ОБРАЗОВАНИЕ СИЛЫ ТЯГИ

Для того чтобы сцепленные в состав вагоны, стоящие на рельсовом пути, вывести из состояния покоя и привести в движение, необходимо с помощью локомотива создать внешнюю по отношению к составу силу тяги. Не будем рассматривать случаи, когда расположенный на участке состав может двигаться под действием силы тяжести либо силы ветра.



Сила тяги возникает в результате трения (сцепления) между вращающимся колесом локомотива и рельсом. Вращение же колеса осуществляется двигателем локомотива, использующего различные виды энергии. На первых локомотивах использовали энергию водяного пара (паровозы), на современных локомотивах используют электрическую энергию (электровозы, электропоезда) либо при двигателях внутреннего сгорания - термохимическую энергию минерального топлива (тепловозы, дизель-поезда). Однако независимо от способа преобразования энергии на локомотиве силой тяги называют создаваемую двигателем внешнюю силу, действующую в контакте колеса с рельсом в направлении движения и вызывающую перемещение локомотива и поезда. Как показывает само название - это сила, которая тянет поезд, преодолевая сопротивление движению.

Рассмотрим, как образуется сила тяги у локомотива с индивидуальным приводом колесных пар. При прохождении тока по обмоткам возбуждения тягового двигателя создается магнитное поле, с которым взаимодействует ток якоря. В результате этого на валу якоря возникает вращающий момент Мд (см. рис, 1, а), действующий по часовой стрелке и передаваемый с помощью зубчатой передачи на движущую ось. Этот вращающий момент может быть представлен в виде пары сил Я1( приложенной в точке контакта шестерни тягового двигателя с зубчатым колесом, и Я2, приложенной в точке А2 - центре вала двигателя (рис. 1, а). Расстояние между точками и А2 равно радиусу шестерни rj. Сила Hj, приложенная к зубчатому колесу в точке А1г создает вращающий момент Мк, равный без учета потерь в зубчатом зацеплении произведению силы Щ на радиус зубчатого колеса г2. Вращающий момент Мк, приводящий во вращение против часовой стрелки зубчатое колесо, а вместе с ним колесную пару, может быть представлен в виде пары сил Щ и Щ, приложенной в центре колеса. Однако этот вращающий момент для локомотива и его колесной пары является внутренним и сам по себе не может вызвать их перемещения, а без опоры колесной пары на рельс он может лишь ее вращать.

Момент мк (рис. 1, б) может бьггь представлен следующей парой сил: F, приложенной к центру колеса, и Fj, приложенной к точке О контакта колеса с рельсом. Сила Fj направлена против движения. Колесо прижимается к рельсу весом локомотива Pq, поэтому сила Fj стремится сдвинуть колесо по рельсу вправо, и в точке контакта О возникает горизонтальная реакция в виде силы F2. По отношению к локомотиву она является внешней и вместе с равной ей и противоположно направленной силой Fj обеспечивает сцепление колеса с рельсом. Оставшаяся неуравновешенной сила F вызывает поступательное движение локомотива в направлении ее действия.

Таким образом, обязательными условиями возникновения силы тяги являются наличие вращающего момента, приложенного к колесной паре, и силы сцепления колесной пары с рельсом. Образование силы тяги F2 именно в месте контакта колеса с рельсом подтверждается тем, что если приподнять локомотив над рельсами, т. е. устранить их контакт с колесами, то, несмотря на вращение колес, локомотив перемещаться не будет. Наличие силы Fj подтверждается угоном рельсов под ее действием.

Представляется также очевидной невозможность возникновения вращающего момента Мк, а следовательно, и силы тяги без подачи напряжения на тяговый электродвигатель.

Сила сцепления между колесом и рельсом препятствует сдвигу, скольжению колеса по рельсу. По физической природе она принадлежит к силам внешнего трения, возникающего между соприкасающимися под действием нагрузки телами при их относительном перемещении. До тех пор, пока сила тяги меньше силы сцепления или равна ей, обеспечивается нормальное качение колеса по рельсу и поступательное движение локомотива. По мере возрастания сила тяги может сравняться с силой сцепления или превысить ее, что приведет к проскальзыванию колеса по рельсу и возможности возникновения боксования.

Всякий тяговый двигатель преобразует подводимую к нему энергию во внешнюю работу силы тяги по перемещению поезда. Энергия может высвобождаться при сгорании топлива (тепловозы, паровозы, газотурбовозы, дизель-поезда), а может подводиться извне по проводам (электровозы, электропоезда). В зависимости от устройства локомотива энергия может преобразовываться несколько раз, прежде чем превратится в механическую работу вращения колес. На электровозах переменного тока электроэнергия, подводимая от контактной сети, преобразуется в трансформаторе и выпрямительной установке, затем с помощью тяговых двигателей и зубчатой передачи превращается в механическую работу вращения колес.

На автономном тяговом подвижном составе происходят более сложные преобразования энергии. Так, на тепловозе скрытая термохимическая энергия топлива при его сгорании превращается в механическую работу на коленчатом валу дизеля, которая затем с помощью тяговой передачи различного типа (электрической, гидравлической и др.) преобразуется в механическую работу вращения колес.

Однако общим для тягового подвижного состава всех типов является преобразование механической работы вращения колес с помощью сцепления их с рельсами во внешнюю работу силы тяги, обеспечивающую движение поездов.

В зависимости от места приложения различают силу тяги касательную - действительную силу тяги, приложенную к ободу движущих колес локомотива; силу тяги на сцепке - приложенную к автосцепке между локомотивом и первым вагоном; силу тяги динамометрическую - измеряемую динамометром на сцепном приборе первого вагона. Для тяговых расчетов используют главным образом понятие касательной силы тяги FK. Кроме того, в соответствии с различными способами преобразования энергии, которые имеют место на локомотивах различных типов, используются понятия об ограничениях силы тяги и соответствующих этим ограничениям значениях силы тяги и соответствующих им значениях мощности локомотивов.

Поскольку тяговому подвижному составу всех типов присуще образование силы тяги в контакте колес с рельсами, для всех их существует ограничение по сцеплению. Для паровозов, кроме того, есть ограничение силы тяги по котлу и машине; для электровозов - по тяговым двигателям, току, условиям коммутации, а для электровозов переменного тока, кроме того, - по преобразовательной установке. У тепловозов существует ограничение силы тяги и соответственно мощности по дизелю и передаче.

Указанные параметры следует рассматривать как ограничения касательной силы тяги возможностями тех или иных преобразовательных агрегатов локомотива. Касательной называют действительную силу тяги, образующуюся на ободе колес локомотива и обеспечивающую поступательное движение поезда. Именно по касательной силе тяги ведутся тяговые расчеты на железных дорогах.