Тема №5 «Характеристики тормозного режима подвижного состава»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить принцип работы тягового электродвигателя (ТЭД) постоянного тока подвижного состава (ПС) в режиме торможения, практическое ознакомление с методикой расчета удельной равнодействующей тормозной силы ПС, практическое ознакомление с методикой расчета допустимой скорости ПС на заданном уклоне по тормозной задаче.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Самостоятельно ознакомиться с теоретическими положениями, подготовиться к решению задач по данной тематике. На занятии получить от преподавателя номер варианта. Затем решить задачу. Для того, чтобы задание считалось сделанным, студент должен сдать преподавателю задачу и ответить на его вопросы о ее ходе решения на базе приложенного теоретического материала.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Виды торможения двигателей постоянного тока

Электрические двигатели, как правило, используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вра­щения без применения механических тормозов.

Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного тока:

1) рекуперативное торможение – генера­торное торможение с отдачей электрической энергии в сеть;

2) динамическое или реостатное торможение – генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря;

3) электромагнитное тормо­жение – торможение противовключением.

Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном и, т.е. является тормозным.

Рекуперативное торможение

Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его частоты вращения и выше n₀ = U/c_eФ. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток, согласно I_а = (E - U)/ΣR_а, изменяет свое направление, т.е. двигатель переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент,
а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В машине с параллельным возбуждением (рис. 1, а) механические характеристики генераторного режима являютсяпродолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рис. 1, б). Поэтому переход из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться с частотой n > n₀. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, если перевести ее на работу с характеристики 1 на характеристику 2, уменьшив n₀,путем увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. В этом случае некоторой частоте вращения и соответствует на характеристике 1 двигательный режим (точка А), а на характеристике 2 – режим рекуперативного торможения (точка В).

Рис.1. Схема и механические характеристики машины
постоянного тока в двигательном и генераторном режимах

Двигатели с последовательным возбуждением не могут переходить в режим рекуперативного торможения. При необходимости рекуперативного торможения схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением.

Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах, трамваях и других устройствах с частыми остановками, где двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой.

Динамическое торможение

При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат R_до6 (рис. 2, а). При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно рассеивается в реостате. Регулирование тока I_a = Е/(ΣR_a + R_доб), т.е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления R_доб, подключенного к обмотке якоря (рис. 2, б), или ЭДС Е (воздействуют на ток возбуждения). При n = 0 тормозной момент М равен нулю, следовательно, машина не может быть заторможена в неподвижном состоянии.

Рис. 2. Схема и механические характеристики двигателя
с параллельным возбуждением в режиме динамического
торможения

Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения при независимом возбуждении и при самовозбуждении. При независимом возбуждении обмотку возбуждения отключают от обмотки якоря и подключают к питающей сети последовательно с резистором, сопротивление которого выбирают так, чтобы ток возбуждения не превышал номинального значения. При этом механические характеристики двигателя линейные (см. рис. 2, б). При самовозбуждении при переводе машины в генераторный режим необходимо переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения (рис. 3, а, б). Последнее необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре (при переходе с двигательного режима в генераторный) направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным и создаваемая этой обмоткой МДС Fвсовпадала по направлению с МДС F_ост от остаточного магнетизма. В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются.

Рис. 3. Схемы машины с последовательным возбуждением
в режимах двигательном (а) и динамического торможения (б)

На рис. 4 показаны зависимости ЭДС Е от тока якоря I_а при различных частотах вращения(n1 > n2 > n3 > n4) и вольт-амперные характеристики I_а(ΣR_a + R_доб) = f(I_a) полного сопротивления, включенного в цепь якоря (R_доб1> R_доб2 > R_доб3).

Рис. 4. Зависимости ЭДС от тока якоря для двигателя
с последовательным возбуждением в режиме динамического

Точки пересечения А₁,А₂ и А₃ указанных зависимостей определяют значения тока якоря I_a =с_еnФ/(ΣR_a + R_доб),при котором работает машина в режиме динамического торможения,
а следовательно, и значение тормозного момента – М. При увеличении n и неизменном значении R_доб возрастает ЭДС, ток якоря и тормозной момент.

Самовозбуждение оказывается возможным только при частоте вращения, большей некоторого критического значения n_кр, при котором вольт-амперная характеристика сопротивления цепи якоря располагается по касательной к зависимости Е = f(I_a). Так, например, при подключении к машине реостата, с сопротивлением R_доб1 тормозной режим при частоте вращения n₁ может быть реализован (точкаА₁); при уменьшении же ее до значения n₂ он невозможен. На рис. 5,а показаны зависимости частоты вращения от тока якоря, а на рис. 5,б – механические характеристики.

Рис. 5. Зависимость частоты вращения от тока двигателя в режиме динамического торможения якоря (а) и механические характеристики (б)

Механическое торможение

Сила нажатия колодок на колесные пары при механическом торможении образуется за счет давления сжатого воздуха в тормозных цилиндрах. Под действием силы, развиваемой сжатым воздухом поршень тормозного цилиндра со штоком смещается. Через механическую рычажную передачу, состоящую из тяг
и рычагов, он передает силу на каждую колодку. Если каждая колодка прижимается к вращающемуся колесу с силой К, то в месте контакта возникает сила трения, противодействующая вращению колеса (ф_к – коэффициент трения колодки о колесо).

Эта сила передается в точку С контакта колеса и рельса. Обе силы являются внутренними относительно поезда и не могут повлиять на характер его движения. Если колесо будет прижато
к рельсу с силой q₀, то в результате сцепления колеса с рельсом сила K\ty_K, приложенная от колеса к рельсу и стремящаяся сдвинуть рельс по направлению движе­ния, вызовет реакцию рельса В, равную силе T и противоположно направленную. Эта сила является внеш­ней по отношению к поезду и называется тормозной силой. Она дей­ствует против движения и создает необходимый колесу упор, К – суммарная сила нажатия колодок на колесную пару, кН.

Сила К зависит от диаметра тормозного цилиндра, давления сжатого воздуха в нем, силы оттормаживающей пружины, передаточного отношения рычажной передачи и ее КПД. Для каждого локомотива и вагона сила К может быть определена по этим данным.

Коэффициент трения колодок о колеса зависит в основном от материала колодок, скорости движения и удельных сил нажатия колодок на колеса. На железных дорогах применяют три типа колодок: стандартные чугунные, чугунные с повышенным содержанием фосфора (до 1,0...1,4 %) и композиционные. С увеличением скорости движения и удельного нажатия колодок (нажатия на единицу площади контакта) коэффициент трения снижается. Это объясняется большим количеством тепла, выделяемым при трении колодки о бандаж. За счет тепла на рабочей поверхности колодки металл размягчается, что вызывает снижение коэффициента трения. Чтобы коэффициент трения получить более высоким, применяют двустороннее нажатие колодок на каждое колесо, при котором уменьшается удельная сила нажатия колодок.

У стандартных чугунных колодок коэффициент трения резко снижается с увеличением скорости движения. Их недостатком является сравнительно большой износ. Чугунные колодки с повышенным содержанием фосфора имеют несколько больший коэффициент трения, меньше изнашиваются при работе. Композиционные колодки обладают более высоким коэффициентом трения, особенно в зоне высоких скоростей, и малым износом.

Коэффициент трения тормозных колодок о колеса рассчитывают по эмпирическим формулам:

Отношение силы нажатия колодок на колесную пару от колесной пары на рельсы называют коэффициентом нажатия колодок.

Рассмотрим схему на рис.6. Компрессор – воздушный насос с цилиндром и поршнем – всасывает воздух, сжимает его и выталкивает (нагнетает) в главный резервуар. В главном резервуаре (далее будем именовать его сокращенно ГР) воздух охлаждается и «успокаивается от толчков». Далее по трубе, которая называется питательной магистралью (ПМ) сжатый воздух подводится к крану машиниста (КМ).

Реальный кран машиниста имеет довольно сложную конструкцию, но на нашей упрощенной схеме он изображен в виде обычной переключательной пробки, в которой высверлен канал
в форме прямого угла.

Рис.6. Схема прямодействующего неавтоматического
тормоза

В положении I (торможение) через этот канал воздух из ПМ поступает в тормозную магистраль (ТМ) и по ней – в тормозные цилиндры (ТЦ) локомотива и вагонов. В ТЦ воздух воздействует на поршень 1 и смещает его вместе со штоком 2 вправо по рисунку, сжимая отпускную (оттормаживающую) пружину 3. Шток ТЦ действует через рычаг 4 на тормозную колодку 5, которая прижимается к колесу.

Для отпуска тормоза ручку КМ ставят в положение III (отпуск). Через прямоугольный канал воздух из ТМ выйдет в атмосферу (Ат, так в тормозной науке принято называть окружающее пространство). Пружины ТЦ вернут на место поршни со штоками, колодки отойдут от колес, и торможение прекратится.