Сила трения качения колес по рельсам.

СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА

6.1. Силы основного сопротивления движению поезда

Общие сведения. К силам сопротивления движению поезда относят внешние неуправляемые силы, направленные, как правило, против движения поезда. Как и силы тяги, они приводятся к точкам касания колес с рельсами. Силы сопротивления движению делят на основные: действующие при движении поезда всегда, и дополнительные: возникающие только при движении по отдельным участкам пути или в отдельные периоды времени. Сумму сил основного и дополнительного сопротивлений называют общим сопротивлением движению поезда W_K.

Силы сопротивления движению поезда складываются из сил сопротивления движению локомотива W` и состава W". В свою очередь силы сопротивления движению состава являются суммой сил сопротивления движению вагонов.

В расчетах используют удельные силы сопротивления движению, т.е. силы, выраженные в ньютонах, отнесенные к 1 кН веса поезда.

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

Сила трения в подшипниках подвижного состава.

На рис. 6.1 показан подшипник трения скольжения.

Рис. 61. Образование силы cопротивления движению от трения в буксовых подшипниках

Под воздействием нагрузки на шейку оси подвижного состава q_ol и вращении колесной пары по часовой стрелке возникает сила трения, равная произведению силы q_ol на коэффициент трения φ. Очевидно, сила до q_olφ, умноженная на радиус шейки оси d/2, дает момент сопротивления вращению:

Заменим этот момент сопротивления равным ему моментом М₂ с приложением силы а в точке касания колеса и рельса:

М₂=aD/2.

Момент М₂ действует также против направления вращения колеса. Сила а, являющаяся внутренней относительно поезда, вызывает равную ей внешнюю (относительно поезда) горизонтальную реакцию рельса W_Tp, действующую против движения поезда, — силу сопротивления движению поезда, вызванную трением в подшипнике, которая препятствует движению. Из равенства сил W_Tp и а и моментов М₁ и М₂ получим, кН:

Как видно из этой формулы, на силу сопротивления движению влияют нагрузка на шейку оси, коэффициент трения и отношение диаметра шейки оси к диаметру колеса.

Силу сопротивления движению поезда от трения в буксовых подшипниках можно определить суммированием сил W_Tp всего поезда. Если пренебречь разницей между нагрузкой от колес на рельсы и нагрузкой на шейку оси (определяемую весом колесной пары), то удельная сила сопротивления движению,Н/кН:

Сила трения качения колес по рельсам.

Эта сила возникает вследствие деформации опорных поверхностей колес, рельсов и просадки пути. На рис. 6.3, а показано колесо в состоянии покоя. Под действием его нагрузки на рельс q₀ деформируются и колесо, и рельс. В результате они соприкасаются по площадке, имеющей форму эллипса с длинной осью, равной АВ. На силу q₀ со стороны рельса по всей площадке возникают симметричные относительно вертикальной оси силы реакции. Равнодействующая этих сил R направлена вертикально и уравновешивает силу q₀.

В случае качения колеса по рельсу (рис. 6.3, б) силы реакции со стороны рельса перераспределяются: в набегающей части колеса они больше, а в сбегающей части — меньше, как показано стрелками на длине CD.

Рис. 6.3. Деформация колеса и рельса:

а — в статическом положении,

б — при движении поезда с образованием силы трения качения колеса по рельсу

Равнодействующая этих сил R, приложенная в точке Е и направленная перпендикулярно поверхности колеса и рельса, оказывается наклоненной в сторону, противоположную направлению движения. Если силу R, внешнюю относительно поезда, разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, то вертикальная сила R₀ уравновесит силу q₀, а горизонтальная сила W_TpK, направленная против движения, создаст силу трения качения колеса по рельсу. Силу W к (кН), можно определить, предположив, что сила R направлена к центру колеса О. Тогда из подобия треугольников EHG и ЕМО получим:

Вследствие малой деформации колеса по сравнению с его радиусом примем МО = D/2.

Учитывая, что R₀ = q₀, можно записать:

где δ — плечо трения качения. Откуда горизонтальная сила, Н:

где 1000 — переводной коэффициент силы q₀, кН, в Н.

Силу сопротивления движению от трения качения колес по рельсам определяют суммированием сил W_TpK всех колес. Удельная сила сопротивления от трения качения колес по рельсам, Н/кН:

С увеличением твердости материала колеса и рельса отрезок δ уменьшается. На величину W_TpK аналогично влияет и жесткость пути. Таким образом, сопротивление движению от трения качения снижается с уменьшением нагрузки от колесных пар на рельсы, увеличением диаметра колес, твердости материала колес, рельсов и жесткости пути. Удельная сила сопротивления движению от трения качения колес в среднем составляет 0,2...0,4 Н/кН.

Сила трения скольжения колес по рельсам. Качение колес по рельсам сопровождается их проскальзыванием, вызывающим силу трения скольжения между колесами и рельсами. Проскальзывание вызвано конусностью рабочих поверхностей бандажей колесных пар и отклонением их диаметров, отклонениями колесных пар от перпендикулярного к оси пути положения из-за нарушения размеров при сборке тележек вагонов и локомотива, а также вследствие виляния кузовов, тележек и колесных пар, создающих колебания в горизонтальной плоскости при их движении по прямолинейному пути. Эти колебания уменьшаются при натянутых автосцепках, под действием силы тяги локомотива, например в случае движения поезда по подъему. Удельная сила сопротивления от трения скольжения колес по рельсам составляет 0,15...0,4 Н/кН.

Сила сопротивления от ударов на неровностях пути. При прохождении стыков и неровностей пути возникают удары, которые вызывают силы, действующие против направления движения поезда (рис. 6.4). Под действием нагрузки q₀ от колеса на рельс он, несмотря на накладки, прогибается, и колесо наезжает на следующий рельс в точке Л. На колесо действует внешняя сила R, направленная перпендикулярно его поверхности

Рис. 6.4. Схема действия сил при прохождении колесом стыка

Если эту силу разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, то горизонтальная сила W_Hep, направленная против движения, явится силой сопротивления движению от стыка.

Аналогичная картина возникает и при прохождении других неровностей пути. Эта сила зависит от скорости движения, нагрузки от колес на рельсы, расстояния между стыками, зазора в стыке. Сила сопротивления движению от стыков уменьшается при длинных и более тяжелых рельсах и щебеночном балласте. Наибольший эффект дает применение бесстыкового пути. В среднем сила сопротивления движению поезда от ударов на неровностях пути составляет 0,05...0,5 Н/кН.

Силы сопротивления воздушной среды. При движении поезда перед его лобовой частью образуется зона сжатого воздуха, который оказывает встречное давление на лобовую стенку локомотива. Боковые поверхности и крыши подвижного состава соприкасаются со струями скользящего по ним воздуха, увлекают часть его за собой, создавая поток воздуха и трение части воздуха о стенки подвижного состава. В междувагонном пространстве и у выступающих частей образуются завихрения.

Сила сопротивления воздушной среды примерно пропорциональна квадрату скорости и имеет важное значение при скоростном движении. Наименьшим сопротивлением обладает поезд, имеющий обтекаемую «сигарообразную» форму с выпуклой лобовой и хвостовой стенками без выступов и неровностей на подвижном составе.

Требованиям обтекаемости в большей мере удовлетворяют высокоскоростные электропоезда.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 2633; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!