Как найти силу тяги локомотива

Тяговые расчеты являются основной частью науки о тяге поездов. Они включают в себя методики для определения массы, скорости и времени хода поезда по перегону, расхода топлива и электроэнергии, длины тормозного пути.

По отношению к неподвижным предметам, в том числе к рельсам, движение поезда рассматривается как поступательное. Считается, что все точки поезда имеют одинаковые скорости по величине и направлению, то есть поезд рассматривается как материальная точка. В то же время эта точка имеет конечный объем и конечную массу.

В реальной жизни поезд представляет собой систему материальных тел, имеющих между собой упругие и жесткие связи. К этим телам относятся вагоны и локомотивы. Упругими связями являются ударно-тяговые приборы, осуществляющие сцепление вагонов между собой. Жесткими связями являются рельсы, если пренебречь их упругостью.

На поезд действует большое количество сил, которые делятся на внешние и внутренние. Внешние силы исходят от тел, не входящих в рассматриваемую систему. Это притяжение земли, реакции рельсов, сопротивление воздуха.

Внутренние силы — это силы взаимодействия между отдельными элементами материальной системы. Эти силы всегда парные, то есть равны по величине, действуют по одной линии и противоположно направлены. В материальной системе равнодействующая внутренних сил и их результирующий момент относительно любой оси равны нулю. Следовательно, центр тяжести тела не может изменить своего положения под действием внутренних сил. Для этого необходимо иметь внешние силы. Значит и движение поезда возможно только под действием внешних сил.

В тяговых расчетах рассматриваются только те внешние силы, которые действуют на поезд по направлению движения. Их можно объединить в три группы. К первой группе относится сила, передающаяся от локомотива. Это сила тяги F. Ко второй группе относятся естественные силы, препятствующие движению W. К третьей группе относятся искусственные силы, препятствующие движению. Это тормозные силы В.

Рассмотренные силы никогда не действуют в поезде одновременно, а только в различных комбинациях, например, сила тяги и сила естественного сопротивления, тормозная сила и сила естественного сопротивления. Сила естественного сопротивления может также действовать только одна.

Сила тяги создается тяговым двигателем локомотива, который в свою очередь создает вращающий момент М (рис. 6.21). Точка А является опорой колеса на рельс. Если к колесу приложен момент М, направленный по часовой стрелке, то его можно заменить парой сил F и F1 Сила F приложена в точке О через буксы к раме тележки и направлена по движению. Сила Fl приложена в точке А к рельсу и направлена против движения. Она стремится создать проскальзывание опорной точки колеса в сторону, противоположную движению.

Под действием давления колеса в опорной точке возникает ре¬акция на силу F1 Эта реакция F2 равна по величине F1 и направлена в противоположную сторону, но по той же линии действия. Сила F2 является внешней по отношению к колесу. Она как бы непрерывно отталкивает колесо от рельса, то есть, создает упор колеса о рельс, без которого невозможно поступательное движение локомотива.

В результате равенства сил F1 и F2 освобождается сила F для осуществления движения локомотива. В тяговых расчетах силой тяги локомотива считают горизонтальную реакцию F2 Так как сила F2 направлена по касательной к ободу колеса, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательная сила тяги определяется как сумма касательных сил каждого колеса и обозначается FK.

При эксплуатации локомотива желательно реализовать как можно большие значения силы тяги, но это возможно только до определенной ее величины. Так как сила F2 является как бы упором, препятствующим силе F1 сдвинуть колесо по рельсу, то ее можно назвать силой сцепления между колесом и рельсом.

Сила сцепления имеет природу сил трения и в первом приближении она равна произведению нормального давления колеса Q на коэффициент сцепления Ψк колеса с рельсом:

Fсц = Q*Ψк

Сила тяги может возрастать лишь до тех пор, пока она не достигнет предельной силы сцепления колес с рельсами. Если вращающий момент тягового двигателя будет продолжать увеличиваться, то сцепление между колесами и рельсом нарушается, и колеса начинают проскальзывать (буксовать). В теории тяги принято измерять давление Q в тоннах, а силу тяги в килограммах.

Тогда максимальное значение силы тяги будет для одного колеса

F2 = 1000Q*ΨK

Величина коэффициента сцепления зависит от множества факторов, из которых основными являются: наличие на рельсах загрязнений и влаги (рис. 6.22), род двигателя локомотива, температура колес и рельсов, нагрузка от колеса на рельс (чем больше нагрузка, тем выше коэффициент сцепления), скорость движения, тип тормоза (колодочный или дисковый).

Определить величину коэффициента сцепления расчетным путем невозможно, поэтому применяются экспериментальные методы.

Опытные поездки дают большой разброс значений коэффициентов сцепления в результате действия множества различных факторов, случайно изменяющихся в процессе движения. Соответственно и сам коэффициент сцепления можно рассматривать как случайную величину, изменяющуюся однако в определенных пределах от 0,4 при благоприятных условиях до 0,1 при неблагоприятных. Расчетные значения коэффициентов сцепления устанавливаются правилами тяговых расчетов (ПТР) в зависимости от типа локомотива и скорости движения.

Одним из основных требований, предъявляемых к локомотиву, является реализация большой силы сцепления, так как именно величиной Ψк определяется вес состава, который может везти данный локомотив. Для повышения коэффициента сцепления применяются различные меры конструктивного характера, однако, наиболее эффективным и распространенным методом является подача песка под колеса локомотива. Можно применять также различные способы очистки рельсов и поверхности бандажей (например подтормаживанием).

Источник

Тягово-скоростная характеристика тепловоза ТЭ(П)10

Сила тяги локомотива — сила, реализуемая локомотивом и служащая для передвижения поезда.

Собственно различают две силы тяги локомотива — касательную и на сцепном устройстве (автосцепка или винтовая упряжь). Касательная сила тяги образуется в месте контакта движущих колёс и рельсов, а сумма всех этих сил есть касательная сила тяги локомотива^[1]. Сила тяги на сцепке меньше касательной, так как в этом случае учитывается и сопротивление движению от самого локомотива как повозки.

Сила тяги играет важную роль в тяговых расчётах, так как во многом определяет максимально допустимый вес поезда. Наибольшая её величина требуется при трогании поезда с места, ускорения, а также при следовании по подъёму. В то же время у этой силы ряд ограничений. В зоне малых скоростей действует ограничение по силе сцепления, превышение которого может привести к боксованию. В данном случае максимальная сила тяги зависит от сцепного веса (прямая зависимость) и от скорости движения (обратная зависимость). В зоне больших скоростей наступает уже ограничение по мощности первичного источника (паровой котёл для паровозов, дизель для тепловозов), а также по часовому току тяговых электродвигателей и температуре рабочей жидкости гидравлической передачи.

Ограничения по максимальной силе тяги определяются рядом специальных практических испытаний, реже — расчётами. На их основании для каждой серии локомотивов устанавливается расчётная сила тяги. Помимо этого, для локомотивов с тяговыми электродвигателями устанавливаются часовая и продолжительные силы тяги.

Примечания[править | править код]

↑ Теория электрической тяги, 1983, с. 16-17.

Литература[править | править код]

В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров. Теория электрической тяги. — М.: Наука, 1983. — 328 с.

Источник

3.1 Расчёт и построение тяговой характеристики F_k(V).

Сила
тяги электровоза F_k определяется по формуле:

Задаваясь
величиной скорости движения и пользуясь соответствующим графиком V(I_д)
на рис.1 находим ток двигателя I_д,, а по нему из графика F_д(I_д) для полного или ослабленного возбуждений определяем силу тяги F_д ТЭД. Далее, по приведённой формуле рассчитываем силу тяги
электровоза F_k при выбранной скорости движения.

Пример:
для “П-ПВ” при V=100 ^км/_ч
F_д=600кгс

Результаты
расчётов предоставлены в форме таблицы № 7

Таблица №7. “Тяговая характеристика
электровоза для “П-ПВ”.

V, ^км/_ч	100	80	70	60	50	44
F_д,кгс	600	850	1200	2200	4500	7250
F_к,кгс	7200	10200	14400	26400	54000	87000

Аналогично
рассчитываются тяговые характеристики электровоза для “П-ОВ”. “СП-ПВ”.
“С-ПВ”. Результаты занесены в таблицы №8, №9, №10.

Таблица №8. “Тяговая характеристика
электровоза для “П-ОВ”.

V, ^км/_ч	100	90	80	70	60	57,5
F_д,кгс	1200	1375	1750	2400	4100	5750
F_к,кгс	14400	16500	21000	28800	49200	69000

Таблица №9. “Тяговая характеристика
электровоза для “СП-ПВ”.

V, ^км/_ч	67	60	50	40	30	29
F_д,кгс	600	650	850	1900	6650	7250
F_к,кгс	7200	7800	10200	22800	79800	87000

Таблица №10. “Тяговая характеристика
электровоза для “С-ПВ”.

V, ^км/_ч	33	30	25	20	15	14,5
F_д,кгс	600	650	1050	2000	5950	7250
F_к,кгс	7200	7800	12600	24000	71400	87000

По
результатам расчётов на рис.3 построены тяговые характеристики электровоза F_к(V).

3.2. Расчет ограничений.

3.2.1. Расчёт ограничения по сцеплению.

Максимальная
сила тяги электровоза ограниченная сцеплением колёс с рельсами определяется по
формуле:

Р
– расчётная (сцепная) масса электровоза. ,
т.

– расчётный коэффициент сцепления
электровоза.

Величина
определяется по эмпирической
формуле: .

Пример:
для V=10^км/_ч .

Результаты
расчётов занесены в таблицу №11.

Таблица №11. Расчет ограничений по сцеплению.

V,^км/_ч	0	10	20	30	40	50	60	70
	0,34	0,285	0,273	0,264	0,256	0,248	0,24	0,233
F_ксц, кгс	95800	80370	76986	74448	72192	69936	67680	65706

На
рис.3 построен график зависимости F_ксц(V), по данным табл.№11.

3.2.2. Расчёт ограничения по максимальному току ТЭД.

По
известной величине тока I_дмакс ТЭД по рис.1 определяем величины силы тяги
ТЭД при полном и ослабленном возбуждениях (F_дпв
и F_дов). Умножением полученных величин на число
двигателей N_допределяются величины силы тяги электровоза F_кпв и F_ков
, им соответствуют скорости движения V_пв и
V_ов, так же полученные из рис.1. На пересечении
максимального тока I_дмакс с кривыми V(I_д) для “ПВ” и “ОВ”.

По
результатам расчёта на рис.3 наносим линию ограничения силы тяги электровоза по
току I_дмакс.

3.2.3. Построение ограничений по максимальной скорости движения
электровоза.

По
заданной величине максимальной скорости V_макс
электровоза наносим на рис.3 соответствующие ограничения.

4. Определение расчётной массы состава.

4.1. Определение расчётной скорости и расчётной силы тяги
электровоза.

Величина
расчётной скорости V_р и расчётной силы тяги F_кр определяется
из графика на рис.3, и составит 47 ^км/_ч и 70500 кгс.,
соответственно.

4.2. Расчёт массы состава.

Расчётная
масса состава определяется по условию равномерного движения с расчётной
скоростью V_р на расчётном подъёме по формуле:

, т.

F_кр [кгс] – расчётная сила тяги электровоза

Р
[т] – расчётная масса электровоза

I_p [⁰/₀₀] –
расчётный подъём

[^кгс/_т] –
удельное основное сопротивление электровоза в режиме тяги

[^кгс/_т]
– удельное основное сопротивление движению состава

^кгс/_т

Для
состава, состоящего из шестиосных вагонов, величина удельного основного
сопротивления движению составит:

^кгс/_т

,
т.

5. Расчёт и построение диаграммы удельных равнодействующих сил.

5.1. Расчёт удельного основного сопротивления состава.

Расчётные
формулы приведены в пункте №4.

Скорости
берутся через 10 ^км/_ч от V=0,
до выхода на характеристику “П-ПВ”, а за тем, через 5 ^км/_ч,,
до V_макс. Так же, должны быть взяты, расчётная
скорость V_р и скорость V_в, при которой осуществляется переход на
позицию “ОВ”.

Сопротивление
движению состава в диапазоне скоростей от 0 до 10 ^км/_ч
принимается неизменным и равным сопротивлению при V=10^км/_ч.

Уважаемый посетитель!

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Ссылка на скачивание – внизу страницы.

Источник

8.1. Сила тяги локомотива и ее реализация

В
локомотивах образование движущей силы
(силы тяга) происходит
вследствие взаимодействия колесных
пар с рельсами за счет вращающего
момента, создаваемого тяговым двигателем
(рис.8.1).

К
колесной паре 1 приложен вращающий
момент М_К,
который передается
от двигателя 2 через зубчатый редуктор,
состоящий из шестерни
3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена
на валу ТЭД, а зубчатое
колесо 4 – на оси колесной пары.

Вращающий
момент на колесной паре равен

М_К=
М_Дµ
η₃,
Нм,

(8.1)

где
М_Д
– момент на валу двигателя, Им;

µ
– передаточное число зубчатой передачи;

η₃–
коэффициент полезного действия зубчатой
передачи.

Момент
М_К
обычно представляют в виде пары сил F₁
и F₂
с плечом D_К/2,
одна из которых (F₁)
приложена к ободу колеса в точке касания
с рельсом (точка А), а другая (F₂)
– к оси колесной пары. Поскольку силы F₁
и F₂,
действующие на колесную пару, равны по
величине и противоположно
направлены, то они уравновешивают друг
друга и не вызывают поступательного
движения колес. В то же время, силы F₁
и F₂
могут создать
вращение колеса. Подтверждением этого
является следующий факт:
колесные пары, вывешенные на домкратах
над поверхностью рельса,
при включении ТЭД начинают вращаться,
однако движение локомотива
отсутствует.

Очевидно,
что поступательное движение колесной
пары будет возможно
в том случае, если скомпенсировать
действие силы F₁
какой-либо
дополнительной силой и нарушить тем
самым баланс сил F₁
и F₂.
Подобная
ситуация возникает, когда колесная пара
(далее для сокращения
– колесо) контактирует с рельсом и прижата
к нему силой тяжести G_Т.

–
колесная пара;
–
тяговый электродвигатель;

–
шестерня;
–
большое зубчатое колесо

Рис.8.1.
Образование
силы тяги

Сила
тяжести G_Т,
приходящаяся на одну ось локомотива,
приложена
к колесу и через точку контакта А
действует на рельс (рис.6.1). Реакция
рельса на колесо G_Р
по III
закону Ньютона равна значению силы
тяжести G_Т
по модулю и противоположна ей по
направлению. Указанные силы, действующие
на колесо в вертикальной плоскости,
уравновешивают
друг друга.

В
горизонтальной плоскости к ободу колеса
приложена сила F₁,
которая,
как и сила тяжести G_T,
через точку контакта А действует на
рельс (сила
F₁
направлена вдоль поверхности рельсов,
поэтому в случае их ненадежного
крепления имеет место явление, известное
как “угон пути”). Реакция рельса
F_Р
по III
закону Ньютона равна силе F₁
no
модулю и
противоположна ей по направлению.
Поэтому силы F₁
и F_Р,
действующие
на колесо в точке А, уравновешивают друг
друга. Сила F₂
оста

ется
неуравновешенной, что вызывает качение
колеса и его поступательное движение
относительно рельса.

Следовательно,
движущей
силой (силой тяги) колесной
пары является
сила F₂,
развиваемая тяговым двигателем. Для
удобства расчета ее
значений, на практике в качестве силы
тяги условились считать силу реакции
рельса F_Р,
равную по величине силам F₁
и F₂
[11]. При этом значения
сил определяют, рассматривая равенство
моментов

F_РD_K/
2 = M_K,

из
которого следует, что

F₂=
F_Р
= 2
M_K/
D_К=
2 М_Дµ
η₃
/ D_К,
H.

Отметим,
что данное уравнение было использовано
при построении электротяговых
характеристик локомотивов для расчета
силы тяги ТЭД на
ободе колеса F_КД
(формула
(7.15)).

Поскольку
сила F_Р
действует по касательной к колесу, ее
называют касательной
силой
тяги. Для
локомотива в целом касательную силу
тяги F_К
можно определить как

F_K
= n_oc
F_Р
= m F_КД,
H,

(8.2)

где
п_ос
– число движущих осей локомотива;

m
– количество тяговых электродвигателей
на локомотиве.

Таким
образом, качение колесной пары по рельсу
происходит, если к ней приложена пара
сил F₁и
F₂
(вращающий момент от тягового двигателя)
и сила F₁
уравновешена реакцией рельса F_Р.
Сформулируем особенности
силы F_Р
как касательной силы тяги:

сила
F_Р,
будучи силой
реакции,
возникает только под действием силы
F₁,
равна ей по модулю и поэтому пропорциональна
величине вращающего
момента ТЭД М_Д;
реакция
F_p,
будучи по природе силой трения,
возникает при наличии контакта колеса
с рельсом и силы, прижимающей их друг
к другу (силы тяжести); уровень силы F_p
не может превосходить некоторой
максимальной величины, которую называют
силой
сцепления
колес с рельсами Р_СЦ.

Итак,
касательная
сила тяги –
это сила реакции рельса на колесо,
возникающая под действием внешнего
вращающего момента и ограниченная
силой сцепления колеса с рельсом.

При
увеличении вращающего момента на колесе
М_К
касательная сила тяги F_Р,
равная силе тяги ТЭД F_КД,
возрастает
вплоть до уровня, соответствующего
силе сцепления F_СЦ
(зона I
на рис.8.2). Дальнейшее повышение
момента М_К(зона
II)
приводит к нарушению условия качения
колеса F₁=F_P.
Сила F₁
равная F_КД,
не уравновешивается силой F_Р,
равной F_СЦ.
В результате происходит срыв сцепления
и начинается боксование,
то
есть проскальзывание колеса относительно
поверхности рельса, при котором частота
вращения якоря ТЭД n_дрезко
увеличивается.

Рис.8.2.
Зависимость
касательной силы тяги F_Р
от силы тяги ТЭД F_КД
и силы сцепления колеса с рельсом F_СЦ

-касательная
сила тяги F_p;

–
сила тяги, развиваемая ТЭД, F_КД=F₁;

-сила
сцепления колеса с рельсом F_СЦ

Боксование
приводит к интенсивному износу рабочих
поверхностей
колеса и рельса, разрушению вращающихся
деталей якоря ТЭД под действием
центробежных сил, возникновению кругового
огня на коллекторе ТЭД и другим
опасным явлениям. Чтобы не допускать
их, установлены
технические условия устойчивого движения
локомотива, которые
описываются неравенством [11]

F_К_max≤
ψ₀P_СЦ

(8.3)

где
F_Kmax–
максимально допустимая касательная
сила тяги локомотива,
ψ₀–
потенциальный
(максимальный) коэффициент сцепления;
P_СЦ
– сцепной вес локомотива (вес, приходящийся
на движущие ко
лесные
пары и участвующий в создании силы
тяги).
P_СЦ=
9,81 n_ОС
2П, KH,

(8.4)

где
2П – осевая нагрузка локомотива, т
(исходные данные).

Неравенство
(8.3) выражает основной
закон локомотивной тяги:
для
обеспечения устойчивости управляемого
движения локомотива окружные усилия
на оводах движущих колес, создаваемые
тяговыми двигателями, не должны
превосходить силу сцепления колес с
рельсами.

Коэффициент
сцепления, а следовательно и сила
сцепления, являются
случайными величинами, на которые
оказывают влияние многочисленные
факторы: качество ремонта и содержания
локомотивов, метеорологические
условия поездки, текущее состояние пути
и др. Для локомотивов
одной серии при одинаковой скорости
движения разброс возможных значений
коэффициента сцепления относительно
его среднего
значения достигает ±50% [10].

Поэтому
для обеспечения устойчивости локомотивов
против бок-сования
устанавливают так называемый расчетный
коэффициент сцепления
ψ_K,
величина которого меньше потенциального
ψ₀.
При
этом сила
тяги по сцеплению составляет

F_КСЦ
= ψ_K
Р_СЦ,
кН.

(8.5)

Расчетный
(нормативный) коэффициент сцепления
локомотива ψ_Kопределяют
экспериментальным путем и задают так,
чтобы обеспечить практически приемлемую
надежность движения полновесных поездов
(поездов расчетной массы) по тяжелым
подъемам при плохих условиях сцепления
[12].

В
данной курсовой работе характеристики
сцепления ψ_K=f(V)
можно считать следующими [13]:

– для
электровозов постоянного тока

ψ_K
=0,28 + 3 / (50 + 20 V)
– 0,0007 V;

(8.6)

– для
магистральных тепловозов

ψ_K
= 0,118 + 5 / (V
+ 27,5).

(8.7)

Для
построения тяговых характеристик
локомотивов предварительно
необходимо рассчитать силу тяги по
сцеплению F_КСЦ
при различной
скорости движения локомотива по формулам
(8.4)-(8.7). Полученные
значения внести в таблицу 8.1.

Таблица
8.1.

Сила
тяги локомотива по сцеплению

V, км/ч
ψ_K
F_КСЦ, КН

Диапазоны
изменения скорости можно, в первом
приближении, принять
равными 0-30 км/ч для тепловозов и 0-50 км/ч
для электровозов

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

16. Образование силы тяги.

При подаче U на обмотки тягового двигателя, на обмотках тягового двигателя течет ток, образуется вращающий момент, якорь тягового двигателя вращается и через зубчатую передачу вращающий момент передается на колесную пару М_к. Колесо колесной пары прижато к рельсу с силой Р₀. Вращающий момент М_к можно заменить парой сил F₁ и F₂. Сила F₁ приложена к центру колеса О, а сила F₂ – к ободу колеса в точке А касания его с рельсом. Рельс закреплен! Под действием сил F₂ и Р₀ возникнут равные им и противоположно направленные реакции со стороны рельса, выраженные силами F_к и R, которые являются внешними силами. Сила R направлена вертикально и не влияет характер движения. Сила реакции рельса F_к и является силой тяги. За счет сцепления колеса с рельсом возникает необходимый упор. При этом силы F₂ и F_к уравновешиваются. Под действием силы F₁ колеса поворачиваются относительно точки А, как мгновенного центра вращения. Так как мгновенный центра вращения при этом перемещается по поверхности головки рельса слева направо, то и центр колеса (точка О) поступательно движется в том же направлении.

Сумма сил F_к всех движущих колесных пар локомотива называется силой тяги локомотива.

Сила тяги F_к не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом. F_к ≤ F_{к сцеп}. В противном случае колесо теряет упор и начнется проскальзывание – боксование. Сила сцепления определяется произведением силы Р₀ на коэффициент сцепления колеса с рельсом – F_сцеп= P₀ x ψ.

Для локомотива F_сцеп= m_л x g x ψ, где m_л – масса локомотива, g – 9,81 м/с² – ускорение свободного падения, ψ – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от материала рельса и колес, состояния их поверхностей, от скорости движения.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей на поверхностях колеса и рельса. При таком рассуждении можно считать, что при наличии отшлифованных поверхностей сила сцепления меньше. Однако, практика доказывает, что при чистых и хорошо обработанных поверхностях сила сцепления выше. Сцепление колес с рельсами объясняется молекулярным сцеплением. Для увеличения сцепления колес с рельсами используют сухой кварцевый песок, который разрушает поверхностные пленки и твердые частицы внедряются в контактируемые поверхности.

Расчетный коэффициент сцепления локомотива ψ_к определяют по эмпирическим формулам для различных типов локомотивов и отдельно в кривых малого радиуса R менее 500 м; например для электровозов переменного тока