Сила тяги электровоза и ее реализация

Тяговый электропривод. Это устройство предназначено для передачи вращающего момента тягового элек­тродвигателя на движущие колеса электровоза и преобразования вращающего момента в силу тяги. Ос-ми элементами тягового электропривода (рис. 3.5) являются тяговый электродвигатель 5, колесная 3 и зубчатая передача 1 и 10 ).

Конструкция тележки предусматривает возможность вертикального перемещения буксы 8относительно рамы тележки 7 за счет деформации

Рис. 3.5. Основные элементы тягового элект­ропривода

рессор 6. Это позволяет уменьшить динамическое воздействие подвиж­ного состава на путь при наличии неровностей на рельсах. В горизон­тальном направлении букса может перемещаться только вместе с тележ­кой. Тяговый электродвигатель 5 обычно расположен так, что его ось параллельна оси колесной пары 4. Это позволяет передать вращение от якоря двигателя на колесную пару при помощи зубчатой передачи, которая состоит из малой шестер­ни 10, насаженной на вал тягового электродвигателя, и большого зуб­чатого колеса 1, напрессованного на ось колесной пары 4. Отношение числа зубьев большого колеса и малой шестерни называют переда­точным числом. Если тяговый дви­гатель закрепить на раме тележки, то при деформаций рессор расстоя­ние между осями шестерни и зуб­чатого колеса будет изменяться. Чтобы это расстояние оставалось неизменным, электродвигатель опи­рается непосредственно на ось колес­ной пары при помощи специальных приливов 2 на его остове.

Рис. 3.6. Схемы сил, действующих на колесо и рельс при реализации силы тяги

С другой стороны, тяговый элект­родвигатель опирается на попереч­ное крепление рамы тележки через пружинную подвеску 9. Такой способ подвешивания тягового двигателя называют опорно-осевым.

Условия реализации силы тяги. Рассмотрим систему сил, действую­щих на колесную пару электровоза (рис. 3.6). Сила , равная силе тяжести электровоза, деленной на число его осей, прижимает колесную пару к рельсам. Вертикальная реак­ция рельсового пути на колесную пару равна по значению силе и противоположна по направлению. Силы и взаимно уравновеше­ны и не могут вызвать движения колесной пары. Кроме вертикальных сил к колесной паре приложен вра­щающий момент, который переда­ется от тягового электродвигателя через зубчатую передачу и опреде­ляется формулой

(3.17)

где М — вращающий момент на валу тяго­вого электродвигателя; — передаточное число зубчатой передачи; — коэффици­ент полезного действия зубчатой передачи электровоза, который можно принимать равным 0,975.

Момент стремится повернуть колесную пару вокруг ее оси (точка О, на рис. 3.6, а). Однако под действием силы происходит вза­имное сцепление поверхностей колеса и рельса в точке К. Сила сцепле­ния рельса с колесом , приложен­ная к рельсу в точке его касания с колесом, стремится сдвинуть рельс по направлению вращения колеса. Но рельсы остаются неподвижными, так как они надежно закреплены.

Сила сцепления колеса с рель­сом , приложенная к ободу колеса в точке его касания с рельсом, пре­пятствует проскальзыванию колеса по рельсу. Согласно третьему закону Ньютона .

Система сил, действующих на ко­лесную пару, показана на рис. 3.6 черными стрелками, а силы, действу­ющие на рельс и на тележку элект­ровоза,— светлыми стрелками. На­личие силы сцепления позволяет рассматривать движущее колесо как рычаг второго рода с точкой опоры К (см. рис, 3.6, б). Под действием вра­щающего момента и силы этот рычаг стремится повернуться по часовой стрелке относительно точ­ки К. При этом колесо стремится перекатываться по рельсу, а ось колеса — перемещаться вправо, пе­редавая на буксу горизонтальную силу .

В свою очередь ось колесной пары будет испытывать реакцию буксы

(3.18)

Условиями равновесия колеса, как рычага второго рода, являются ра­венство нулю суммы проекций всех приложенных к нему сил на горизон­тальную ось и суммы моментов этих сил относительно точки О. Тогда можно записать:

(3.19)

где — диаметр колеса.

Из уравнения (2.35) следует, что

Силу называют силой тяги, от­несенной к ободу колеса.

Поступательное движение электро­воза происходит под действием силы , с которой букса давит на раму тележки. Из выражений (3.18) и следует, что сила по значению равна силе тяги, отнесенной к ободу колеса,

(3.20)

Электровоз тронется с места, если сила будет больше силы сопротивления движению поезда W, которая приложена к автосцепке (см. рис. 3.6, а). С учетом формулы (3.20) условие трогания поезда с места имеет вид .

Выполнение этого условия достигается увеличением вращающего тягового электродвигателя.0днако чрезмерное увеличение вращающего момента приводит к нарушению сцепления колеса с рельсом. При этом колесо, продолжая вращаться, уже не перекатывается, а проскальзывает относительно рельс. Передача продольной горизонтальной силы от колеса на рельс становится невозможной и в соответствии с третьим законом Ньютона сила тоже становится равной нулю.

Максимально возможное значение силы сцепления колесной пары с рельсом прямо пропорционально силе нажатия колесной пары на рельси определяется формулой

(3.21)

Коэффициент пропорциональности между силой нажатия колесной пары на рельсы и максимальной силой сцепления колеса с рельсом называется коэффициентом сцепления. Здесь — масса электровоза, приходящаяся на одну движущую ось.

Коэффициент сцепления зависит от материала колеса и рельса, состояния их поверхностей, а также скорости движения электровоза. При наличии смазочного материала и грязи на поверхности рельса или колеса коэффициент сцепления заметно снижается.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей поверхности колеса и рельса.

При перекатывании колеса по рельсу без проскальзывания в точке их соприкосновения отсутствует гори­зонтальное перемещение колеса от­носительно рельса и шероховатости не сминаются. Отсюда следует, что чем лучше отшлифованы по­верхности колеса и рельса, тем мень­ше их сила сцепления.

Однако из практики известно, что колеса с хорошо обработанной по­верхностью катания реализуют боль­шую силу сцепления, чем колеса с изношенной поверхностью. Это объ­ясняется тем, что при малой высоте шероховатостей начинают действо­вать силы молекулярного притя­жения.

Если попытаться реализовать силу тяги, то произойдет смятие шероховатостей, и перекатывание ко­леса будет сопровождаться про­скальзыванием его по рельсу. Это явление называется боксованием (от английского tо bох — бокси­ровать). Термин «боксование» во­шел в употребление еще с времен паровозной тяги, так как движение шатунов боксующего паровоза на­поминает движение рук боксера.

Боксование — это нежелательное явление. Оно сопровождается сни­жением силы тяги электровоза, из­носом рабочих поверхностей колеса и рельса, а при значительном возра­стании скорости боксующего колеса возможно повреждение тягового электродвигателя.

Подводя итог, можно сформули­ровать следующие положения:

1. Преобразование вращающего момента приложенного к ко­лесу, в силу тяги возможно только при наличии сцепления колеса с рель­сом.

2. Наибольшее значение силы сцеп­ления пропорционально силе на­жатия колесной пары на рельс и зависит от состояния поверхностей колеса и рельса.

3. Значение силы тяги при трогании с места и разгоне должно удов­летворять условию .

При сила тяги недостаточна для преодоления силы сопротивле­ния движению. При наруша­ется сцепление колеса с рельсом и начинается боксование.

4. При возникновении боксования реализуемая сила тяги снижа­ется, так как коэффициент трения скольжения между колесом и рель­сом меньше коэффициента сцепле­ния.

Электромеханические характерис­тики тягового электродвигателя, от­несенные к ободу колеса. Это зави­симости скорости движения локомо­тива и силы тяги на ободе колеса от тока тягового электродвигателя и .

Зависимость между силой тяги, отнесенной к ободу колеса, и вра­щающим моментом электродвигате­ля можно получить, подставляя вы­ражение (3.17) в формулу (3.20):

(3.22)

Подставляя сюда выражение М из формулы, определяем

(3.23)

где с — постоянный коэффициент, харак­теризующий тяговый привод:

В отличие от безразмерной вели­чины С_м коэффициент С имеет размерность или . При ис­пользовании международной систе­мы единиц СИ сила тяги измеряется в ньютонах (Н).

Из формулы (3.22) видно, что сила тяги, отнесенная к ободу коле­са, пропорциональна вращающему моменту электродвигателя. Поэтому график зависимости подобен графику , приведенному на рис. 3.4, г.

Выясним соотношение между угло­вой скоростью якоря электродвига­теля и линейной скоростью движе­ния локомотива . Если движущее колесо перекатывается по рельсу без проскальзывания (см. рис. 3.4), то скорость движения локомотива рав­на линейной скорости на ободе ко­леса, которая может быть вычис­лена по соотношению

(3.24)

где о _к— угловая скорость якоря колесной пары.

В свою очередь определяется по формуле

(3.25)

где -передаточное число зубчатой пере­дачи от вала тягового электродвигателя к колесной паре.

Подставляя значение в форму­лу (3.24), можно убедиться, что ско­рость электровоза пропорциональна угловой скорости якоря тягового электродвигателя:

(3.26)

Подставив в формулу (3.26) выра­жение для из формулы (3.14) имеем,

(3.27)

Сравнивая формулы (3.13) и (3.27), получим выражение для э. д. с. вращения Е = СФV:

В Международной системе единиц (СИ) единица измерения скорости — метр в секунду (м/с). В железнодо­рожной практике для измерения ско­рости движения поездов применяет­ся внесистемная единица — кило­метр в час (км/ч). Соотношение этих единиц следующее: 10 м/с = 36 км/ч.

График зависимости как это следует из формулы, подо­бен графику , приведенному на рис. 3.4, д.

При решении некоторых задач не­обходимо знать зависимость меха­нической мощности тягового элект­родвигателя от силы тяги и скорости движения v. Для этого зна­чения вращающего момента М и уг­ловой скорости якоря из выраже­ний (3.22) и (3.24) подставим в формулу электрической мощности и получим

Сила тяги электровоза. Если силу тяги электродвигателя , отнесенную к ободу колеса, умножить на число тяговых электродвигателей , то получим силу тяги электро­да

(3.28)

Электровозы обычно имеют 6, 8 и 12 тяговых электродвигателей, каждый из которых приводит во вращение отдельную колесную пару. Максимально возможная сила тяги электровоза которая реализуется по условиям сцепления колес с рельсами,

где -число колесных пар, имеющих тяговые электродвигатели; -максимально возможная сила сцепления колесной пары.

Подставляя в это выражение формулу (3.21), получим

(3.29)

Поскольку вес электровоза обеспечивает создание силы сцепления, то величинуназывают сцепным весом.

Коэффициент сцепления электровоза является случайной величиной и зависит от состояния поверхности рельса и колеса, скорости движения, а также от характеристик тяговых электродвигателей и конструкции электровоза. С повышением скорости движения коэффициент сцепления уменьшается.

Расчетный коэффициент сцепления электровоза равен отношению наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу электровоза. Его устанавливают на основании опытных многократных поездок лучших машинистов. Результаты опытов представляют в виде графической зависимости от скорости v или эмпирической формулы следующего вида:

, (3.30)

где а,b,c,d, е — коэффициенты, получен­ные из опытных данных и зависящие от конструкции электровоза и тяговых электро­двигателей.

Устано­вившееся движение поезда.

Скорость установившегося движе­ния поезда. Этот параметр определя­ется из условия равновесия сил тяги и сопротивления движению. В первом приближении поезд можно рассмат­ривать как Материальную точку с массой . Уравнение движения этой точки определяется вторым законом Ньютона:

(3.31)
где — ускорение поезда.

Выше было показано, что с уве­личением скорости движения поезда сила тяги электровоза убывает, а сопротивление движению поез­да W возрастает. Изобразим на од­ной диаграмме тяговую характе­ристику электровоза , ограни­чение по cцеплению и зави­симость основного сопротивления движению поезда от скорости (рис. 3.7). В точке Z кривые ) и пересекаются и, следова­тельно, силы, действующие на поезд, взаимно уравновешены. При этом поезд движется с установившейся скоростью

(3.32)

Рассмотрим как происходит на­растание скорости поезда от нуля до . В процессе пуска машинист регулирует силу тяги электровоза так, чтобы она равнялась силе сцеп­ления . При этом и поезд, согласно уравнению (2.48), имеет положительное ускорение

Рис. 3.7. Установившаяся скорость поезда на площадке

По мере увеличения скорости со­противление движению поезда W возрастает, а сила тяги электровоза постепенно уменьшается. Таким образом, увеличение скорости поез­да сопровождается снижением его ускорения. Кривые изменения силы тяги, сопротивления движению и скоро­сти в зависимости от времени при­ведены на рис. 3.8. Поезд будет дви­гаться с установившейся скоростью , пока остается справедливым ра­венство (3.32). Это равенство нару­шается при изменении режима ра­боты тяговых электродвигателей.

Анализ совмещенной диаграммы силы тяги и сопротивления движе­нию поезда (см. рис. 3.7) позво­ляет сделать следующие выводы:

1.Установившийся режим движения поезда определяется точкой пе­ресечения тяговой характеристики электровоза и кривой полного со­противления движению поезда. Абс­цисса точки пересечения определяет установившуюся скорость движения поезда , а ордината — силу тяги, которую при этом развивает элект­ровоз.

2.Если сила тяги электровоза превышает силу сопротивления дви­жению W, то поезд движется с положительным ускорением и его скорость постепенно возрастает до .

3.Если сила тяги электровоза меньше силы сопротивления движению W то поезд движется с отрицательным ускорением и его скорость постепенно снижается до .

Влияние профиля пути на ско­рость установившегося движения. Рассмотрим совмещенную диаграмму силы тяги и сопротивления движению поезда для различных значений уклона пути (рис. 3.9). Пусть зависимость соответствует движению поезда на прямом горизонтальном участке пути . Установившаяся скорость движения поезда в этих условиях будет равна .

Полное сопротивление движению поезда на подъеме будет характеризоваться кривой , которая располагается выше кривой . С увеличением крутизны подъема возрастает сила движению поезда, а скорость движения уменьшается . Наибольшая сила тяги электровоза, которая может быть реализована при движении поезда с установившейся скоростью определяется условиями сцепления колеса с рельсом и равна расчетной силе тяги . Подъем на котором установившаяся скорость поезда равна расчетной , называется расчетным и обозначается . При переходе поезда на спуск скорость установившегося движения поезда возрастает .

Рассмотрим характер изменения тяги, сопротивления движению скорости поезда при движении по участку с элементами профиля различной крутизны (рис.3.10). При переходе на подъем с большей крутизной происходит рост сопротивления движению и скорость поезда постепенно уменьшается, стремясь к установившемуся значению соответствующему новому значению подъема. При переходе на подъем меньшей крутизны или на спуск происходит снижение силы сопротивления движению, и скорость поезда постепенно возрастает до нового установившегося значения.

Рис. 3.8.Зависимости силы тяги, сопротивле­ния движению и скорости от времени при разгоне поезда

Расчетная масса состава. Это мак­симально возможная масса состава, который может провести электровоз данной серии на определенном уча­стке железной дороги. Расчетная масса является нормой для фор­мирования составов грузовых поез­дов. Попытка провести грузовой поезд, масса которого значительно выше расчетной, приводит к вынуж­денной остановке на расчетном подъеме и задержке движения других поездов.

Рис. 3.9. График для определения устано­вившейся скорости поезда на различных укло­нах пути,

Рис. 3.10. Зависимости силы тяги, сопро­тивления движению и скорости поезда от вре­мени при движении по участку с элементами профиля различной крутизны.

Формирование составов, масса которых существенно меньше расчетной, приводит к необходимо­сти более частого движения грузо­вых поездов, к увеличению потреб­ности в локомотивах и локомотив­ных бригадах, к возрастанию рас­хода энергии и осложняет работу железной дороги.

Правильный выбор расчетной мас­сы состава имеет решающее зна­чение для высокопроизводительной и бесперебойной работы железных дорог. В большинстве случаев она выбирается из условия движения поезда по наиболее крутому и за­тяжному подъему на рассматривае­мом участке. Этот подъем называют расчетным . Учитывается также до­полнительное сопротивление движе­нию от кривых на расчетном подъ­еме.

Возможность движения поезда на расчетном подъеме определяется сле­дующими условиями: электровоз должен реализовать расчетную силу тяги , которая является макси­мально возможной; поезд должен двигаться с установившейся скоро­стью, равной расчетной , которая является минимально допустимой.

Рис. 3.31. Зависимости расчетной массы соста­ва от крутизны расчетного подъема для по­стоянного (сплошные линии) и переменного (штриховые линии) тока

Из формулы расчета полного сопротивления движению сопротивление движению поезда на расчетном подъеме

Если поезд движется с устано­вившейся скоростью, то . После элементарных преобразова­ний получим

(3.33)

Удельное основное сопротивление движению электровоза и вагонов для расчетной скорости поезда определяют по формулам удельного сопротивления движению или таб­лицам справочников. В формуле (3.33) величины ,, и ха­рактеризуют серию электровоза, вели­чина характеризует тип вагонов. Поэтому при заданной серии электро­воза и типе вагонов расчетная мас­са поезда является функцией рас­четного подъема (рис. 3.11).

Для участка пути с определенным расчетным подъемом этот график позволяет решать задачи двух типов: определять расчетную массу состава для заданной серии электровоза и выбирать серию электровоза для ве­дения поезда с заданной расчетной массой.

Последняя задача решается при выборе единой расчетной массы поезда для железнодорожного направления протяженностью в несколько тысяч километров: таких, как Урал — Кузбасс, Казахстан — Центр. Такие направления состоят из горных и равнинных участков, значительно отличающихся друг от друга по значению расчетного подъема. Использование электровозов различных серий на отдельных участках этого направления обеспечивает движение поездов с транзитными грузами без переформирования на участковых станциях. Это позволяет существенно сократить время пребывания грузов в пути, упрощает работу участковых станций и улучшает использование вагонов, ускоряя их оборот.

Влияние условий движения на выбор расчетной массы состава. Формула (3.33) позволяет определить расчетную массу состава, если поезд движется по расчетному подъему с установившейся расчетной скоростью u _р и электровоз развивает при этом расчетную силу тяги F_кp. Когда длина наиболее крутого подъема невелика (до 2 км) и поезд подходит к началу подъема с достаточно большой скоростью, то за время движения по этому подъему скорость поезда не успевает снизиться до u _р, а сила тяги электровоза не успеет возрасти до F_кp. Следовательно, тяговые свойства электровоза недоиспользуются и расчетный вес состава можно принять несколько большим, чем получается по формуле (3.33). Такой подъем называют инерционным, так как поезд преодолевает его по инерции за счет запаса кинетической энергии. В этом случае расчетную массу состава определяют методом последовательных приближений так, чтобы скорость поезда в конце инерционного подъема была равна u _р. Способ расчета скорости при неустановившемся движении поезда рассмотрен в п. 2.8.

Наиболее опытные машинисты водят поезда, вес которых на 10—20% превышает установленную норму. Искусство вождения тяжеловесных поездов требует от машиниста содержания электровоза в отличном состоянии, превосходного владения техникой управления электровозом, досконального знания профиля участка, обеспечения максимального разгона поезда перед подъемами, умелого использования песка для увеличения коэффициента сцепления на наиболее трудных подъемах.

При работе тягового электродвигателя его обмотки нагреваются вследствие потерь энергии в самих обмотках, а также под влиянием магнитных потерь в стали, трения в подшипниках и других элементах. Особенно интенсивный нагрев происходит при движении по расчетному подъему, когда тяговый электродвигатель потребляет ток больше номинального. На затяжных подъемах (длиной более 20 км) возникает опасность нагрева тяговых электродвигателей свыше температуры, которую допускает изоляция обмоток. В этих условиях расчетную массу состава принимают меньшей, чем получается по формуле (3.33). Метод определения расчетной массы состава с учетом нагревания тяговых электродвигателей будет рассмотрен в курсе «Теория электрической тяги».

Длина поезда не должна превышать полезной длины приёмо-отправочных путей на участке обращения данного поезда. Это необходимо для того, чтобы обеспечить возможность скрещения встречных поездов (на однопутных участках) и обгона попутных поездов. Стандартная длина приемо-отправочных путей установлена 1250, 1050 и 850 м. Если длина поезда, масса которого определена по формуле (3.33), превышает длину приемо-отправочных путей, то расчетную массу поезда необходимо соответственно уменьшить.

В порядке исключения на грузо-напряжённых участках железных дорог может быть организовано движение поездов, длина которых превышает полезную длину приемо-отправочных путей промежуточных станций. Длинносоставные поезда следуют по участку без остановок для обгонов и скрещений. Если возникнет необходимость остановки такого поезда на промежуточной станции, то часть вагонов отцепляют и переставляют на другой приемо-отправочный путь. Организация движения поездов повышенной массы является важным резервом увеличения производительности железнодорожного транспорта.

Дата добавления: 2013-12-12