Сила тяги

4.3.1. Основные элементы конструкции ЭПС

Рис. 4.14

Ходовая часть электровоза состоит из тележек 1, каждая из которых, в зависимости от серии электровоза, объединяет две или три колесные пары 2. Тяговые электродвигатели 3 приводят во вращение через специальную передач; колесные пары, оси которых вращаются в подшипниках, размешенных в буксах 4 (die Buchse — нём. — коробка). Тележка опирается на буксы через рессорное подвешивание, условно показанное на рис. 4.14 в виде пружин 5.

Кузов электровоза 6 состоит из рамы 7 и металлического каркаса, обшитого листовой сталью. Рама кузова опирается на тележки с помощью опор 8. На раме закрепляются автосцепки 9, необходимые для соединения с прицепной частью поезда — составом.

По концам кузова расположены кабины машиниста 10 с необходимыми устройствами управления электровозом и приборами для контроля за его работой. В центральной части кузова помещается высоковольтная камера 11, в которой размещаются аппараты для осуществления необходимых переключений в схеме электровоза для регулирования режимов его работы. Эти аппараты управляются дистанционно из кабины машиниста.

Между кабинами машиниста и высоковольтной камерой установлены вспомогательные машины 12 для обслуживания собственных нужд электровоза (мотор-компрессоры для выработки сжатого воздуха, мотор вентиляторы для охлаждения воздухом тяговых двигателей и другого оборудования и т.д.).

На крыше установлены токоприемники 13 для осуществления постоянной связи электровоза с источником энергии через контактную сеть.

Длину электровоза принято считать по осям автосцепок расстояние между осями; расположенными в одной тележке, как уже упоминалось, называют жесткой базой и расстояние между крайними колесными парами — общей базой электровоза .

Сила тяжести всего электровоза- (его «вес») передается от кузова через опоры на тележки, а от них через рессорное подвешивание и буксы — на колесные пары..

4.3.2. Образование силы тяги

Рассмотрим систему сил, действующую на тележку электровоза (рис. 4.15).

Масса всех элементов конструкции электровоза создаст силу тяжести, которая распределяется между колесными парами. В месте касания колес одной колесной пары и рельсов действует сила тяжести G_K.П (4.1).

Рис. 4.15

Согласно первому закону Ньютона эта сила уравновешивается силой, приложенной от рельсов к колесам G_KП^/, причем по модулю они равны

Допустим, что к колесной паре приложен вращающий момент М_К.П. Он может быть представлен в виде пары сил, одна из которых F_K.Д.^/приложена от колеса к рельсу, а другая F_K.Д" — от шейки оси к буксе, закрепленной в раме тележки, то есть к тележке: .

Сила, приложенная от колеса к рельсу, уравновешивается силой, приложенной от рельса к колесу, которая вследствие наличия силы G_KП является, по своей физической природе силой трения, причем

Сила F_K.Д" приложена к тележке и является по отноше­нию к ней внешней силой, которая и вызывает поступательное движение тележки, причем

(4.19)

Таким образом, сила F_K.Д" возникает только благодаря трению (принято говорить — сцеплению) в точке касания колес с рельсами и поэтому называется касательной силой тяги

(4.20)

Если тележку поднять над рельсами и приложить к колесной паре вращающий момент, то она будет вращаться, но никакого поступательного движения тележки не возникнет. Следовательно, появление силы тяги возможно только при наличии силы, обеспечивающей появление сцепления в месте контакта колеса и рельса.

Если не укреплять рельсы и обеспечить неподвижность тележки, то под действием силы будет происходить перемещение рельсов относительно неподвижной тележки.

Заметим, что на участках с трудным профилем, на которых необходимо развивать значительную силу тяги, предусматриваются специальные устройства — противоугоны, препятствующие смещению пути под действием силы _.. На 25 м устанавливают 20—40 пар противоугонов (рис. 58 и 59 в [2]).

Касательная сила тяги (в дальнейшем просто «сила тяги») электровоза является суммой сил тяги, развиваемых всеми колесными парами электровоза, оборудованными тяговыми двигателями, которые называют движущими:

(4.21)

Представим теперь, что электровоз соединен посредством -автосцепки с составом и в месте соединения поставлен динамометр (прибор для измерения силы). Какое значение силы он покажет? На раму кузова действует сила тяги F_K, она является причиной движения. На электровоз при движении действует сила сопротивления движению W₀', направленная навстречу движению. Следовательно, замеренная сила

(4.22)

Эту силу называют силой тяги на автосцепке.

4.3.3. Закон сцепления

Установлено, что сила тяги возникает только в результате сцепления колес с рельсами. Если увеличивать значения вращающего момента, приложенного к колесной паре, то будет расти и сила тяги F_КД, принимающая значения F_КД1, F_КД2,..., F_КДn, причем F_КДn > … > F_КД2 > F_КД1 (рис. 4.16).

Если F_КДпревзойдет максимальное при данных условиях значение силы трения Т_mах, то сцепление колеса с рельсом нарушится; произойдет проскальзывание колеса относительно рельса. Этот процесс называется боксованием. Начало боксования определяется условием:

(4.23)

где ψ _к- коэффициент сцепления.

Таким образом, коэффициент сцепления есть отношение наибольшей силы тяги, развиваемой колесной парой без боксования, к вертикальной силе в месте касания колеса и рельса.

Рис. 4.16 Рис. 4.17

Процессы, сопровождающие возникновение сцепления, между колесом и рельсом, чрезвычайно сложны и многообразны. Исследования коэффициента сцепления и его зависимости от воздействующих факторов начались еще в середине XIX века (Пароди, Пуаре —Франция) и продолжаются до сегодняшнего дня.

Для электровоза в целом

(4.25)

где F_K.СЦ— максимально возможная по условиям сцепления сила тяги электровоза, кН;

m_Л g — сила тяжести электровоза (m_Л вт)

Значение , так как силу тяжести электровоза точно распределить между всеми колесными парами невозможно. Следовательно, часть колесных пар будет иметь меньшие значения нагрузки на ось, а остальные — большие.

Распределение силы тяжести между осями зависит от конструкции рессорного подвешивания и его технического состояния. Кроме того, установленное распределение при неподвижном электровозе будет нарушаться при его движении.

Опытами установлено, что в основном ψ зависит от скорости поступательного движения ψ (). Однако в реальных условиях на значение ψ действуют и другие факторы, влияние многих из них количественной оценке не поддается. На помощь приходит эксперимент. В результате проведения большого количества опытов вычисляют значения ψ при различных скоростях движения (рис. 4.17) и путем математической обработки их результатов (см. 4.2.4) устанавливают, эмпирические формулы для определения расчетного значения коэффициента сцепления, которые имеют вид:

(4.26)

для электровозов постоянного тока;

(4.27)

для электровозов переменного тока..

Разница в значениях ψ для электровозов различных систем тока объясняется особенностями их электрических схем, что будет рассмотрено в специальных дисциплинах.

4.3.4. Максимальная сила тяги

Максимальная сила тяги электровоза, которую он может развивать по условиям сцепления,

(4.28)

определяет тяговые возможности электровоза.

Рост перевозок на железнодорожном транспорте требует увеличения масс поездов, а для их движения необходимо увеличение силы тяги, развиваемой электровозом. Это может быть достигнуто увеличением количества движущих осей электровоза и массы, приходящейся на каждую ось.

На тяжелых по профилю пути участках используют, «кратную» тягу, то есть соединение нескольких электровозов: в одну тяговую единицу с управлением из одной кабины (система многих единиц — СМЕ), применяют подталкивание поезда на более трудных перегонах дополнительным локомотивом (толкачом).

Увеличение нагрузки на ось ограничивается прочностью железнодорожного пути, определяемой, в основном допустимыми значениями сил, действующих на рельсы.

Однако во всех случаях лимитирующим является коэффициент сцепления одной оси. Из множества способов повышения коэффициента сцепления, предложенных в различные периоды развития железнодорожного транспорта, практически используют только один — подсыпку песка под колеса электровоза. Электровоз имеет бункеры для размещения песка, который через специальную, систему трубопроводов с помощью сжатого воздуха подается. непосредственно к месту контакта колеса и рельса. Подсыпка песка производится машинистом с помощью ручного управления или автоматически при возникновении боксования. Песок должен быть сухим и не содержать примесей (особенно глины).

В настоящее время для снабжения (экипировки) локомотивов на сети железных дорог РК расходуется около 3 млн т сухого песка в год и затраты на пескоснабжение составляют около 7 млн тг.