Основное сопротивление движению

- Основное сопротивление движению зависит от многих факторов, поэтому теоретическим путем определить значение основного сопротивления движению очень сложно. Представим его в виде двух составляющих: основного сопротивления движению, обусловленная трением в подшипниках подвижного состава, трением качения и скольжения колес по рельсам или дороге, деформацией пути и сопротивление воздушной среды при отсутствии ветра:

W₀ = W_{о тр} +W_{о аэр},

Сопротивление движению от трения. Наиболее существенной является величина W_{o тр}, состоящая из суммы сопротивления движению от трения в подшипниках подвижного состава, качения и скольжения колес по рельсам или дороге и сопротивление движению от деформации пути:

.

Сопротивление трения в подшипниках. Силы трения в буксах колесных пар, в подшипниках тяговых электродвигателей и передаточных механизмах зависят от коэффициентов трения и давления между трущимися поверхностями.

В момент трогания подвижного состава сопротивление воздушной среды, сопротивление движению со стороны пути будут равны нулю и все сопротивление движению будет сосредоточено в подшипниках. Особенно существенна эта величина в подшипниках скольжения, так как в состоянии покоя между шейкой и вкладышем отсутствует жидкостная пленка, особенно после длительной стоянки. В этом случае в момент трогания поезда движение шейки в подшипнике скольжения начинается при сухом трении, которому соответствует наибольшее значение коэффициента трения.

Затем, когда шейка оси приходит во вращение, она захватывает смазку. Начинается образование жидкостной пленки между вкладышем и шейкой и появление так называемого масляного клина, что способствует уменьшению коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит также от температуры окружающего воздуха. При низкой температуре вязкость смазки увеличивается, что приводит к увеличению коэффициента трения и соответственно сопротивления движению в момент трогания поезда после длительной стоянки. При высокой температуре вязкость смазки уменьшается. Поэтому в зимнее время следует применять менее вязкие смазочные материалы, в летнее время - наоборот.

При роликовых подшипниках составляющая сопротивления от трения будет меньше, так как коэффициент трения роликовых подшипников значительно меньше, чем у подшипников скольжения. Кроме того, при трогании подвижного состава, оборудованного роликовыми подшипниками, не происходит заметного увеличения коэффициента трения и, следовательно, сопротивления движению.

При трогании с места сопротивление от трения в роликовых буксах составляет около 10% соответствующего сопротивления букс со скользящими подшипниками и в меньшей степени зависит от продолжительности стоянки поезда. Это является важным преимуществом роликовых подшипников.

Сопротивление от трения в буксах вагонов, осевых подшипниках колес троллейбуса зависит от отношения внутреннего диаметра подшипника к диаметру круга качения колеса, нажатия на шейку оси, коэффициента трения.

Коэффициент трения зависит от материалов, из которых изготовлены шейки и подшипники, способа подачи масла к трущимся поверхностям, смазки, температуры окружающего воздуха.

В пределах эксплуатационных скоростей коэффициент трения φ для подшипников скольжения в среднем равен 0,005 - 0,01 и для роликовых подшипников - 0,001- 0,002. Этим ориентировочным значениям коэффициента трения соответствуют удельные значения основного сопротивления движения от трения подвижного состава с подшипниками скольжения, равные 0,5 - 1,0 Н/кН, и с роликовыми подшипниками, равные 0,1 - 0,2 Н/кН.

Сопротивление от трения качения W_к. При качении колеса вдоль рельса или дороги под действием силы нажатия колеса на рельс происходит упругая деформация бандажа и рельса или колеса и дороги. Колесо и рельс непрерывно меняют свою форму и снова ее восстанавливают. Сопротивление от трения качения колеса зависит от нажатия колеса на рельс или дорогу, радиуса круга качения колеса, а также площади опорной поверхности колеса, причем, чем больше эта площадь, тем выше потеря энергии и, следовательно, значение сопротивления движению.

Для рельсового транспорта площадь опорной поверхности определяется твердостью материала, из которого изготовлены бандажи колес и рельсы, профилем бандажа и головки рельса. Для безрельсового электрического транспорта с резиновыми колесами (пневматическими баллонами) площадь опорной поверхности колеса зависит от давления в баллонах, формы и состояния поверхности колес, а также от материала покрытия дороги. Удельное сопротивление движению от трения качения на рельсовом транспорте равно 0,2 - 0,4 Н/кН. На безрельсовом транспорте оно значительно выше.

Сопротивление от трения скольжения W_ск. В процессе движения подвижного состава одновременно с качением неизбежно и проскальзывание колес относительно рельсов. Это трение обусловлено различием диаметров кругов качения колес, закрепленных жестко на одной оси, конусностью бандажей, а также неровностью пути. Поэтому колесная пара при своем движении проскальзывает как вдоль, так и поперек рельса. На безрельсовом транспорте также происходит проскальзывание колес относительно пути.

На преодоление сил трения при проскальзывании затрачивается энергия, которая и определяет составляющую сопротивления движению от скольжения W_ск. Подсчитать эту энергию сложно, так как при этом необходимо учесть множество факторов.

Основными из них являются скорость движения, конструкция ПС, износ бандажей и рельсов. На рельсовом транспорте составляющая удельного сопротивления движению от скольжения колес не превышает 0.2 – 0.4 Н/кН.

Сопротивление движению от деформации пути. Так как строение пути неоднородно и обладает переменной упругостью, то при движении ПС имеют место его деформация и просадка. В свою очередь эти неровности пути вызывают колебания в отдельных элементах ПС, которые усиливают деформацию пути. Сопротивление движению от неровностей пути для рельсового транспорта при сварных стыках и хорошем состоянии пути незначительно. При плохом состоянии и содержании пути эта составляющая сопротивления движению значительно увеличивается. На безрельсовом транспорте это сопротивление зависит от неровностей пути по траектории качения колеса, от скорости движения.

Зависимость W_{о тр} от скорости движения. В результате экспериментальных исследований была установлена зависимость составляющей основного сопротивления движению, обусловленной силами трения W_{o тр} от скорости движения которую можно представить в виде W_{o тр} = А + Вv, где А и В - постоянные, которые зависят от конструкции буксы, конструкции пути и типа колесной пары.

Если движение начинается с нулевой скорости, то при низких скоростях наблюдаются высокие значения основного сопротивления движению от трения, это явление объясняется выдавливанием смазки как в буксах с подшипниками качения, так и в буксах с подшипниками скольжения. В последних начальное значение сопротивления движению от трения значительно выше.

При расчетах увеличением основного сопротивления движению при v = 0 пренебрегают, так как в эксплуатации оно преодолевается за счет значительного запаса силы тяги, которым обладает, как правило, подвижной состав городского электрического транспорта (ГЭТ).

Сопротивление воздушной среды W_{o аэр}. При движении подвижной состав испытывает сопротивление воздушной среды. При этом, с одной стороны, происходит непосредственное трение воздуха о наружные поверхности подвижного состава. С другой стороны, воздушные массы получают ускорение от лобовой и хвостовой поверхностей поезда, а также от неровностей его боковых поверхностей. Массы воздуха получают ускорение и накапливают кинетическую энергию, которая в дальнейшем расходуется на трение между отдельными слоями воздуха.

Аэродинамическими исследованиями движения тела неизменяемой формы в воздухе установлено, что при постоянной скорости движения составляющая основного сопротивления W_{o аэр} приблизительно пропорциональна произведению квадрата скорости на площадь поперечного сечения подвижного состава S:

где С_х — коэффициент обтекаемости, который определяется, как правило, опытным путем.

Для подвижного состава небольшой длины характерным размером S является наибольшая площадь поперечного сечения кузова головного вагона.

Как показали проведенные исследования, от формы движущегося тела при одной и той же площади его поперечного сечения существенно зависит сопротивление воздушной среды. Путем изменения формы кузова можно в значительной степени снизить коэффициент обтекаемости. Этим самым можно уменьшить сопротивление движению и, следовательно, расход электрической энергии.

Следует отметить, что составляющая W_{0 аэр} при относительно низких скоростях движения (до 40 - 50 км/ч) мала по сравнению с W_{o тр}. Поэтому на городском транспорте обтекаемые формы (с хорошей аэродинамикой) придают только скоростному подвижному составу.

Для подземных линий метрополитена условия взаимодействия подвижного состава и воздушной среды отличаются от условий для наземного транспорта. Двигаясь в тоннеле, поезд выталкивает воздух подобно поршню в насосе. При этом перед поездом возрастает давление воздуха, а позади его образуется разрежение. Одновременно воздух перемещается навстречу движению поезда по зазору между ним и стенками тоннеля, что создает относительно большое сопротивление движению, даже при низких скоростях движения.

Для подземных линий метрополитена сопротивление от взаимодействия поезда и воздушной среды в тоннеле является составляющей основного сопротивления движению. Для наземного городского транспорта сопротивление воздуха в тоннеле относится к дополнительному сопротивлению движения.