единицами измерения сил, используемыми в ПТР включая издание 1985 г., являются килограмм-сила (кгс) и тонно-сила (тс). Это связано с градуировкой приборов, установленных на подвижном составе [ИПЖДТурб]. Новыми единицами в соответствии с международной системой единиц (СИ) - ньютон (Н = кг * м/с²) и килоньютон (кН). Перевод значений силы из одной системы единиц в другую выполняется по следующему соотношению:

1 кгс = 1 кг * g = 9.81 Н, (3.1-2)

где g = 9.81 м/с² - ускорение свободного падения.

Силы, действующие на весь поезд, локомотив, вагон и т.п. называют полными и обозначают прописными буквами (F_к, W, B_т). Силы, действующие на единицу массы, называют удельными и обозначают строчными буквами (f_к, w, b_т)

, (3.1-3)

где F, f - полная и удельная силы (равнодействующая, тяги, сопротивления или торможения), Н;
P - расчетная масса локомотива, т;
Q - масса вагонного состава, т.

В случаях, когда поезд рассматривают как единое целое с неизменной длиной и равноускоренным движением всех его подвижных единиц (т.е. при описании его движения одним дифференциальным уравнением), местом приложения сил считается середина поезда. Причем учитываются суммарные силы, действующие на все составной части поезда (локомотив, вагон, группу однотипных вагонов и т.д.). В противном случае, силы, действующие на отдельные составной части поезда, учитываются отдельно и местом их приложения являются середины этих частей.

Состояние поверхностей колес и рельсов. При чистых и сухих поверхностях достигается наибольшее сцепление колесной пары с рельсами. Образование в месте контакта колеса и рельса масляных, глинистых, торфяных и им подобных пленок, а также загрязненных снега и льда приводит к резкому снижению сцепления. Самым эффективным средством увеличения сцепления колес с рельсами оказался сухой кварцевый песок, подаваемый в место контакта колес и рельсов.

Равномерность нагрузок от колесных пар на рельсы. Наибольшую силу тяги локомотива можно получить при равномерном распределении веса локомотива между движущими колесными парами, чтобы каждая из них развивала наибольшую силу тяги.

Колебания надрессоренной части локомотива. С увеличением скорости движения локомотива возрастает амплитуда колебаний, вызывающих снижение сцепления.