Реалізація сил тяги та гальмування

Утворення сили тяги. Сила тяги реалізується рушійними колісними парами трамвайного вагона або рушійними колесами тролейбуса.Рухомими називаються колісні пари або колеса, які приводяться в обертання тяговими електродвигунами.

З механіки відомо, що порушення стану спокою або зміна швидкості руху центру тяжкості тіла можна зробити тільки під впливом зовнішніх сил, які діють це тіло. Отже, крутний момент, що розвивається тяговим двигуном, не може викликати поступального руху рухомого складу, оскільки він обумовлений внутрішніми силами. Якби рушійне колесо не спиралося на рейки або на дорогу, воно під впливом лише внутрішнього моменту не могло б викликати поступального руху рухомого складу. В цьому випадку рушійне колесо оберталося б біля своєї геометричної осі, не викликаючи поступального руху рухомого складу. Для поступального руху рухомого складу потрібна наявність зовнішніх сил. Така зовнішня сила виникає в результаті зчеплення коліс з рейками або дорожнім покриттям.

Розглянемо виникнення сили зчеплення окремого колеса (рис. 2). Приймемо, що точкаАє точкою опори колеса на рейку. До колеса буде доданий моментМд,тяговим двигуном, що розвивається, збільшений за рахунок редуктора тягової передачі вμраз за вирахуванням моменту сил тертяМТРв підшипниках і передачі і моменту обертанняMjвизначеного інерціями колеса і пов'язаних з ним частин, що обертаються.

Мал. 2. Реалізація сили тяги колесом

Тоді момент, доданий до колеса,

де ,

тутR- радіус колеса; - опір руху від тертя у підшипниках;

тутJ–момент інерції обертових частин;

- Кутове прискорення.

Напрямок руху вказано стрілкоюv.Уявімо моментМку вигляді пари силFKз плечем, рівним радіусу колесаR.Одна з цих сил прикладена в точціАвід колеса до рейки та спрямована проти руху. Вона прагне створити ковзання опорної точки колеса щодо рейки у бік, протилежний до поступального руху. Однак як реакція на цю силу під дією нормального натискання колесаGKв опорній точціАвиникає завдяки наявності зчеплення (тертя) з рейкою або дорожнім покриттям сила зчепленняТк.Ця силаТкє реактивною, зовнішньою по відношенню до колеса і згідно з третім законом Ньютона дорівнює і протилежна силіFKт. е.ТК=FK .

Якщо сила зчепленняТкне перевищить граничної величиниТк.пр, то точкаАколеса, що стикається з рейкою або дорогою, виявиться хіба що нерухомою, тобто. миттєвим центром обертання. Навколо цієї точки під дією крутного моменту почнуть повертатися всі інші точки колеса. Сила зчепленняТкбезперервно переміщатиме миттєвий центр обертання, а разом з ним і колесо вздовж шляху. У наступні моменти на зіткнення з рейкою або дорогою приходитимуть нові і нові точки кола колеса, що виявляються миттєвим центром його обертання.

Таким чином, внаслідок виникнення в опорній точціАколеса на рейку або шлях зовнішньої силиТк, спрямованої по дотичній до кола колеса, миттєвий центр його обертання безперервно переміщається вздовж шляху, а геометричний центр0отримує поступальну швидкістьv.Прикладена до колеса зовнішня силаТкявляє собою силу зчеплення,спрямовану по дотичній до кола колеса в точці його торкання з поверхнею шляху, і є силою тяги, що викликає поступальний рух рухомого складу. Тому силу зчепленняТкназиваютьдотиковою силою тяги на обіді рушійногоколеса.СилуFK,яка обумовлена крутним моментом тягового двигуна, називаютьсилою тяги.

При рівномірному русі рухомого складу, чому відповідає рівномірне обертання колеса (кутова швидкістьω= const), за відсутності тертя в підшипниках і передачі можна прийнятиFK = TK.

При прискореному або уповільненому обертанні колеса з урахуванням тертя в підшипниках силиFKіTKне будуть рівні, тому що результуючий момент, що діє на колесоМк,згідно з виразом дорівнює алгебраїчній сумі моментів, що діють на колісну пару. Отже, співвідношення між силамиFKіTKматиме вигляд

Це співвідношення справедливе для одного колеса. Для рухомого складу співвідношення між силою тягиFі силою зчепленняТматиме вигляд:

Обмеження сили тяги. Сила тяги обмежується гранично допустимою силою зчеплення, що має природу сил тертя. Якщо ця межа буде перевищена, відбудеться зрив зчеплення. Рухові колеса почнуть ковзати щодо шляху в точці дотикуА.При цьому їх кутова швидкістьω' буде більшою за кутову швидкістьω, відповідну поступальну швидкістьv,на значення кутової швидкості ковзанняωск коліс по рейкахω' =ω+ωск. Почнетьсябоксування колес, при якому відбувається підвищений знос бандажів (або шин) та шляхи.

У міру збільшення швидкості ковзання сила зчепленняколеса з поверхнею кочення різко зменшується, що призводить до надмірного збільшення частоти обертання двигуна. Це своє чергу викликає подальше зростання швидкості ковзання і зниження сили зчеплення. Нормальне кочення колеса стає неможливим. Тому при боксуванні рухомого складу на важких підйомах або слизькій дорозі він зупиняється і іноді не може рушити з місця внаслідок боксування, що знову виникає. У цьому випадку порушення зчеплення може спричинити затримку руху. Відновити зчеплення коліс із рейками можна, збільшивши силу зчеплення.

Отже, для граничної сили зчеплення всього рухомого складу за виразом отримаємо таке обмеження:

звідки найбільша допустима за умовою зчеплення сила тяги

Величини та малі порівняно з величиноюТпр. Тому приблизно можна прийняти для рухомого складу .

Сила зчеплення визначається як добуток сили натисканняGKколеса на рейку та коефіцієнта зчепленняψкколеса з рейкою, тобто.

Утворення гальмівної сили. Визначимо умову нормального кочення колеса при гальмуванні. У період гальмування до поїзда додано гальмівну силу. Розглянемо процес утворення цієї сили з прикладу одного колеса (рис. 3).

У гальмівному режимі на кожну колісну пару вагона, що рухається в напрямку, вказаному стрілкоюv,, діє гальмівний моментМт,спрямований проти годинникової стрілки. У цьому напрямі буде прикладено моментМтр, який визначається внутрішнім опором в підшипниках. МоментМj,визначається інерціями колеса і пов'язаних з ним частин, що обертаються, буде направлений за годинниковою стрілкою.

Мал. 3. Реалізація гальмівної сили

Результуючий моментМбуде дорівнює сумі алгебри моментів, що діють на колісну пару: .

Уявимо гальмівний момент парою силВк,прикладених відповідно в точкахОіА.Якби колеса оберталися вільно, не торкаючись рейок чи дороги, тобто були підняті над рівнем шляху, то під дією гальмівного моменту вони зупинилися б. Насправді колеса спираються на рейки або шлях, отже, в точці дотикуАвиникає сила зчепленняТк. дією гальмівного моменту.

Таким чином, під дією гальмівної силиВкв результаті зчеплення колеса з рейкою в точціАутворюється зовнішня силаТк,спрямована протилежно силіВк. КрапкаАу кожен момент є як би нерухомою, тобто миттєвим центром обертання.

Загалом на рухомий склад діє сума гальмівних сил усіх коліс, які можна замінити на їх рівнодіючу. Умовно цю рівнодіючу можна вважати прикладеною до центру тяжкості рухомого складу. При русі колеса силиВкіТкне будуть рівні, оскільки діючий на колеса результуючий моментМдорівнює сумі алгебри моментів. Отже, співвідношення між силамиВкіТкдля однієї осі матиме вигляд

і для всього рухомого складу

Обмеження гальмівної сили. Якщо в режимі гальмування гальмівна силаВперевищить гранично допустиму силу зчепленняТпр, станеться заклинювання коліс. Гальмівні колеса почнуть ковзати щодо шляху в точціА.Це явище називаєтьсяюзом.При юзі різко зменшується гальмівна сила,тому що вона визначається коефіцієнтом тертя кочення між колесом і рейкою при ковзанні їх відносно один одного. А коефіцієнт ковзання завжди менше коефіцієнта зчеплення, що відповідає нормальному гальмування. Юз - небезпечне явище для безпеки руху, тому що під час юзу збільшуються час гальмування і гальмівний шлях. Крім того, під час юзу при ковзанні коліс відбувається сильне стирання бандажів колісних пар або шин тролейбуса. Таким чином, гранична сила зчеплення всього рухомого складу матиме такі обмеження:

звідки найбільша допустима за умовами зчеплення гальмівна сила

Величини і значно менше величиниТпр, тому приблизно можна прийняти, що .