Расчет ограничения силы тяги локомотива по сцеплению, то есть

за­висимости F_КСЦ = f(V)

В локомотивах образование движущей силы (силы тяги) происхо­дит вследствие взаимодействия колесных пар с рельсами за счет вра­щающего момента, создаваемого тяговым двигателем. К колесной паре 1 (см. рисунок 1) приложен вращающий момент М_К, который пе­редается от двигателя 2 через зубчатый редуктор, состоящий из шес­терни 3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена на валу ТЭД, а зубчатое колесо 4 - на оси колесной пары.

Вращающий момент на колесной паре равен

М_К = М_Д µ η₃, Нм, (20)

где М_Д - момент на валу двигателя, Нм;

µ - передаточное число зубчатой передачи;

η₃ - коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Момент М_К обычно представляют в виде пары сил F₁ и F₂ с плечом D_К/2, одна из которых (F₁) приложена к ободу колеса в точке касания с рельсом (точка А), а другая (F₂) - к оси колесной пары. Поскольку силы F₁ и F₂, действующие на колесную пару, равны по величине и противо­положно направлены, то они уравновешивают друг друга и не вызыва­ют поступательного движения колес. В то же время, силы F₁ и F₂ могут создать вращение колеса. Подтверждением этого является следующий факт: колесные пары, вывешенные на домкратах над поверхностью рельса, при включении ТЭД начинают вращаться, однако движение ло­комотива отсутствует.

Очевидно, что поступательное движение колесной пары будет воз­можно в том случае, если скомпенсировать действие силы F₁ какой-либо дополнительной силой и нарушить тем самым баланс сил F₁ и F₂. Подобная ситуация возникает, когда колесная пара контактирует с рельсом и прижата к нему силой тяжести G_Т.

 

 

Сила тяжести G_Т, приходящаяся на одну ось локомотива, прило­жена к колесу и через точку контакта А действует на рельс. Реакция рельса на колесо G_Р по III закону Ньютона равна значению си­лы тяжести G_Т по модулю и противоположна ей по направлению. Ука­занные силы, действующие на колесо в вертикальной плоскости, урав­новешивают друг друга.

В горизонтальной плоскости к ободу колеса приложена сила F₁, ко­торая, как и сила тяжести G_T, через точку контакта А действует на рельс (сила F₁ направлена вдоль поверхности рельсов, поэтому в случае их ненадежного крепления имеет место явление, известное как "угон пу­ти"). Реакция рельса F_Р по III закону Ньютона равна силе F₁ no модулю и противоположна ей по направлению. Поэтому силы F₁ и F_Р, дейст­вующие на колесо в точке А, уравновешивают друг друга. Сила F₂ остается неуравновешенной, что вызывает качение колеса и его поступа­тельное движение относительно рельса.

Следовательно, движущей силой (силой тяги) колесной пары яв­ляется сила F₂, развиваемая тяговым двигателем. Для удобства расчета ее значений, на практике в качестве силы тяги условились считать силу реакции рельса F_Р, равную по величине силам F₁ и F₂. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов

, (21)

из которого следует, что

, Н. (22)

Данное уравнение было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для расчета силы тяги ТЭД на ободе колеса F_КД.

Поскольку сила F_Р действует по касательной к колесу, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательную силу тяги F_К можно определить как

, Н. (23)

Итак, касательная сила тяги - это сила реакции рельса на колесо, возникающая под действием внешнего вращающего момента и ог­раниченная силой сцепления колеса с рельсом.

При увеличении вращающего момента на колесе М_К касательная сила тяги F_Р, равная силе тяги ТЭД F_КД, возрастает вплоть до уровня, со­ответствующего силе сцепления F_СЦ (зона I на рисунке 2). Дальнейшее по­вышение момента М_К (зона II) приводит к нарушению условия качения колеса F₁=F_P. Сила F₁ равная F_КД, не уравновешивается силой F_Р, равной F_СЦ. В результате происходит срыв сцепления и начинается боксование,то есть проскальзывание колеса относительно поверхности рельса, при котором частота вращения якоря ТЭД n_д резко увеличивается.

 

Рисунок 2 - Зависимость касательной силы тяги F_Р от силы тяги ТЭД F_КД и силы сцепления колеса с рельсом F_СЦ

-касательная сила тяги F_p;

- сила тяги, развиваемая ТЭД, F_КД=F₁;

-сила сцепления колеса с рельсом F_СЦ.

 

 

Боксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхнос­тей колеса и рельса, разрушению вращающихся деталей якоря ТЭД под действием центробежных сил, возникновению кругового огня на кол­лекторе ТЭД и другим опасным явлениям. Чтобы не допускать их, ус­тановлены технические условия устойчивого движения локомотива, ко­торые описываются неравенством

, (24)

где F_Kmax - максимально допустимая касательная сила тяги локомотива;
ψ₀ - потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления;
P_СЦ - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие ко­лесные пары и участвующий в создании силы тяги);

, кН (25)

где 2П - осевая нагрузка локомотива, 2П =23т.

,кН.

Неравенство (24) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на ободах движущих колес, создаваемые тяговыми дви­гателями, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.

Коэффициент сцепления, а следовательно и сила сцепления, яв­ляются случайными величинами, на которые оказывают влияние много­численные факторы: качество ремонта и содержания локомотивов, ме­теорологические условия поездки, текущее состояние пути и др.

Для ло­комотивов одной серии при одинаковой скорости движения разброс возможных значений коэффициента сцепления относительно его сред­него значения достигает ±50%. Поэтому для обеспечения устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сце­пления ψ_K, величина которого меньше потенциального ψ₀. При этом сила тяги по сцеплению составляет

, кН. (26)

Расчетный (нормативный) коэффициент сцепления локомотива ψ_K определяем экспериментальным путем и задаем так, чтобы обеспечить практически приемлемую надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым подъемам при плохих условиях сцепления.

Характеристики сцепления ψ_K=f(V) для магистральных тепловозов определяются следующим образом

. (27)

Для построения тяговых характеристик локомотивов предвари­тельно рассчитаваем силу тяги по сцеплению F_КСЦ при различ­ной скорости движения локомотива по формулам (25) - (27). Диапазон изменения скорости принимаем равными от 0-30 км/ч. Получен­ные значения заносим в таблицу 6.

 

Таблица 6

Сила тяги локомотива по сцеплению

V, км/ч
ψк	0,30	0,25	0,22	0,20	0,19	0,18	0,18	0,17	0,16	0,16	0,16
Fксц, кН	413,7	346,8	308,1	282,8	265,1	251,9	241,7	233,6	227,0	221,6	217,0

9. Построение токовой I=f(V) и тяговой F_K=f(V) характеристик локомо­тива с ограничениями силы тока, касательной силы тяги и конструк­ционной скорости

 

Тяговые и токовые характеристики необходимы для расчетов дви­жения поездов, перегрева обмоток тяговых электрических машин, рас­хода энергии локомотивами на перемещение поездов. Наиболее точно эти зависимости определяют экспериментальным путем, в процессе специальных испытаний локомотивов. Полученные графики F_K=f(V) и I=f(V) официально регламентируют «Правилами тяговых расчетов для поездной работы».

На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости F_K=f(V) и I=f(V) можно построить по электротяговым характеристикам. Для этого необходимо пересчитать данные таблицы 5, а именно:

а) определить значения тока локомотива по величинам тока ТЭД:

- ток тягового генератора тепловоза I_Г, - по формуле (7);

б) определить значения касательной силы тяги локомотива F_К по
величинам силы тяги ТЭД F_КД используя уравнение (23).

Полученные результаты заносим в таблицу 7.

Таблица 7.

Рабочие характеристики локомотива

 

Iг, А
ПП	Fк, кН	150,6	190,1	233,9	281,9	323,3	362,8	399,4
α1=1	V, км/ч
ОП1	Fк, кН	90,4	114,1	140,3	169,1	194,0	217,7	239,6
α2=0,55	V, км/ч
ОП2	Fк, кН	60,2	76,0	93,6	112,8	129,3	145,1	159,8
α3=0,3	V, км/ч

 

Порядок построения рабочих характеристик тепловоза:

1) По данным таблицы 7 выполняем построения графиков I_Г=f(V) и F_K=f(V) при разных режимах ослабления возбуждения (см. рисунок 6, 7 приложения).

2) В координатах V,I_Г строим линии ограничений максимального
I_Гmax и минимального I_Гmin тока ТГ.

3) Рассчитываем значения силы тока ТГ, соответствующие автоматическим переходам ТЭД с одного режима возбуждения на другой:

- ток переходов ПП <=> ОП₁

 

, А; (28)

, А;

- ток переходов ОП₁, <=> ОП₂

, А; (29)

, А;

 

- Используя значения I_ГП-1 и I_Г1-2 выполняем построения горизонтальных линий пере­ходов ПП <=> ОП, и ОП₁ <=> ОП₂.

4) Определяем скорости тепловоза V_П-1 и V_1-2, соответствующие переходам ПП <=> ОП₁ и ОП₁ <=> ОП₂.

5) Используя данные таблицы 7 и токовую характеристику
I_Г⁼f(V), строим тяговую характеристику тепловоза F_K=f(V); показываем
ограничения силы тяги по максимальному току ТГ F_КДОП и по сцеплению
F_КСЦ (таблица 6), а также ограничение конструкционной скорости теп­ловоза V_K.

6) По графику I_Г=f(V) определяем скорость продолжительного ре­жима тепловоза V_ДЛ соответствующую номинальной силе тока ТГ I_ГН, a по значению V_ДЛ - длительную силу тяги тепловоза F_КДЛ.

Полученные значения основных технических параметров локомо­тива заносим в таблицу 9.

 

10. Определение основных технических параметров локомотива: