Динамика тепловоза

Рассмотренные выше изменения нагрузок на колесные пары хотя и имеют место при движении тепловоза, по существу, могут считаться статическими, так как связаны с перераспределением веса и более всего заметны при малых скоростях движения, особенно при трогании с места, когда должна реализоваться наибольшая величина силы тяги.

Тепловозы- основы теории

При движении тепловоза со средними и высокими скоростями большое значение приобретают динамические нагрузки на узлы его экипажной части. Эти нагрузки возникают при колебаниях тепловоза, ударах со стороны пути (например, на неровностях или стыках рельсов) и т. д. и зависят, в первую очередь, от скорости движения.

Предметом динамики локомотивов и является изучение динамических взаимодействий локомотива и пути в процессе движения на прямых и кривых участках пути и исследование условий, обеспечивающих безопасность движения.

Особенности движения тепловоза в прямых участках пути. При движении колесных пар в рельсовой колее между гребнями колес и внутренними гранями головок рельсов имеются зазоры.

Минимальная величина суммарного зазора 2о составляет 2ом„„ = = (1520-4) - (1440 + 3) -2- 33 = = 7 мм; максимальная величина 2о„акс = (1524 + 6) - (1440 -- 3) - 2-25 = 43 мм. Здесь соответственно (1520 - 4) и (1524 + 6) - наименьшая и наибольшая ширина рельсовой колеи в прямых участках пути; 1440±3-наибольшее и наименьшее расстояния между внутренними гранями бандажей; 33 и 25 - наибольшая и наименьшая толщина гребней бандажа в эксплуатации. (Приведенные значения относятся к локомотивам со скоростями движения до 120 км/ч.)

Наличие зазоров, меняющихся от 7 до 43 мм в эксплуатации, приводит к произвольным поперечным перемещениям колесных пар и тележек относительно оси пути. Эти перемещения вследствие коничности бандажей носят характер более или менее периодических колебаний. Различают два главных вида таких колебаний: поперечный относ, т. е. одновременное смешение обеих тележек в одну сторону, при котором ось локомотива остается параллельной оси пути, и виляние - перекосы локомотива в рельсовой колее при перемещении тележек в разные стороны. В результате движение локомотива в пределах этих зазоров оказывается извилистым, напоминающим синусоиду. Длина волны, т. е. период колебаний, зависит от состояния бандажей. При нормальной конусности (1:10) она примерно составляет 18 м, при изношенных бандажах длина волны уменьшается, т. е. колебания становятся более частыми. Вилянию способствует наличие разбегов колесных пар в буксах. Трение в опорах кузова несколько сдерживает извилистость движения.

Вертикальные динамические нагрузки в процессе движения тепловоза приводят также к перегрузке или разгрузке отдельных колесных пар. При расчетах деталей и узлов колесных пар на прочность учитывают так называемые динамические добавки РдцН, т. е. возможные увеличения статических вертикальных нагрузок Рст при движении. Эти нагрузки носят случайный характер, и их вероятные значения определяются на основе обобщения статистических данных, получаемых в процессе многочисленных исследований.

Принято определять Рди„ в виде доли от Рст: Рдин = й1,Рст, где &Р - коэффициент вертикальной динамики.

Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта предложена формула для к?:

к1, = 0,1 +0,2 4-,

где V - скорость движения, км/ч; 1<., - статический прогиб рессорного подвешивания, мм.

При численном равенстве величин Уконгтп И 1ст, К КОТОРОМУ СеЙЧЭС стремятся при проектировании тепловозов, максимальное значение kv = = 0,3, т. е. расчетные вертикальные нагрузки увеличиваются на 30 % при движении с максимальной скоростью. При более жестком рессорном подвешивании величина динамических добавок будет выше.

Движение тепловоза в кривых. Для облегчения прохождения подвижным составом кривых участков пути ширина рельсовой колеи дополнительно увеличивается в кривых радиусом 300-350 м на величину Д= Ю мм, в кривых меньшего радиуса на Д = 15 мм (за счет перемещения внутреннего рельса в сторону центра кривой).

При движении тепловоза в кривой радиусом R со скоростью v на него дополнительно действует центробежная сила C = PKv2/(gR), приложенная в центре тяжести на высоте hc (здесь Рк-вес тепловоза; g~ = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести). Величина силы С может достигать 30 % веса локомотива. Эта сила приводит к поперечному перекосу кузова, увеличению нагрузок на наружные буксы колесных пар и уменьшению нагрузок на внутренние. Такое же неблагоприятное действие может оказывать сила давления бокового ветра. Поэтому центробежная сила и сила ветра учитываются при расчете узлов экипажной части на прочность. Частично опрокидывающее действие центробежной силы компенсируется возвышением наружного рельса в кривых участках пути. Максимальное возвышение составляет 150 мм, следовательно, им можно уравновесить по величине не более 10 % веса тепловоза, или примерно одну треть центробежной силы. Две трети ее остаются неуравновешенными.

Возможности прохождения локомотивами кривых участков пути проверяются так называемым вписыванием локомотивов в кривые.

Для кривых малого радиуса, которые имеют место на путях локомотивных депо и в которых локомотивы следуют, как правило, с малой скоростью и без состава, важно проверить саму возможность вписывания локомотива в кривую заданного радиуса. Это так называемое статическое вписывание, которое осуществляется геометрически.

Для кривых, встречающихся на перегонах, в которых локомотив движется с поездом и с большой скоростью, следует определять силы, действующие на колеса и рельсы, для оценки допустимости заданных скоростей по условиям прочности колес и рельсов и обеспечения безопасности движения. Это так называемое динамическое вписывание.

Геометрическое вписывание в кривые не может быть выполнено простым графическим построением. Дело в том, что величина зазоров между гребнями колес и рельсами, как было показано выше, мала сама по себе и очень мала по сравнению с линейными размерами локомотива, а тем более с радиусом кривой. Если попытаться изобразить последние даже в масштабе 1:100 (радиус на чертеже будет иметь величину 1-3 м, длина локомотива - примерно 200 мм), то зазоры между колесами и рельсами на чертеже просто исчезнут - их величина будет меньше толщины линий. Поэтому необходимо применять специальные построения, при которых используются различные масштабы для разных размеров.

Наиболее часто для геометрического вписывания применяется метод параболической диаграммы.

При геометрическом вписывании для упрощения чертежа изображаются лишь внутренние грани рельсов, а расстояние между ними принимается равным минимальному зазору между гребнями и рельсами в кривой (2аМИн-т-Д). Соответственно локомотив и его тележки изображаются одной прямой линией, представляющей горизонтальный след совмещенных плоскостей наружных граней гребней колес. Колесная пара является точкой на этой линии.

Если для хорды (базы локомотива) и для поперечных зазоров принять при построении кривых разные масштабы (не связанные между собой, причем масштаб уменьшения размеров хорд, естественно, должен быть значительно меньше масштаба зазоров), то дуги окружностей рельсового пути превратятся в дуги эллипсов. Последние же на небольшом своем участке, необходимом для построения, могут быть заменены ветвями параболы (поэтому метод построения и называется методом параболической диаграммы).

Построения проводятся так (рис. 11.40). На листе чертежа вверху изображается в масштабе тх = - 1 1204-1 150 схема экипажа тепловоза с указанием положения всех его осей и центров поворота тележек. Под ней проводится горизонтальная ось координат X, в середине которой размещается начало координат 0, от которого вниз направляется ось У. Затем из точки начала координат в обе стороны строятся ветви параболы наружного рельса по уравнению где ту=\ или 1/2 - масштаб поперечных зазоров.

Затем от начала координат по оси У откладывают (в масштабе ту) величину зазора (2о-МИи + А). Точка 0' будет вершиной параболы внутреннего рельса, остальные точки ветвей параболы внутреннего рельса получают аналогично: смещая соответствующие точки параболы наружного рельса по вертикали на величину (2оМин + Д)ту.

Затем на диаграмме в зазорах между рельсами изображается положение тележек экипажа. Надо иметь в виду, что при движении с малыми скоростями тележки находятся в так называемом положении наибольшего перекоса, при котором гребень набегающего колеса упирается во внутреннюю грань наруж-

Тепловозы- основы теории
Рис. 11.40. Геометрическое вписывание тепловоза в кривую методом параболической диаграммы ного рельса, а последняя колесная пара тележки гребнем упирается во внутренний рельс. Упор гребня колеса в рельс, т. е. отсутствие зазора между гребнем и рельсом, на чертеже будет выглядеть совмещением точки колесной пары с параболой соответствующего рельса. Поэтому экипаж в кривой строится так. Точки крайних колесных пар каждой тележки вертикально проектируются на параболы соответствующих рельсов (точки 1, 3, 4 и 6). Затем эти точки попарно (1-3 и 4-6) соединяются отрезками прямых, изображающими тележки. На эти отрезки проектируются точки 2 и 5, соответствующие средним колесным парам. Размещение этих точек внутри параболы внутреннего рельса будет означать, что для возможности прохождения кривой средняя ось должна иметь поперечный разбег не менее величины 2 - 2' (или 5 - 5') в масштабе ту. На оси тележек также проектируются положения их шкворней А\ и Л2, что дает возможность построить положение оси тепловоза и определить ее отклонения от оси пути в средней части уе и по концам у„ (в масштабе ту), а также углы поворота тележек. (При определении последних надо не забыть, что на диаграмме они искажены из-за разных масштабов по осям координат.)
Тепловозы- основы теории Тепловозы- основы теории
Рис. 11.41. Схема сил, действующих на тележку при движении в кривой Силы, действующие на ходовые части тепловоза при движении в кривых. Рассмотрим часто встречающееся при движении в кривых размещение трехосной тепловозной тележки в положении так называемой «свободной установки»: набегающая колесная пара гребнем упирается в наружный рельс, а последняя колесная пара имеет зазоры со стороны обоих рельсов. Такое положение тележки является промежуточным при ее вилянии от положения наибольшего перекоса к динамической установке, когда обе крайние колесные пары прижаты к наружному рельсу. При вилянии в кривой тележка совершает сложное движение. Определим положение ее мгновенного центра поворота й (рис. 11.41), опустив из центра кривой перпендикуляр на ось тележки 1-2-3. Повороту и поперечному скольжению тележки препятствуют силы трения колес с рельсами Яр (р - коэффициент трения скольжения). Эти силы на каждом колесе перпендикулярны лучам, соединяющим точку приложения силы с центром поворота £2. Составляющие этих сил - продольные Я* и поперечные К, - определяются графически или аналитически:

На тележку действует часть центробежной силы инерции, не уравновешенная возвышением наружного рельса 1г зависящая от скорости движения, и направляющее усилие со стороны наружного рельса У\ (здесь т - число осей в тележке). При наличии возвращающих устройств в опорах тележки должны учитываться и возвращающие силы (или их момент Мв).

Составим уравнения равновесия тележки:

Тепловозы- основы теории

(сумма всех поперечных сил равна нулю) иТепловозы- основы теории

(сумма моментов относительно центра поворота равна нулю).

Из двух уравнений можно найти две неизвестные величины: У[ и Ст. Зная величину Ст, можно определить величину скорости движения и, соответствующей данной установке тележки:

Тепловозы- основы теории

Боковое давление на рельс составит У\ = У\-У\.

Безопасность движения тепловоза в кривых участках пути считается обеспеченной, если исключается возможность всползания гребня набегающего колеса, что могло бы привести к сходу колесной пары с рельсов. Установлено, что это усло-ние гарантируется (с запасом), если отношение бокового давления колеса на рельс У\ к вертикальной нагрузке П не превышает 0,8 (УЧ117<0,8). На основе этого соотношения в процессе динамического вписывания могут быть определены максимальные допустимые скорости движения в заданных кривых.

Тепловозы- основы теории Тепловозы- основы теории

⇐ | Использование сцепного веса тепловоза | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Система воздушного охлаждения тяговых электрических машин | ⇒