Коэффициент и характеристика сцепления колес с рельсами при торможении и их особенности

/ Литература / Автоматические тормоза подвижного состава / Коэффициент и характеристика сцепления колес с рельсами при торможении и их особенности

Коэффициент сцепления колес с рельсами определяет, какая часть нормальной силы, приложенной между этими телами, может быть реализована в виде касательного усилия, создающего тяговый или тормозной момент. При этом нужно различать реализуемый (достижимый в процессе эксплуатации подвижного состава) и потенциальный (максимальный, предельный) для данных условий движения коэффициент сцепления.

Согласно молекулярно-механической теории трения этот параметр уменьшается с ростом нагрузки на колесную пару и скорости движения, что подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Кроме указанных, на коэффициент сцепления влияет множество дополнительных факторов, таких, как тип подвижного состава, верхнее строение пути, продольное и поперечное проскальзывания (особенно в кривых участках пути), погодные условия, наличие загрязнителей на колесах и рельсах, тип тормозных колодок и многое другое, иногда трудно поддающееся анализу (в частности, реализация тягового или тормозного момента).

При расчетах тормозных систем подвижного состава используют рекомендуемые для условий эксплуатации коэффициенты сцепления, приводимые в табличном (см. табл. 2.1) или графоаналитическом виде. Необходимо отметить, что приведенные значения не являются максимальными, так как они рассчитаны с определенным запасом (иногда существенным), снижающим вероятность возникновения юза колесных пар. Так, предельный коэффициент сцепления на сухих чистых рельсах при торможении находится в диапазоне 0,15-0,20, а применяемый для расчетов составляет в среднем 0,1- 0,12 (см. табл. 2.1).

Имеется еще один расчетно-графический способ определения коэффициента сцепления колес с рельсами [4]

гдеД V) - функция скорости, определяемая по графику, приведенному на рис. 2.9.

Рис. 2.9. График скорости для определения расчетного коэффициента сцепления колес с рельсами: 1 - пассажирский подвижной состав, 2 - локомотивы, 3 - грузовые вагоны

Таким образом, в тормозной технике есть значительная перспектива повышения эффективности колесного тормоза практически в 1,5-2,0 раза. Однако это возможно лишь путем применения соответствующих современных (электронных) авторежимных, скоростных и противогазных регуляторов, что конечно усложняет тормозные системы.

В упрощенном варианте они уже используются на грузовых вагонах (грузовые пневмомеханические авторежимы), высокоскоростных поездах (противоюзные устройства) и пассажирских электровозах серии ЧС (скоростные регуляторы ДАКО). По мере возрастания требований к тормозной эффективности поездов они будут оснащаться указанными регуляторами.

Таблица 2.1

Расчетные коэффициенты сцепления, рекомендуемые для проектирования тормозного оборудования

Вид подвижного состава и его расчетная скорость, км/ч

Расчетный коэффициент сцепления при нагрузке от колесной пары на рельсы, кН

60

100

150

200

250

Пассажирские, изотермические

вагоны электро- н дизельных поездов

40

0,140

0,135

0,130

0,124

-

120

0,110

0,107

0,102

0,097

-

140

0,106

0,102

0,098

0,094

-

200

0,092

0,087

0,080

Грузовые вагоны

20

0,130

0,125

0,121

0,116

0,110

100

0,097

0,094

0,090

0,086

0,081

120

0,092

0,090

0,085

0,081

0,076

Локомотивы

20

-

-

0,132

0,126

0,119

100

-

-

0,097

0,093

0,088

160

0,087

0,083

0,078

Примечание. Промежуточные значения у, при соответствующих нагрузках находятся методом интерполяции.

Вместе с этим регулярно по сети дорог с помощью тормозоизме-рительных вагонов происходит переоценка среднеэксплуатацион-ных коэффициентов сцепления, в результате чего значения, указанные в табл. 2.1 постепенно возрастают за счет улучшения параметров подвижного состава и пути [5]. Значительную роль при этом в перспективе для повышения сцепления (в 1,5-2,0 раза) будут играть специальные триботехнические составы (третье тело), обратный аналог которых широко используется в настоящее время в лубрикаторах, предназначенных для уменьшения износа колес и рельсов и сопротивления движению [6].

Основополагающей закономерностью, определяющей взаимодействие рельса и колеса при реализации последним тягового или тормозного момента, является характеристика сцепления. Она отражает изменение силы или реализуемого коэффициента сцепления цГр между трущимися поверхностями в зависимости от скорости их взаимного скольжения Ск. Последнее находится в долях, или процентах, по формуле

(2.18)

где VK - окружная скорость колеса, км/ч.

Опытным путем в нашей стране в 1958 г. окружная скорость вращения колеса H.H. Меншутиным была определена характеристика сцепления колес с рельсами в режиме тяги. Некоторое время априори считалось, что аналогичная зависимость при торможении имеет такой же вид, поскольку природа сил трения сцепления одинакова при боксовании и юзе.

Многочисленные исследователи этой зависимости Ф. Барвелл, В. Хендрикс, М. Буато и другие, в том числе отечественные, приводят лишь ее общий вид без обратных ветвей и не дают математического описания. Это не позволяет рассчитать необходимые параметры противогазных устройств и реализуемые ими процессы.

Для поиска указанной закономерности автором была разработана методика [7] и создана оригинальная измерительная система [8] с датчиками нормальных и касательных усилий, сигналы которых вместе с давлением в ТЦ, скоростью движения и нагрузкой на колесную пару записывались на бумажный носитель.

Поскольку одни и те же опыты приходилось повторять в различных погодных и прочих условиях для проверки гипотезы об однородности оценок дисперсий и воспроизводимости эксперимента использовался критерий Кохрэна. Он основан на законе распределения отношения максимальной оценки дисперсии к сумме всех сравниваемых оценок дисперсий Если полученное по формуле (2.19) значение оказывалось меньше критического, приведенного в таблицах, то принималась гипотеза об однородности выборочных дисперсий, полученных на основании экспериментов. В противном случае признавалась невоспроизводимость в опытах управляемых факторов вследствие дестабилизации, вносимой неуправляемыми факторами, и увеличивалось число параллельных опытов.

Иногда в этих случаях использовался модифицированный метод наименьших квадратов, пригодный при невыполнении предпосылки о воспроизводимости эксперимента. Путем последовательп ного повышения степени подбираемого многочлена у = £ а.х.ли-

1 = 1 1 '

неаризованы четыре явно выраженных участка характеристики сцепления (изменения силы или коэффициента сцепления от скорости скольжения) с максимальной относительной погрешностью ±12 %, представленные на рис. 2.10 [9].

Рис. 2.10. График характеристики сцепления колес с рельсами при торможении: 1 - восходящая ветвь; 2 - развитие юза; 3 - блокирование колеса; 4 - обратная ветвь (выход из юза)

Анализ полученных процессов показывает, что увеличение скорости скольжения колеса при юзе (движение за пределами крипа или упругих деформаций) приводит к некоторому росту силы сцепления и инерции в соответствии с (2.2) до момента блокирования (остановки) колесной пары. При этом сила инерции, возросшая до максимальной резко снижается до нуля, вызывая нагрузки ударного характера на тормозную систему.

Одновременно происходит падение силы сцепления до уровня, при котором возникает скольжение колес по рельсам. Выход из заклиненного состояния происходит после существенного (в 2-3 раза) снижения тормозного нажатия по отношению к вызвавшему юз.

Дифференциальное уравнение, описывающее движение колес в процессе реализации сцепного взаимодействия, в том числе при входе и выходе из состояния юза, имеет следующий вид где R, I- соответственно радиус и момент инерции колесной пары;

FCIX max - максимальная сила сцепления, реализуемая колесной парой;

рп, qn- коэффициенты прямых для четырех аппроксимированных участков характеристики сцепления;

ск - коэффициент проскальзывания колес по рельсам (ск = ( К0- Кку Kq);

U, h- коэффициенты, определяющие изменение уровня сцепления зависимости от скорости движения;

Vq - максимальная скорость движения;

и - число тормозных колодок, действующих на колесную пару. Выражения, описывающие характеристику сцепления колес и рельсов при торможении, приведены ниже [9, 10]:

Данная закономерность неоднозначна, имеет четыре аппроксимированные ветви и существенно отличается от аналогичной характеристики при боксовании в тяговом положении, которую долгое время в России считали одинаковой и для тормозных режимов. Последнее объяснялось тем, что природа сил трения-сцепления в том и другом случае адгезионно-деформационная (молекулярно-механическая), и поэтому она должна проявлять себя независимо от знака скольжения.

На первой ветви характеристики сцепления АВ, едва ли достигая ее половины, в пределах упругого взаимодействия колес и рельсов (крипа) основная часть железнодорожного подвижного состава реализует тормозные процессы. Переход к юзу и повышенному скольжению (пластическим деформациям) на второй ветви характеристики происходит после небольшого срыва силы сцепления ВВ'.

Снижение тормозного нажатия позволяет перемещать рабочую точку на первой и второй ветвях характеристики в область пониженных скольжений. Если тормозное нажатие при юзе не уменьшать, то при скольжении, близком к единице (точка С) (рис. 2.10), происходит срыв сцепления с возникновением температурных вспышек на колесе, которое блокируется 1). Чтобы не допускать повреждения его поверхности, необходимо за доли секунды уменьшить нажатие тормозных колодок, после чего рабочая точка переместится по четвертой на первую ветвь характеристики сцепления и юз прекратится.

Несмотря на сложность протекающих в пятне контакта и рельса процессов, можно высказать несколько предположений о причинах их различия в тяговых и тормозных режимах. Во-первых, без дополнительных исследований понятно, что тепловые режимы при юзе, особенно с остановкой вращения колеса, являются значительно более интенсивными, чем при боксовании. Во-вторых, величина относительного скольжения в последнем случае может превышать единицу (100 %), а при торможении только достигает этого значения. Наконец, сила инерции из-за электромеханических взаимодействий в тяговых двигателях не может исчезать скачкообразно, и ее знак при развитии и ликвидации боксования изменяется без остановки колеса, в отличие от юза. Значит, переход с прямой на обратную ветвь характеристики сцепления в первом случае должен происходить плавно из одной точки, а во втором - после резкого изменения сил, определяющих ее падающая третья ветвь, с последующим возвратом по четвертой ветви при ликвидации юза.

Известно, что природа сил трения-сцепления имеет двойственный молекулярно-механический (адгезионно-деформационный) характер. До настоящего времени нет определенности относительно вклада каждой составляющей в происходящий процесс, хотя механика явления в общих чертах понятна. С увеличением скорости между двумя трущимися телами механическая составляющая увеличивается, так как растет работа по срезанию выступов и неровностей, а молекулярная падает по той причине, что взаимных молекулярных связей возникает меньше. Это подтверждают опыты с элементарными физическими телами.

Таким образом, при входе в юз возрастают механическая и молекулярная составляющие, а при выходе из него обе снижаются. Другая ситуация возникает при боксовании колеса: в начале этого процесса механическая часть силы сцепления возрастает, а молекулярная - падает, а при выходе из этого состояния все происходит наоборот. Возможно, в том числе и этим объясняется столь существенная разница между характеристиками сцепления в рассматриваемых режимах.

Практическим подтверждением существования второй восходящей и третьей ниспадающей ветвей характеристики сцепления являются несколько зафиксированных другими исследователями фактов. Так, например, при рекуперативном торможении реализуются высокие уровни сцепления при стабильном скольжении (10-15 %) благодаря устойчивости характеристик тяговых двигателей в этом режиме. Величины сцепления при этом оказываются даже большими, чем при фрикционном торможении.

Опыты по исследованию процессов заклинивания колесных пар провели В.М. Казаринов и Л.А. Вуколов. Результаты показали, что с падением окружной скорости колесной пары до нуля (кривая 2) при неизменном нажатии тормозных колодок (кривая 3) растет тормозная сила - сила сцепления (кривая 1) и замедление колеса (кривая 4), а затем, при его остановке, происходит их резкое снижение (рис. 2.11). Особо показательным является то, что в этот момент происходит уменьшение темпа снижения скорости, а значит, замедляющей силы вагона (линия 5), что подтверждает наличие кри

Рис. 2.11. Диаграммы процессов при заклинивании колесных пар: 1 - тормозная сила колесной пары, 2 - окружная скорость колесной пары, 3 - сила нажатия на тормозную колодку, 4 - замедление колесной пары, 5 - скорость движения вагона вых 2 и 3 представленной характеристики сцепления. Комментируя данный факт, исследователи пишут: «Результаты обработки записей процесса заклинивания колесных пар подтвердили известный факт резкого снижения тормозной силы вагона при переходе от качения колеса к скольжению». К аналогичным выводам можно прийти и при анализе опытов Гальтона, представленных ранее (рис. 2.8).

Полученная таким образом закономерность взаимодействия колес и рельсов при торможении позволяет предлагать перспективные режимы управления скольжением противоюзными быстродействующими устройствами электронного типа для получения минимальных тормозных путей поездов, износа их колесных пар и расхода сжатого воздуха

⇐ | Тормозная сила. Условия ее возникновения и реализации | | Автоматические тормоза подвижного состава | | Классификация тормозов железнодорожного подвижного состава | ⇒