1.6.
Природа сил, действующих на электропоезд
Движение поезда по перегону определяется суммарным действием множества
сил - внутренних и внешних: при этом машинист может регулировать только
силы, развиваемые тяговым электроприводом и тормозной системой.
Предельные значения этих сил ограничены коэффициентом сцепления колесных
пар с рельсами. Поэтому для практики очень важно детальное изучение сил,
действующих на поезд.
Эти силы различны по своей природе и воздействию на поезд в процессе его
движения. Одни из них возникают вследствие электромагнитных процессов в
тяговом приводе э.п.с., другие являются результатом трения в узлах э.п.с.
(вагонов), третьи появляются из-за сопротивления воздушной среды при
движении поезда, четвертые из-за различных метеорологических условий и
т.п.
Так как эти силы являются в каждый момент времени результатом сочетания
многих случайных факторов, то аналитически определить их чрезвычайно
затруднительно. Поэтому в тяговых расчетах учитывают только средние
значения наиболее существенных составляющих, определяемые опытным путем.
Эти средние значения приведены в ПТР-85 для разных серий локомотивов,
вагонов и условий их движения, а также для разных конструкций пути
(звеньевой, бесстыковой).
Рассмотрим природу возникновения и воздействие
основных сил на поезд, начиная с веса поезда.
Вес поезда - это один из важных показателей электрической тяги. Вес
любого тела (э.п.с., вагонов, поезда в целом и т.д.) представляет собой
силу, обусловленную полем тяготения Земли. Численно вес равен
произведению массы тела на ускорение силы тяжести. Вес локомотива и
вагонов поезда в целом передается через рельсы и далее через грунт к
центру массы Земли. Со стороны центра массы Земли действует на локомотив
и вагоны такая же по величине сила, но направленная противоположно. Так
как масса Земли несоизмеримо больше массы локомотива, вагонов и поезда в
целом, то вызываемое перемещением поезда изменение положения Земли
оказывается ничтожным, и его не учитывают.
При движении локомотив должен развивать силу тяги, необходимую для
преодоления силы инерции поезда, которая определяется его массой.
Сила тяги локомотива - внешняя по отношению к колесу локомотива сила,
действующая со стороны рельса по направлению движения локомотива, она
равна сумме сил тяги всех его колесных пар, приводимых во вращение
тяговыми двигателями.
Сила тяги является регулируемой, т.е. машинист может изменять ее при
выборе режима движения поезда.
Часто говорят, что силу тяги создает тяговый двигатель. Это неправильно,
так как тяговый двигатель создает не силу, а вращающий момент, который с
помощью тяговой передачи вращает колесную пару локомотива. Вращающий
момент тягового двигателя действует внутри колесномоторного блока и
поэтому сам по себе он не может переместить колесную пару, а
следовательно, и электровоз.
Из механики известно, что для изменения положения тела, например,
перемещения его на некоторое расстояние, нужно, чтобы на это тело
подействовала внешняя сила. Только внешняя сила может вывести тело из
положения равновесия. Для колеса такой силой является сила сцепления его
с рельсом; она обусловлена нажатием колеса на рельс и сцеплением,
возникающим в месте опоры его на рельсе. Если бы сила сцепления не
существовала, то под влиянием вращающего момента тягового двигателя
колесная пара только вращалась бы на месте, не перемещаясь по рельсу.
Точно так же мы не смогли бы ходить по земле, если бы не существовала
внешняя для нас сила - сила трения между подошвой нашей обуви и грунтом.
Благодаря тому что в месте опоры колеса на рельс возникает внешняя сила
- сила сцепления Fсц, колесо движется поступательно.
Однако при движении поезда меняются условия образования силы сцепления: сила нажатия колеса на рельс не остается постоянной, так как происходят колебания локомотива и верхнего строения пути, меняются в
зависимости от профиля пути скорость движения и режим работы тяговых двигателей, окружающая температура и, что очень важно, состояние поверхностей рельсов и бандажей по кругу катания; на рельсах могут быть всякого рода загрязнения, пленки, лед и т. п.
Под влиянием этих факторов разброс значений
коэффициента сцепления в условиях эксплуатации нередко достигает +50% от
среднего значения, которое рассчитывается по ПТР-85. Поэтому наряду с
расчетами силы сцепления по зависимости Fcц=GyK(V) на тех участках
дорог, где вес грузового поезда ограничен силой сцепления колес
локомотива с рельсами, проводят опытные поездки, чтобы проверить
возможность реализации расчетного веса поезда.
Существует ошибочное убеждение, что увеличение силы нажатия колесных пар
сверх расчетного значения обеспечивает пропорциональное
повышение весовой нормы поезда. В действительности это не так.
Допустим, что за счет добалластировки восьмиосного локомотива сила
нажатия его колесных пар на рельсы увеличилась с 23 до 24,5 тс, т.е. на
6,5%. Однако это не означает, что весовую норму поезда можно повысить
также на 6,5%.
Дело в том, что при таком расчете учитывают только средние значения сил
нажатия колесных пар на рельсы, а значит, и средние силы сцепления. Не
принимаются во внимание неизбежные в эксплуатации случайные разбросы
значений этих сил, которые, как уже было сказано, могут достигать
половины их средних значений. Поэтому оказывается, что действительный
эффект повышения весовой нормы поезда значительно меньше определенного
по средним значениям сил нажатия колес на рельсы.
Эффективный путь повышения весовой нормы поездов заключается не столько
в увеличении силы нажатия колесных пар на рельсы, сколько в
использовании при существующих силах нажатия локомотивов, оборудованных
тяговых двигателей, которые имеют жесткие характеристики, обеспечивающие
высокую степень сцепления колес с рельсами и препятствующие развитию
процессов боксования.
Учесть влияние всех факторов для того, чтобы создать единую теорию
сцепления, позволяющую с достаточной для практики точностью рассчитать
значения коэффициента сцепления, пока не удалось. Установлены лишь
отдельные важные закономерности. На основании, например, положений
теории упругости выявлено, что под действием силы нажатия колеса в месте
его опоры на рельсе возникают местные (контактные) напряжения,
обусловленные упругостью материала бандажа и рельса. Поэтому в
действительности колесо попирается на рельс не в одной точке, а по
некоторой поверхности, имеющей форму эллипса, как - это схематично
показано на рис. 1.10. Приближенно считают, что у современных
локомотивов опорная площадка составляет 350-500 мм 2 в зависимости от
диаметра колеса, силы нажатия его на рельс и свойств материалов бандажа
и рельса.
Рис. 1.10. Распределение давлений р по опорной поверхности бандажа (1) и рельса (2) при неподвижном колесе и статической силе нажатия его на рельс является симметричным. Максимальное давление в центре этой поверхности в 1,5 раза больше среднего (при нагрузке 25 т/ось)
Как видно из рис.1.10, при неподвижном колесе давления распределяются
симметрично относительно продольных и поперечных осей опорного эллипса.
Наибольшее давление, а следовательно, и наибольшие контактные напряжения
материал испытывает в середине опорной поверхности, где они близки к
пределу упругости. По краям поверхности контакта напряжения практически
отсутствуют.
Ориентация опорного эллипса и его фактические размеры зависят от
проката, то есть от износа бандажа. При отсутствии проката большая ось
эллипса направлена вдоль рельса, малая - поперек. По мере нарастания
проката и связанного с ним изменения очертания профиля бандажа угол
между продольными осями эллипса и рельса увеличивается. При изношенном
бандаже и рельсе опорная поверхность принимает форму прямоугольника,
продольная ось которого расположена поперек рельса.
Если к неподвижному колесу, сила нажатия которого на рельс равна G,
приложить вращающий момент М, то вступающие в контакт воображаемые
волокна материала бандажа в набегающей части окажутся сжатыми, а в
сбегающей - наоборот, растянутыми. Принято различать на опорной
поверхности две зоны:
- зона сцепления частиц материала бандажа и рельса, в которой силы
трения частиц достаточны чтобы удержать их от взаимных смещений;
- зона относительного проскальзывания частиц материала бандажа и рельса,
в которой силы, возникающие от вращающего момента М, больше сил
внутреннего взаимодействия частиц, в результате чего возникает
микропроскальзывание контактирующих частиц.
В виде реакции на упругие силы, являющиеся результатом этих
относительных перемещений частиц, возникает равнодействующая сила по
опорной поверхности, направленная в обратную сторону, т.е. по движению
колеса. Она и представляет собой внешнюю для колеса
силу - силу сцепления, обеспечивающую поступательное движение колеса. Со
стороны колеса на рельс будет действовать такая же по величине
равнодействующая сила, но направленная в сторону, обратную
поступательному движению колеса.
Таким образом, вследствие упругих относительных перемещений частиц
материалов бандажа и рельса при движении колеса фактический путь,
проходимый его геометрическим центром, не равен пути, подсчитанному за
то же время, исходя из номинального радиуса. Разницу этих путей называют
упругим скольжением (криппом). Однако при расчетах силы сцепления
удобнее исходить не из значения упругого скольжения, а из отношения его
к длине пути, пройденного за то же время колесом номинального диаметра.
Это отношение называют относительным скольжением.
Разделив числитель и знаменатель этого отношения на время, получим
относительную скорость упругого скольжения материалов бандажа и рельса.
При малом ее значении существует линейная зависимость силы сцепления и
коэффициента сцепления от значения этой скорости. С ростом скорости
упругого скольжения происходит отклонение этой зависимости от линейной.
По мере приближения скорости упругого скольжения к максимальному
значению, определяющему максимальное значение силы сцепления,
увеличивается вероятность боксования колеса. Как только сила тяги Fk
превысит силу сцепления Fсц, произойдет срыв сцепления и начнется
боксование колеса. При этом на упругое скольжение контактирующих частиц
материалов бандажа и рельса наложится их действительное скольжение,
вследствие чего реализовать силу тяги оказывается невозможно. Это ведет
к боксованию или юзу.
Наибольшее значение скорости упругого скольжения
частиц материалов бандажа и рельса, определяющее значение коэффициента
сцепления в момент начала боксования, составляет 0,5-1,0% скорости
поступательного движения колеса.
В процессе движения локомотив преодолевает силу сопротивления движению.
Для поезда эта сила равна сумме сил сопротивления движению электровоза и
состава. Эта сила является нерегулируемой: машинист не может изменять ее
по своему усмотрению. Чем тяжелее состав, тем больше его сопротивление
движению. Обычно оно во много раз больше сопротивления движению
электровоза.
Сила сопротивления движению зависит от конструкции и состояния
подвижного состава, верхнего строения пути, профиля и плана пути,
скорости движения, силы и направления ветра. Так как природа этих сил
различна, то сопротивление движению принято условно делить на две
составляющие: одну, зависящую от типа подвижного состава и скорости его
движения, и другую, зависящую только от плана и профиля пути, а также
особых условий движения. Первую составляющую называют основным
сопротивлением движению W0, вторую - дополнительным Wд.
Основное сопротивление движению представляет собой сопротивление
движению подвижного состава данного типа на прямолинейном и
горизонтальном пути при любой скорости движения, в
том числе и при скорости, равной нулю. Оно обусловлено прежде всего
трением в подшипниках и других узлах подвижного состава, трением качения
колес по рельсам, колебаниями подвижного состава и пути,
проскальзыванием колес по рельсам из-за разницы их диаметров,
аэродинамикой, а также деформациями пути и ударами на стыках.
Энергия, затраченная на преодоление сил трения, невозвратима: она
расходуется на истирание деталей подвижного состава и пути и,
превращаясь в тепло, рассеивается в окружающую среду. Энергия,
израсходованная на преодоление подъемов, может быть частично, а в
некоторых случаях и полностью возвращена в контактную сеть в процессе
рекуперации при движении поезда по спускам. Частично или полностью эта
энергия будет возвращена в сеть, зависит в каждом конкретном случае от
длины и крутизны спуска, массы и скорости движения поезда, его
сопротивления движению и т.д.
Существенной составляющей основного сопротивления движению является
сопротивление воздушной среды. При существующих скоростях движения оно
возрастает пропорционально произведению квадрата скорости движения и
площади поперечного сечения тела, - например подвижного состава.
Поэтому головным (и последним) вагонам скоростных поездов, а также
локомотивам придают обтекаемую форму. Аэродинамические испытания моделей
моторных вагонов показали, что если воздушное сопротивление головного
вагона принять за 100%, то сопротивление промежуточных вагонов составит
примерно 20% и хвостового вагона 30-35% - оно выше из-за завихрений
воздушного потока, возникающих за последним вагоном поезда. Эти данные
относят к электропоездам составностью 10 - 12 вагонов.
Зависимости других составляющих силы сопротивления от скорости движения
также оказываются сложными. Одни из них, например сила трения в
подшипниках, при трогании поезда сначала убывают, а потом при
определенной скорости движения начинают расти, другие - силы
взаимодействия подвижного состава и пути - интенсивно нарастают с
увеличением скорости, третьи изменяются несущественно и т. д.
Кроме того, при движении сказывается влияние многих случайных факторов,
таких, например, как состояние подвижного состава и пути, степень
загрузки вагонов, температура и т.п. К тому же эти случайные факторы
различно влияют на разные составляющие сил сопротивления движению.
Поэтому установить теоретически зависимость основного сопротивления
движению от скорости чрезвычайно трудно: ее определяют опытным путем для
подвижного состава каждого типа. Принятые расчетные зависимости
приведены в Правилах тяговых расчетов (ПТР - 85).
Вторая составляющая - так называемое дополнительное сопротивление
движению (Wд) - определяется профилем и планом пути, радиусом кривых, а
также составляющей силы тяжести локомотива, вагонов и поезда в целом,
возникающей на уклонах.
Профиль пути - это продольный разрез рельефа местности, на которой расположен путь. Так как рельеф местности обычно пересеченный, т.е. представляет собой сочетание подъемов, спусков и ровных участков, то и профиль пути представляет собой ломаную линию.
В тех местах, где элементы профиля примыкают друг к
другу, происходит как бы перелом профиля. На них могут возникнуть
большие продольные силы в поезде.
Когда поезд находится на уклоне, то к силам тяги и сопротивления его
движению прибавляется еще составляющая Wi, его силы тяжести G; на крутых
уклонах она достаточно велика. Когда поезд движется по подъему,
составляющая силы тяжести оказывает дополнительное сопротивление его
движению. Она направлена противоположно скорости движения, и поэтому ее
обозначают как -Wi. При движении по спуску эта составляющая действует по
направлению движения поезда и как бы дополнительно ускоряет его. Поэтому
ее обозначают +Wi.
Чем круче спуск, тем больше эта сила и тем больше должна быть тормозная
сила, необходимая для остановки поезда, а, следовательно, тем больше
тормозной путь. Учитывая тормозные средства грузового поезда, крутизну
пути больше 30% не допускают.
Поезд испытывает дополнительное сопротивление движению Wкр также при
проходе кривых. Набегание колес подвижного состава на на-
ружный рельс, принудительное вписывание тележек
подвижного состава в кривые, увеличение трения гребня колес о рельсы под
действием центробежной силы, проскальзывание колес в кривой приводят к
возрастанию сопротивления движению. Чем меньше радиус кривой, тем больше
это дополнительное сопротивление движению. Оно всегда направлено против
движения поезда и вызывает увеличение расхода электроэнергии на тягу
поездов.
Таким образом, сопротивление движению W- это сумма его составляющих: W=Wo+Wд=Wo+W+Wкp.
Для снижения скорости поезда, остановки его и удержания на месте
машинист применяет тормоза. Они создают тормозную силу, как бы
искусственно увеличивающую сопротивление движению поезда. Машинист может
регулировать тормозную силу по своему усмотрению, выбирая ту или иную
тормозную позицию.
Существуют системы механического (колодочного и дискового),
электрического и электромагнитного торможения.
При колодочном тормозе тормозная сила создается в результате нажатия
тормозных колодок на бандажи колес (рис. 1.12). Воздух к тормозным
устройствам подается по однопроводной тормозной магистрали, состоящей из
трубопровода локомотива и последовательно включенных тормозных
трубопроводов каждого вагона. В процессе торможения, которое начинается
при установке рукоятки крана машиниста в соответствующее положение,
происходит снижение давления в тормозной магистрали. В результате этого
сжатый воздух из запасных резервуаров поступает через
воздухораспределители в тормозные цилиндры вагонов. Штоки этих цилиндров
приводят в действие тормозную рычажную передачу, и колодки прижимаются к
бандажам.
С помощью крана машиниста осуществляется и автоматическое восполнение возможных утечек воздуха из тормозной сети поезда и наполнение запасных резервуаров через воздухораспределители. Благодаря этому тормоз становится неистощимым.
При обрыве поезда или повреждении тормозной
магистрали, а также при срабатывании стоп-крана тормоз приходит в
действие вследствие снижения давления в тормозной магистрали, из которой
в этих случаях воздух выходит в атмосферу. Поэтому такой тормоз является
автоматическим.
При механическом торможении происходит неодновременное включение
тормозов вагонов в действие по длине состава, т.е. тормозная волна
сравнительно медленно (со скоростью около 280 м/с) распространяется
вдоль поезда. Из-за этого затягивается торможение поезда. Чтобы тормоза
всех вагонов приходили в действие одновременно, применяют систему
электропневматического торможения, которая обеспечивает одновременное
возбуждение вентилей воздухораспределителей всех вагонов, на которые
подается напряжение от крана машиниста по специальным проводам,
проложенным вдоль состава.
Для торможения широко применяют чугунные колодки, которые, однако,
быстро изнашиваются. Их приходится часто заменять, что вызывает
увеличение эксплуатационных расходов.
Ведутся работы по применению для тормозных колодок новых износостойких
композиционных материалов, у которых коэффициент трения мало зависит от
скорости. Замена чугунных колодок композиционными, износостойкость
которых значительно выше, позволяет получить значительную ежегодную
экономию чугуна при соответствующем сокращении эксплуатационных
расходов.
Коэффициент трения чугунных колодок о бандаж снижается с ростом скорости
более резко, чем коэффициент сцепления колес с рельсом. Поэтому в зоне
малых скоростей движения (рис. 1.13) может произойти заклинивание колеса
- юз, при котором происходит поступательное движение колеса по рельсу
без вращения, из-за чего приходится ограничивать силу нажатия колодки на
бандаж и применять противоюзные устройства.
Следует также учитывать, что резкое нарастание
тормозной силы, как и ее резкое прекращение, вызывает большие продольные
силы в поезде. Они могут привести к выдавливанию вагонов из состава,
повреждению крепления грузов и другим нарушениям безопасности движения.
В процессе торможения из-за снижения коэффициента трения тормозная сила
уменьшается с ростом скорости движения быстрее, чем растет сопротивление
движению поезда. Это является также недостатком тормозов, особенно при
чугунных колодках, так как при движении на спусках обусловливает
механическую неустойчивость процесса торможения. Однако эта
неустойчивость не является принципиальным препятствием для применения
механического торможения на подвижном составе, так как благодаря большой
инерции поезда механические неустановившиеся процессы протекают медленно
и машинист может повысить тормозную силу при возрастании скорости
движения поезда, увеличив нажатие колодок на бандаж, и уменьшить ее при
снижении скорости.
Колодочные, пневматические и электропневматические тормоза являются
основными на подвижном составе, предназначенном для движения со
скоростями до 180 км/ч.
Существуют системы электрического торможения - реостатного,
рекуперативного, комбинированного и электромагнитного.
При реостатном торможении э.п.с. должен быть оборудован специальной
схемой, позволяющей при переключении тяговых двигателей в генераторный
режим часть энергии движущегося поезда в специальных резисторах
превращать в тепло, рассеивая его в окружающую среду.
При рекуперативном торможении тяговые двигатели также переключаются по
специальной схеме на генераторный режим, а вырабатываемая ими
электрическая энергия возвращается в контактную сеть, что значительно
повышает технико-экономические показатели электрической тяги.
Максимальная тормозная сила этих видов электрического торможения зависит
как от параметров электрооборудования э.п.с., так и от силы сцепления их
колес с рельсами, не допуская юза.
Особенность электрического торможения поездов состоит в том, что
тормозную силу создает только э.п.с.:
- в грузовом движении только тяговые двигатели электровозов;
- в пассажирском пригородном движении только тяговые двигатели моторных
вагонов электропоездов.
В процессе торможения особенно длинных грузовых поездов задние вагоны
могут набегать на передние, создавая, особенно на переломах профиля,
опасность выдавливания вагонов из состава. При правильном управлении
режимом торможения такая опасность практически незначительна и может
быть сведена до минимума действиями машиниста.
В системах электромагнитного торможения тормозная сила не зависит от
сцепления колес с рельсами. Известны два вида электромагнитных рельсовых
тормозов: магниторельсовые и тормоза, в которых использует-ся тормозной
эффект от вихревых токов, наводимых в рельсах. Однако на железнодорожном
транспорте они применяются редко.
В магниторельсовом тормозе под действием силы электромагнитного
притяжения к рельсам притягиваются специальные тормозные башмаки, упруго
подвешенные к боковым балкам рамы тележки. Тормозные башмаки имеют
обмотки возбуждения: при прохождении по ним тока возникает магнитный
поток, охватывающий сердечник башмака и рельс. В результате образуется
сила, притягивающая башмаки к рельсам. Поэтому реализуемые тормозные
силы не ограничены сцеплением колес с рельсами.
В тормозах, основанных на действии вихревых токов, чтобы обеспечить
достаточную эффективность торможения, обмотки тормозных башмаков должны
создать сильное магнитное поле в рельсах. На это расходуется
электрической энергии во много раз больше, чем в магниторельсовых
тормозах. Однако при таких тормозах обеспечивается независимость
тормозной силы от состояния поверхностей рельса и бандажа, степени их
загрязнения и силы сцепления между ними. Их предназначают для э.п.с. с
электрическим торможением, при котором энергия, необходимая для
возбуждения катушек тормозных башмаков, генерируется тяговыми
двигателями.
В связи с ростом скоростей движения подвижной состав оборудуют
комбинированными системами торможения, каждая из которых имеет
наибольшую эффективность в определенном диапазоне скоростей. Например,
на электропоезде ЭР 200 применены реостатный тормоз,
электроп-невматический, колодочный дисковый (полудиски размещены на
центрах колес) и магниторельсовый, а также ручной тормоз для удержания
поезда на месте. Действие их поясняют кривые, приведенные на рис. 1.14.
Одновременное действие тормозов нескольких видов, при котором может
возникнуть заклинивание колес - юз, предотвращается специальными
устройствами.
