СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ

Составляющие силы сопротивления движению. Движущийся поезд взаимодействует с железнодорожным путем, воздушной средой. Эти взаимодействия создают неуправляемую внешнюю силу сопротивления движению, действующую против направления движения. От соотношения силы тяги и силы сопротивления во многом зависит масса и скорость движения поезда, время его хода по перегонам, расход топливно-энергетических ресурсов. Принято различать основное W0 и дополнительное IV д сопротивления движению. Если основное сопротивление движению действует постоянно при движении подвижного состава, то дополнительное IVд возникает лишь в случаях трогания с места, движения по уклонам, кривым, при пониженной температуре наружного воздуха, ветре.



Основное сопротивление соответствует движению поезда на прямом горизонтальном пути и состоит из основного сопротивления движению локомотива W^ и вагонов W*. Основное сопротивление движению поезда определяется следующим: силами трения деталей подвижного состава, главным образом в буксовых подшипниках; силами трения между колесами и рельсами; уменьшением кинетической энергии поезда от ударов и колебаний; силой сопротивления воздушной среды.

Потери на трение в буксовых подшипниках зависят, главным образом, от качества смазки, температуры наружного воздуха, скорости движения поезда и удельного нажатия подшипника на шейку оси. В связи с этим представляется эффективным для снижения основного сопротивления движению применять сезонные смазки, соответствующие температуре наружного воздуха, и подогрев осевой смазки при низкой температуре; уменьшать по возможности число остановок и последующих троганий поездов, а также предупреждений об ограничениях скорости; заменять подшипники скольжения в буксах на роликовые. На основное сопротивление влияет также состояние сцепных приборов поезда и трение в них.

Основное сопротивление движению. При движении колес по рельсам возникают потери от силы трения качения, которая тем больше, чем меньше диаметр колеса и чем мягче поверхности колеса и

рельсов. Поэтому на участках с мощными термически упрочненными рельсами при хорошем состоянии верхнего строения пути сопротивление от трения качения наименьшее. Несколько уменьшается трение качения по мере роста скорости движения.

Качение колеса по рельсам сопровождается трением скольжения, которое возникает вследствие конусности профиля поверхности катания колес, извилистости движения колес при вписывании их в рельсовую колею, неравенства диаметров колес одной колесной пары, неправильной сборки экипажной части при ремонте, неравномерного износа и др.

Движение подвижного состава по рельсам сопровождается ударами, возникающими, в первую очередь, на стыках, вследствие неровностей пути в профиле и плане, наличия лысок и других неровностей поверхности катания колес и др. На удары затрачивается кинетическая энергия движущегося поезда, для восстановления которой требуется определенная работа» Сила сопротивления движению от ударов в значительной степени зависит от состояния и размера стыков, длины редьсов, содержания рельсовой колеи. Применение бесстыкового пути значительно уменьшает сопротивление движению от ударов.

Часть энергии движущегося поезда затрачивается на деформацию верхнего строения пути, которая также создает сопротивление движению поезда. Оно зависит от степени деформации пути, нагрузки от оси на рельсы и скорости движения.

Помимо взаимодействия с путем, движущийся поезд взаимодействует с окружающей воздушной средой. Воздействие ее на поезд выражается в том, что лобовая поверхность поезда подвергается давлению уплотненного воздуха. У тыловых поверхностей поезда и в межвагонных промежутках возникает разрежение, происходит завихрение воздуха. Одновременно поверхность поезда подвергается трению о воздух. Все эти воздействия воздушной среды создают сопротивление движению, которое зависит от скорости движения, формы и размеров подвижного состава, а также характера его поверхности. Открытые окна и люки увеличивают сопротивление воздушной среды. Это сопротивление может увеличиваться в несколько раз при наличии ветра, особенно бокового направления.

В пассажирских поездах, движущихся с высокими скоростями, сопротивление от воздушной среды приобретает большое значение, превалирующее над другими видами сопротивления движению. Это вынуждает придавать подвижному составу обтекаемую форму (в первую очередь локомотивам и головным вагонам дизель- и электропоездов), совершенствовать форму кузовов с целью уменьшения возможности образования завихрений. Таким образом, основное сопротивление движению является результатом действия разнообразных факторов, изменяющихся по различным законам.

Формулы для расчета основного сопротивления движению. Поскольку основное сопротивление зависит от рода подвижного состава и его ходовых частей, нагрузки вагона, скорости движения, количества и качества смазки, состояния трущихся поверхностей, силы и направления ветра и многих других факторов, причем существует зависимость не только сопротивления движению от этих факторов, но и влияние их друг на друга, рассчитать основное сопротивление для различных условий работы подвижного состава практически невозможно. Да и пользоваться результатами таких расчетов оказалось бы крайне неудобно ввиду многообразия условий работы. Исходя из этого при тяговых расчетах используют эмпирические зависимости, относящиеся к некоторым усредненным условиям работы и учитывающие при определении основного сопротивления движению лишь три основных фактора: род подвижного состава, скорость его движения и массу, приходящуюся на ось.

Как указывалось выше, основное сопротивление движению поезда IVQ представляет собой сумму основного сопротивления движению локомотива W'0 и состава

У денное сопротивление движению, кгс/т, для локомотивов [16]

w'0 = H"0/P;

для состава

K = K/Q>

для поезда

w0 = h/J(P + Q),

где Р — масса локомотива, т; Q — масса состава, т.

На бесстыковом пути сопротивление от ударов значительно меньше, чем на звеньевом; поэтому Правилами тяговых расчетов предусмотрено применение отличающихся формул для движения на звеньевом и бесстыковом пути.

Так, в зависимости от скорости v основное удельное сопротивление движению четырехосных грузовых вагонов на роликовых подшипниках при массе qv приходящейся на ось вагона, более 6 т на звеньевом пути

3 + 0,1у + 0,0025у2 %

на бесстыковом пути

3 + 0,09v + 0,002у2 'о

"о = 0,7 +

Как видим, приходящаяся на ось масса вагона входит в знаменатель. Таким образом, при большей загрузке вагонов основное удельное сопротивление движению уменьшается и, наоборот, при меньшей загрузке увеличивается. Из практики вождения поездов локомотивным бригадам известно, что при ведении двух поездов одинаковой массы тяжелее идет тот, в котором вагоны загружены меньше. Это объясняется их большим основным удельным сопротивлением движению.

Таким же образом рассчитывается основное удельное сопротивление движению для пассажирских вагонов и тягового подвижного состава. Для тягового подвижного состава это сопротивление рассчитывают отдельно для режимов тяги и выбега. Так, для электровозов и тепловозов при движении по звеньевому пути в режиме тяги

w'0 = 1,9 + 0,01v + 0,0003V2,

на выбеге

wx = 2,4 +0,01 lv + 0,00035v2 .

При движении электровозов и тепловозов" на бесстыковом пути

w'0 = 1,9 + 0,008v + 0,00025v2 ,

на выбеге

wx = 2,4 + 0,009v + 0,00035v2.

Сравнение приведенных формул показывает, что основное удельное сопротивление на выбеге больше, чем в режиме тяги. Это явствует из ббльших значений численных коэффициентов. Такое положение является следствием условного разделения основного сопротивления движению локомотива на две части, одна из которых учитывает сопротивление движению локомотива как повозки, а другая - как машины. Сопротивление движению локомотива как машины вызвано потерями мощности на трение в тяговой зубчатой передаче и моторно-осевых подшипниках при передаче вращающего момента от вала тягового электродвигателя к движущей колесной паре. Эти потери мощности, связанные с реализацией силы тяги, учтены в тяговой характеристике. При движении же на выбеге, когда сила тяги не реализуется, сопротивление движению локомотива как машины должно складываться с сопротивлением его как повозки.

ПТР рекомендуются аналогичные формулы для подсчета основного удельного сопротивления движению для моторвагонного подвижного состава на звеньевом и бесстыковом пути в режиме тяги и холостого хода.

Для расчетов, требующих повышенной точности, значение удельного основного сопротивления движению принимают по опытным графическим зависимостям. В качестве примера на рис. 5 приведены кривые основного удельного сопротивления движению тепловозов как повозки.

Дополнительное удельное сопротивление от уклона. Крутизна уклона элемента профиля пути определяется отношением разницы отметок над уровнем моря начала и конца элемента к его длине и выражается в тысячных с точностью до одного знака после запятой. Обозначается она буквой i со знаком плюс, если относится к подъему, и со знаком минус, если имеется в виду спуск. Дополнительное сопротивление от уклона vvf численно равно его крутизне в тысячных (w( = /) и добавляется к основному удельному сопротивлению при движении по подъему или вычитается из него, при движении по спуску.

Дополнительное удельное сопротивление движению от кривой. Данная составляющая дополнительного сопротивления определяется разницей в дополнительных сопротивлениях, испытываемых подвижным составом при движении по кривому и прямому участкам пути. Это дополнительное сопротивление движению возникает при вписывании подвижного состава в кривую вследствие действия следующих факторов: трения бандажей о наружный рельс, к которому они прижимаются под действием центробежной силы; дополнительного продольного и поперечного проскальзывания и соответствующего трения скольжения, вызванного тем, что наружное колесо каждой колесной пары проходит больший путь, нежели внутреннее; трения в шкворнях при повороте тележек и в боковых опорах. Дополнительное сопротивление от кривизны пути зависит от многих факторов: радиуса кривой, ширины колеи, базы и конструкции тележек, степени износа бандажей и рельсов, скорости движения, возвышения наружного рельса и др. Для практических расчетов пользуются эмпирическими формулами, учитывающими зависимость удельного дополнительного сопротивления от радиуса кривой:

wr = 700/Д.

Дополнительное удельное сопротивление от приведенного уклона.

Оно основано на замене дополнительного сопротивления от кривой

фиктивным подъемом, который вызывает такое же удельное сопротивление движению, как кривая данного радиуса. Дополнительное удельное сопротивление движению от приведенного уклона выражают как сумму сопротивления от уклона и кривой:

iK=i + wr.

Дополнительное удельное сопротивление движению от подвагонных генераторов. Это дополнительное сопротивление зависит от средней условной мощности подвагонного генератора, приходящейся на один вагон поезда Р" (кВт), скорости движения v (км/ч) и средней для состава нагрузки, приходящейся на ось колесной пары пассажирского вагона q0:

Wnr = 136P7(V).

Дополнительное удельное сопротивление от подвагонных генераторов учитывают при скоростях движения поезда, превышающих 20 км/ч.

Дополнительное сопротивление от низкой температуры наружного воздуха. При низкой температуре наружного воздуха сопротивление, обусловленное воздействием воздушной среды, увеличивается по сравнению с принятым при определении основного сопротивления движению (см. с. 18). Кроме того, при значительном понижении температуры наружного воздуха увеличивается вязкость смазки, что вызывает повышение сил трения во фрикционных узлах подвижного состава, а следовательно, и увеличение сопротивления движению поезда. Для того чтобы не допустить значительного повышения силы трения, а следовательно, и сопротивления движению, широко применяют сезонные смазки. В связи с тем что наибольшее влияние на рост сопротивления при низкой температуре оказывает сопротивление воздушной среды, которое в значительной степени связано со скоростью движения поезда, Правилами тяговых расчетов рекомендуется при температуре -30 °С и ниже вводить коэффициент кт, увеличивающий основное удельное сопротивление движению на 1,0-17,0 % в зависимости от температуры наружного воздуха и скорости движения поезда.

Дополнительное сопротивление движению поезда от ветра. Сопротивление движению в значительной степени зависит от направления и скорости ветра. В большинстве случаев ветер увеличивает сопротивление движению; исключение составляет случай, когда направление ветра совпадает с направлением движения поезда. Увеличивают сопротивление воздушной среды лобовой ветер, направленный навстречу движению, и боковой, стремящийся сдвинуть подвижной состав поперек пути. При этом вследствие конусности поверхности катания колес возникает неравенство кругов катанияколес, принадлежащих одной и той же колесной паре, что приводит к дополнительному проскальзыванию колес по рельсам, сопровождающемуся возникновением значительной силы трения; особенно сильно это проявляется в случаях набегания гребней колесных пар на рельсы.

Дополнительное сопротивление движению поездов от встречного ветра в зависимости от скорости движения поезда учитывается путем введения коэффициента кв, увеличивающего основное сопротивление движению. Правилами тяговых расчетов при скорости ветра 6-12 м/с установлены значения коэффициента кв от 3 до 42 %. Перечень участков, на которые это изменение распространяется, а также скорости ветра, учитываемые при выполнении расчетов для каждого принятого периодпринимаются на основании многолетних данных метеослужбы и утверждаются МПС.

Удельное сопротивление состава при трогают с места. При трога-нии поезда с места возникает дополнительное сопротивление, вызываемое, главным образом, увеличенным трением в буксовых подшипниках. Коэффициент трения повышается вследствие уменьшения масляного слоя между подшипником и шейкой оси на стоянке, снижения температуры и повышения вязкости смазки, особенно в зимнее время. Кроме того, возрастает сопротивление качения колес по рельсам, поскольку за время стоянки возникает остаточная деформация взаимодействующих поверхностей колес и рельсов. Поэтому основное сопротивление движению при трогании с места и до достижения некоторой скорости превышает рассчитанное по приведенным выше формулам. Это превышение зависит от длительности стоянки поезда перед троганием, температуры окружающего воздуха, типа примененных подшипников и рода смазки, а также состояния ходовых частей вагонов.

Значение удельного сопротивления троганию поезда с места определяют по опытным формулам, рекомендуемым Правилами тяговых расчетов, при трогании с места на площадке раздельно для подвижного состава на подшипниках скольжения и качения в зависимости от массы, приходящейся на ось вагона. У вагонов на буксах с роликовыми подшипниками сопротивление троганию примерно в 5 раз меньше, чем при подшипниках скольжения. Поэтому при наличии в составе поезда тех или других вагонов определяют средневзвешенное значение удельного сопротивления.

Рассматривая удельное сопротивление состава при трогании с места, необходимо отметить важность неодновременности приведения в движение отдельных вагонов состава, поскольку после начала движения каждого вагона его дополнительное сопротивление троганию с места довольно быстро уменьшается. Если бы это было не так, то для одновременного приведения всего состава в движение потребовалась бы значительно большая сила тяги. Отсюда ясно, как важно предварительно осаживать поезд и приводить его в сжатое состояние. Этим обеспечивается неодновременность и поочередность трогания вагонов с места. Кроме того, используется потенциальная энергия сжатых фрикционных аппаратов автосцепки и кинетическая энергия

части вагонов, пришедших в движение.

* *

*

Таким образом, полное общее сопротивление движению представляет собой сумму основных и дополнительных сопротивлений локомотива и вагонов. Хотя локомотивная бригада не может регулировать силы сопротивления движению поезда, она должна четко представлять себе природу и значение этих сил, характер их действия, для того чтобы правильно использовать мощность локомотива, преодолевать сопротивление движению с наименьшей затратой топливно-энергетических ресурсов. Снижению сопротивления движению способствует проведение таких мероприятий, как усиление верхнего строения пути, замена звеньевого пути на бесстыковой, перевод подвижного состава на подшипники качения, смягчение профиля пути и др.

Отметим, что все подобные мероприятия требуют существенных капиталовложений. В условиях железных дорог необходимо уделять больше внимания таким мерам, как улучшение технического состояния локомотивов и вагонов, особенно их экипажной части и, в первую очередь, буксового узла, тормозного оборудования, применение рекомендованных сезонных смазок, улучшение содержания пути и искусственных сооружений, сокращение числа предупреждений об ограничении скорости, подготовка подвижного состава к перевозкам, закрытие люков и дверей и др. Большая роль принадлежит рациональной организации движения поездов на участке, строгому выполнению графика движения, правильному диспетчерскому руководству. Необходимо исключить скрещение и обгон поездов на станциях, расположенных на неблагоприятном профиле; задержку поездов у входных сигналов и в других не предусмотренных графиком случаях; обеспечивать минимальное число скрещений и обгонов, своевременную информацию локомотивной бригады с тем, чтобы она могла реализовывать наиболее оптимальный режим ведения поезда и высокоэффективное использование мощности локомотива.