Изучение силы тяги ведущего колеса

Цель работы: познакомиться с явлением образования силы тяги транспортных средств, определить зависимость силы тяги ведущего колеса от скорости движения.

Оборудование: ведущее колесо с электродвигателем, блок питания, вольтметр, амперметр, барабан, динамометр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Сила тяги локомотива, а также других транспортных средств, обусловлена взаимодействием ведущих колёс с рельсами, дорожным покрытием. Если к колесу со стороны тягового двигателя приложен вращающий момент сил, то колесо, пытаясь повернуться, отталкивает рельс от себя. А рельс, согласно третьему закону Ньютона, толкает колесо в направлении движения. Это и есть сила тяги – касательная сила действия рельса на колесо (рис. 1). По природе это либо сила трения покоя, которую называют силой сцепления, так как колесо не покоится, а катится, либо сила трения скольжения при буксовании колеса. Сила тяги приложена к колесу в зоне контакта колеса с рельсом и направлена в сторону движения.

При движении поезда с небольшим ускорением колесо катится почти равномерно. То есть момент сил со стороны двигателя М должен быть скомпенсирован моментом силы тяги относительно оси колеса . Отсюда следует, что сила тяги колеса равна отношению

. (1)

При постепенном увеличении момента силы, передаваемого на колесо двигателем, сила тяги пропорционально возрастает, но до определённого предела. При слишком большом значении момента силы сцепление нарушается и возникает скольжение колеса по рельсу, буксование колеса. Силой тяги становится сила трения скольжения. Сила трения скольжения зависит от большого числа факторов (материала, состояния поверхности, скорости). По своей природе она обусловлена межмолекулярным взаимодействием в пятнах контакта, которые образуются при пластической деформации колеса и рельса. В первом приближении считают, что сила трения скольжения по закону Амонтона – Кулона пропорциональна силе нормального давления N:

F_тр = m N . (2)

Здесь m – коэффициент трения скольжения. Сила нормального давления ведущих колес локомотива на рельсы равна так называемому сцепному весу. При всех ведущих колесах локомотива, то есть при отсутствии опорных катков, сцепной вес равен силе тяжести локомотива, N = mg.

Предельное значение сила тяги будет на грани перехода к буксованию (рис. 2). Если колеса нагружены не одинаково, то слабо нагруженное колесо раньше других начинает буксовать, поэтому приходится ограничивать мощность двигателей и использовать не в полной мере сцепной вес локомотива:

F_{тяги, пред} ≤ m_сц mg. (3)

Здесь коэффициент трения скольжения заменен равным ему коэффициентом сцепления – m_сц.. При качении стального колеса по стальному рельсу коэффициент сцепления находится в интервале 0,15 ¸ 0,30.

Реально в режиме ограничения силы тяги по сцеплению сила тяги колеса не постоянна, а несколько уменьшается с ростом скорости (рис. 3). Может быть, это обусловлено кратковременностью контакта, так что процесс пластической деформации микробугорков не успевает происходить в полной мере и межмолекулярное взаимодействие с ростом скорости колеса ослабляется.

Ограничение силы тяги по сцеплению ограничивает и мощность применяемых тяговых двигателей. Мощность, передаваемая на колёса локомотива, равна произведению силы тяги локомотива на скорость движения V :

P = F_тяги V. (4)

При разгоне поезда мощность двигателей с возрастанием скорости постепенно увеличивают, но не допуская буксования. При некоторой скорости, называемой критической, мощность двигателей достигает номинального значения. Значение критической скорости определим, подставив в формулу (4) величину предельной силы тяги

. (5)

Так как мощность, развиваемая двигателем, достигла предела, то с дальнейшим ростом скорости сила тяги уменьшается обратно пропорционально скорости:

. (6)

Таким образом, график зависимости силы тяги от скорости имеет два участка: ограничение силы тяги по сцеплению и ограничение по мощности (рис.3). Пунктирный участок гиперболы P=const не реализуется. Он соответствовал бы таким большим значениям силы тяги, которая не может обеспечить сцепление колёс, и происходит буксование.

Лабораторная установка для экспериментального изучения закономерностей силы тяги колеса состоит из барабана (бесконечный рельс), по которому катится колесо, приводимое во вращение электродвигателем (рис. 4). Силу тяги колеса можно определить по натяжению пружин динамометра. При равномерном вращении барабана момент силы трения ведущего колеса равен моменту сил натяжения нитей динамометра: F_тяги R = (T₁ – T₂) r = ΔTr, где R и r – радиусы барабана и шкива. Разность сил натяжения равна произведению коэффициента упругости пружин на разность деформаций пружин .Итак, сила тяги равна

. (7)

Скорость качения колеса по барабану
определяется по часто-
те вращения барабана V = 2 π n R . Частота вращения барабана определяется по частоте импульсов индукционного датчика электронным счетчиком или с помощью стробоскопа. Мощность, потребляемая двигателем, определяется по показаниям амперметра и вольтметра: P = U J

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Пододвинуть динамометр к барабану на минимальное расстояние и закрепить его. Установить указанные на мультиметрах пределы измерения. Включить блок питания электродвигателя в сеть 220 В. Включить тумблером электродвигатель. Установить переменным резистором некоторую силу тока, близкую к предельному значению. Двигатель начнет вращаться.

2. Определить силу тока и напряжение по показаниям мультиметров. Измерить линейкой разность деформаций пружин динамометра х. Определить частоту вращения барабана. Результаты записать в таблицу.

Повторить опыт не менее 5 раз, увеличивая расстояние динамометра от барабана во всем интервале возможных расстояний, вплоть до буксования колеса при остановки барабана n = 0.

4. Произвести расчеты. Определить мощность электродвигателя P = J∙U. Убедиться, что она примерно постоянна.

Определить в каждом опыте разность сил натяжения нитей динамометра по формуле . Коэффициент упругости пружин 20 мН/мм. Определить силу тяги ведущего колеса по формуле (7). Радиус барабана R=45 мм, радиус шкива r=22,5 мм.

Таблица

U, В	J, А	Р, Вт	х, мм	n, 1/с	ΔТ, Н	Fтяги, Н

5. Построить график зависимости силы тяги от частоты вращения барабана. Размер графика не менее половины страницы. Около точек провести плавную линию. В области буксования колеса провести прямую линию, считая силу тяги постоянной, равной наибольшей силе тяги при остановке барабана

6. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение силы тяги. Объяснить образование и причину возникновения силы тяги локомотива.

2. Дать определение сил трения покоя и силы трения скольжения. Объяснить природу силы трения. Записать закон силы трения скольжения.

3. Объяснить ограничение силы тяги по сцеплению. Записать формулы предельной силы тяги локомотива. Почему не реализуются огромные значения силы тяги при беспредельном увеличении мощности тяговых двигателей локомотива?

4. Объяснить зависимость силы тяги локомотива от скорости в режиме движения с постоянной мощностью. Дать определение критической скорости локомотива.

5. Объяснить, как зависит сила тяги от массы локомотива при ограничении силы тяги по сцеплению и ограничении по мощности.

6. Вывести формулу для расчета силы тяги ведущего колеса в лабораторной установке.

СОДЕРЖАНИЕ

Вводное занятие................................................................................................... 3

Физические основы механики

Работа 1. Изучение удара тел ..................................................................... 13

Работа 2. Определение скорости пули баллистическим методом.............. 18

Работа 3. Исследование движения тел в поле тяжести............................... 22

Работа 4. Изучение динамики вращательного движения.......................... 27

Работа 5. Определение скорости пули крутильным маятником................ 32

Работа 6. Определение момента инерции тел............................................. 37

Работа 7. Изучение прецессии гироскопа ............................................... 42

Работа 8. Изучение плоского движения при качении тел........................... 47

Работа 9. Изучение движения маятника Максвелла .................................. 52

Колебания и волны

Работа 10. Изучение затухающих колебаний............................................... 57

Работа 11. Изучение вынужденных колебаний ............................................ 62

Работа 12. Изучение сложения колебаний................................................... 67

Работа 13. Определение момента инерции физического маятника ............. 72

Работа 14. Определение скорости звука в воздухе....................................... 77

Термодинамика

Работа 15. Определение теплоемкости воздуха............................................ 82

Работа 16. Определение показателя адиабаты ............................................ 87

Механика железнодорожного транспорта

Работа 17-а. Определение коэффициента трения качения............................. 92

Работа 17-б. Определение коэффициента трения тормозной колодки.......... 98

Работа 18. Изучение скатывания вагона с горки....................................... 103

Работа 19. Изучение силы тяги ведущего колеса...................................... 108

Учебное издание

Составитель