Теоретическая часть. Для осуществления управляемого движения существует теория тяги

Для осуществления управляемого движения существует теория тяги. Задачей этой теории является вопрос осуществления тяги поезда, которую создает локомотив. Здесь решаются две задачи:

1 задача (прямая) – для поезда известной массы найти управляемое движение на заданном тяговом участке, которое обеспечивало бы достижение поставленной цели при соблюдении допустимых нормативных условий;

2 задача (обратная) – найти массу поезда, которую локомотив известной серии способен перевести на участке заданного профиля пути при соблюдении нормативных параметров тяги и скорости движения.

Второй задаче и посвящено это занятие. Движение поезда считается управляемым, если при известной тяге локомотива в широких пределах он трогается с места и движется, производя эффективные торможения на всех участках дороги. При начале движения поезда из состояния покоя сила тяги должна быть достаточной для начала движения, но не должна быть такой, чтобы ведущие колесные пары локомотива проскальзывали по поверхности головок рельсов (буксовали или боксовали, что одно и то же, согласно словарю иностранных слов). При всем этом ведомые колесные пары локомотива и прицепных вагонов должны начинать катиться свободно по рельсам, а не двигаться по ним поступательно.

Расчет массы состава и её ограничения по эксплуатации

Оптимизация массы и скорости движения поездов является общетранспортной проблемой, потому что повышение массы и скорости является основным способом интенсификации железнодорожного транспорта в условиях непрерывного роста объема перевозок и высокой грузонапряженности. Для обеспечения наибольшей провозной способности линий масса поезда должна быть максимальной, однако эксплуатация накладывает свои ограничения на её максимальное значение. К таким ограничениям относятся:

1) прочность верхнего строения пути, которая регламентирует осевую нагрузку на колесные пары;

2) возможности локомотивов по тяге (трогание с места и разгон) и скорости движения на расчетных или скоростных (инерционных) подъемах. Расчетным называют наиболее крутой и затяжной подъем на участке, а скоростным – подъем наибольшей крутизны и сравнительно небольшой протяженности;

3) длина приемоотправочных путей;

4) максимально допустимые токи по коммутации и температуры нагревания обмоток тяговых электродвигателей локомотивов;

5) условия сцепления колес локомотива с рельсами против буксования;

6) скорость поезда из условий безопасных спусков на крутых уклонах.

Расчет массы состава при движении с равномерной скоростью

на расчетном подъеме

Движение поезда на расчетном подъеме с равномерной скоростью может быть осуществлено только при равенстве расчетной силы тяги локомотива силам сопротивления движению.

F_p = (w^¢_о + gi_p) m_л + (w^¢¢_о + gi_p) m_c, (8.1)

откуда

m_c = [F_p – (w^¢_о + gi_p) m_л] / (w^¢¢_о + gi_p), (8.2)

где m_c – масса состава, кг; F_p – расчетная сила тяги локомотива, Н; m_л – масса локомотива, кг; w^¢_о – основное удельное сопротивление локомотива, Н/кг; w^¢¢_о – основное удельное сопротивление вагонов, Н/кг; i_p – величина уклона на расчетном подъеме, (читается промилле и обозначает тысячную часть от целого). Представленные характеристики для ряда локомотивов отражены в таблице 4.1

Проверка массы состава при трогании с места

При трогании с места на станции масса состава, определенная по выражению (8.2), проверяется по формуле

m_тр = [F_тр / (w_тр+gi_тр)] – m_л, (8.3)

где m_тр – допустимая масса состава при трогании с места, кг; F_тр – расчетная сила тяги при трогании поезда с места, нормированная ПТР (правила тяговых расчетов) по сериям локомотива, Н; w_тр – удельное сопротивление движению поезда при трогании с места, Н/кг; i_тр – величина уклона остановочного пункта, .

Величина F_тр больше, чем F_p примерно в 3,5 ¸7 раз в зависимости от серии локомотива. Если окажется, что масса состава при трогании с места больше массы состава при движении с равномерной скоростью, то ограничение массы состава по троганию отсутствует. Если же m_тр окажется меньше m_c, то целесообразно ввести разгонное толкание в пределах станции либо отменить остановку поезда на этом раздельном пункте, либо принять в качестве расчетной массы m_тр, что нежелательно.

Проверка массы поезда по условию размещения его на приемоотправочных путях

Следующим ограничением массы поезда, которая связана с его длиной, являются станционные пути, на которых должен разместиться состав, когда он съезжает с основного пути для совершения операций. Естественно длина состава с учетом длины локомотива должна быть несколько меньше длины приемоотправочных путей (величина уменьшения составляет 10 метров), то есть должно выполняться следующее условие:

l_поп>l_л+l_c+10, (8.4)

где l_поп – длина приемоотравочныхпутей, м (стандартная длина 850,1050 или 1250м);

l_л – длина локомотива, м; l_с – длина состава, м, которая находится из зависимости

l_c = Sn_il_i = å ×a_il_i, (8.5)

где n_i – число однотипных вагонов в сформированном составе; l_i – длина однотипных вагонов в сформированном составе (по осям сцепленных автосцепок), м;

m_ср – средняя масса вагона (брутто) для однотипных вагонов, т;

a_i – доля состава по массе, приходящаяся на данную группу однотипных вагонов.

Вышеуказанные характеристики вагонов приведены в таблице 8.2.

Условия сцепления колес локомотива с рельсами против буксования

Движение локомотива и всего состава осуществляется за счет принудительного вращения ведущих колес локомотива от тяговых электродвигателей (ТЭД). При этом на поверхности контакта колесных пар с рельсами возникает касательная сила тяги, вызывающая появление силы сцепления колес срельсам (согласно третьему закону Ньютона).

При начале вращения валов ТЭД колесные пары должны начинать перекатываться по рельсам таким образом, чтобы зона контакта имела нулевую скорость, то есть должно выполняться условие F_сц>F_кас, в противном случае будет возникать буксование. Для определения максимально допустимой силы тяги по сцеплению комплексным показателем, выполняющим нормативно-расчетные функции для всей сети дорог, утвержден расчетный коэффициент сцепления y_к, который используется для расчета норм массы поездов.

Определяется y_к на основе специальных опытов. Вагон-лаборатория прицепляется к локомотиву, и во время движения на ленте динамометрического стола непрерывно записываются сила тяги и скорость движения. Потом результаты обрабатываются и находят графическую зависимость касательной силы тяги от скорости на пределе срыва сцепления. Затем с запасом устойчивости против буксования подбирают значения силы сцепления колес с рельсами F_сц, по которым и определяют y_к = F_сц/1000gm_сц при различных скоростях движения. Полученные данные и послужили для подбора эмпирических формул вида

y_к = а +в/(сu+д)-еu, (8.6)

где а, в, с, д, е – эмпирические коэффициенты, u – скорость движения.

Определение массы состава по допустимым условиям нагревания ТЭД

Поезд заданной массы, двигаясь по участку пути с переменным продольным профилем, вынужден менять свою скорость, которая связана с работой ТЭД. При этом тяговые машины работают с переменной нагрузкой, то есть ток, подаваемый на них, имеет переменное значение, что приводит к нагреву обмоток двигателя, от чего их изоляция быстро стареет, портится и может произойти её нарушение, а это ведет к короткому замыканию обмоток и выходу из строя ТЭД.

Естественно интенсивность нагрева при этом зависит также и от охлаждения двигателя, от класса изоляции и от массы состава.

Поэтому для массы состава, предварительно определенной по расчетному или инерционному подъему, проверенной на трогание поезда с места и установку его в пределах приемоотправочных путей станции, производят её проверку по допустимым условиям нагревания ТЭД. При этом расчетами определяют не саму температуру двигателя, а её превышение над температурой окружающей среды, по следующей приближенной формуле, применяемой для практических расчетов

t=t_о(1-Dt¤T) + t_¥ (Dt¤T), (8.7)

где t_о и t_¥ – начальное и установившееся, превышения температуры, ^оС,

Dt – интервал времени протекания среднего тока по обмоткам, мин,

Т – тепловая постоянная времени, соответствующая времени нагрева, мин.

Затем по наибольшему значению t для различных интервалов определяют расчетное превышение температуры из зависимости

t_р = tк_сзк_нв, (8.8)

где к_сз – коэффициент сезона, который учитывает повышение температуры обмоток от уменьшения расхода охлаждающего воздуха фильтрами защиты от снега (летом к_сз = 1, а зимой к_сз = 1,1);

к_нв = 1 + a(t_нв – 25) (1 – g) – коэффициент приведения температуры превышения обмоток к расчетной температуре наружного воздуха t_нв;

a = 1 ¤ (260 + gt) – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления обмоток из меди от повышения температуры;

g – коэффициент, учитывающий нагревание обмоток от потерь в стали (принимается g = 3 для обмоток якоря и g = 0 для обмоток полюсов).

В таблице 8.3 приведены необходимые для расчетов параметры некоторых ТЭД.

Таблица 8.3 – Характеристики ТЭД

Варианты
Тип ТЭД	ЭД-107	ЭД-118	ЭД-107А	ЭД-108	НВ-418К
Часть ТЭД	Якорь	Катушка	Коллектор	Якорь	Коллектор
tо, ^оС	+15	+5	+10	+25	+20
Dt, мин	1,2	1,5		1,5	1,6
Т, мин
t¥, ^оС
tнв, ^оС	+2	+30	+5	+20	+15
Время года	Зима	Лето	Зима	Лето	Лето

Окончательно массу состава можно определить по приближенной формулой, предложенной профессором Некрасовым О.А.:

m_t = m_{c ,} (8.9)

где t_доп – допустимое превышение температуры (см. табл. 4.4).

Таблица 8.4 – Предельно допустимые превышения температур

Части ТЭД	tдоп в зависимости от класса изоляции, ^оС
В	F	H
Якорь
Катушка
Коллектор

Для тормозов подвижного состава Российских железных дорог, в которых торможение осуществляется за счет прижатия тормозных колодок к поверхностям катания, величина усилия нажатия должна быть такой, чтобы торможение было эффективным. В схеме сил (рисунок 8.1), действующих на катящееся колесо по рельсу, при колодочном торможении, прослеживаются две пары трения, от которых зависит эффективность торможения. Под эффективным торможением понимается такое движение поезда, при котором достигается нужное уменьшение скорости поезда без перехода вращательного движения колесных пар вокруг их центра масс в поступательное, относительно рельсов (явление называют юзом).

Первая пара трения это колесо-рельс, вторая это колодка-колесо. Причем первая пара обеспечивает плоское движение колесных пар с угловой скоростью ω относительно мгновенного центра скоростей, а вторая пара замедляет это вращение.

Рисунок 8.1 – Схема сил, действующих на колесо при торможении

Возникающие при этом силы F_сц и F_тр находятся в прямой зависимости от сил нормального давления N₁ и N₂ и коэффициентов трения скольжения между парами.

Для безюзового торможения должно выполняться условие:

F_сц ≥F_тр, (8.10)

где F_сц – сила сцепления колеса с рельсом; F_тр – сила трения колодки о колесо.

Упрощенные формулы для определения этих величин находят из закона Кулона:

F_сц = ψ·N₁; (8.11)

F_тр = φ·N₂, (8.12)

где ψ, φ – коэффициенты трения скольжения между соответствующими парами.

Определяя величины, входящие в (8.11 и 8.12), проверяют условие (8.10). Нормальное давление N₁ это результат статических и динамических сил, действующих на колесо со стороны вагона и тележки. Нормальное давление N₂ это результат действия на колодку давления со стороны штока тормозного цилиндра P_шт через систему рычагов, которое определяется из формулы для передаточного числа тормозной рычажной передачи (ТРП)

n = åN_2i / P_шт. (8.13)

Передаточное число тормозной рычажной передачи показывает во сколько раз суммарная сила нормального давления на все колодки больше усилия на штоке тормозного цилиндра, т. е. во сколько раз можно увеличить силу, развиваемую поршнем за счет системы рычажного механизма. При проектировании ТРП «n» выбирают в пределах 6–12, обеспечивая при этом оптимальный зазор 7 мм между колодками и ободом колеса для свободного качения колеса по рельсам, с одной стороны, и достаточного прижима колодок при торможении, с другой. Предельные значения передаточных чисел для ТРП для грузовых вагонов односторонним нажатием чугунных колодок принимаются не более 10, для изотермических и пассажирских вагонов с двухсторонним нажатием не более 12. В исключительных случаях, для обеспечения повышенного торможения, допускается увеличивать это число.

Величину P_шт определяют из следующей зависимости

Р_шт = Р_{тц тц} – Р_пр – Р_р, (8.14)

где Р_тц – расчетное давление воздуха в тормозном цилиндре (0,4 МПа в груженом режиме, 0,28 МПа – в среднем и 0,16 МПа в порожнем, 0,38 МПа для пассажирских вагонов);

d_тц – диаметр тормозного цилиндра;

η_тц – коэффициент потерь усилия тормозного цилиндра (принять равным 0,98);

P_пр – усилие отпускной пружины, находим по формуле:

P_пр = P_o+C·L_ш, (8.15)

где P_o– усилие предварительного сжатия отпускной пружины (принять равным 1,54 кН);

С – жесткость отпускной пружины ТЦ (принять равным 6,29 Н/мм);

L_ш – величина выхода штока тормозного цилиндра (190 мм); P_р – усилие возвратной пружины авторегулятора тормозной рычажной передачи, приведенное к штоку тормозного цилиндра, кН.P_р находится из зависимости:

P_р = (P_op+C_pL_p)n_p. (8.16)

Отечественные вагоны с колодочным тормозом в настоящее время оснащаются автоматическим регулятором ТРП одностороннего действия, типов РТПР 675 и РТПР 675М, имеющих следующие технические данные:

Р_ор = 1,6 кН – усилие предварительного сжатия возвратной пружины авторегулятора ТРП; С_р = 23,1 Н/мм – жесткость возвратной пружины; L_р = 25 мм – величина сжатия возвратной пружины; n_р – передаточное число привода авторегулятора ТРП (выбирается из таблицы 8.5).

Эти авторегуляторы работают автоматически на сокращение длины ТРП. Роспуск тормозной рычажной передачи осуществляется вручную.

Коэффициенты трения скольжения ψ и φ определяются из эмпирических формул:

; (8.17)

, (8.18)

где А, B, С, D, Е, F – коэффициенты, зависящие от типа тормозных колодок, которые выбираются из таблицы 3; – скорость движения вагона км/ч; q_o – осевая нагрузка, Н.

Таблица 8.5 – Параметры авторегулятора

Тип вагона	Тип привода	nр	Pр
Чугунные колодки	Композиционные колодки	Чугунные колодки	Композиционные колодки
1. Полувагон, платформа	Рычажный	0,51	0,47
2. Крытый, цистерна	Стержневой	0,65	0,65
3. Думпкар	Стержневой	1,44	2,34
4. Пассажирский (Т<45 т)	Стержневой	0,97	2,25

Таблица 8.6 – Коэффициенты, зависящие от типа тормозных колодок

Типы колодок	А	В	С	D	Е	F
1. Чугунные	0,6	1,6
2. Композиционные	0,44	0,1		0,4
3. Фосфористые	0,5	1,6		5,2

Дата добавления: 2015-07-11