Выбор эффективного нажатия тормозных колодок

Нажатие тормозных колодок должно удовлетворять двум противоречивым требованиям: высокой тормозной эффективности при хорошем использовании сцепления — с одной стороны и отсутствию юза — с другой. На колесную пару в соответствии со схемой на рисунок 1 действуют: сила трения F_тр, развиваемая между тормозной колодкой и колесом, сила сцепления F_сц возникающая как следствие первой и приложенная между колесом и рельсом, и сила инерции F_и появляющаяся при замедлении или ускорении колесной пары.

Последнюю удобно приводить к равнодействующей, противоположно направленной F при входе в юз (процессу избыточного за пределами крипа относительного скольжения колесных пар), и F_сц при выходе из него, поскольку эти силы меняют свои роли с активной на реактивную и наоборот, при замедлении и разгое колесной пары. Условие равновесия этих сил при входе и выходе из юза имеет вид:

F_тр=F_cц±F_и (1)

Рисунок 1 – Схема сил, действующих на затормаживаемое колесо

В преобразованном виде для наиболее распространенного колодочного тормоза его можно записать так:

(2)

где и φ_к — результирующее действительное нажатие, кН и коэффициент трения тормозных колодок, действующих на колесную пару;

q_о и ψ_к— нагрузка, кН, передаваемая от колесной пары на рельсы и коэффициент сцепления колес с рельсами;

M_i — момент инерции колесной пары, м·с²/кН;

R — радиус колеса, м;

ω_к — угловая скорость вращения колес, рад/с.

Пренебрегая силой инерции (незначительной при торможении без юза) и учитывая возможную разгрузку колесных пар при движении в значении коэффициента сцепления ψ_{k max}, получим по статическому равновесию сил условие безъюзового торможения, которое гласит: сила трения тормозных колодок, действующих на колесную пару, должна быть меньше или равна потенциальной силе ее сцепления с рельсами F_{сц max}.

(3)

При этом необходимо обратить внимание на то, что по условиям нормального отвода тормозных колодок после торможения сила, действующая на них от рычажной передачи К', направлена практически параллельно рельсам (см. рис.1), а в формуле (3) учитывается ее составляющая К, создающая силу трения и нормируемая в дальнейшем для подвижного состава. Кроме этого нужно помнить, что пока не наступает юз, сила трения колодки о колесо вызывает равную ей силу сцепления колеса с рельсом (тормозную силу В_т ), направленную в сторону, противоположную движению и замедляющую поезд. Поэтому В_т= φ_к. При юзе тормозной силой является по-прежнему сила сцепления, но она меньше силы трения колодок на величину силы инерции, которая может достигать перед остановкой колесной пары 30...40 % силы трения.

Когда колесная пара остановится, сила сцепления при ее скольжении F_сц=В _Т вызывает со стороны пары трения колодка-колесо лишь ту часть силы трения покоя, которая необходима для удержания блокированного состояния колес. Чтобы выйти из него, необходимо за доли секунды снизить тормозное нажатие, например, с помощью противоюзных устройств, которые, однако, не должны допускать блокировки колес в любых, самых неблагоприятных случаях.

Если противоюзных устройств нет на подвижном составе, приходится существенно понижать уровень допустимого тормозного нажатия К, чтобы иметь запас, снижающий вероятность входа в юз. В расчете на это разработана таблица коэффициентов сцепления для различных типов подвижного состава, приведенная ниже.

Таблица 3

Расчетные коэффициенты сцепления, рекомендуемые для проектирования тормозного оборудования

Примечание. Промежуточные значения ψ_к при соответствующих нагрузках находятся методом интерполяции.

Обобщенные эмпирические формулы для коэффициентов трения тормозных колодок и коэффициентов сцепления колес с рельсами имеют следующий вид:

(4)

(5)

где v — скорость движения, км/ч;

а, b, с, d, e, f — коэффициенты, зависящие от типа тормозных колодок и имеющие следующие числовые значения:

- стандартные чугунные а = 0,6; b = 1,6; с = 100; d = 8; е = 100; f= 5;

- композиционные а = 0,44; b= 0,1; с = 20; d = 0,4; е = 150; f= 2;

-фосфористые чугунные а = 0,5; b=1,6;c= 100; d = 5,2; е = 100; f= 5.

Имеется еще один расчетно-графический способ определения коэффициента сцепления колес с рельсами:

(6)

где f(v) — функция скорости, определяемая по графику на рис.2.

Рис. 2 Функция скорости для определения коэффициента сцепления:

1 — пассажирский подвижной состав;

2 - л окомотивы;

3 - грузовые вагоны

С ростом скорости движения и силы, воздействующей на трущиеся тела, коэффициенты их трения-сцепления уменьшаются, Это происходит в соответствии с молекулярно-механической (адгезионно-деформационной) природой указанных процессов, разработанной отечественными учеными И.В. Крагельским, Б.В. Дерябиным и другими. Согласно этой теории трение или сцепление вызываются двумя процессами: взаимным зацеплением шероховатостей, выступов (механическая составляющая) и молекулярным взаимодействием, образующем адгезионные мостики (молекулярная составляющая). Последний процесс усиливается с течением временем.

Известно, например, если два отполированных бруска из цветных металлов прижать друг к другу и оставить надолго, то они срастутся (холодная сварка).

Рост К или q_Q увеличивает суммарную площадь контактных пятен трущихся тел (а, значит, силу трения или сцепления), но в меньшей степени, чем повышение нагрузки, из-за сил упругого взаимодействия металлов. Поэтому коэффициенты φ_к и ψ_к зависят от К и q_oобратно пропорционально. Так как темпы роста последних опережают соответствующее снижение φ_к и ψ_к, то силы F_тр и F_сц, в итоге возрастают.

После подстановки (4) в (3) и решения квадратного уравнения получено выражение, определяющее максимально-допустимое по условиям сцепления нажатие К_т тормозной колодки:

(7)

где скоростной коэффициент;

m₁— число колодок, действующих на колесную пару.

При отсутствии на подвижном составе противогазных устройств такие значения нажатий колодок не применяются. Поэтому значения К_т, полученные по формуле (7) при чугунных тормозных колодках для минимальной скорости, указанной в табл. 1, и наибольшей загрузки снижают, ориентировочно, на 50 % для грузового и на 40 % для пассажирского подвижного состава. При композиционных колодках для наибольшей скорости, указанной в табл. 1, изагрузки полученное значение К_т уменьшают также приблизительно на 30 % для грузового и на 20 % для пассажирского подвижного состава.

Это снижение выполняют с учетом данных табл. 2, в которой приведены коэффициенты действительных сил нажатия тормозных колодок δ, рекомендованные для эксплуатационных условий:

(8)

Разрешив выражение (8) относительно K и выбрав требуемый δ (для грузовых вагонов — с полной загрузкой), получают рекомендуемое нажатие на тормозную колодку для дальнейших расчетов и сравнивают его с К_т, чтобы оценить степень использования сцепления при торможении существующим подвижным составом.

Таблица 4

Значительная разница в коэффициентах нажатия объясняется практически в два раза большими коэффициентами трения композиционных тормозных колодок, чем чугунных, и способами торможения пассажирских и грузовых поездов на затяжных спусках. Первые по условиям неистощимости требуют периодического отпуска для подзарядки запасных резервуаров и поддержания давления в ТЦ, а вторые, будучи неистощимыми, позволяют тормозить долго и непрерывно.

Значит, если колесная пара войдет в юз в пассажирском поезде, то при очередном отпуске он прекратится и ее значительного повреждения не произойдет. В грузовом поезде, наоборот, она может получить недопустимый ползун. Темп роста последнего пропорционально зависит от нагрузки на колесо и скорости движения, так как именно они в основном определяют тепловые процессы в контактном пятне пары трения. Поэтому рекомендуемый коэффициент нажатия уменьшается с ростом нагрузки транспортного средства, а его вынужденное, для обеспечения требуемой безопасности движения пассажирских поездов, повышение с ростом скорости вызывает необходимость в применении специальных регуляторов.

Если при скорости 120 км/ч для пассажирских вагонов с колодочным тормозом выполняется неравенство (9), то нужно устанавливать противоюзные устройства.

(9)

В системе дискового тормоза расчет ведется аналогично с учетом соотношения радиуса колеса R и радиуса, на котором действуют накладки r. Противогазные устройства при этом устанавливаются уже при значении более 0,75, полученном по формуле (9).

Рассчитанное по формуле (8) с учетом данных табл.2 значение К нужно проверить по допустимым удельным нажатиям на колодку ρ:

(10)

где F_K — площадь тормозной колодки, см².

Значение ρ не должно превышать 130 Н/см² для чугунных и 90 Н/см² для композиционных материалов при скоростях до 120 км/ч и соответственно 120 Н/см² и 50 Н/см² при больших скоростях. Для локомотивов с односторонним нажатием колодок допускается р < 190 Н/см².

Для проверки величины силы удельного давления площадь трения колодок принять:

- для колодочных тормозов вагонов 305 см² при чугунных и 290 см² при композиционных колодках;

- для грузовых локомотивов при чугунных с твердыми вставками гребневых колодках 442 см²;

- для пассажирских локомотивов с секционными колодками 390 см²;

- для дискового пассажирского тормоза с композиционными накладками 430 см².

Если проверка на удельные давления не проходит, нужно выбрать допустимое нажатие по равенству (10), разрешив его относительно К с учетом рекомендованного р. Дальнейшие расчеты выполнять с полученным, таким образом, значением К.

Дата добавления: 2015-07-24