Факторы, влияющие на реализацию сил сцепления колес с рельсами.

- Механические свойства материала бандажа колес и рельс (твердость, упругость, пластичность).

2) Состояние поверхностей колес и рельсов. При чистых и сухих поверхностях достигается наибольшее сцепление колесной пары с рельсами. Образование в месте контакта колеса и рельса масляных, глинистых, торфяных и им подобных пленок, а также загрязненных снега и льда приводит к резкому снижению сцепления. Оно имеет меньшее значение, если дождь только начался, при моросящем дожде или при росе, когда влага вместе с глинистой пылью, осевшей на рельсы, создает загрязненную пленку. Во время сильного дождя поверхности промываются и сцепление становится выше.

Самым эффективным средством увеличения сцепления колес с рельсами оказался сухой кварцевый песок, подаваемый в место контакта колес и рельсов. [ТПДеев] Кварцевый песок имеет острые грани зерен и высокую твердость, достигающую 10 кН/см². Вследствие этого зерна песка в зоне контакта колес с рельсами разрушают не только адсорбционные пленки, но и очень прочные окисные пленки, что обнажает кристаллы металла и способствует увеличению сил адгезии. Более того, в результате вдавливания зерен песка в зоне контакта увеличивается объем металла, участвующего в сопротивлении сдвигу. Разрушая поверхностные пленки и проникая в промежутки микровыступов контактируемых поверхностей, песок заполняет пустоты, вытесняя частицы адсорбата. Такое явление в физике получило название сплошности. К тому же зерна песка обладают большими сопротивлениями срезу и сдвигу. Вследствие явления сплошности возрастает площадь действительного контакта, а благодаря высокому сопротивлению сдвигу резко возрастает сцепление колес с рельсами.

[ТЭТ] В экспериментальном порядке испытывались и другие средства повышения сцепления и, в частности, нанесение на головку рельса равномерного слоя этиловых соединений. Эти растворы не только увеличивают сцепление, но и повышают коэффициент сцепления после начала боксования, не позволяя боксованию достигнуть разносного. При сухих рельсах на скоростях движения до 10 км/ч применение этих растворов повышало сцепление в среднем на 50 %, при мокрых рельсах - на 10 %. В случае обильной воды на рельсах применение этиловых растворов не улучшало сцепления. Однако ни одно из испытанных соединений не дало лучших результатов, чем применение песка, поэтому опыты были приостановлены.

Механическая очистка (обдув) рельсов улучшает состояние их поверхности. Осуществляется она специальным устройством, управляемым машинистом. Ощутимый эффект обдув дает до скорости 20 км/ч, но требует специального оборудования.

В виде эксперимента в процессе движения электровоза производилась электроискровая обработка поверхностей бандажей и рельсов с помощью специальной высокочастотной установки. В результате обработки разрушались поверхностные загрязненные частицы металла и удалялись имеющиеся в них скопления газов. Испытания показали существенное увеличение сцепления колес, однако износ рельсов при этом увеличился по сравнению с износом в обычных условиях. Поэтому искровая и плазменная обработки поверхностей бандажей и рельсов пока не нашли практического применения.

3) Равномерность нагрузок от колесных пар на рельсы. Наибольшую силу тяги локомотива можно получить при равномерном распределении веса локомотива между движущими колесными парами, чтобы каждая из них развивала наибольшую силу тяги. В действительности достичь равномерных нагрузок от колесных пар на рельсы трудно. Если в статическом состоянии это можно сделать за счет регулирования рессорного подвешивания, то при реализации силы тяги (движении локомотива) возникает неизбежное перераспределение нагрузок.

Касательная сила тяги условного двухосного локомотива F_к = F_к1 + F_к2 (см.рис.3.2.4-1) приложена на уровне головки рельса, а силы сопротивления движению состава W действуют на локомотив через автосцепные приборы. Эти силы, направленные в разные стороны, приложены на плече h, равном высоте оси автосцепки над уровнем головок рельсов, и образуют так называемый опрокидывающий момент М_о, который разгружает переднюю по ходу колесную пару на величину DР и перегружает заднюю колесную пару на ту же величину.

Рис.3.2.5.2-1. Перераспределение нагрузок от колесных пар на рельсы

[ТЭТ] При постоянной скорости движения сила тяги F_к равна силе сопротивления составу W, а опрокидывающий момент М_о = F_к h = W h = DР L_б. Отсюда

, (3.2.5.2-1)

где L_б – база локомотива, м.

При уменьшенной нагрузке первая колесная пара раньше других потеряет сцепление с рельсами и будет ограничивать силу тяги локомотива. Поэтому в эксплуатации первая по ходу движения колесная пара обычно имеет повышенную склонность к боксованию.

[ТПДеев] Уменьшение сцепления от перераспределения нагрузок между колесными парами оценивают так называемым коэффициентом использования сцепного веса локомотива

, (3.2.5.2-2)

где Р_о – статическая нагрузка колесной пары, кН или кгс;
DP – дополнительная нагрузка (разгрузка) колесной пары от перераспределения статических нагрузок между колесными парами, кН или кгс.

Перераспределение нагрузок между осями во многом зависит от расположения тяговых двигателей относительно колесных пар. Например, при расположении их по схеме тепловоза ТЭЗ значение h_сц изменяется в порядковом ряду осей по направлению движения: I - 0.888, II - 0.888, III - 1.195, IV - 0.805, V - 1.112, VI - 1.112, а по схеме тепловоза 2ТЭ116: I - 0.938, II - 0.938, III - 0.938, IV - 1.062, V - 1.062 VI - 1.062. Установлено, что одностороннее расположение тяговых двигателей подобно схеме 2ТЭ116 повышает силу тяги по сцеплению на 10 %.

[ОТП] Другими способами выравнивания нагрузок от колесных пар являются:

- применение бесшкворневых тележек, связанных с кузовом через наклонные тяги (электровозы ВЛ65 и ВЛ85);

- использование бесчелюстных букс, устраняющих трение при вертикальном перемещении рамы тележки относительно колесных пар за счет прогиба элементов рессорного подвешивания;

4) Колебания надрессоренной части локомотива. Колебания надрессоренной части вызываются в основном прогибом рельсового пути и периодическими ударами колес на стыках рельс. При колебаниях кузова и тележек локомотива каждая колесная пара то разгружается, то перегружается вследствие прогиба рессор и пружин рессорного подвешивания. В момент разгрузки колесная пара может потерять сцепление с рельсом, а при перегрузке - восстановить его. Наступает так называемое прерывистое (перемежающееся) боксование. В том случае, когда сцепление не восстанавливается, начинается разносное боксование со значительным увеличением частоты вращения колесной пары.

Колебания локомотива, а, следовательно, и степень разгрузки колесных пар зависят от конструкции его экипажной части, жесткости рессорного подвешивания и характеристик гасителей колебаний, жесткости пути и наличия на нем неровностей (стыков), а также от скорости движения.

С увеличением скорости движения локомотива возрастает амплитуда колебаний, вызывающих снижение сцепления.

5) Расхождение характеристик тяговых электродвигателей и диаметров колесных пар. За счет расхождения характеристик тяговых электродвигателей различные движущие колесные пары развивают разные силы тяги. При прочих равных условиях колесная пара, которая развивает большую силу тяги, раньше потеряет сцепление с рельсами и начнет боксовать.

Увеличение диаметра колес увеличивает поверхность опорной площадки колеса на рельс и, как следствие, сцепление. Увеличение диаметра колес тепловозов с 1050 до 1250 мм может повысить силу сцепления на 10%. Напротив, прокат бандажей уменьшает площадь контакта, повышает давление в его зоне и снижает сцепление. Так, по опытам ВНИИЖТа при прокате бандажей в 7 мм сцепление снижается на 15%.

Разницу диаметров колесных пар и расхождений частот вращения тяговых электродвигателей (в пределах норм) компенсируют соответствующим их подбором. Разность диаметров колесных пар при выпуске локомотива из текущего ремонта ТР-3, не должна превышать 8 мм. Допустимые отклонения частот вращения якорей новых двигателей в соответствии с ГОСТ 2582-81 - ±3 %; при выпуске из ремонта (в соответствии с Правилами ремонта) - ±4 %.

Если быстроходный тяговый двигатель будет установлен на колесную пару с наибольшим диаметром колес, то на ее ободах будет развиваться наибольшая сила тяги по сравнению с остальными, и она первой будет терять сцепление. Неравномерность в реализуемых силах тяги разными колесными парами уменьшится, если на колесную пару с меньшим диаметром бандажей устанавливать быстроходные тяговые электродвигатели, а на колесные пары с большим диаметром - электродвигатели, имеющие меньшие частоты вращения.

[ТПДеев] В то же время при одинаковых тяговых двигателях разность диаметров колес может существенно снизить результирующую силу сцепления. Так, при скорости 40 км/ч сила сцепления снижается на 7 % при расхождении диаметра колес на 1 мм.

6) Тип тягового привода. [ТЭТ] При индивидуальном приводе каждое колесо или колесная пара может боксовать независимо друг от друга, при групповом - возможно боксование или юз всех связанных друг с другом колесных пар. Следовательно, вероятность боксования при одной и той же силе тяги при индивидуальном приводе несколько выше, чем при групповом. [ТПДеев] По данным швейцарских, французских и югославских железных дорог применение группового привода повышает сцепление на 10 - 35 %.

7) Жесткость характеристик тяговых электродвигателей и схемы включения двигателей. При жестких характеристиках и параллельном включении тяговых электродвигателей возникшее боксование гасится быстрее. [ТПДеев] Например, при испытании английского электровоза, движущегося со скоростью 32 км/ч для прекращения боксования потребовалось снизить силу тяги на 13 % при параллельном, на 31 % при последовательно-параллельном и на 57 % при последовательном соединении двигателей.

8) Проскальзывание колес. Проскальзывания колесных пар возникают вследствие конусности бандажей и при разности диаметров колес одной колесной пары. На рис.3.2.5.2-2 показаны колеса, имеющие коническую форму рабочей поверхности, и рельсы, установленные с уклоном внутрь колеи (уклон равен 1/20). За счет коничности каждое колесо по ширине имеет разные диаметры, например D₂, D₃, D₄ (точки 2, 3 и 4). При качении по рельсу его части с разными диаметрами стремятся пройти разные расстояния. Т.к. на самом деле они проходят один какой-то средний путь, то неизбежно проскальзывание точек 2 и 4 колеса.

Рис.3.2.5.2-2. Влияние коничности бандажей и положения колесной пары в рельсовой колее на проскальзывание колес

Скольжение возрастает при разных диаметрах колес одной колесной пары. Даже в случае одинаковых диаметров колес смещение колесной пары в колее, например, до упора гребня левого колеса в рельс, приводит к качению левого колеса по большему диаметру D₁ (точка 1), а правого - по меньшему D₃. В результате левое колесо проходит больший путь и стремится забежать вперед, поворачивая колесную пару вокруг вертикальной оси. Однако такому повороту препятствуют буксовые направляющие колесной пары и гребень левого колеса. В результате чего колеса вынуждены проскальзывать.

Наибольшие проскальзывания возникают при качении колесной пары в кривых участках пути, когда по внешнему рельсу она должна пройти больший путь, чем по внутреннему. Здесь коничность бандажа в какой-то мере компенсирует разницу в длине проходимого пути вследствие прижатия колесной пары к внешнему рельсу и качения по нему колеса большим диаметром.

Проскальзывание колес в кривой возрастает с уменьшением ее радиуса и приводит к снижению сцепления. Оно снижается также при большом прокате колесных пар и износе рельсов.

9) Скорость движения локомотива. С возрастанием скорости движения локомотива уменьшаются площадь контакта колеса с рельсом, его продолжительность и, как следствие, силы межмолекулярного взаимодействия между ними, увеличиваются колебания всех частей локомотива, что вызывает периодические перегрузки и разгрузки колесных пар. Все это приводит к уменьшению сцепления колес с рельсами.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: