СЦЕПЛЕНИЕ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ. КОЭФФИЦИЕНТ СЦЕПЛЕНИЯ

Сцепление колес с рельсами. В процессе ведения поезда машинист регулирует мощность силовой установки и силу тяги локомотива, которая изменяется в широких пределах. Во всех случаях сила тяги не должна превышать силы сцепления колес с рельсами во избежание срыва сцепления и возникновения боксования колесных пар.



От чего же зависит сила сцепления колеса с рельсом? От многих факторов. К ним относятся следующие: нагрузка, передаваемая колесной парой рельсам; упругие свойства материала бандажа и рельса; состояние и свойства поверхностных слоев бандажа и рельса; скорость движения локомотива; климатические и метеорологические условия сцепления; динамические процессы, связанные с состоянием экипажной части локомотива, а также конструкцией и состоянием пути, характером изменения вращающего момента и др. Влияние каждого из этих факторов на силу сцепления, а следовательно, реализуемую силу тяги неодинаково. Установлено, например, что одновременное повышение твердости материала бандажа и рельса улучшает условия сцепления, в то время как повышение твердости одной из контактирующих поверхностей может эти условия ухудшать. Увеличение нагрузки от колесной пары на рельсы улучшает условия сцепления и увеличивает реализуемую силу тяги. Именно этим вызваны некоторые конструкторские решения по балластировке локомотивов.

Существенное влияние оказывают фрикционные характеристики поверхностей бандажей и рельсов, а они в значительной степени зависят от характера загрязнений, степени их насыщенности влагой и смазкой. Они загрязняются продуктами износа, остатками перевозимых грузов, смазочными материалами и др. Загрязнение поверхностей колеса и рельса значительно ухудшает их фрикционные характеристики, особенно при насыщении слоя загрязнений парами воды или капельной влагой, что приводит к резкому снижению силы сцепления и может быть причиной возникновения боксования. Во многих странах ведутся работы по стабилизации сцепления путем механической очистки рельсов, обмывки их водой, обработки различными растворителями (кислотами, эфирами и др.), электроискровой и плазменной обработке рельсов. Однако все это не обеспечивает достаточно эффективного улучшения сцепления, и поэтому распространения такие разработки не получили.

Стабилизация сцепления. Более эффективным средством стабилизации сцепления следует считать оснащение локомотивов специальными устройствами, препятствующими развитию боксования и способствующими его затуханию при устранении вызвавшей его причины. На тяговом подвижном составе разных серий эти устройства различны по схемным и конструктивным решениям. Обычно такое устройство содержит узел обнаружения боксования и исполнительный орган, производящий необходимые переключения в электрических цепях локомотива.

В большинстве случаев в результате таких переключений уменьшается сила тяги, так как производится шунтирование резистором обмоток якорей или обмоток возбуждения тягового двигателя бок-сующей или смежной с ней оси, перевод двигателей с ослабленного на полное возбуждение, подпитка обмоток возбуждения от постороннего источника, введение резистора в цепь тяговых двигателей, ослабление возбуждения главного генератора и др. Однако применяемые устройства не отвечают в полной степени предъявляемым к ним требованиям. Это объясняется как недостаточными чувствительностью и быстродействием органов обнаружения (датчиков боксования), так и недостаточными универсальностью и гибкостью исполнительных органов, поскольку при различных соединениях и режимах работы тяговых двигателей противобоксовочные устройства должны осуществлять различное снижение вращающего момента боксующей оси.

Следовательно, предотвращение боксования колесных пар тягового подвижного состава, а в случае его возникновения скорейшее его прекращение с минимальной потерей силы тяги продолжают оставаться ответственной задачей локомотивных бригад, требующей от них высокой квалификации и мастерства.

Наиболее распространенным и эффективным средством стабилизации сцепления является введение в зону контакта колеса с рельсом мелкозернистого кварцевого песка. Эффективность его применения в свою очередь зависит прежде всего от качественного и гранулометрического состава песка, направления истечения песковоздушной струи и расположения наконечников песочных труб по отношению к зоне контакта колеса с рельсом. В связи с этим наряду с необходимостью освоения всеми локомотивными бригадами техники эффективного управления песочницей, своевременной подачи песка для предотвращения возникновения боксования не менее важно обеспечить применение высококачественного песка, правильную и систематическую регулировку форсунок песочниц, соответствующее содержание песочных труб.

Коэффициент сцепления. Силу тяги для одной колесной пары обычно выражают в долях нагрузки Р от колесной пары на рельсы:

FK < Ф Р.

Величину ф называют физическим коэффициентом сцепления: он зависит от многих факторов и в эксплуатации достаточно широко изменяется.

С ростом скорости движения коэффициент сцепления (сила сцепления) уменьшается, одновременно падает сила тяги. Приложенный к колесу вращающий момент продолжает увеличивать частоту вращения, и для того чтобы прекратить возникшее боксование, необходимо путем регулирования работы двигателя (сброс позиций контроллера машиниста) уменьшить силу тяги и стабилизировать сцепление, Подав песок в зону контакта колеса с рельсом.

Следует отметить, что проскальзывание колеса по рельсу является не только следствием ухудшения сцепления; оно может быть вызвано другими причинами и в свою очередь оказывать неблагоприятное влияние на сцепление колеса с рельсом. Например, при вписывании колесной пары в кривые участки путь, проходимый колесом по внешнему рельсу, больше пути, проходимого колесом по внутреннему рельсу. Поскольку оба колеса принадлежат одной колесной паре, возникает проскальзывание.

Движение колесной пары на прямых участках имеет извилистый характер, определяемый конусной поверхностью катания бандажа, что также приводит к проскальзыванию колес. Возникновению проскальзывания способствует также разница в диаметре бандажей одной колесной пары.

Неблагоприятное влияние на реализацию силы тяги оказывает также пульсация вращающего момента в тяговых двигателях постоянного тока, частота и амплитуда которой зависят от типа двигателя и условий его работы. Неравномерность вращающего момента приводит к пульсации силы тяги, что неблагоприятно сказывается на сцеплении.

Необходимо отметить, что с ростом скорости движения происходит снижение коэффициента сцепления, а следовательно, силы сцепления и силы тяги.

Сложная молекулярно-механическая природа контакта колеса с рельсом и возникновения сил сцепления определяет большое число случайных факторов, влияющих на реализуемую силу тяги. Кроме того, нагрузка от колес на рельсы также меняется в широких пределах в связи с тем, что локомотив представляет собой сложную динамическую колебательную систему. По указанным причинам вычисление физического коэффициента сцепления - достаточно сложная и трудоемкая операция; использовать же на практике постоянно меняющийся параметр неудобно. Для того чтобы исключить указанные затруднения, вводят расчетный коэффициент сцепления фк; его используют для определения расчетной силы тяги FK.

Расчетный коэффициент сцепления определяют на основе результатов специальных опытов, проведенных в условиях эксплуатации. Полученные результаты обрабатывают, используя специальные математические методы; поэтому расчетный коэффициент сцепления представляет собой усредненное значение полученных опытных данных и учитывает изменение динамических сил и нагрузок от колесной пары на рельсы при реализации силы тяги.

Для тяговых расчетов значение расчетного коэффициента сцепления определяют по эмпирическим формулам, приведенным в Правилах тяговых расчетов для поездной работы (ПТР) и учитывающим изменение его в зависимости от скорости движения.

В зимний период при особо неудовлетворительных условиях сцепления (бураны, гололед и др.) в зависимости от конкретных особенностей железнодорожных участков разрешается временно снижать коэффициент фк, определенный по расчетным формулам, но не более чем на 15 %. Разрешается также снижать его значение, если на расчетном и труднейших подъемах имеются кривые малого радиуса. На сколько можно снизить фк, определяют в зависимости от радиуса кривой.