Первые железные дороги. 4 страница
При движении по подъему суммарное сопротивление всегда направлено в сторону, противоположную направлению движения, т.е. положительно. Поскольку дополнительное сопротивление от уклона W, по абсолютной величине может превышать сумму основного сопротивления и дополнительного сопротивления от кривой WQ+Wrt то при движении по достаточно крутому спуску суммарное сопротивление может быть направлено в сторону движения поезда, т.е. отрицательно.
Тормозная сила поезда. Торможение может осуществляться двумя способами: 1 — прижатием тормозных колодок к ободам колес подвижного состава или к тормозным дискам, укрепляемым на колесных парах (механическое торможение)\ 2 — использованием тормозной силы, создаваемой электродвигателями локомотивов (электродинамическое торможение).
В обоих случаях тормозная сила реализуется вследствие сцепления колеса и рельса. Как и сила тяги, она приложена в точке касания колеса и рельса, но направлена в сторону противоположную движению. Чтобы не допустить юза (заклинивания колес), который приводит к интенсивному износу колес и рельсов, при торможении необходимо обеспечить достаточно высокий коэффициент сцепления колеса с рельсом. Это требует, как уже отмечалось, чистой поверхности рельсов, отсутствия на них следов смазки, грязи.
При механическом торможении тормозная сила поезда 5Т, Н, определяется в зависимости от общей силы нажатия тормозных колодок на оси поезда
Вт = ЮЧрЫр, (2.19)
где ZKP - сумма расчетных сил нажатия на тормозные оси поезда, кН; в приложении 1 приведены указанные в ПТР и Справочнике по тяговым расчетам [11] значения Лр для вагонов и локомотивов при автоматическом торможении; <ркр — расчетный коэффициент трения тормозной колодки о колесо.
Расчетный коэффициент трения вычисляется по следующим формулам: при чугунных колодках
0,27(v + 100) О»' 5 v + 100 (120)
при композиционных колодках
0,36(v + 150) ф»= 2 v + 150 (2'2°'а)
где v — скорость поезда, км/ч.
Удельная тормозная сила поезда, Н/кН,
1КВ
где Эр = ^р + q^ ~ расчетный тормозной коэффициент поезда, кН/кН.
Определим удельную тормозную силу поезда, состав которого состоит из 20 груженых и 40 порожних четырехосных вагонов. Масса тары (собственная масса) вагона — 23,5 т, масса брутто груженого вагона — 83 т. Вычислим тормозную силу при скоростях 50 и 100 км/ч на спусках до 20 %о. Тормозные колодки чугунные.
Тормоза грузовых вагонов при чугунных колодках включают на груженый режим при полезной загрузке (массе груза в вагоне), приходящейся на одну ось, более 6 т; на средний режим — при загрузке до 6 т; на порожний — при загрузке до 3 т.
Поскольку масса груза в груженом вагоне составляет 83 - 23,5 = 59,5 т, т. е. более 6 т на ось, то при груженом режиме расчетная сила нажатия тормозных колодок на ось составит 68,7 кН (см. приложение 1). Расчетная сила нажатия колодок на ось порожнего вагона составляет 34,3 кН (там же).
Суммарное расчетное нажатие тормозных колодок на оси вагонного состава
ZKP= 68,7 ■ 4 ■ 20 + 34,3 ■ 4 ■ 40 = 10988 кН[5].
Расчетный коэффициент трения тормозных колодок по формуле (2.20): при скорости 50 км/ч
0,27(50 + 100)
Ф.„ =------------------ = 0,116;
р 5-50 + 100
при скорости 100 км/ч
О^ООн-ШО) кр 5 100 + 100
Расчетный тормозной коэффициент вагонного состава
Не.. = 0,43.
Qg 2600 9,81
Удельная тормозная сила по формуле (2 21): при скорости 50 км /ч
bT= 103 0,1 16 0,43 = 49,88 Н/кН ,
при скорости 100 км/ч
6Т= 103 0,090 0,43 = 38,70 Н/кН
При композиционных тормозных колодках и скоростях более 50 км/ч эффективность действия тормозов выше по сравнению с чугунными колодками. Так, при скорости 90 км/ч композиционные колодки эффективнее на 10%, при скорости 100 км/ч - на 20% [11].
Электродинамическое торможение локомотивов основано на использовании свойства обратимости электрических машин. При включении тяговых электродвигателей локомотива на генераторный режим на валу образуется вращающий момент, направленный в сторону, противоположную движению. Вырабатываемая при этом электровозами электрическая энергия может возвращаться в контактную сеть (рекуперативное торможение) или погашаться в резисторах (при электрической и тепловозной тяге) — резисторное торможение, что менее эффективно. В ПТР приведены тормозные характеристики электровозов при рекуперативном и реостатном (резисторном) торможениях, определяющие тормозную силу которую может реализовать электровоз при соответствующей скорости.
2.2 Взаимодействие сил, приложенных к поезду
Характер и режимы движения поезда. Характер движения поезда зависит от соотношения сил, действующих на него. Если равнодействующая сила направлена в сторону движения, она считается положительной — поезд движется ускоренно; если равнодействующая направлена против движения, она отрицательна — поезд движется замедленно. Если равнодействующая равна нулю, то движение поезда равномерное
Различают следующие режимы движения поезда:
режим тяги — двигатели локомотива включены; равнодействующая сила равна разности сил тяги и суммарного сопротивления движению: R = FK- Жк;
режим холостого хода — двигатели выключены; равнодействующая равна суммарному сопротивлению при холостом ходе R = WKX;
режим торможения — двигатели выключены и включены тормоза, равнодействующая сила равна сумме сопротивления движению при холостом ходе и тормозной силы R = WKX+ В,.
6) б) (Ь-Щ),Н/кН 8 6 4 2 0 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Ч648-^ох,Н/кН "Г- 1 -Ыох*Ът),НМН Рис. 2.7. Диаграммы удельных равнодействующих сил в режимах: а — тяги, б — холостого хода, в — служебного торможения, г — экстренного торможения |
Диаграммы удельных равнодействующих сил. Анализировать характер движения поезда в различных режимах удобно по диаграммам удельных равнодействующих сил, т.е. по графикам зависимости этих сил от скорости. В качестве примера показаны диаграммы удельных равнодействующих сил для состава массой 4500 т при тепловозе 2ТЭ10М (рис. 2.7). Диаграммы строят для условий движения поезда на площадке, т.е. учитывают только основное средневзвешенное сопротивление движению поезда w0 и w0x.
При построении диаграмм используется следующее правило: влево от оси ординат откладывают положительные равнодействующие силы, вправо — отрицательные. Равнодействующая сила в режиме тяги г = fK — w() (см. рис. 2.7,а) с увеличением скорости уменьшается, поскольку уменьшается сила тяги и возрастает сопротивление движению. В данном примере при v = 85 км/ч равнодействующая сила равна нулю: при этой скорости сила тяги и основное сопротивление движению поезда равны. При более высоких скоростях w0 > fK и равнодействующая становится отрицательной — направлена против движения поезда.
Равнодействующая сила при движении на площадке в режиме холостого хода отрицательна - r= — w0x (см. рис. 2.7,6); абсолютное значение ее увеличивается с ростом скорости.
Равнодействующую силу при торможении определяют в двух вариантах: служебное торможение (см. рис. 2.7,в), когда в грузовых поездах используют 50% расчетной тормозной силы г = - (w0x + 0,5bT), а в пассажирских поездах — 60% (при плановых остановках или при торможении для предусмотренного графиком движения ограничения скорости); экстренное торможение г = — (щ)х + Ьл ) (см. рис. 2.7,г), когда полностью используют тормозную силу (для остановки поезда в непредвиденных случаях). При торможении равнодействующая сила отрицательна. С увеличением скорости ее абсолютное значение уменьшается, так как с ростом скорости существенно уменьшается тормозная сила (вследствие уменьшения коэффициента трения фкр — см. формулы (2.20) и (2.20,а).
По диаграмме удельных равнодействующих сил можно судить о характере движения поезда в данный момент.
В примере на рис. 2.7,а при трогании поезда с места на площадке на него действует положительная удельная равнодействующая сила, равная 13 Н/кН, следовательно, поезд движется ускоренно. Если площадка длинная, то движение будет ускоренным, пока скорость не достигнет 85 км/ч. В этот момент равнодействующая сила станет равной нулю и начнется равномерное движение. Если бы поезд после спуска вышел на площадку со скоростью 100 км/ч, то на него действовала бы отрицательная равнодействующая сила —1 Н/кН. Под действием этой силы движение будет замедленным, скорость уменьшается, стремясь к 85 км/ч. Если площадка длинная, то по достижении этой скорости движение установится равномерным.
При движении поезда по площадке в режиме холостого хода под действием отрицательной равнодействующей силы скорость поезда всегда стремится к нулю. То же происходит и при торможении.
Чтобы перейти к условиям движения на любом уклоне, вспомним, что на уклоне возникает дополнительное удельное сопротивление w„ Н/кН, численно равное уклону /к, %с. Суммарное удельное сопротивление при движении на подъеме больше основного сопротивления на величину w„ а при движении на спуске меньше основного сопротивления на ту же величину. Поэтому, чтобы получить удельную равнодействующую силу на уклоне, нужно в случае подъема вычесть из удельной равнодействующей силы на площадке число, равное уклону и выраженное в Н/кН, а в случае спуска - прибавить то же число. Это равносильно переносу оси ординат диаграммы удельных равнодействующих сил в случае подъема — влево на величину iK , Н/кН, а в случае спуска — вправо на ту же величину.
Так, если принять подъем 2%с (сместить ось ординат на 2 Н/кН влево от основной оси на рис.2.7), то удельная равнодействующая сила при трогании поезда на этом подъеме равна +11 Н/кН и в случае длинного подъема скорость поезда возросла бы до 60 км/ч, после чего движение станет равномерным (удельная равнодействующая сила при этой скорости на подъеме 2%о равна нулю). Если бы поезд вышел на подъем 2%о со скоростью 100 км/ч, то на него действовала бы отрицательная равнодействующая сила, равная —3 Н/кН, и скорость поезда снижалась, стремясь к тому же значению 60 км/ч.
При движении в режиме тяги и холостого хода на любом уклоне скорость поезда стремится к определенному значению, которое называют установившейся скоростью. В отдельных случаях эта скорость может быть равна нулю, а также может быть больше конструкционной скорости локомотива. В других случаях установившаяся скорость соответствует точке пересечения диаграммы удельных равнодействующих сил с осью ординат, проведенной с учетом крутизны рассматриваемого уклона. Если поезд выходит на уклон с меньшей скоростью, то скорость растет, приближаясь к установившейся; если скорость при выходе на данный уклон больше установившейся, то она снижается, приближаясь к последней.
В примере на рис. 2.7 в режиме тяги скорость 85 км/ч - установившаяся скорость vytT на площадке, а 60 км/ч — vscl на подъеме 2%о. При движении в режиме холостого хода на спуске 2%с vJCT = 70 км/ч. При том же режиме движения на спуске 4%е установившаяся скорость могла быть больше конструкционной скорости. Поэтому, чтобы скорость поезда на этом спуске не превысила любое заданное значение в пределах 100 км/ч, необходимо применить регулировочное торможение. При движении в режиме тяги на спуске 2%о скорость поезда также могла превысить конструкционную. Поэтому, чтобы на данном спуске поддерживать скорость, например, 90 или 100 км/ч, следует использовать режим ограниченной тяги, когда сила тяги реализуется при ограниченной мощности локомотива
Если же в режиме холостого хода поезд движется по площадке, то установившаяся скорость равна нулю и поезд будет снижать скорость до остановки Аналогично при движении в режиме тяги на подъеме 14%о vycT = 0 и скорость поезда также будет падать до нуля.
2.3. Определение скорости движения и времени хода поезда
Скорость и время хода поезда определяют численным интегрированием уравнения движения поезда
— = 120r( v), (2.22)
dt
где dv/dt — ускорение поезда, км/ч2, r(v) — удельная равнодействующая сила, Н/кН
Заменяя производную в уравнении (2.22) разностным отношением, получим
^ = 120r(vcp), (2.23)
At
где vCp — среднее значение скорости в интервале Av, который для обеспечения необходимой точности расчетов принимается согласно ПТР не более 5— 10 км/ч
За время At, ч, поезд пройдет путь, км, AS = УсрД/. Умножая обе части уравнения (2.23) на vcp, после преобразования получим
v Д v 120r(vcp)
Поскольку vcp = - и Av = v2 — vh то формула (2.24) получает следующее выражение (AS — в метрах):
(v2-v2Vl03 4,17 (v,2 - v,2)
= -------- ^L—=------------ —г——. (2.25)
2 120r(vcp) r(vcp)
Время хода поезда, мин, при изменении скорости от v, до v2 можно определить по средней скорости на участке пути AS, м:
= (2.26)
Используя зависимость (2.25) можно рассчитать протяженность пути S определенного профиля, на котором скорость поезда изменяется от на-
разгона |
чальной vH до конечной vK. Для этого суммируют значения Д5 в пределах от vH до vK:
5=1" A5(v).
Ниже, применительно к примеру, рассмотренному в п. 2.2, приведен пример определения протяженности пути разгона поезда на площадке при трогании с места и до скорости 40 км/ч, а также продолжительности этого разгона. Результаты расчета приведены в табл. 2.2, а зависимости v(5) и t(S) - на рис. 2.8.
Таблица 2.2
Пример определения протяженности пути и продолжительности разгона поезда
|
На перегоне, где уклоны элементов профиля различны, непосредственное использование формулы (2.25) неудобно, поскольку нельзя заранее установить значение конечной скорости в конце элемента, когда при переходе к другому элементу профиля изменяется равнодействующая сила, зависящая от уклона пути. При определении скорости движения поезда на перегоне целесообразно преобразовать формулу (2.25) следующим образом:
Рис. 2.9. Кривые скорости движения и времени хода поезда на перегоне |
Задаваясь начальной скоростью v, и отрезком пути AS в пределах данного элемента профиля, по приведенной формуле можно определить скорость v2. Однако при этом равнодействующая сила не может быть установлена при средней скорости в пределах искомого интервала Av и приходится ее принимать в зависимости от начальной скорости в интервале Av, т. е. Kv,):
Г AS г (v.)
Н"?+ V7 ■ (2'27)
Расчет по формуле (2.27) содержит некоторую погрешность, однако, учитывая указанное выше ограничение интервала Av, обеспечивает приемлемую точность результата.
Рассмотрим пример определения скорости и времени хода поезда по участку пути, продольный профиль которого (уклоны в %о и длины элементов в метрах) приведен на рис. 2.9, а данные расчета скоростей по формуле (2.27) и времени хода по формуле (2.26) содержатся в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Пример определения скорости и времени хода поезда по участку пути
|
Как следует из рис. 2.8 и 2.9, полученные расчетами данные позволяют определить скорость движения и время хода поезда в любой точке пути.
Рассмотренные методы численного интегрирования уравнения движения поезда позволяют автоматизировать расчеты скорости движения и времени хода поезда.
Для некоторых расчетов при проектировании железных дорог (например, для предварительного размещения осей станций и разъездов) время хода поезда определяют приближенным методом установившихся скоростей.
В результате расчета удельных равнодействующих сил определяют установившиеся скорости движения поезда на разных уклонах (см. п. 2.2). Исходя из предположения, что на каждом элементе профиля поезд быстро достигает установившейся скорости v„ км/ч, вычисляют время хода поезда на 1 км пути при данном уклоне t, = 60/v„ мин/км, а затем время хода поезда по участку определяют по формуле
т= Щ,
где /, — длина отдельных элементов профиля, км.
Если расчет выполняют в пределах перегона между пунктами остановки, то к времени хода, вычисленному по приведенной формуле, добавляют поправку на разгон и замедление поезда /pj, в среднем принимая ее равной 3 мин.
2.4. Решение тормозных задач
Как следует из п. 2.3, используя формулу (2.25), можно определить протяженность пути, проходимого поездом при торможении от заданной начальной скорости vH до остановки. При фиксированной vH протяженность этого пути зависит от удельной равнодействующей силы г = wK, + b, (экстренное торможение) или г = wKX + abT (служебное торможение: а равно 0,5 или 0,6 — см. п. 2.2). Сила г, в свою очередь, определяется значением приведенного уклона пути /, по которому движется поезд, поскольку и>кх = w0x ± / к, и величиной расчетного тормозного коэффициента дР, от которого зависит удельная тормозная сила /;,, вычисляемая по формуле (2.21).
В практике тяговых расчетов наряду с задачей определения протяженности пути торможения при заданных v„ /к и i3p возникает необходимость определить допускаемую скорость движения поезда на данном уклоне при соответствующем значении и установленной длине тормозного пути.
Тормозным путем ST называется расстояние, проходимое поездом от момента перевода ручки крана машиниста или стоп-крана в тормозное положение и до полной остановки поезда. Этот путь вычисляют как сумму пути подготовки к торможению Sn и действительного пути торможения SA, рассчитываемого по формуле (2.25). Путь S„ пассажирские поезда проходят за несколько секунд, а грузовые — за время продолжительностью до полу- тора-двух десятков секунд (в зависимости от длины поезда и крутизны спуска), в течение которого постепенно нарастает давление воздуха в тормозных цилиндрах.
Допускаемую длину тормозного пути при экстренном торможении грузовых поездов и пассажирских, следующих со скоростью не более 100 км/ч, принимают 1000 м, если наибольшая крутизна спусков на перегоне менее 6%с, и 1200 м на более крутых спусках. Для пассажирских поездов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч, протяженность ST принята (в зависимости от указанной выше крутизны спусков) соответственно 1200 и 1300 м, а при скоростях 160 км/ч и более - 1600 и 1700 м [11].
Для облегчения тормозных расчетов в ПТР содержатся номограммы тормозных путей грузовых и пассажирских поездов при экстренном торможении на площадке и спусках различной крутизны (эти номограммы для грузовых поездов приведены в приложении 2).
Пример пользования номограммами показан на рис. 2.10. Если грузовой поезд, у которого расчетный тормозной коэффициент 0Р = 0,33, движется по спуску 8%о со скоростью 70 км/ч, то при экстренном торможении £т= 5„ + составит 800 м. При наибольшем допускаемом значении тормозного пути 1200 м и указанной величине максимальная скорость поезда на спуске 8%с определена в размере 85 км/ч.
Тормозные пути на номограммах рассчитаны для составов длиной до 200 осей. Для более длинных составов (до 300 осей)
тормозные коэффициенты, указанные на номограммах, следует уменьшить на 10%, а для поездов до 400 осей — на 15% [11].
2.5. Расчеты массы состава и длины поезда
Расчет массы состава при установившемся движении. При проектировании новых железных дорог массу состава, как правило, определяют из условия равномерного движения поезда с расчетной скоростью vp на руководящем подъеме, т.е. наиболее крутом подъеме неограниченного протяжения (см. гл. 3). При этом сила тяги локомотива равна суммарному сопротивлению движению поезда, Н,
Рис. 2.10. Кривые тормозного пути грузового поезда при экстренном торможении на спуске / = -8 %о |
= К = К + w.)pS + К + w.)Qs = (Ч + 'р)Pg + К + i„)Qg ,
откуда масса состава, т
Q=f«p>-K+'p)ft, (2.28)
где /ГК(pi - расчетная сила тяги локомотива, Н, при скорости vp, /р - руководящий уклон, %о (равен дополнительному удельному сопротивлению от уклона, Н/кН), w'0 и w"a — основные удельные сопротивления движению локомотива и состава вагонов, Н/кН, при скорости vp
Если перейти от основного удельного сопротивления движению локомотива и вагонов к средневзвешенному сопротивлению поезда w0 согласно формуле (2.8), то масса состава
Q = , /"к"'\ -Р. (2.29)
К + ip)g
Однако для определения величины щ нужно знать массу состава, т. е. искомую величину. Поэтому формулу (2.29) можно использовать только принимая w0 а и>„ . Расчет по этой формуле дает несколько завышенный результат по сравнению с формулой (2.28), и, хотя погрешность составляет менее 1%, при больших значениях массы состава эта погрешность может быть сопоставима с требуемой точностью расчетов (согласно ПТР масса составов грузовых поездов принимается с округлением до 50 т).
Значения расчетной скорости vp и расчетной силы тяги грузовых локомотивов FK(р) в соответствии с нормами ПТР приведены в приложении 3.
В Правилах тяговых расчетов указано также, что для определения массы состава при проектировании новых железных дорог и электрификации действующих линий силу тяги электровозов следует принимать на 5%, а тепловозов на 7% меньше расчетной, предусмотренной Правилами. С учетом этого указания в приложении 4 приведены значения массы составов грузовых поездов при различных руководящих уклонах, рассчитанные по/ формуле (2.28) применительно к четырехосным вагонам на роликовый подшипниках при массе, приходящейся на ось q0 = 17,5 т, и для условий движения по бесстыковому пути.
Определим массу состава, которую тепловоз 2ТЭ116 может провести по бесстыковому пути на руководящем уклоне /р = 15%о.
Значение расчетной силы тяги FK(P), Н, расчетную скорость vp, км/ч, и расчетную массу локомотива Р, т, примем по таблице приложения 3
Основное удельное сопротивление движению локомотива определим по формуле (2.3)
< = 1,9 + 0,008 24,2 + 0,00025 24,22 = 2,24 Н/кН.
Средневзвешенное основное удельное сопротивление движению состава вагонов определим по зависимости, полученной в примере п 2 1
w; = 0,90 + 0,0179 24,2 + 0,000119 24,22 = 1,40 Н/кН -50-
Ст. А Рис. 2.11. К определению массы состава при неустановившемся движении: а — зависимости v(5); б — зависимость v„(Q) |
Расчетная масса состава, т, по формуле (2.28)
О ~ '"О ' |
496400( 1 - 0,07) - (2,24 + 15)276 -9,81 _ 2т (1,40 + 15)9,81
Расчетная масса состава, т, по формуле (2.29) при w,
496400(,- 0,07) _ 276 ^593 (1,40 + 15)9,81
Разница в результатах расчетов по формулам (2.28) и (2.29) составляет 14 т (0,5%). С учетом округления массы состава до 50 т следует принять Q = 2600 т.
Расчет массы состава при неустановившемся движении. На существующих железных дорогах, особенно строившихся давно, наряду с затяжными подъемами встречаются короткие, но более крутые подъемы, которые могут оказаться труднейшими для преодоления их поездом. По таким подъемам движение может быть неустановившимся, и тогда расчетную массу состава целесообразно определять методом подбора.
По крутизне подъема, меньшей, чем самый крутой подъем на участке, рассчитывают массу состава £>, по формуле (2.28) или (2.29) (принимая н>0 = ), и для состава данной массы определяют скорость движения поезда на перегоне. Если скорость поезда в конце труднейшего подъема vK] (на рис. 2.11,а — это подъем с уклоном 11,2%с) больше расчетной, то массу состава увеличивают на несколько сотен тонн до значения Q2 и вновь определяют скорость поезда. При vk2 > vp принимают еще большее значение массы состава (результаты указанных расчетов иллюстрирует рис. 2.11,а). Если в результате очередной попытки скорость в конце труднейшего подъема оказывается меньше расчетной скорости, то следует соответственно уменьшить массу состава. Так поступают до тех пор, пока конечная скорость будет равна расчетной. Чтобы ограничиться, как правило, тремя попытками, можно построить по трем значениям vK график зависимости vK(Q) (см. рис. 2.11,6), и, отложив на оси ординат значение расчетной ско
рости для данного типа локомотива, по оси абсцисс определить расчетную массу состава.
Масса состава при неустановившемся движении поездов в большой степени зависит от условий накопления кинетической энергии поезда на участках, предшествующих расчетному подъему. Так, если скорость поезда в конце спуска 8,6%о или на подъеме 1,2%с ограничена значением 60 км/ч (см. штриховую линию на рис. 2.11,о), то расчетная масса состава окажется меньше, чем в случае, когда нет ограничения скорости. Следовательно, для обеспечения больших значений массы грузовых поездов путейцам необходимо создать на участках, предшествующих расчетным подъемам, возможность реализации максимальных скоростей движения поездов. Ограничения скоростей на этих участках особенно нежелательны.
Дата добавления: 2016-05-25; просмотров: 1602;