Режимы движения поезда и силы, действующие на него

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Режимы движения поезда и силы, действующие на него

2. Образование силы тяги электровоза

3. Сопротивление движению поезда

4. Сцепление колес с рельсами, ограничение силы тяги по условиям сцепления

5. Последствия буксования колесных пар, предупреждение и прекращение буксования

6. Электромеханические характеристики тяговых электродвигателей и тяговые характеристики электровозов. Пуск электровоза

7. Мощность, коэффициент полезного действия и нагревание тяговых двигателей

1. Режимы движения поезда и силы, действующие на него

Различают три основных режима движения поезда: тяга, выбег и торможение. В режиме тяги (контроллер включен) на поезд действуют сила тяги локомотива и силы сопротивления движению при выбеге (контроллер выключен), поезд движется по инерции в режиме торможения, на поезд действует как сила торможения, так и силы сопротивления движению. Сила инерции проявляет себя во всех случаях изменения режима движения поезда.

Если сила тяги больше сил сопротивления, то ее избыток идет на преодоление инерции поезда, скорость движения которого возрастает до тех пор, пока силу тяги не уравновесят силы сопротивления движению. В дальнейшем поезд движется с одной и той же скоростью, называемой установившейся. Когда силы сопротивления движению поезда превышают силу тяги, поезд движете; с замедлением. В этом случае, а также при торможении инерция поезда препятствует снижению скорости. Умело регулируя силы тяги и торможения, учитывая инерцию поезда и сопротивление его движению, машинист добивается плавности разгона поезда, ведения его строго по расписанию и обеспечивает остановку в требуемом месте.

сцепление рельс буксование тяговый

2. Образование силы тяги электровоза

Вращающий момент тягового электродвигателя электровоза через зубчатую передачу передается на колесную пару; этот момент М к (рис. 1) в соответствии с правилами механики можно представить в виде пары сил F и F1 с плечом действия R к (здесь R к -- радиус колеса). Итак

M к = F R к

F=F1=Mк/R к

Колесная пара давит на рельсы с определенной силой, поэтому между колесом и рельсом возникает сцепление, препятствующее проскальзыванию колес. Если сцепление достаточно, то в точке касания колеса и рельса возникает сила, равная по значению силе, но противоположно направленная. Эта сила и является той внешней силой, без которой невозможно движение; ее называют касательной силой тяги на ободе колеса.

Силой тяги на ободе колеса называют внешнюю силу, приложенную к движущему колесу локомотива в направлении его движения и вызывающую перемещение локомотива и состава. Эта сила прямо пропорциональна вращающему моменту тягового двигателя, передаточному отношению зубчатой передачи и обратно пропорциональна радиусу колеса.

При достаточном сцеплении колеса с рельсом силы уравновешиваются и движение колесной пары происходит под действием оставшейся неуравновешенной силы, приложенной к оси колесной пары и буксе.

Уменьшение диаметра колеса при обычном опорно-осевом под­вешивании двигателя невозможно, поскольку недопустимо изме­нить габариты тягового двигателя по высоте, что привело бы к пони­жению его мощности; увеличение передаточного числа может происходить за счет увеличения или радиуса большого зубчатого колеса (рис. 2), или радиуса малого зубчатого колеса (шестер­ни). Однако к настоящему времени эти возможности практически исчерпаны: большое зубчатое колесо грузовых электровозов, имея число зубьев 88, нижней частью (с учетом кожуха передачи) выходит за габарит подвижного состава по отношению к деталям автоматизированных сортировочных горок станций, а радиус ше­стерни не может быть снижен по условиям ее прочности.

Рис.1. Схема, образования сил тяги. Рис.2. Схема передачи вращающего момента ТЭД к КП.

Под силой тяги электровоза подразумевают сумму сил тяги развиваемых всеми колесными парами электровоза. Таким образом, основными путями увеличения силы тяги электровоза следует считать повышение числа колесных пар (числа секций у электровоза) или вращающего момента тяговых двигателей; однако и увеличение момента имеет свои ограничения, о которых будет указано ниже. Следует заметить, что при одинаковом токе тяговых двигателей электровозы с колесами, изношенными по диаметру, имеют несколько большую силу тяги (но и меньшую скорость движения). Так, толщина новых бандажей грузовых электровозов допускается до 100 мм, а предельно изношенных -- 40 мм (с учетом проката 7 мм), т. е. наибольшая разность диаметров новых и изношенных колес 120 мм, что составляет почти 10% полного диаметра колеса. Электровоз с новыми бандажами развивает силу тяги на 10% меньшую, чем с предельно изношенными.

3. Сопротивление движению поезда

Возникающие при движении поезда силы трения в узлах подвижного состава, силы взаимодействия между подвижным составом и путем, наружными поверхностями подвижного состава и окружающей воздушной средой, а также силу тяжести, проявляющуюся на уклонах пути, относят к силам сопротивления движению поезда. Равнодействующая всех этих сил обычно направлена против направления движения и лишь на крутых спусках совпадает с ним. Значения всех сил сопротивления не зависят от машиниста, однако он должен знать, что эти силы, из-за разных причин, изменяются, и в соответствии с этим при ведении поезда регулировать режим работы электровоза.

Полное сопротивление движению поезда (локомотива и вагонов) W подразделяют на основное W0 и дополнительное Wд

W=Wo+Wд

Основное сопротивление движению. Оно представляет собой сумму всех сил, препятствующих движению на прямых горизонтальных участках пути, и возникает в результате взаимного трения деталей подвижного состава, сопротивления от взаимодействия; пути и подвижного состава, а также сопротивления воздушной среды при отсутствии ветра.

Сопротивление от взаимного трения деталей подвижного состава. Это сопротивление, прежде всего, зависит от силы трения в буксовых подшипниках колесных пар, определяется типом и состоянием подшипников, качеством и количеством смазки, температурой наружного воздуха (влияет на вязкость смазки), скоростью движения поезда и нажатием подшипника на шейку оси. В роликовых буксовых подшипниках вместо трения скольжения действует трение качения, что обеспечивает значительное уменьшение сил трения; следует учитывать, что сила нажатия на буксовую шейку оси колесной пары электровоза превышает 10 тс, а у полностью груженых вагонов достигает 9 тс. Внутреннее сопротивление движению электровоза обусловлено также трением в зубчатой передаче, якорных и моторно-осевых подшипниках, между щетками и коллекторами тяговых двигателей и т. п.

Внутреннее сопротивление уменьшается при правильном уходе и исправном состоянии этих узлов

Сопротивление от взаимодействия пути и подвижного состава. Оно возникает в результате трения качения и трения скольжения между колесами и рельсами. При большой твердости материала колес и рельсов они меньше вдавливаются друг в друга, и трение качения уменьшается; применений бесстыкового пути и рельсов более тяжелого типа также уменьшает это трение. Трение скольжения между колесом и рельсом возникает при неравенстве диаметров колес одной колесной пары, соприкосновении гребней бандажей с боковыми гранями головок рельсов и поперечном скольжении во время виляния тележек. Чем выше скорость, тем больше препятствуют движению эти явления. Необходимо учитывать также толчки от налегания колес на торцы рельсов на стыках, крестовинах стрелочных переводов. Это сопротивление может быть снижено улучшением содержания полотна железной дороги и рельсов, а также увеличением длины рельсов. Неровности рельсов или бандажей колес (выбоины, овальность) также увеличивают сопротивление движению, так как при вертикальном перемещении ходовых частей часть энергии локомотива поглощается деталями рессорного подвешивания, как самого электровоза, так и вагонов; кроме того, имеются потери энергии в обрезиненных деталях поводков букс.

Сопротивление воздушной среды. Оно вызывается давлением воздуха на лобовую поверхность подвижного состава, разрежением воздуха за задней торцовой стенкой каждого вагона и трением поверхности подвижного состава о воздух. На значение этого сопротивления наибольшее влияние оказывают скорость движения поездов, форма вагонов и локомотива.

Мероприятия по уменьшению основного сопротивления движения:

- полная загрузка вагонов; правильное формирование составов (сосредоточение однотипных вагонов по группам -- полувагонов, платформ и т. п.);

- закрытие дверей и люков, улучшающее обте­кание вагонов воздухом;

- устранение трения тормозных колодок о колеса;

- улучшение состояния верхнего строения пути;

- сокраще­ние времени стоянок, облегчающее трогание составов с места, особенно в зимнее время.

Подсчет основного сопротивления движению: Полное основное сопротивление движению поезда Wо складывается из основных сопротивлений движению локомотива W'о и состава W''o, т. е.

Wo=W'o+W''o

Дополнительное сопротивление движению поезда. Это сопротивление возникает при движении в кривых, по уклонам, при низкой температуре наружного воздуха и сильном встречном и боковом ветре.

Для уменьшения дополнительного сопротивления движении смягчают профиль пути, увеличивают радиусы кривых, смазывая боковые поверхности головок наружных рельсов в кривых или гребни бандажей специальной смазкой, закрывают двери грузовых вагонов, пассажирские вагоны скоростного движения выполняют более обтекаемой формы.

Сопротивление от уклонов. Крутизну уклона определяют как отношение разности высот (от горизонтальной линии начала и конца уклона к длине участка, на котором расположен уклон, т. е.

I= MH/МО

Сопротивление от кривых участков пути. При движении по кривым под действием силы инерции гребни бандажей колесных пар прижимаются к боковой поверхности головки наружного рельса, что приводит к возникновению тремя между ними. При большой кривизне пути, малом поперечном разбеге колесных пар в трехосных тележках не только концевые колесные пары прижимаются к наружному рельсу, но и средние (2-я и 5-я) к внутреннему рельсу. Кроме того, возникают дополнительные усилия в опорах кузовов и ударно-тяговых приборах, как у локомотивов, так и у вагонов. Все это вызывает дополнительное сопротивление движению в кривой.

Сопротивление движению от ветра. Встречный или боковой ветер вызывает дополнительное сопротивление движению, особенно возрастающее при высоких скоростях; попутный ветер способствует повышению скорости движения. Боковой ветер, прижимая гребни колес к рельсам, приводит к значительному увеличению сопротивления движению, особенно вагонов, следующих с открытыми дверями и люками.

Сопротивление движению от низкой температуры наружного воздуха. При низких температурах со­противление движению возрастает в основном за счет повышения вязкости смазки в узлах трения. Его учет рекомендуется произ­водить при температурах ниже -- 25°С в процентах от основного сопротивления движению; например, для грузовых вагонов при скорости 80 км/ч и температуре воздуха -- 30 °С это повышение сопротивления принимается равным 7%.

4. Сцепление колес с рельсами, ограничение силы тяги по условиям сцепления

Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила Р о (см. рис. 2), с которой колесная пара давит на рельс. Сцепле­ние, необходимое для реализации силы тяги, можно получить лишь при условии, что некоторая доля этой силы Р о будет больше силы тяги F кд, развиваемой данной колесной парой.

Если сила тяги превысит силу сцепления, то сцепление нарушится, колесо начнет проскальзывать по рельсу, при этом сила сцепления резко уменьшится, колесо как бы лишится упора и начнет вращаться все быстрее. Это явление называют буксованием; при нем вращающий момент, развиваемый двигателем и реализуемый колесной парой, падает (из-за уменьшения тока и коэффициента сцепления) и сила тяги снижается, что прежде всего вызывает уменьшение скорости движения поезда; возможно и нарушение коммутации двигателей локомотива.

Чтобы определить наибольшую допустимую силу тяги электровоза, необходимо знать значение коэффициента сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от многих факторов: состояния поверхности рельсов (масляные пятна, торфяная или угольная пыль, листья уменьшают сцепление, песок -- увеличивает); общего со­стояния пути; радиуса закругления и возвышения рельсов на кривых участках пути. При небольшом дожде коэффициент сцепления снижается, однако при сильном дожде, смывающем грязь с рельсов, уменьшения коэффициента сцепления не наблюдается. На коэффициент сцепления влияют также факторы, зависящие от состояния электровоза. Так, повышенный прокат бандажей, разность в диаметрах по кругу катания комплекта колесных пар или колес одной колесной пары, большие поперечные разбеги колесных пар, различие жесткости рессор и пружин, неудачный подбор тяговых двигателей по характеристикам ухудшают сцепление, особенно с ростом скорости движения.

Большая инерция (масса, диаметр) вращающихся частей, связанных с двигателем, препятствует развитию буксования. Коэффициент сцепления у электровозов переменного тока до скорости 50 км/ч выше, чем у электровозов постоянного тока; это является следствием того, что на электровозах переменного тока тяговые двигатели соединены параллельно, а на электровозах постоянного тока -- последовательно или последовательно-параллельно. У электровозов ВЛ80Р коэффициент сцепления при скоростях, соответствующих режиму пуска, еще несколько выше за счет плавного (не ступенчатого), повышения пускового тока и вращающего момента тяговых двигателей. При использовании трех- или четырёх секционных электровозов ВЛ80С и BЛ11 указанные значения силы тяги пропорционально увеличиваются соответственно в 1,5 или 2 раза, но они не превышают значений, соответствующих прочности автосцепок СА-3 и модернизированной автосцепки СА-ЗМ, рассчитанной на усилие 250 тс.

5. Последствия буксования колесных пар, предупреждение и прекращение буксования

Буксование электровозов -- явление частое и довольно опасное. Оно возникает, когда сила тяги превысит силу сцепления колес с рельсами, что приводит к уменьшению силы тяги. Сильное буксование могут вызвать механические или электрические повреждения деталей и узлов электровоза.

Причины механических и электрических повреждений и их последствия. При возникновении буксования коэффициент сцепления резко снижается, так как трение покоя (сравнительного) заменяется трением скольжения, и под действием значительного вращающего момента двигателя увеличивается частота вращения якоря и колесной пары. Вследствие этого под влиянием центробежной силы проводники обмотки якоря начинают растягивать скрепляющие их бандажи, пластины коллектора увеличивают давление на миканитовые манжеты конусов якоря и т. д. Частота вращения якоря может превысить допустимое значение, предусмотренное при создании машины, что может привести к полному ее разрушению.

Проскальзывание колес приводит к быстрому износу бандажей и рельсов. Об этом свидетельствуют риски на рельсах станционных путей в местах отправления поездов. Довольно опасно резкое прекращение буксования, например подачей большого количества песка. В этом случае большая часть запасенной кинетической энергии отдельных деталей превращается в энергию удара, в результате чего повреждаются изоляция обмотки якоря, ее крепление в пазах, зубья передачи. Корпус тягового двигателя с опорно-осевым подвешиванием в этот момент как бы приседает или подпрыгивает, поворачиваясь вокруг колесной пары. В результате могут произойти также излом деталей подвески двигателя, проворот бандажей колесных пар и друг повреждения механической части электровоза.

Не менее серьезны последствия электрических повреждений возникающих в результате нарушения коммутации, а на электровозах постоянного тока -- и вследствие повышения напряжения на коллекторе двигателя, связанного с буксующей колесной парой (на электровозах переменного тока напряжение на двигателях также повышается, но незначительно).

Нарушение коммутации и, как следствие этого, круговой огонь на коллекторе «буксующего» двигателя возникают из-за значительного снижения времени коммутации тока в витках обмотки якоря; в большей мере это относится к двигателям электровозов переменного тока, у которых коммутация и без того осложнена пульсацией тока в обмотках полюсов и якоря. На электровозах постоянного тока всегда последовательно включаются не менее двух тяговых двигателей. Поскольку направление индуктированной э. д. с. противоположно приложенному к двигателю напряжению, степень ее возрастания соответствует степени возрастания сопротивления «буксующего»: тягового двигателя (условно) по сравнению с сопротивлением «небуксующего» тягового двигателя рассматриваемой цепи. Это приводит, с одной стороны, к уменьшению тока этой ветви по сравнению с параллельными ветвями, а с другой -- к повышении: напряжения именно на якоре «буксующего» двигателя. В качестве примера на (рис. 3) показано распределение падений напряжений на двух потребителях с разным сопротивлением и в случае буксования ТЭД (рис.4).

Повышенное напряжение на кол­лекторе «буксующего» двигателя вызывает увеличение напряжения между соседними коллекторными пластинами; при некотором значении этого напряжения небольшие искры, возникаю­щие на коллекторе под щетками даже при нормальной коммутации, могут перейти в электрическую дугу -- воз­никает круговой огонь.

Рис.3. Сопоставление значений падения

Рис. 4. Распределение напряже­ния (приближенно) на напряжений. обмотках двух последовательно соединен­ных ТЭД: а -- при нормальной работе, б -- при буксовании колесной пары, спаренной в блоке с двигателем.

При чистых изоляторах кронштейнов щеткодержателей электрическая дуга распространяется от плюсового к минусовому щеткодержателю; обмотка якоря как бы заканчивается. На электровозах постоянного тока это приводит к перегрузке двигателя, включенного последовательно с «буксующим», в результате чего может начаться буксование колесной пары и, этого двигателя.

На электровозах переменного тока (рис.5) круговой огонь приводит к короткому замыканию тягового трансформатора и протеканию по его обмоткам и через выпрямители значительного тока, опасного для всех элементов цепи.

При запыленном и влажном воздухе внутри двигателя или при загрязненных изоляторах кронштейнов щеткодержателей дуга перебрасывается на остов тягового двигателя. Для электровозов постоянного тока (рис.6. а) это соответствует полному (или частичному) короткому замыканию контактной сети на рельсы, а на электровозах переменного тока (рис.6. б) вызывает короткое замыкание вторичной обмотки тягового трансформатора.

Рисунок 6.

6. Электромеханические характеристики тяговых электродвигателей и тяговые характеристики электровозов. Пуск электровоза

Полный вращающий момент двигателя складывается из вращающих моментов, созданных многими парами проводников, лежащих на якоре под разно полярными главными полюсами.

Совокупность пар сил, создаваемых всеми проводниками, называют вращающим моментом двигателя.

На электровозах постоянного тока применяют пере соединение тяговых двигателей и ввод (вывод) в цепь резисторов; на электровозах переменного тока изменяют коэффициент трансформации путем переключения выводов вторичной (или первичной) обмотки тягового трансформатора. В период пуска к двигателю должно быть подведено пониженное напряжение.

Так, если к двигателю ТЛ-2К подвести сразу его рабочее напряжение Uk= 1500 В, то ток в его обмотках будет около 1600А.

7. Мощность, коэффициент полезного действия и нагревание тяговых двигателей

Различают следующие виды мощности электровоза: электрическую мощность, потребляемую двигателями из сети; механическую мощность, развиваемую на валах двигателей; мощность на ободе колес. Все эти виды мощности выражают в электрических единицах -- киловаттах (кВт).

Мощность тягового двигателя. Под ней понимают ту наибольшую работу, которую двигатель может произвести за определенный промежуток времени без повреждения его частей. Как и у любой электрической установки постоянного тока, потребляемая мощность тягового двигателя определяется подведенным к нему напряжением Uk и током I, т. е. P=UkI.

Напряжение на коллекторе (на выводных зажимах) одного двигателя при неподвижном электровозе на 1-й позиции составляет всего 18--50 В. На электровозе постоянного тока, выводя пусковые резисторы и переходя на последовательно-параллельное, а за­тем и параллельное соединение, доводят напряжение до 1500 В; допустимо повышение напряжения до 2000В в течение непродолжительного времени (период рекуперации).

Дальнейшее повышение напряжения при существующей конструкции двигателя ограничено допустимой разностью потенциа­лов между соседними коллекторными пластинами. Для большинства электровозных двигателей эта величина составляет 15--21В, однако из-за неравномерности магнитного потока под главными полюсами, в котором находятся проводники обмотки якоря (разная ЭДС отдельных проводников), напряжение между соседними коллекторными пластинами может фактически достигать 35В, а в отдельных случаях быть еще больше. При неблагоприятных условиях коммутации и высоком напряжении между пластинами искрение на коллекторе может перейти в круговой огонь.

Ток в тяговых двигателях может изменяться от нуля до значения уставки реле перегрузки; на электровозах с двигателями НБ-406 эти реле отрегулированы на ток срабатывания 625А, а с двигателями ТЛ-2К -- на 750А.

Фактически такие токи достигаются очень редко и длительное их протекание недопустимо.

К. п. д. тяговых двигателей. Механическая мощность, отдаваемая двигателями зубчатой передаче, всегда меньше электрической мощности, потребляемой двигателями из контактной сети, вследствие электрических, магнитных и механических потерь энергии, возникающих в двигателе при работе.

Электрические потери обусловлены тем, что ток, про­ходя по проводникам обмоток двигателя, нагревает их, на что расходуется некоторая часть подведенной энергии.

Магнитные потери образуются, во-первых, при вращении сердечника якоря в магнитном поле, при этом он перемагничивается и возникают вихревые токи, нагревающие его; во-вторых, за счет пульсации основного магнитного потока, особенно сильной у двигателей электровозов переменного тока.

Механические потери происходят в результате трения щеток о коллектор, в подшипниках и сердечника якоря о воздух.

Все эти потери проявляются в виде тепловой энергии; значение их довольно велико -- 5--8 % и более. Таким образом, на валы двигателей, т. е. к зубчатой передаче, поступает только часть подведенной мощности. Так, у двигателя НБ-406 при часовом ре­жиме его работы теряется в виде тепла 7,9 % подведенной энергии, или 570-7,9/100 = 45 кВт, здесь 570 -- потребляемая мощность двигателя, кВт.

Размещено на Allbest.ru