Лекция 4. Электроподвижной состав.

Система тока, величина напряжения. Основные технические характеристики электровозов: электрооборудование, механическая часть. Тяговые агрегаты. Основные технические характеристики. Устройство. Автотормоза.

Подвижной состав электрифицированных ж/дорог и система электроснабжения составляют единую электрическую цепь. Отсутствие на электроподвижном составе первичной энергетической установки позволяет создавать электровозы большей мощности, чем тепловозы, при значительно меньших массе и размерах. Высокая эффективность электрической тяги появляется на участках с тяжелым профилем пути. На подъеме электровоз развивает скорость, значительно большую, чем тепловоз, также электровоз может работать с большей мощностью, чем расчетная и при низких температурах т.к. снижаются ограничения по нагреву ТЭД.

Одно из существенных преимуществ перед тепловозами – это возможность применения рекуперативного торможения т.е. при движении по спуску или в случае замедления ТЭД работают как генераторы. Вырабатываемая при этом электроэнергия может быть возвращена в контактную сеть и потреблена другими электровозами. Современные системы рекуперативного торможения на электровозах позволяют повысит безопасность движения. А вид тяги оказывает решающее влияние на себестоимость перевозок.

При электрической тяге себестоимость в 1,5 раза меньше тепловозной. Расходы на Т.О.Ч технической рамы значительно ниже, чем тепловозов. Более чем в 2 раза ниже трудоемкость Т.О. и Т.Р. Фактическая надежность электровозов в 2,2 – 3 раза выше, чем тепловозов. Значительно облегчен труд локомотивных бригад.

Системы электроснабжения бывают 2-х видов: внешнего и тягового.

Внешняя система электроснабжения – мощная энергетическая система с крупными электростанциями, трансформаторными подстанциями и линиями электропередачи. Электроэнергия по линиям электропередач передается от электростанции к трансформаторным подстанциям энергосистемы 3-х фазного тока.

Система тягового электроснабжения состоит из тяговых подстанций и тяговой сети, устройство которых определяется применяемой системой электрической тяги. Это электроснабжение должно обеспечивать бесперебойное питание Э.П.С. В случае прекращения подачи электроэнергии предусматривается резервирование отдельных элементов системы.

Качество электрической энергии оценивают уровнем напряжения, а на участках переменного тока, кроме того, синусоидальностью напряжения, тока и частой. Конструкции контактной подвески и токоприемников должны обеспечивать надежную работу электрифицированных участков в любых климатических условиях.

Системы электротяги. Наибольшее распространение получили следующие системы электрической тяги: постоянного тока, однофазного переменного тока пониженной частоты 16 ²/3 и 25 Гц, однофазного тока промышленной частоты 50 и 60 Гц. На железных дорогах СНГ применяют систему постоянного напряжением 3 кВ, систему однофазного переменного тока частотой 50 Гц. U= 25 и 2×25 кВ. Примерно 30 тыс. км электрифицировано переменным током.

Система постоянного токаполучила распространение во многих странах мира. Основное ее достоинство – использование на электроподвижном составе ТЭД постоянного тока с последовательным возбуждением, свойства которых в большей мере отвечают требованиям тяги.

Недостатки- сравнительно низкое напряжение (3 кВ) тяговой цепи, которое лимитируется max допустимым напряжением, подаваемым непосредственно из сети на ТЭД без промежуточного преобразования его на локомотиве, кроме того, при этой системе возникают значительные блуждающие токи, под действием которых происходит электрическая коррозия подземных металлических сооружений, для снижения ее требуется специальные защитные устройства.

Системы однофазного тока и промышленной частоты значительно проще и экономичней. Более высокое напряжение в контактной сети и соответственно меньшие токи в ней позволяют в 2,5 – 3 раза уменьшить площадь сечения проводов контактной сети на один путь, увеличить расстояние между тяговыми подстанциями. Установление на Э.Л.С. тяговые трансформаторы позволяют снизить напряжение на тяговых электродвигателях (по сравнению с системой постоянного тока), вследствие чего можно уменьшить толщину изоляции обмотки двигателей и увеличить их мощность на 25 – 30 % (при тех же габаритных размерах) и включить ТЭД «II». Такое соединение ухудшает тяговые свойства электровоза и снижает склонность колесных пар к буксованию. Тяговые подстанции в этой системе превращаются в обычные трансформаторные, вследствие чего упрощается автоматизация управления ими. Однако питание однофазным током промышленной частоты от системы внешнего электроснабжения 3-х фазного тока приводит к неравномерной загрузке ее фаз, что ведет к неиспользованию мощности генераторов электростанций, ограниченной высоким нагревом более нагруженных фаз. Ухудшается качество энергии, что снижает допустимые нагрузки различных асинхронных двигателей. К тому же возникает мешающее электромагнитное влияние на линии связи и другие идущие вдоль полотна железной дороги металлические коммуникации. В них наводятся значительные ЭДС, опасные для изоляции устройств и обслуживающего персонала. Помехи в линиях мешают нормальной работе.

Система переменного тока 2×25 кВ позволяет повысить напряжение в контактной сети, т.е. снимает ограничения пропускной способности по устройствам электроснабжения грузонапряженных линий. При этом не изменяется конструкция электровозов т.к. между рельсами и контактным проводом сохраняется напряжение, равное 25 кВ. На участке, электрифицированном по системе 2×25 кВ, линейные автотрансформаторы установлены в межподстанционной зоне через 5 – 8 км. Их число определяется расстоянием между тяговыми подстанциями, заданными тяговыми нагрузками и номинальной мощностью автотрансформаторов.

Система 2×25 кВ имеет ряд преимуществ по сравнению с системой 25 кВ. Сопротивление тяговой сети снижается примерно в 2 раза. Потери напряжения электроэнергии в тяговой сети в 2 – 2,5 раза уменьшает индуктивное влияние на линии связи. Уменьшение потерь напряжения в тяговой сети способствует удлинению межподстанционных зон, а значит снижению капитальных затрат на электрификацию железных дорог.

В соответствии с 2-мя системами электрической тяги ЭПС классифицируют по роду тока: постоянного, переменного и на два рода тока ( двойного питания). Электровозы и электропоезда приводятся в движение ТЭД. Для вращения якоря ТЭД необходимо по их обмоткам пропустить электрический ток. Включение и выключение ТЭД, а также регулирование тока элементами аппарата, установленного в кузове электровоза или моторном вагоне. Якоря ТЭД, вращаясь через зубчатую передачу приводят в движение колесную пару. В зависимости от передачи вращающего момента от ТЭД на движущую колесную пару электровоза подразделяют на 2 основные группы: с индивидуальным приводом (на каждой колесной паре стоит отдельный ТЭД); с групповым приводом – от одного ТЭД передается вращающий момент двум и более колесным парам. У нас все электровозы и моторные вагоны электропоездов имеют индивидуальный привод.

Электровозы, как и другие локомотивы выпускаются различных серий, в обозначения серий входят буквы ВЛ (Владимир Ленин), и цифры, соответствующие данной серии, и различных модификаций; для обозначения каждой из них вводится индекс после цифр.

Например:

«К» - с «кремниевыми выпрямителями» (ВЛ80к);

«Т» - с реостатным торможением (ВЛ80т);

«Р» - с рекуперативным торможением (ВЛ80р).

Электропоезда имеют следующие обозначения:

Постоянного тока – ЭР1, ЭР2, ЭР22, ЭР2Р, переменного тока – ЭР9П, ЭР9М, ЭР9Е.

На пригородных участках электропоезда состоят из 50% моторных вагонов, на некоторых соотношение моторных и прицепных вагонов равно 1:2. Составляющие мотор-вагонного электропоезда ЭР из 10 объектов обозначают: Г+2М+П+М+П+М+П+М+Г;

где М – моторный вагон, П – прицепной, Г – головной.

Электровоз и вагоны электропоезда состоят из механической части, электронного оборудования (ТЭД, вспомогательных машин и электрической аппаратуры), пневматического (воздухопроводы, резервуары, краны и др. устройства, обеспечивающие работу аппаратов и тормозов) оборудования и тормозной системы.

Основными на участках постоянного тока с напряжением, равным 3 кВ, являются грузовые электровозы ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 и пассажирские ЧС2, ЧС6, ЧС7, ЧС200.

На участках переменного тока с напряжением 3 кВ эксплуатируются грузовые электровозы ВЛ60к, ВЛ80к, ВЛ80р, ВЛ85.

Технические характеристики электровозов в учебнике п/с и тяга с.20.

Важным свойством электровозов является способность эксплуатировать по системе многих единиц, т.е. 1 машинист управляет работой 2-х или более электровозов. В отдельных локомотивных депо работают малые партии электровозов, выпуск которых давно прекращен (ВЛ8).

Механическая часть электровоза включает в себя тележки, кузов и ударно-тяговые приборы. Конструкция механической части зависит от мощности и max скорости движения. На механическую часть электровоза и тепловоза действует нагрузка от массы оборудования электровоза, она передает тяговое и тормозное усилие, воспринимает динамические нагрузки, возникающие при движении по кривым и прямым участкам пути.

Тележка: состоит из рамы, колесных пар с зубчатой передачей, букса, рессорного подвешивания, подвесок ТЭД и тормозной системы.

На электровозах применяются 2-х и 3-х осные тележки, сочлененные шарнирами.

Рама тележки представляет собой цельносварную конструкцию прямоугольной формы, состоящую из 2-х боковин, связанных шкворневым и двумя кольцевыми поперечными брусьями. На внутренней стороне боковин находятся кранштейны для подвески тормозной системы (и на концевых).

Колесные парынаправляют движение электровоза по рельсовому пути, передают силу тяги тормозную силу при торможении, воспринимают динамические и статические нагрузки, преобразуют вращающий момент ТЭД в поступательное движение электровоза. Это наиболее ответственные элементы экипажа, определяющие безопасность движения.

Колесная пара состоит из оси, колесного центра – 2 шт, бондажей, зубчатых колес и бандажных колец.

6±1

Буксовые узлы: через буксы на колесные пары передается вертикальная нагрузка от веса электровоза, а от колесных пар – на рамы тележек – усилия тяги, торможения и боковые горизонтальные силы.

Букса предотвращает попадание посторонних предметов в подшипники и ограничивает перемещение рамы тележки электровоза относительно колесных пар.

Рессорное подвешивание. Предусмотрено для уменьшения вредных воздействий в конструкции ЭПС при прохождении по рельсовому пути, имеющему неровности, стыки, при прохождении стрелочных переводов и крестовин.

Рессорное подвешивание состоит из следующих элементов: листовых рессор, цилиндрических пружин, балансиров, подвесок, накладок и обойм (над и под пружинами).

Рычажная тормозная система. Этой системой оборудованы все электровозы и все локомотивы в целом. Она служит для передачи усилий от тормозных цилиндров или от привода ручного тормоза к тормозным колодкам.

Бывает тормозная система с односторонним и 2-х сторонним нажатием колодок на бандаж каждого колеса.

Межтележечные сочлененияпередают тяговые и тормозные усилия от одной тележки к другой. Шаровый шарнир допускает поворот тележек во всех направлениях. Только на электровозах ВЛ8 и ВЛ22, у других электровозах тележки не сочленены.

Тяговые передачи для передачи вращающего момента от ТЭД на движущие колесные пары. Конструкция тяговых передач зависит от привода (индивидуальный или групповой), что определяет общее устройство ТЭД, способ его установки и наибольшие размеры. В современных электровозах широко применяют индивидуальный привод к отдельным осям.

ТЭД с индивидуальным приводом устанавливают в тележке на 2-х опорах: одна опора – ось колеса, вторая – поперечная балка тележки. Такую систему подвешивания ТЭД называют опорно-осевой (на одной опоре 2 НОП) на ось колесной пары. С противоположной стороны ТЭД опирается на пружинную подвеску, передающую упругую часть веса ТЭД на тележку. Связь ТЭД с колесной парой и передачу вращающего момента осуществляет цилиндрическая зубчатая передача, закрытая в кожухе. Бывает, что ТЭД полностью опирается на раму тележки и таким образом он полностью подрессорен. Тяговые передачи являются понижающими, т.к. зубчатое колесо колесной пары значительно больше чес на ТЭД. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев шестерни ТЭД называют передаточным числом.

Кузов. В нем размещают электрическую аппаратуру, вспомогательные машины и пневматическое оборудование, а также запас песка. Впереди и сзади кузова расположены кабины машиниста, отделенные от машинного помещения перегородками. У 8-ми и 12-ти осного электровозов по 2 кузова, каждый с одной кабиной. Между кузовами имеется переходной мостик закрытого типа.

Кузова локомотивов, у которых рама передает тяговые и тормозные усилия, соединены автосцепками (ВЛ10, ВЛ80), если передача тягового усилия осуществляется через рамы тележек, кузова автосцепкой не соединяют (ВЛ8), она находится на крайних тележках. Проход в кузове, как правило односторонний. Со стороны прохода доступ к аппаратам в высоковольтной камере осуществляется через съемные или задвижные щиты и двери, имеющие электрическую или пневматическую блокировки, не позволяющие открывать их при поднятом токоприемнике. В свою очередь токоприемник может быть поднят только при закрытых щитах и дверях. Выход на крышу через люк по лестнице, расположенной в кузове. На крыше имеются краны и поручни.

ТЭД является электронной машиной, предназначенной для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для движения локомотива и, следовательно, поезда. На некоторых электровозах ТЭД используется также для электронного торможения. При этом, механическая энергия преобразуется в электрическую. ТЭД классифицируется по роду тока – постоянного и переменного, по системе передачи вращающего момента колесным парам – двигатели с индивидуальным и групповым приводом; по способу вентиляции – с самовентиляцией и независимой вентиляцией.

Наиболее широко распространены на Э.П.С. ТЭД постоянного тока с последовательным возбуждением. Применяют также однофазные коллекторные и 3-х фазные асинхронные двигатели. ТЭД состоит из остова, якоря, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.

Якорь вращается в роликовых подшипниках, которые размещены в подшипниковых щитах. На ось колесной пары ТЭД опирается МОПодшипниками, а на раму тележки – с помощью подвески специальными приливами (кронштейнами). Остов ТЭД является одновременно магнитопроводом и корпусом машины и представляет собой стальную отливку цилиндрической формы. Многие ТЭД имеют остов 8-ми гранной формы. Внутри него размещены основные детали и узлы двигателя. Со стороны коллектора ТЭД имеет люки для осмотра коллектора и щеточных аппаратов. Также со стороны коллектора имеется раструб, через который подается воздух для охлаждения ТЭД. На внешней стороне ТЭД имеются приливы, к которым крепят МОП, имеются также приливы подвески, предохранительные и с отверстиями для крепления кожухов зубчатой передачи, и специальные приливы с отверстиями зубчатой передачи и специальные приливы с отверстиями для транспортировки краном. На остове размещены главные и добавочные полюсы, которые создают магнитные потоки, для получения крутящего момента в якоре ТЭД.

На ТЭД электровозов, кроме ВЛ22, ВЛ23, ВЛ8 и ЧС, применяется еще и компенсационная обмотка, которая расположена в пазах наконечников главных полюсов. Она повышает устойчивость работы электродвигателя. Катушки главных и добавочных полюсов и компенсационная обмотка соединены межкатушечными соединениями в соответствии со схемой. Эти соединения крепят к остову скобами. Выводы главных полюсов через отверстия выходят наружу.

Якорь ТЭД состоит из сердечника, обмотки, уложенной в пазы сердечника, корпуса коллектора и вала. Коллектор ТЭД предназначен для изменения направления тока в проводниках якоря при переходе под главный полюс другой полярности. Коллектор набирают из медных пластин изолированных друг от друга изоляционными (обычно из миканита) прокладками. В подшипниковом щите, расположенном с противоположной стороны коллектора, сделаны окна для выхода охлаждающего воздуха.

Скользящий контакт между неподвижными элементами цепи и вращающейся обмоткой якоря ТЭД осуществляют щетки, которые вставлены в щеткодержатели, которые обеспечивают правильное положение щетки по отношению к поверхности коллектора. Прижатие щеток к коллектору осуществляется с помощью пружины. Причем, усилие остается равномерным по мере истирания щетки. Щеткодержатели крепятся к кронштейнам через изолированные пальцы.

МОП имеют вкладыши из бронзового литья, по внутренней поверхности залитые баббитом (толщина слоя около 3 мм). На ТЭД устанавливают подшипники с постоянным уровнем смазки.

На электровозах имеются вспомогательные машины:

- мотор-компрессоры, обеспечивающие сжатым воздухом пневматические приборы аппаратов электровоза и тормоза поезда;

- мотор-вентиляторы, подающие воздух для охлаждения ТЭД, пуско-тормозных резисторов, выпрямительных установок, трансформаторов и другого оборудования;

- генераторы управления, питающие постоянным током цепи управления и освещения и обеспечивающие заряд аккумуляций батареи;

- мотор-насосы, создающие циркуляцию жидкостей в системах охлаждения оборудования электровозов;

- расщепители фаз, преобразующие однофазный ток в 3-х фазный для питания асинхронных электродвигателей на электровозах переменного тока;

- мотор-генераторы (машинные преобразователи), питающие постоянным током низкого напряжения обмотки возбуждения ТЭД электровозов постоянного тока при рекуперативном торможении;

- делители напряжения, обеспечивающие питание мотор-компрессора моторного вагона электропоезда пониженным напряжением. Каждая вспомогательная машина представляет собой агрегат, состоящий из вспомогательного механизма и электрического двигателя, который приводит его в действие. Исключение составляет генератор управления, который размещается на валу мотор-вентилятора или расщепителя фаз.

Электродвигатели вспомогательных машин на Э.П.С. постоянного тока питаются непосредственно от контактной сети, а на Э.П.С. переменного тока от вспомогательной обмотки трансформатора. На электровозах переменного тока в качестве привода вспомогательных машин применяют 3-х фазные асинхронные двигатели, принципиально не отличающиеся от двигателей общепромышленного назначения и двигатели постоянного тока, получающие питание от специальных выпрямительных установок.

Электрические аппараты и приборы.На Э.П.С. применяют аппаратуру как в тяговом исполнении, так и общепромышленного назначения, способную работать надежно в условиях вибрации, ударов и ускорений, при изменении температуры в широком диапазоне от - 50°С до + 60°С.

Тяговые аппараты по назначению подразделяют на следующие группы: аппараты токосъема – токоприемники и заземляющие устройства (устройства для отвода тока), осуществляющие подвижное соединение цепей Э.П.С. с контактной сетью и колесными парами:

- коммутационные аппараты, предназначены для переключения в цепях ТЭД, вспомогательных машин и электрического отопления;

- пускотормозные резисторы и резисторы другого назначения;

- аппараты защиты электрооборудования от коротких замыканий, перегрузок и перенапряжений;

- регуляторы и датчики сигналов управления коммутационными защитными аппаратами и вспомогательным оборудованием, контроллеры управления и др.

Лекция 5. Эксплуатационные свойства транспортных средств.

Общие сведения о теории тяги поездов. Особенности эксплуатации колёсных транспортных средств (ТС).Определение и классификация эксплуатационных свойств ТС (ЭСТС). Силы, действующие на колесо ТС. Физическая модель поезда. Касательная сила тяги локомотива (F_к). Образование F_к. Основной закон локомотивной тяги. Расчет F_к по сцеплению.

Транспортным средствам относятся устройства, предназначенные для перемещения грузов или пассажиров по заданным транспортным коммуникациям. Каждый вид транспорта имеет свои транспортные средства, конструкция которых отражает особенности конкретного вида.

Для перемещения грузов используют железнодорожный, автомобильный, водный воздушный и специальные виды транспорта. К грузовым средствам по этим видам транспорта относятся: Железнодорожный (локомотивы и вагоны); автомобильный (автомобили и прицепной состава); водный (грузовые суда- сухогрузы, танкеры, сухогрузоналивные); воздушный (самолеты и вертолеты); специальный (конвейеры, канатно-подвесные дороги, трубопроводный).

На промышленных предприятиях преобладающими видами транспорта являются железнодорожный и автомобильный (более 90% от общего объема перевозок). Такое же состояние и на магистральном транспорте.

Транспортные средства, выполняющие общую основную для них функцию - перемещения в пространстве грузов (пассажиров) имеют различные свойства в зависимости от среды в которой они работают (наземная, воздушная, водная). Колесные транспортные средства имеют много общего и различаются в основном тем, что колеса взаимодействуют с грунтом (автомобильный транспорт) или с рельсами (железнодорожный транспорт). Разнообразие целей эксплуатации обусловило широкую специализацию транспортных средств, которые отличаются своими свойствами, обеспечивающими их использование в конкретных условиях наибольшей эффективностью. Число свойств транспортных средств велико. Для удобства изучения их сгруппировали по различным признакам – надежности, экологические, эстетические, эксплуатационные и др.

Эксплуатационные свойства транспортных средств– это группа свойств, определяющих степень приспосабливаемости средства к эксплуатации в качестве специфического транспортного средства. Транспортное средство является частью системы: такое средство- дорога – среда. Поэтому значимость определенного эксплуатационного свойства в оценке эффективности применения транспортного средства зависит от условий, в которых это свойство проявляется, то есть от условий эксплуатации.

Особенности эксплуатацииколесного транспортного средства определяются: дорожными условиями – элементами плана дороги, режимы движения, интенсивность движения; Транспортными условиями– вид груза, объем перевозок, расстояние перевозок, способы погрузки и выгрузки, организация перевозок; природно-климатическими условиями– особенность различных зон климата (умеренный, холодный, жаркий, высокогорный). Поэтому эксплуатационные свойства колесных транспортных средств включают значительное количество свойств, обеспечивающих движение, и разбиты на более мелкие группы: тяговые, тормозные, устойчивости, плавности хода, топливной экономичности, управляемости, маневренности и проходимости.Перечень этих свойств из-за особенностей конструкции и характера движения у автомобильных и железнодорожных средств различен.

Из всего перечня эксплуатационных свойств особое место занимают тяговые и тормозные свойства. Они определяют характер и режимы движения транспортного средства.

Тяговыми свойствами называют совокупность свойств, определяющих возможность изменения скорости движения при работе транспортного средства в режиме тяги и в различных эксплуатационных условиях. Тяговым принято считать режим, при котором передается энергия на ведущее колесо для преодоления сопротивления движению.

Тормозные свойства – это совокупность свойств, определяющих максимальное замедление транспортного средства при его движении в режиме торможение. Торможение – процесс создания и изменения искусственного сопротивления движению с целью уменьшения скорости движения (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Силы, действующие на колесо.

На рисунке 5.1 в общем виде показаны силы, действующие на колесо транспортного средства при различных условиях его движения: F_т-сила тяги; F_c-сила сопротивления движению; F_торм- тормозная сила; F_и- сила инерции;

Железнодорожное транспортное средство характеризуются следующими эксплуатационными свойствами: тяговыми, тормозными, топливной экономичностью, устойчивости и плавности хода. В теории тяги поездов рассматриваются – тяговые, тормозные и топливной экономичности свойства железнодорожных транспортных средств. В теории тяги изучают управляемые движения поездов. При этом поезд рассматривают как управляемую систему, функционирующую в условиях переменных возмущающих воздействий внешней среды, наложения внутренних и внешних удерживающих связей и нормативных ограничений ее управляющих воздействий.

В теории тяги принято считать, что локомотивы и вагоны, связанные между собой сцепками, движутся в пространстве и времени как единое целое – как система, не имеющая никаких других движений, кроме управляемого. То есть автосцепки являются внутренними, а рельсы – внешними удерживающими связями, определяющими траекторию движения и направляющих сил, воздействующих на управляемое движение поезда. Переменные внешние воздействия обусловлены неравномерностью профиля пути, колебанием скорости по условиям организации движения поездов и метеоусловиями, управляемая система должна способностью переходить из одного состояния в другое, но только допустимое, определяемое ограничениями. Нормативы и нормы ограничения устанавливают Министерство, завод изготовитель и дороги на местах. Ограничения обусловлены ресурсами управления и условиями эксплуатации. Ограничения по ресурсам управления определяются: ограничениям по полученной энергии от источника; нормальной мощностью тяговых двигателей; оснащенностью поезда тормозными средствами; сцеплением движущихся колес с рельсами, определяющих устойчивость против боксования; конструкционной скорости локомотива и вагонов; условиями надежности по допускаемым токам и напряжениям электрических машин. Ограничения по условиям эксплуатации это длина приемоотправочных путей станция; метеоусловия; предельно – допустимые скорости и другие.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что нет необходимости определять все силы, координаты и скорости движения каждого объекта – локомотивы и вагоны, входящих в систему поезда для выполнения программы движения поезда. Достаточно учитывать те скорости, силы и координаты, которые характеризуют поезд как систему в целом и которые связаны с программой управления его движения. Такой выборочный подход к расчету движения, когда вместо подведения реальной системы (действительный поезд) рассматривают поведения ее модели (физическая модель поезда), пренебрегая несущественными факторами, называют моделированием, составляющим методологическую основу теории тяги поездов.

Для расчета движения используются математическая модель поезда – дифференциальное уравнение движения, описывающие его поведения с достаточной для целей практики, точностью.

Решением этого уравнения с учетом ресурсов и ограничений опирают время, путь, скорость движения, массу составов, тип локомотива, тормозную обеспеченность поезда, расход топливно-энергетических ресурсов на тягу, требования к вагонному и путевому хозяйству. Расчетную часть называют тяговыми расчетами.

Нормативы расчетных величин и методики тяговых расчетов в зависимости вида тяги, характера работы транспортных средств (поездная или на промпредприятии) приведенных в различных правилах тяговых расчетов, кроме того, для промышленного транспорта в отраслевых нормах могут быть приведены уточнения этих нормативов и методик расчетов, как например по тяговым расчетам для железнодорожного транспорта металлургических предприятий.

Для получения требуемой точности результатов расчета необходимо сходство в поведении действительного поезда и его физической модели. То есть в теории тяги поездов изучают только управляемое движение и пренебрегают неуправляемыми движениями подвижного состава: поперечными в рельсовой колее, продольными в зазорах автосцепок, вертикальными при колебаниях обрессоренного веса и другие. Если всем этим пренебречь, то можно считать, что рельсовый путь представляет собой такую внешнюю удерживающую связь, наличие которой заставляет поезд двигаться только в одном направлении вдоль рельсов. Следовательно, можно предположить, что поезд имеет одну степень свободы, а значит, для описания его поведения требуется лишь одно уравнения.

На подвижной состав действует множество сил, различных по природе образования, месту приложения и направлению движения. И все их учесть невозможно, да и в этом нет необходимости, так как нас интересуют только те силы, которые влияют на управляемое движение. По этому для описания поведения поезда нам необходимо и достаточно знать только те силы, которые совпадают с направлением движения и противоположные ему.

Допустим, что вагоны и локомотивы поезда движутся на постоянном расстоянии других и проходят один и тот же путь с одинаковой скоростью. А из механики известно, что такое движение является признаком поступательного движения неизменяемой системы, которые полностью опирается движением центра ее масс, поэтому движение материальной точки, в которой сосредоточена вся масса поезда. Расположение центра масс принято в середине длины поезда. Так как сумма работ внутренних сил неизменяемой системы равна «нулю», то для описания движения поезда достаточно учитывая только внешние силы и не принимать во внимание внутренние. При этом учитываем только те силы, которые совпадают с направлением движения по рельсам при противоположному ему и так. Физическую модель поезда представляем как управляемое движение материальной точки с одной степенью свободы, в которой сосредоточена вся масса поезда и к которой приложена равнодействующая сила, равная по величине алгебраической сумме внешних сил, действующих по направлению или против движения поезда.

В тяге поездов все силы, воздействующие на управляемое движение, считают приложенным к ободам колес локомотива и вагонов поезда. Соответственно принятой модели поезда определились силы, которые необходимо учитывать в расчетах движения; F_к – касательная силы тяги локомотива, W_к – сопротивлению движения поезда, В_т – тормозная сила поезда.

Рис. 5.2 – Приложение сил к ободам колес

В теории тяги поездов тяговые расчеты принято производить по касательной силе тяги. Другие силы – индикаторная, на сцепке, динамометрическая, при выборе локомотива не достаточно характеризуют его для работы в конкретных условиях.

Касательной силой тяги (F_к) называют управляемую движущую силу, создаваемую тяговой передачей локомотива при взаимодействии с рельсами приложенную к ободам движущих колес в направлении движения поезда.

Силой сопротивления (W_к) называют совокупность всех неуправляемых сил, возникающих в процессе движения, приложенных к ободам колес поезда и направленных против движения.

Тормозной силой (В_т) называют совокупность управляемых сил, создаваемых тормозными средствами поезда во взаимодействии с рельсами и приложенных к ободам колес в направлении, противоположном движению. При неравномерном движении поезда действует также сила инерции F_и.

Все силы на поезд не действую, потому что нет смысла тянуть поезд на тормозах. В зависимости от того, какие силы действуют на поезд в данный момент, различают следующие режимы движения поезда:

-режим тяги

F_к-W_к+F_и, кгс (1)

-режим холостого хода или выбега

- W_к ± F_и , кгс (2)

-режим торможения:

-W_к-B_т ± F_и, кгс. (3)

Соотношение величин сил, составляющих равнодействующую поезда, определяет характер движения: ускоренное, замедленное или равномерное.

Для удобства расчетов принимают, что все силы пропорциональны массе вагонов и локомотиву, используют удельные силы - это силы (кгс), отнесенные к единице массы рассматриваемого транспортного средства (т). В теории тяги их обозначают малой буквой данной силы, например.

f_к= F_к/(Q+P) , кГс/т (4)

w_к=W_к/(Q+P) , кГс/т (5)

b_т= B_т/(Q+P) , кГс/т (6)

где Q и P- соответственно масса состава и локомотива, рассматриваемого поезда, т.

Все указанные силы относят к ободам колес и прикладывают в точках соприкосновения колеса и рельса.

Рассмотрим процесс образования силы тяги у электровозов и тепловозов с электрической передачей, то есть у локомотивов и индивидуальным приводам от тяговых электродвигателей.

Рис. 5.3 – Образование силы тяги на колесе.

На рис. 5.3 изображен ТЭД, которой подвешен в точке А₄ при помощи пружины, а в точке О₃ опирается подшипником на ось колесной пары. При поступлении тока в тэд на его якоре возникает вращающий момент М₁, которой затем при помощи зубчатой передачи передается на движущую ось локомотива. Момент М₁ можно изобразить в виде пары сил, из которой одна Х₁ возникает в точке касания зубчатых колес, а другая Х2 приложена в центре вала тэд. Следовательно, М₁=Х₁*Ч₁, откуда Х₁=М₁/Ч₁. Но сила Х₁, действуя на большую шестерню, образует вращающий момент М₂, равной с учетом потерь на трение в зубчатой передаче М₂=Х₁*Ч₂* S₃ или после преобразования

М₂=М₁*Ч₂/Ч₁*Sз , кГс*м (7)

Момент М₂ можно заменить моментом Мк, приложенным к ободу колеса в виде пары сил, из которых одна F₁ приложена к центру колеса О₃, а другая F₂-к ободу колеса в точке касания его с рельсом О₁.

Мк=М₂=М₁*i_з*Sз=F₁*D/2, кГс*м (8)

где i_з- передаточное отношение зубчатой передачи.

Рис. 5.4

Если сила F₂ – стремится сдвинуть колесо по рельсу влево, однако в результате закона действия и противодействие со стороны рельса на колесо возникает горизонтальная реакция в виде F_к, равная силе F₂ и направленная в противоположную сторону, но по линии действия, совпадающей с линией действия силы F₂. В каждый момент времени силы F_к и F₂ уравновешиваются в точке касания колеса с рельсом О₁, и последнее находится в покое относительно рельса.

Сила F₁ остается не уравновешенной и прижимая ось к буксе, а букса к раме тележки, сообщает движение. Одновременно сила F₁ вызывает вращение колеса вокруг точки касания О₁, как вокруг мгновенного центра. Таким образом, сила приложенная к центру движущей оси и направленная все время в сторону направления движения, и есть сила тяги локомотива. Но сила F₁ становится движущей только при наличии горизонтальной реакции рельса F_к. По этой причине обычно силой тяги локомотива называется сила F₁, приложенная через ось и букcу к раме, а равная ей по величине и направлению реакция F_к, приложенная от рельса, создаваемая тот упор колеса о рельс, без которого невозможно поступательное движение локомотива.

Реальность силы тяги на ободе колеса F_к легко докажется. Если локомотивов оторвать от рельса и привести в действие эдт, то движущие колеса начнут вращаться, но центр тяжести локомотива поступательного движения не получит (из-за отсутствия внешней силы). Если локомотив опустить на рельс, то он начнет перемещаться, так как между колесами и рельсами появится сила F_к – горизонтальная реакция рельса. Поэтому можно считать, что это внешняя сила и вызовет поступательное движение локомотивов, то есть является силой тяги.

Существование силы F₂, приложений от колеса к рельсу, в сторону противоположную направлению локомотива, так же очевидно. В результате ее действия наблюдается угона рельсов в сторону, обратную направлению движения, особенно на подъемах, где эти силы велики. Следовательно, сила тяги на ободе колеса составит

F_к=F₁=F₂=2M*i_з/D*η_з , кГс (9)

Установлено, что при увеличении активной силы на ободе колеса F₂ в одинаковой мере увеличиваются сила F_к, то есть увеличится сила тяги. При эксплуатации локомотивов желательно реализовывать возможно большие значения силы тяги. Но до какой же величины возможно их увеличение?

Реактивная сила F_к физически является тем упором, который препятствует активной силе F₂ сдвинуть колесо по рельсу, и назначения силой сцепления между колесом и рельсом. Следовательно, можно записать:

F_{к max}=F_cц=Ψ*P , кГс (10)

где Ψ – коэффициент сцепления катящегося колеса по рельсу, величина которого зависит от нагрузки, передаваемой колесом на рельс, упругих свойств материала бандажа и рельса, состояния их поверхностей, скорости поступательного движения, состояния ходовых частей, конструкции и состояния пути, климатических условий и от других факторов. Поэтому реактивная сила со стороны рельса, названной силой сцепления, имеет известные ограничения и при определенных условиях она может достичь наибольшего значения. До тех пор пока горизонтальная реакция F_к≤F_cц силе сцепления колеса с рельсом, точка касания с рельсом О₁ в каждое данное мгновение остается неподвижная, являясь мгновенным центром, вокруг которого поворачивается колесо, то есть происходит нормальное качения колеса по рельсу – поступательное движение локомотива.

По мере увеличения момента, развиваемого тэд, увеличится и активная сила F₂, принимая значение F’₂, и так далее, вызывая соответствующие горизонтальное реакции со стороны рельса F_к, и так далее.

Рис. 5.5 – Схема возрастания силы тяги.

Предположим, что активная сила F’”₂ превышает величину наибольшей силы сцепления F’”_к. Разделим силу F’”₂ на две части: одну F”₂=F_сц (по величине), и другую |F’”₂-F”₂|. Тогда F”₂, будучи уравновешенной в точке О₁ силой сцепления F_сц и создаст силу тяги F”_к для поступательного движения; другая же неуравновешенная часть силы |F’”₂-F”₂| образует момент M₁=( F’”₂-F”₂)*R, которой, вызывая вращения колеса, заставит его одновременно с поступательным движением скользит по рельсу.

Следовательно, реакция рельсов на этот момент теперь физически будет выражаться в виде трения скольжения при движении /φ_v*P/, которая даже при этой же нагрузке от колеса на рельс всегда силы трения покоя или силы сцепления колеса и неуклонно уменьшается с увеличением относительной скорости:

, так как ,

здесь - коэффициент трения скольжения при скорости ;

- коэффициент трения покоя.

В результате этого при постоянстве действующего со стороны двигателя вращающегося момента произойдет дальнейшее уменьшения силы F”₂ и увеличение неуравновешенной силы |F’”₂-F”₂| и момента М’.

Колесо под действием большего неуравновешенного момента М’ начнет вращаться по рельсу с увеличением относительной скорости, пока сила F”₂ уменьшится до такой величины, когда энергия вращающего момента М_к расходоваться на вращение колеса на месте. Это явление носит названия и боксования колеса. Во время боксования горизонтальная реакция в месте контакта колеса с рельсом при весьма значительной величине относительно скорости обычно не велика, и поэтому скорость вращения колеса может достигнуть величины, при которой возникающие силы инерции в механизме тяговой передачи могут оказаться для нее опасными.

Поэтому необходимо, чтобы такое значение активной силы F₂, в каждый момент времени не превышало бы наибольшее значение силы сцепления движущих колес с рельсами, то есть

или , кГс (11)

Это положение и является основным законом локомотивной тяги – для получения силы тяги локомотив необходимо, чтобы к движущему колесу был приложен момент, в результате действия которого на ободе колеса появляется сила, величина которой не должна превосходить силу сцепления колеса с рельсом.

Таблица 5.1 – Значения коэффициента сцепления колеса с рельсом Ψ с учетом состояние рельсов.

Состояние рельсов	Значение Ψ
Чистые сухие	0,25-0,3
Чистые мокрые	0,18-0,2
Грязные влажные	0,15-0,18
При легком снеге	0,1
Покрытые мокрыми листьями	0,08-0,14

Для расчетов «Правила тяговых расчётов» устанавливают так называемый расчетный коэффициент сцепления, величина которого определяется опытным путем как отношение наибольшей надежно реализуемой в эксплуатации силы тяги к статической нагрузке движущихся колес на рельсы, то есть ток называемому сцепному весу Р_сц (т.с.).

Таким образом, касательная сила тяги рассчитываются по сцеплению

F_к=1000* Ψ_к *P_сц, кГс (12)

Расчетный коэффициент Ψ_к сцепления определяется в зависимости от характера движения (поездной или на предприятии), скорости и вида тяги. «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» для тепловозов Ψ_к определяется:

На магистральном транспорте

, (13)

а для тепловозов, работающих на промышленных предприятии, «Правилами тяговых расчетов» ПТ, по формуле

, (14)

В условиях эксплуатации локомотива наряду с его величиной силы тяги F_к не меньшее значение имеет величина скорости движения V, при которой эта сила тяги может быть реализована. Поэтому для оценки эксплуатационных качеств локомотива важнейшее значение имеет характер зависимости F_к=f(V), которою обычно представляют в графическом виде и называют тяговой характеристикой локомотива.

Рис. 2.5 – Тяговая характеристика тепловоза ТГМ6А