МОГИЛА_УП

4.2.2. Характеристика сил тяги, воздействующих на поезд

Для определения уровня массы поезда в зависимости от мощности локомотива и сил сопротивления расчетную силу тяги Fкр и расчетную ско-

рость Vp устанавливают по тяговой характеристике локомотива исходя из

полного использования мощности локомотива и ограничений силы тяги. Эта характеристика представляет собой графики зависимости силы тя-

ги локомотива и силы сцепления колес с рельсами от скорости движения. Такие характеристики строятся для каждой вновь созданной серии локомотивов на основе их заводских паспортных тягово-энергетических (для электровозов) и тягово-теплотехнических испытаний (для тепловозов).

Тяговые характеристики всех серий локомотивов, эксплуатируемых на сети железных дорог России, приведены в правилах тяговых расчетов для поездной работы (ПТР), утвержденных Министерством путей сообщения [8], а локомотивов, созданных после 2003 г., – ОАО «РЖД». На тяговых характеристиках локомотивов изображены семейства кривых силы тяги, каждая из которых соответствует определенному режиму работы локомотива (определенному положению рукоятки контроллера машиниста).

Для электровозов постоянного тока каждая кривая соответствует определенной схеме включения тяговых двигателей (с – последовательное соединение, сп – последовательно-параллельное, п – параллельное) и полному или ослабленному возбуждению. Для электровозов переменного тока и тепловозов – полному или ослабленному возбуждению тяговых двигателей и определенной позиции контроллера машиниста.

На тяговых характеристиках электровозов сила тяги двигателей Fдв ограничивается кривой силы сцепления колес с рельсами Fсц . Точка пе-

ресечения кривой силы сцепления с одной из кривых силы тяги, соответствующей определенному режиму работы электровоза, определяет величину расчетной скорости. Режим работы электровоза, для которого определяется расчетная скорость, устанавливается ПТР из условия наилучшего использования мощности локомотива и обеспечения его надежной работы с максимальной силой тяги.

Для тепловозов расчетная скорость и соответствующая сила тяги установлены в ПТР по условиям работы тяговых двигателей в длительном режиме. Тепловозы могут иметь также ограничения силы тяги по дизелю и тяговой передаче. В качестве примера на рис. 4.4 приведены тяговые характеристики электровоза ВЛ80С и тепловоза 2ТЭ10В. Как видно из

рис. 4.4, а, точке пересечения кривой силы сцепления Fсц с кривой силы тяги двигателей локомотива Fдв на 29-й позиции контроллера соответствуют расчетная сила тяги локомотива Fкр = 502,3 кН, и расчетная скорость 43,5 км/ч.

41

42

Если сила тяги двигателей локомотива, кН, зависит от количества и мощности тяговых двигателей, то сила сцепления колес с рельсами – от

На величину коэффициента сцепления оказывают влияние свойства металла колеса и рельса, состояние их поверхности, скорость движения, а также динамические процессы движения, связанные с состоянием железнодорожного пути, подвижного состава, и погодно-климатические условия.

Так как коэффициент сцепления зависит от очень большого количества факторов, которые трудно связать аналитической зависимостью, его определяют опытным путем при испытаниях локомотивов. Полученные экспериментальные данные обрабатывают методами математической статистики, в результате получают формулы зависимости коэффициента сцепления от скорости движения для определенных групп локомотивов. Так, например, формула расчета коэффициента сцепления для электровозов ВЛ80 всех индексов и ВЛ60к, ВЛ60р, ВЛ60пк имеет вид

а для тепловозов ТЭ10 и 2ТЭ10Л

По таким формулам, приведенным в ПТР, можно получить усредненные значения коэффициента сцепления, которые используются в разнообразных расчетах, связанных с выбором массы поезда и другими тяговыми расчетами.

В практических же условиях эксплуатации и в частности при организации опытных поездок следует иметь в виду, что величина коэффициента сцепления колеблется в зависимости от конкретных условий участка для конкретного локомотива в довольно широком диапазоне.

Это видно на рис. 4.5, где представлены результаты экспериментального определения коэффициента сцепления, а также его усредненное значение в зависимости от скорости движения.

Поскольку величина коэффициента сцепления с ростом скорости снижается, то и сила сцепления колес с рельсами, определяемая по формуле (4.8), также уменьшается. Кривые силы сцепления колес с рельсами, наложенные на тяговые характеристики, ограничивают силу тяги, которая могла бы быть реализована двигателями локомотивов в различных режимах его работы. Пунктиром на тяговых характеристиках

43

электровозов показаны ограничения силы тяги по сцеплению, которые принимают в расчет при проверке массы состава по условиям разгона до расчетной скорости, когда сразу за раздельным пунктом следует трудный подъем. Таким способом, т. е. путем снижения расчетной силы тяги по сцеплению в ПТР учитываются некоторые особенности режима работы тяговых двигателей при разгоне поезда.

Рис. 4.5. Результаты экспериментального определения коэффициента сцепления

В отличие от электровоза, тепловоз является автономным локомотивом, имеющим свою энергетическую установку, – дизель, мощность которого в определенной мере зависит от температуры наружного воздуха и атмосферного давления. Поэтому тяговые характеристики всех тепловозов в ПТР приводятся для стандартных атмосферных условий, соответствующих температуре 20 С и давлению 1013 гПа = 760 мм рт. ст. При температурах наружного воздуха выше установленного стандарта или давления ниже нормы мощность дизеля падает по сравнению с расчетной. В инженерных расчетах эти факторы учитываются снижением расчетной силы тяги с помощью коэффициентов, приведенных в ПТР.

Если в процессе движения поезда по каким-либо причинам сила тяги начинает превышать силу сцепления колеса с рельсами, то это приводит к опасному для локомотива явлению боксования колесных пар, т. е. к вращению колесных пар локомотива с угловой скоростью, превышающей

44

скорость, соответствующую поступательной скорости движения поезда. Боксование вызывает преждевременное ослабление бандажей, повреждение тяговых двигателей, износ рельсов.

Если боксование происходит на расчетном подъеме, то скорость может снизиться ниже расчетной, вплоть до полной остановки поезда. В этом случае поезд с перегона может быть выведен с использованием методов, предусмотренных Инструкцией по движению поездов и маневровой работе на железных дорогах Российской Федерации.

В равенстве (4.6) величина Мл представляет расчетную массу локо-

мотива. Влияние массы локомотива на нормативные параметры грузовых поездов проявляется двумя способами. Чем больше масса локомотива, тем выше сила сцепления колес с рельсами, тем больше возможный уровень массы грузового поезда и тем лучше используется сила тяги его двигателей. Однако такая закономерность будет прослеживаться до момента пока длина поезда и, следовательно, его расчетная масса не станет ограничиваться длиной приемоотправочных путей.

Избыточная масса локомотива вызывает увеличение полного сопротивления движению поезда, и, как следствие, излишний расход топлива или электроэнергии, износ верхнего строения пути, а также избыточные расходы на строительство и эксплуатацию самого локомотива. Использование же легкого локомотива не обеспечит величину массы поездов, возможную по длине станционных путей, что потребует увеличения размеров движения с вытекающими отсюда экономическими последствиями.

Следовательно, масса локомотива, как и его сила тяги, должна иметь оптимальное значение, обеспечивающее эффективное использование тягово-энергетических возможностей и длины станционных путей на конкретном железнодорожном участке.

Некоторые современные тепловозы имеют излишнюю массу. Объясняется это тем, что сложно создать дизель большой мощности с малой массой.

Максимальная масса современных локомотивов ограничивается допускаемой нагрузкой на одну ось локомотива и количеством осей. Серия локомотива, используемого на конкретном участке, и, следовательно, количество осей в нем зависят от длины станционных путей, характера и структуры грузопотоков и вагонопотоков, свойственных этому участку. Допускаемая же нагрузка на ось локомотива определяется, как правило, прочностными характеристиками подвижного состава, верхнего строения пути и искусственных сооружений и в настоящее время достигает 25 т/ось. Такой нагрузкой обладают электровозы ВЛ10У и ВЛ82М, у других электровозов она составляет от 23 до 24 т/ось, а у тепловозов – от 20 до 25 т/ось.

Потребность в сокращении эксплуатационных расходов за счет уменьшения парка локомотивов и количества локомотивных бригад в перспективе потребует повышения осевых нагрузок локомотивов. На железных дорогах США часть локомотивов имеет нагрузки 30 т/ось и более.

45

Основные параметры локомотивов, эксплуатируемых на сети железных дорог России, приведены в табл. 2 и 3 приложения.

В связи с тем, что тепловозы экипируются песком, водой и дизельным топливом, а электровозы – песком, их масса в процессе обслуживания поездов на длинных тяговых плечах сокращается, при этом допускается расходование до 90 % запасов топлива и песка. У тепловозов серий 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В это приводит к уменьшению массы локомотива на 13,4 т, а у тепловоза 2ТЭ116 – на 14,5 т.

Если не учитывать этого фактора при расчете нормы массы поезда, то может возникнуть боксование колесных пар, особенно на элементах профиля пути, где имеется ограничение силы тяги локомотива по сцеплению. Поэтому в тяговых расчетах введено понятие расчетная масса локомотива, которая для тепловозов принимается равной сумме массы тепловоза и одной трети запаса дизельного топлива и песка, а для электровозов – массы электровоза и двум третям массы запаса песка.

4.2.3. Характеристика сил основного сопротивления движению

Формула (4.6) предполагает необходимость расчета сил сопротивления движению локомотива и состава. Силы сопротивления делятся на основные, всегда действующие при движении поезда, и дополнительные, возникающие только при движении по отдельным участкам пути или в отдельные периоды времени. Сумму сил основного и дополнительного сопротивления называют общим сопротивлением движению поезда. В расчетах нормы массы поезда используются удельные силы сопротивления локомотива и вагонов. Они определяются силой, измеряемой в ньютонах, приходящейся на 1 кН веса локомотива или вагонов.

Силы основного сопротивления движению, действующие на поезд при движении по прямолинейному горизонтальному пути, создаются в основном трением в подшипниках подвижного состава, взаимодействием колесных пар локомотива, вагонов с рельсами и сопротивлением воздушной среды при отсутствии ветра.

Сила сопротивления движению от трения в буксах вагонов и локо-

мотивов зависит от величины нагрузки, приходящейся на шейки одной оси, конструкции букс и свойств используемых смазочных материалов, а также скорости вращения колесной пары.

Сила трения качения колес по рельсам возникает вследствие упру-

гих деформаций опорных поверхностей колес и рельсов, а также прогиба пути под колесными парами. Поскольку в результате движения поезда процесс деформирования колес, рельсов и пути является непрерывным, то на него локомотивом затрачивается определенная механическая работа и соответствующая ей сила тяги. Эта дополнительная сила

46

тяги по своей величине эквивалентна силе сопротивления качения колес по рельсам. Величины деформаций и, следовательно, силы сопротивления зависят от материала рельсов, колес, мощности конструкции верхнего строения пути и нагрузок на оси локомотивов и вагонов. Чем мощнее верхнее строение пути, тем меньше его деформация и, следовательно, меньше сила сопротивления.

Сила трения скольжения колес по рельсам возникает в связи с про-

скальзыванием колес. Проскальзывание колес локомотивов и вагонов связано с конусностью рабочих поверхностей колесных пар и разницей диаметров колес одной колесной пары, с неперпендикулярным положением осей колесных пар к оси пути, вилянием тележек от воздействия динамических сил при движении по прямолинейному пути. В кривых участках пути проскальзывание возникает также в связи с тем, что колесо, движущееся по внешнему рельсу, проходит больший путь, чем колесо, движущееся на внутреннем рельсе кривой.

Сила сопротивления от ударов колес о торцы встречных рельсов в стыках характерна только для стыкового пути. Несмотря на накладки, под воздействием силы тяжести стыковое соединение под осью вагона прогибается, при этом торец встречного рельса оказывается несколько выше, чем тот, с которого скатывается колесо, в результате возникает ударная сила, направленная навстречу движению. Эта сила тем больше, чем выше нагрузка на ось и скорость движения. Суммарная сила сопротивления движению от ударов, воздействующая на поезд, уменьшается с увеличением длины и мощности рельсов, а также за счет использования железобетонных шпал и щебеночного балласта. Этот вид сопротивления практически полностью устраняется при переходе на бесстыковой путь.

Сила сопротивления воздушной среды возникает в результате лобо-

вого давления воздуха на ведущий локомотив, разряжения воздуха за хвостовым вагоном поезда, сил трения воздуха о крыши, боковые поверхности, днище и ходовые части локомотива и вагонов, а также сил сопротивления в междувагонном пространстве. Общая величина воздушного сопротивления при тихой погоде зависит от длины и поперечного сечения поезда, формы головной части локомотива, площади продольных поверхностей поезда, рода вагонов и грузов на открытом подвижном составе, для которых характерно наличие выступающих частей. Решающее влияние на сопротивление воздушной среды оказывает скорость движения. Определенная часть этого сопротивления изменяется пропорционально квадрату скорости. Так, при изменении скорости движения от 40 до 80 км/ч, его величина возрастает примерно с 0,14 до 0, 57 Н/кН.

В связи с большим количеством факторов, оказывающих влияние на основное сопротивление движению поезда, и сложностью взаимосвязей между ними, в практических расчетах используют эмпирические зависимости, полученные на основе обработки экспериментальных данных. Такие

47

зависимости установлены ВНИИЖТом и приведены в ПТР: для электровозов и тепловозов в режиме тяги и выбега на звеньевом и бесстыковом пути; для вагонов четырехосных и отдельно восьмиосных; порожних (с нагрузкой на ось вагона q0 6 т) и груженых; на звеньевом и бесстыковом

пути. Основное удельное сопротивление электровозов и тепловозов в режиме тяги рекомендуется определять на звеньевом пути по формуле

на бесстыковом пути – по формуле

Основное удельное сопротивление четырехосных вагонов на роликовых подшипниках с нагрузкой на ось q0 6 т на звеньевом пути – по формуле

на бесстыковом пути – по формуле

Основное удельное сопротивление восьмиосных вагонов на роликовых подшипниках на звеньевом пути рекомендуется определять по формуле

на бесстыковом пути – по формуле

где q0 – масса вагона, приходящаяся на ось, т; V – скорость движения, км/ч.

Основное удельное сопротивление локомотивов и вагонов, рассчитанное по приведенным формулам (4.11)–(4.16), измеряется в Н/кН.

Если в составе поезда находятся вагоны разнотипные и c разной нагрузкой на ось, например, четырехосные и восьмиосные, груженые и по-

48

рожние, то определяют средневзвешенную величину основного удельного сопротивления

где q1, q2 , qn – суммарные массы брутто соответствующих типов вагонов, т; 01, 02 , … 0n – основные удельные сопротивления

различных типов вагонов, включенных в состав, Н/кН.

Часто средневзвешенное значение основного удельного сопротивления определяют, используя данные о соотношении (доле) того или иного типа вагонов к общему их количеству, применяя формулу вида

0 01 1 02 2 ......... 0n n , (4.18)

где 1; 2; n – доля каждого из типов вагонов в составе поезда.

Однако результаты расчета по формуле (4.19) будут достаточно точны только в том случае, если осевые нагрузки разных типов вагонов примерно одинаковы.

В некоторых расчетах используется средневзвешенная величина основного удельного сопротивления вагонов и локомотива в составе поезда, которая определяется как

где 0 и 0 – основные удельные сопротивления соответственно ваго-

нов и локомотива в составе поезда; Qбр и Мл – соответственно масса

состава брутто и масса локомотива, т.

В табл. 4.2, а также на рис. 4.6 представлены значения основного удельного сопротивления движению для электровозов, тепловозов и вагонов на роликовых подшипниках в зависимости от скорости движения.

Величина сопротивления вагонов рассчитана для порожних четырех- и восьмиосных вагонов, а также груженых вагонов, имеющих несколько вариантов нагрузок на ось.

Анализ рис. 4.6 позволяет сделать вывод, что основное удельное сопротивление груженого четырехосного вагона со средней нагрузкой на ось 17,5 т (масса вагона 70 т) в диапазоне скоростей от 10 до 100 км/ч изменяется в среднем в пределах от 1 до 2,5 2,9 Н/кН. При скорости 50 км/ч оно составляет около 1,5 Н/кН (в метрической системе измерения – 1,5 кгс/тс).

49

Таблица 4.2

Основное удельное сопротивление движению электровозов, тепловозов и вагонов в зависимости от скорости движения

Примечание. В числителе приведены значения сопротивления при движении по звеньевому, а в знаменателе – по бесстыковому пути.

Поскольку в ПТР, в справочнике по тяговым расчетам [12] и в другой технической литературе основное удельное сопротивление измеряется в кгс/тс, то следует иметь в виду, что численные значения удельного сопротивления, измеряемого в Н/кН и в кГс/тс, равны. Объясняется это тем, что удельное сопротивление является относительной величиной, не зависящей от используемых единиц измерения.

Формулы для расчета основного удельного сопротивления выведены на основе статистической обработки экспериментальных данных, поэтому полученные по ним значения сопротивления являются вероятными средними величинами.

50