Лекция 6. Силы сопротивления движению поезда

Классификация. Основное сопротивление. Дополнительные сопротивления. Расчёт сил сопротивления. Удельные силы сопротивления.

Между поездом при его движении и путем, а также и окружающей воздушной средой возникают различные взаимодействия, в результате которых уменьшается скорость движения. Такие взаимодействия порождают силы сопротивлению движению.

Поэтому под силами сопротивления следует подразумевать всякие внешние неуправляемые силы приложение к поезду и направленные в сторону, противоположную направления движения. Они возникают как только поезд приходит в движение независимо от того, где он движется.

В теории тяги поездов силы сопротивления разделяют по эксплуатационному признаку на силы сопротивления всегда действующие, которые называют основным сопротивлением, и силы сопротивления временно действующие, называемые дополнительным сопротивлением.

При движении транспортных средств по прямому и горизонтальному пути с равномерной скоростью и при нормальных метеорологических условиях (температура наружного воздуха t =-30⁰С и скорость ветра V≤6 м/с) имеет место только основное сопротивление, составляющим которого являются:

- сопротивление от трения между шейками осей и подшипниками. Величина этого сопротивления зависит от устройства и состояние буксового узла, нагрузки на ось, скорости движение, количества и вязкости смазки, наружного воздуха, материала и качества обработки трущихся поверхностей. Эффективным мероприятием для уменьшения этого вида сопротивления стало применения в буксах колесных пар роликовых подшипников. При этом трение скольжения заменяется трением качения. Удельное сопротивление в буксовых узлах составляют 1-2 кГс/т;

- сопротивление от качения колес по рельсам. Причинам этого сопротивления являются: сжатие материала колеса и рельса; прогиб рельсов; трение соприкасающихся поверхностей рельса, шпал и балласта; износ колес и рельсов. Снижение этого сопротивления достигается повышением твердости отходов колес и рельсов, увеличенном весе рельсов и числа шпал на 1 км пути, введение щебеночного балласта и бетонных шпал. Удельное сопротивление от качения колес по рельсам составляет 0,3-0,4 кГс/т;

- сопротивление от трения скольжения колес по рельсам. Оно возникает в процессе качения в виде проскальзывания колес от коничности их ободов, от виляния и перекоса колесных пар в рельсовой колее, от неравенства диаметров колес одной оси. Зазоры между гребнями колес и головками рельс дают возможность виляние и качения колес разными диаметрами, при этом 2 колеса одной оси должны проходить разные пути, чему препятствует жесткая связь с осью. Отсюда возникает продольное и поперечное проскальзывание колес. Так же происходит набегание гребня на головку рельса и трение между ними. Величина удельного сопротивления от скольжения колес составляет в среднем 0,35 кГс/т;

- сопротивление от ударов колес на стыках рельсов. Величина удельного сопротивления в зависимости от скорости и от давления оси на рельс колеблется в пределах 0,05-0,5 кГс/т. Для уменьшения этого сопротивления находит широкое применение длинномерных рельсов, безстыкового пути и необходимо исправное содержание верхнего строения пути и стыков;

- сопротивление от воздействия воздушной среды, которое складывается из лобового сопротивления воздуха, разрежения и завихрения воздуха у тыловой и боковой поверхности, трения между всеми поверхностями поезда и воздухом, сопротивления воздуха промежутках и завихрениях колесами. В зависимости от типа транспортных средств и скорости движения удельное сопротивление от воздушной среды составляет (0,04-0,45)w_o.

Многообразие факторов, влияющих на величину основного сопротивления, затрудняет теоретическое определение его величины. Поэтому правила тяговых расчетов предусматривают расчеты по эмпирическим формулам для средних эксплуатационных условий в зависимости от скорости, типа и режима работы транспортных средств. Например: для тепловоза и вагона птр определение удельных сопротивлений движению предусмотрено по следующим формулам (кгс/т):

ПТР МПС ПТ

-тепловоз: - в режиме тяги:

;

- в режиме холостого хода

;

-4-х осный вагон на подшипниках скольжения:

;

В тяговых расчетов при обозначении сопротивлений локомотива вводится один штрих сверху, а вагона – два штриха.

- локомотивы; - вагоны.

Кроме того, различают два вида сопротивления локомотива как машины (сопротивления внутри локомотива): при режиме тяги – W_м и отсутствие тяги - W_з, то есть когда локомотив движется на холостом ходу. Между W_м и W_з имеется различие в количественном и качественном отношениях.

При тяговых расчетах с величиной w_м не приходится сталкиваться, так как при определении силы тяги на ободе колеса величина w_м учтена в к.п.д. передачи.

F_к=2M*i_з/D*η_з

Но при режиме холостого хода F_к=0, и поэтому возникающее сопротивлению при работе тяговой передачи на холостом ходу (w_з) учитывается как дополнительное сопротивление холостого хода. И тогда общее удельное сопротивление локомотива на холостом ходу w’_х будет равно

, кГс/т.

В [10, стр. 258] даны формулы по определению основных удельных сопротивлений для различных транспортных средств для поездной работы и удельное сопротивление движению поезда w_o при работе на промышленном предприятии.

Дополнительными сопротивлениями называют временно действующие силы, возникающие только при определенных условиях движения. К ним относят сопротивления от уклонов, кривизны пути, низкой температуры воздуха, ветра, при движении вагонами вперед и при трогании с места.

Сопротивление от уклона. Сила сопротивления от уклона Wi равна составляющей силе тяжести, направленной параллельно пути.

Рис. 6.1.

Если q - вес вагона, обычно измеряемый в тоннах, выразить в кг, то из подобия треугольников найдем:

, кГс

, кГс/т

Крутизну уклона принято выражать в промилле, , ‰.

В реальных условиях , поэтому допустимо , тогда

, кГс/т,

то есть удельное сопротивление от уклона w_i численно равна уклону в промилле.

Сопротивление от кривизны пути. Оно представляет равнодействующую сил трения скольжения, возникающих в результате набегания гребней колес на внутренние грани наружного рельса; поперечного смещения колес по рельсам под действием центробежных сил инерции; продольного проскальзывания колес от разности расстояний, и той же оси; поворота шкворней тележек локомотива. Величина - зависит от радиуса кривой, длины базы тележек, возвышения пути и экипажа. Рассчитывается по эмпирическим формулам приведенных в [1].

МПС

ПТР

Совокупность удельных сопротивлений от уклона и кривой называется приведенным уклоном.

, ‰

Сопротивление от встречного бокового ветра. Это сопротивление определяют в % от основного сопротивления по таблицам [1] в зависимости от скорости ветра и скорости поезда. Скорость ветра принимается 6 м/с, а скорость поезда с 10 км/час. Встречный ветер увеличивает лобовое сопротивление воздушной среды, а под воздействием бокового ветра происходит поперечный сдвиг подвижного состава и трения гребней колёсных пар о головки рельсов, а также проскальзывание колес от качения кругами разного диаметра.

Для ПТ принимается w_в = 0,2w_о

Сопротивление от низкой температуры наружного воздуха. Определяется в процентах (%) от основного сопротивления по таблице [1] для поездной работы в зависимости от температуры воздуха, скорости движения и типа вагона (грузового или пассажирского) - температура воздуха считается низкой (-30^оС и ниже). С понижением t^о увеличивается плотность и скоростной напор воздуха, поэтому величина сопротивления поставлена в зависимости от скорости движения.

Для ПТ не учитывается w_t

Сопротивление при движении вагонами вперед. Учитывается для ПТ и определяется по формуле

, кГс/т

Сопротивление при трогании поезда с места. Оно намного выше сопротивления установившегося движения вследствие того, что в момент остановки прекращается гидродинамическое давление в масляном клине между подшипником и шейкой оси. Масло выдавливается и после стоянки 20-300 мин наблюдается полусухое трения в начале последующего движения. За время стоянки смазка остывает, повышается ее вязкость и коэффициент трения в буксирных подшипниках; стоянка сопровождается более значительным снятием и молекулярным сцеплением в зоне контакта колеса и рельса. Интенсивность сопротивления возрастает в зависимости от продолжительности стоянки в промежутке от «0» до «20» мин, а через 20 мин оно стабилизируется.

Величина удельного сопротивления при трогании с места определяется также по эмпирическим формулам соответственно для подшипников скольжения и качения.

МПС ПТ

где q_о – масса, приходящаяся на ось колёсной пары, т

Следует обратить внимание, что удельное сопротивление при трогании с места для поездной работы, представляет собой полное удельное сопротивление при трогании с места и состоит из удельного сопротивления основного w_о и приращения (дополнительного) этого основного сопротивления в момент трогания с места . А удельное сопротивление для ПТ, включает только приращение удельного основного сопротивления при трогании с места _.

Рис. 6.2 – График изменения удельного сопротивления движению поезда при трогании с места.

Таким образом полное удельное сопротивление составит:

- для поездной работы , кГс/т

- для промтранспорта , кГс/т

А полное сопротивление движению поезда будет

- в режиме тяги

, кГс

- в режиме холостого хода и торможения

, кГс

- При трогании с места:

- для поездной работы

, кГс

- для ПТ

, кГс

На преодоление основного сопротивления движению грузовых поездов затрачивается ≈60% механической энергии локомотива, на преодоление дополнительных сопротивлений от уклонов ≈35% и от кривых ≈5%.

Поэтому снижение сопротивлений имеет первостепенное значение.

Мероприятия по снижению сопротивления состоят из двух групп:

- организационно-техническое;

- конструктивное.

I группа – Увеличение нагрузки грузовых вагонов; своевременный переход на зимние, северные и летние сорта смазки; содержание пути и ходовых частей подвижного состава в исправном состоянии; сокращение количества продолжительности стоянок поездов на станциях и раздельных пунктах; исправное состояние всей тормозной системы и др.

II группа – Смягчение профиля пути; выпрямление кривых участков пути; укладка тяжелых рельсов; уменьшение допусков уширения колеи на прямых участках пути; применение устройства для смазывания боковых граней гребней бандажей и рельсов; посадка ветрозащитных лесных полос; переход на роликовые подшипники; придание обтекаемых форм локомотивам и вагонам.