Движение поезда при торможении и выбеге

Выбег

Выбег, или движение накатом, – это движение поезда с отключенными тяговыми двигателями и без применения тормозов. Применяется для гашения скорости поезда перед режимом активного торможения. В этом случае происходит уменьшение кинетической энергии поезда, которая в режиме торможения превращается в теплоту, выделяемую на тормозных колодках и колесах.

В режиме выбега на поезд в направлении рельсов действуют сила сопротивления качению колес μ_сопр M g и скатывающая сила M g i. Уравнение второго закона Ньютона для поезда в проекции на направление ускорения (то есть против вектора скорости) примет вид M a = (μ_сопр+i) M g. Из этого выражения видно, что ускорение в режиме выбега постоянно и не зависит от массы поезда

a = (μ_сопр+i) g. (4.13)

Если выбег происходит на крутом спуске (i <0), то скатывающая сила может оказаться больше, чем сила сопротивления, и скорость поезда будет возрастать. В этом случае режим выбега будет невозможен.

Торможение

Режим торможения является важнейшим в обеспечении безопасности движения. От выбранного режима зависит жизнь людей, сохранность грузов и подвижного состава и точность остановки поезда в назначенном месте в назначенное время.

Определим ускорение поезда при торможении всеми колесами поезда. На поезд при торможении действуют следующие силы: со стороны Земли – сила тяжести поезда Мg, включая силу тяжести локомотива mg; со стороны рельсов – касательные сила торможения F_торм всех вагонов и локомотива и сила сопротивления качению поезда F_сопр; нормально со стороны рельсов действует сила нормального давления на колеса локомотива и состава N (рис. 4.3). Внутренние силы в автосцепках между вагонами действуют попарно, взаимно компенсируются и на движение влияния не оказывают.

Уравнение второго закона Ньютона для процесса торможения поезда в векторной форме имеет вид: произведение массы поезда на ускорение равно векторной сумме всех внешних сил:

. (4.14)

В проекции на координатную ось Ох, направленную вдоль рельсов по ускорению (против хода поезда) и на ось Oy, перпендикулярную рельсам, уравнение движения примет вид

O x: М a=F_торм+F_сопр + Mg sin a, (4.15)

O y: 0 = – M g cos a + N. (4.16)

Обозначим sin α = i. Примем cos a = 1. Силу сопротивления движению определим по закону Кулона F_сопр = μ_сопрN = μ_сопрМ g (согласно 4.16). Подставив силу сопротивления в уравнение (4.15), получим для ускорения формулу

. (4.17)

Примем значение силы торможения равным предельному (4.9) значению, F_{торм пред} = μ_сц М g. При таком торможении ускорение будет иметь наибольшее значение. Подставив формулу силы торможения, получим

a _max = g (m_сц +m_сопр +i). (4.18)

Таким образом, при торможении всеми колесами ускорение поезда и тормозной путь от массы поезда не зависят. Сумма коэффициентов в скобках формулы (4.18) имеет значение в интервале 0,25–0,35, и ускорение при торможении в условиях полного сцепления колес с рельсами получается довольно большим, в пределах 2,5–3,5 м/с². При таком экстренном торможении грузы будут сорваны со своих мест, пассажиры упадут. Следует производить служебное торможение в условиях неполного сцепления колес с рельсами.

В случае необходимости торможения поезда с небольшим значением ускорения, достаточно остановить поезд силами торможения только локомотива.При рекуперативном и реостатном торможении ведущие колеса локомотива, продолжая вращаться под действием силы сцепления с рельсами, приводят во вращение якоря тяговых двигателей, которые начинают работать в режиме генераторов. Возникающий момент электромагнитных сил тормозит вращение якоря двигателя и, значит, колеса. Это выгодно. Колесо, не зажатое тормозными колодками, не истирает рельс при поперечном смещении вагона. Вырабатываемая электроэнергия, производимая за счет уменьшения энергии поезда, может отдаваться в контактную сеть.

Предельная сила торможения локомотива, по закону трения, равна F_{торм, пред} = μ_сц mg, где mg – сила тяжести локомотива, μ_сц – коэффициент сцепления колес с рельсами. Кроме того, на поезд действует сила сопротивления и скатывающая сила. В этом случае уравнение второго закона Ньютона (4.15) для торможения поезда примет вид

O х: М a _max = μ_сц mg + (μ_сопр +i) M g. (4.19)

Откуда максимальное значение ускорения поезда при торможении только локомотивом будет равно

. (4.20)

Если принять обычные значения коэффициента сцепления μ_сц = 0,25 и коэффициента (μ_сопр+i)= 0,005, то при массе поезда, в 25 раз больше массы локомотива, получим значение ускорения, вполне приемлемое для грузов и пассажиров, около 0,15 м/с.

Дата добавления: 2014-01-04