Тепловой расчет тормозов

При торможении процесс трения тормозной колодки и колеса происходит в точках их фактического контакта [15]. Суммарная площадь этих контактов незначительна по сравнению с площадью, перекрываемой тормозной колодкой. Так как выделение тепла происходит лишь в точках фактического контакта, то плотности тепловых потоков и температурные вспышки в них могут достигать больших величин, вызывающих свечение поверхности трения и переход металла в этих точках в пластическое состояние. При этом происходит деформация металла либо его быстрый износ, и место температурной вспышки перемещается в соответствии с изменением контактных удельных давлений.

Распространение теплового потока на всю площадь трения происходит вблизи от поверхности контакта, и его плотность резко снижается по сравнению с точками фактического контакта, приобретая значение, соответствующее геометрическим размерам контактирующих тел. Соответственно изменяется и температура в поверхностных слоях.

Следует также иметь в виду, что температура любой точки поверхности катания колеса за каждый его оборот имеет некоторые колебания, являющиеся следствием того, что при выходе рассматриваемой точки из зоны контакта в ней происходит некоторое снижение температуры за счет отвода тепла внутрь колеса и в окружающую среду; при прохождении точки в зоне контакта колеса и тормозной колодки ее температура повышается и превышает расчетное среднее значение. Однако при решении тепловых задач этим явлением можно пренебречь ввиду инерционности процессов и считать подвод тепла по всей поверхности трения колеса непрерывным. Таким образом, для расчета этой температуры Дтп в любой момент времени торможения I можно использовать следующее выражение [4]

Наибольшая температура при остановочном торможении на поверхности колеса достигается в середине этого процесса I = 0,5*в Температура на поверхности колеса в момент остановки поезда

Температура при установившемся торможении (с постоянной скоростью)

где Оф - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, ккал/м2с °С; д-р - плотность теплового потока, ккал/(м2с); X - коэффициент теплопроводности, ккал/(мс °С); у - удельный вес, кгс/м3; с - удельная теплоемкость, ккал/(кг °С); г - время торможения до остановки, с.

Значения X, у, с приведены в табл. 7.1.

Значения температурных коэффициентов Таблица 7.1

Физические характеристики

Материал

X

Y

с

JnXyc

а =

X

ус

Колесная сталь

ЮЗ КГ3

7850

0,11

528

11.9.

КГ6

Чугунная колодка

12,5 1(Г3

7250

0,13

6,08

133 -

кг6

Композиционная колодка

0,2 10Г3

2200

028

0,62

0325

иг6

Плотность теплового потока в начальный момент торможения определяется по формуле

(7.5)

где аЛ - коэффициент распределения тепловых потоков безразмерный; Ак - ширина поверхности трения колеса, м (принять равной 0,09 м).

Коэффициент распределения тепловых потоков для колеса можно определить по данным, приведенным в табл. 7.1 (для колодок ак=1-аЛ)[14].

Приведенные выше формулы получены для условий нагревания полуограниченного тела, т.е. когда поток тепла еще не достигает поверхности, ограничивающей нагреваемое тело со стороны, противоположной подводу тепла. Такое допущение приемлемо при нагревании тел, имеющих достаточно большую толщину. В большинстве реальных для эксплуатационных условий режимов торможения, исключая особо длительные, эти формулы могут быть рекомендованы для расчетов. В последнем случае существуют специальные корректировочные коэффициенты, определяемые по графикам [14].

Предварительная оценка коэффициента теплоотдачи в зависимости от скорости (м/с) может быть выполнена по эмпирической формуле (7.3).

Таблица 7.2

Значения коэффициента распределения тепловых потоков

Тип тормозных колодок

Коэффициент о* распределения тепловых потоков в колесе

для локомотива

для вагона

Чугунные секционные (по четыре на колесо)

0,60

0,55

Одинарные чугунные (по две на колесо)

0,70

0,65

Одинарные чугунные (по одной на колесо)

0,80

0,70

Композиционные

0,95

0,95

В связи с тем что тормозная сила изменяется в процессе наполнения тормозных цилиндров и при изменении скорости движения, значение Ат рассчитывается исходя из длины действительного тормозного пути 5Т и времени подготовки тормозов 1п [14]

(7.6)

где (Од - основное удельное сопротивление движению поезда (принять равным 2 Н/кН).

Время I при этом в выражениях для расчета тепловых режимов принимают уменьшенным на время подготовки 1л, если 1 > 1 .

Основываясь на выражениях (7.1), (7.2), получаем формулу для определения диаметра колеса й, обеспечивающего необходимую конвекцию тепла во избежание его перегрева при экстренном торможении

(7.7)

При торможении кинетическая энергия поезда переходит в тепловую, нагревая тормозные колодки (или диски) и колеса. Учитывая то, что с ростом скорости движения, например, в два раза количество этой энергии увеличивается вчетверо, особое значение приобретает тепловая устойчивость пары трения, нарушение которой приводит к утрате фрикционных качеств и возникновению аварийных ситуаций на подвижном составе.

Допустимая величина нажатия А",4 (кН) на чугунную тормозную колодку по тепловому режиму при остановочном торможении может быть найдена из выражений где К0 - начальная скорость торможения, м/с;

^ттах-максимально допустимая температура тормозной колодки при остановочном торможении, °С (для чугунных - 600 °С, для композиционных - 400 °С);

Од - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду.

Аналогично максимальное нажатие по температурным режимам для композиционных колодок определяется выражением

Время остановочного торможения I (с) при известной по нормативам длине тормозного пути 5Т (м) на данном уклоне с начальной скорости торможения К0 (м/с) находится в предположении равно-замедленного движения

(7.16)

В процессе торможения происходит существенный нагрев поверхности катания и близлежащих слоев колеса. При этом для колес тягового подвижного состава, бандажи которых напрессовываются в разогретом состоянии, возникает угроза его проворота и сползания. Критерием допустимого ослабления натяга бандажа служит его увеличение в миллиметрах на 1 м диаметра колеса ек, которое не должно превышать 1,2 мм:

для экстренного торможения [14]

для служебного торможения в длительном режиме где 50-тормозной путь соответственно при следовании локомотива с поездом и одиночно, м;

Вц, Н - соответственно толщина и ширина бандажа, м;

\У- работа при торможении за время 1, приходящаяся на одно колесо, Нм;

Рэ - коэффициент, учитывающий долю энергии, воспринимаемой динамическим тормозом.

⇐ | Магниторельсовые тормоза | | Автоматические тормоза подвижного состава | | Автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного действия с контролем скорости и бдительности | ⇒