Силы действующие на поезд кратко

Обновлено: 02.07.2024

На поезд постоянно воздействует множество внешних и внутренних сил. Наибольшее влияние на его движение оказывают внешние силы. Эти силы различны как по величине, так и по направлению. К ним относятся:
Fk - сила тяги электровоза, которая образуется в результате передачи вращающего момента от тягового электродвигателя к колесной паре, она направлена по направлению движения.
W - сила сопротивления, которая образуется в результате внутреннего трения в подвижном составе, взаимодействия пути и подвижного состава, характера профиля пути, взаимодействия с окружающей средой и т.д. Данная сила может быть направлена как по направлению движения поезда, так и против нее.
B - тормозная сила, которая образуется в результате трения тормозных колодок о бандажи при пневматическом торможении, а также при работе тяговых электродвигателей в режиме ЭДТ. Она всегда направлена против движения поезда.

Во время стоянки на поезд воздействует сила основного сопротивления поезду и дополнительное сопротивление от уклона. Сила основного сопротивления возникает из-за трения качения колеса по рельсу, трения в подшипниках букс, сопротивления редуктора тягового привода локомотива. С появлением скорости основное сопротивление начинает увеличиваться из-за сопротивления воздуха, трения гребня колесной пары о боковую поверхность рельса в результате поперечных перемещений вагонов, а также из-за потерь энергии в результате ударов набегающего колеса о стык рельса. Основное сопротивление всегда с положительным знаком, т.е. всегда приводит к замедлению состава. В отличие от него сопротивление поезду от уклона может иметь как положительный знак (на подъеме) так и отрицательный (на спуске). Таким образом, при нахождении поезда на спуске, данная сила приложена по направлению движения поезда и приводит к его ускорению, а на подъеме – наоборот.

Кроме этих видов сопротивлений существуют другие дополнительные виды сопротивления: при проследовании кривых участков пути, сопротивления от подвагонных генераторов пассажирских вагонов, сопротивление от бокового и встречного ветра, от низких температур воздуха. Сопротивление от кривых возникает при прохождении поездом кривых участков пути, в результате чего происходит набегание колесной пары на внешний рельс и возникновения трения между ребром колесной пары и рельсом. Появление сопротивления от подвагонных генераторов пассажирских вагонов вызвано преобразованием энергии вращения колесной пары в электрическую для питания электрооборудования вагона. Дополнительное сопротивление от низких температур связано с увеличением плотности воздуха при понижении температуры. Поскольку воздушная среда становится более плотной, вязкой, то на ее преодоление требуется больше энергии. Встречный ветер увеличивает сопротивление от преодоления воздушной среды, а боковой ветер приводит к некоторому смещению вагонов относительно оси пути, что приводит к смешению колесных пар, в результате чего появляется разность в диаметрах поверхности катания. В результате чего возникает проскальзывание колесной пары в поперечном направлении для выравнивания скоростей колес.

Сила тяги используется для приведения поезда в движение при нахождении его на площадке или подъеме. Для этого подается регулируемое питание на тяговые электродвигатели. Возникающий на их валах крутящий момент преобразуется в тяговой передаче, и при взаимодействии колесной пары с рельсом возникает момент, приложенный к оси колесной пары. Регулируя мощность, приложенную к тяговым двигателям, регулируется сила тяги.

Используя те же тяговые двигатели можно создать тормозную силу. Для этого несколько изменяется режим их подключения и питания, в результате чего тяговые электродвигатели переходят в генераторный режим и преобразуют кинетическую энергию в электрическую. Кроме электрического торможения создаваемого локомотивом, к поезду может быть приложена тормозная сила пневматического (электропневматического) торможения. Данная сила основывается на создании замедляющего усилия возникающего от трения тормозных колодок о поверхность катания колеса. В последнее время, с внедрением дисковых тормозов, в качестве поверхности трения используются тормозные накладки и тормозные диски.

Силы, действующие на поезд, делятся на внеш* н и е - притяжение земли (вес поезда), реакции рельсов, воздействие среды (воздуха), и внутренние - силы взаимодействия между отдельными вагонами Ц локомотивом, силы парные и равные по величине, сов<> падающие по линии действия и противоположно направленные. Равнодействующая внутренних сил равна нулю. Под действием только внутренних сил центр тяжести материальной системы или тела, т. е. поезда, не может изменить своего положения в пространстве, он может перемещаться только под действием внешних сил. В режиме тяги на поезд действуют силы, передающиеся от электровоза или моторного вагона электропоезда, силы, оказывающие сопротивление движению состава и в режиме торможения - искусственные силы сопротивления движению (тормозные) (рис. 1).

Кроме того, во всех случаях необходимо учитывать силу инерции (свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения - первый закон динамики). Все это можно представить равнодействующей Г_у, т. е. силой, представляющей разность

Рис. 1. Распределение сил в поезде:

Сила Ру выводит поезд из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, т. е. является ускоряющей:

где а - ускорение;

т - масса поезда (приведенная).

Рис. 2. Образование силы тяги на ободе колеса:

Г -сила, приложенная к центру колеса: - внешняя сила, Л1_Ь -

вращающий момент: г'-радиус колеса; О - центр колеса; О' - точка соприкосновения колеса с рельсом; ₁ - реактивная сила, приложенная к ободу колеса

Сила Р по отношению к поезду является внутренней и непосредственно не может обеспечить поступательное движение поезду, для этой цели необходима внешняя сила.

Такая сила образуется за счет сцепления колеса с рельсом в точке О'.

Из рис. 2 видно, что сила /д приложена к рельсу. От приложения силы возникает реактивная сила Р_кд (по третьему закону Ньютона), равная по величине, противоположная по направлению и приложенная к ободу колеса.

Вращающий момент М_к или пара сил Р- /д стремится повернуть все точки колеса вокруг центра О, но сила трения, возникающая в точке О, под действием веса поезда, препятствует этому вращению.

Сила Рид--реакция рельса на обод колеса. Это внешняя сила но отношению к поезду; она но существу является тем упором, который препятствует активной силе /д сдвинуть колесо относительно рельса, т. е. представляет ничто иное, как силу тяги Р> = Р_хг. При увеличении силы /д увеличивается реактивная сила Р_кя, но сила

Если сила Т 7 ) не превосходит некоторой предельной величины, опорная точка колеса неподвижна относительно рельса и является мгновенным центром вращения колеса Внешняя сила Е_Кд будет непрерывно перемещать мгновенный центр вращения колеса вдоль рельса. В соприкосновение с рельсом будут приходить все новые точки бандажа, оказывающиеся мгновенными центрами вращения колеса.

Экономия электроэнергии на электро-подвижном составе

Электродинамический тормоз электровозов ЧС2 Т и ЧС200

3.1. СИЛЫ И РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ

[ПСОТП, ОТПОсип] В процессе движения поезда на него действуют различные внутренние и внешние силы. Как известно из механики, внутренние силы уравновешиваются внутри системы и не влияют на ее движение. На характер поступательного движения системы влияют только внешние силы или их составляющие, направленные по ходу движения или в противоположную сторону.

Рис.3.1-1. Силы, действующие на поезд

К внешним силам, действующим на поезд, относятся:

- касательная сила тяги F_к, создаваемая локомотивом во взаимодействии с рельсами и приложенная к ободам ведущих колес;

- тормозная сила В_т, создаваемая тормозными средствами поезда во взаимодействии с рельсами и приложенная к ободам тормозных колес;

- силы сопротивления движению W - все остальные внешние силы, приведенные к ободам колес подвижного состава.

Силу тяги и тормозные силы называют управляемыми, т.к. их можно регулировать. На силы сопротивления движению воздействовать нельзя, поэтому их называют неуправляемыми.

Сила тяги направлена по движению поезда, тормозная сила действует в противоположном направлении. Силы сопротивления, как правило, также действуют против движения. Исключение составляет случай движения по спуску.

По законам механики несколько сил, действующих на точку или механическую систему, можно заменить одной силой, которую в теории тяги поездов называют ускоряющей F_у или равнодействующей F_д силой:

Одновременно три составляющие равнодействующей силы на поезд не действуют, т.к. в один и тот же момент времени не имеет смысла тратить топливо (электроэнергию) на реализацию силы тяги локомотивом и использовать тормозную систему локомотива или вагонов. В зависимости от того, какие силы действуют в данный момент на поезд, различают следующие режимы движения:

- режим тяги, когда действуют сила тяги F_к и силы сопротивления движению W: F_д = F_к - W;

- режим выбега (холостого хода), когда на поезд действуют только силы сопротивления движению: F_д = -W,

- режим торможения, когда к силам сопротивления движению прибавляется тормозная сила В_т: F_д = - (W + В_т).

Равнодействующие силу, имеющую отрицательное значение, иногда называют замедляющей силой.

Старыми единицами измерения сил, используемыми в ПТР включая издание 1985 г., являются килограмм-сила (кгс) и тонно-сила (тс). Это связано с градуировкой приборов, установленных на подвижном составе [ИПЖДТурб]. Новыми единицами в соответствии с международной системой единиц (СИ) - ньютон (Н = кг * м/с 2 ) и килоньютон (кН). Перевод значений силы из одной системы единиц в другую выполняется по следующему соотношению:

1 кгс = 1 кг * g = 9.81 Н, (3.1-2)

где g = 9.81 м/с 2 - ускорение свободного падения.

Силы, действующие на весь поезд, локомотив, вагон и т.п. называют полными и обозначают прописными буквами (F_к, W, B_т). Силы, действующие на единицу массы, называют удельными и обозначают строчными буквами (f_к, w, b_т)

где F, f - полная и удельная силы (равнодействующая, тяги, сопротивления или торможения), Н;
P - расчетная масса локомотива, т;
Q - масса вагонного состава, т.

В случаях, когда поезд рассматривают как единое целое с неизменной длиной и равноускоренным движением всех его подвижных единиц (т.е. при описании его движения одним дифференциальным уравнением), местом приложения сил считается середина поезда. Причем учитываются суммарные силы, действующие на все составной части поезда (локомотив, вагон, группу однотипных вагонов и т.д.). В противном случае, силы, действующие на отдельные составной части поезда, учитываются отдельно и местом их приложения являются середины этих частей.

В процессе движения на поезд действуют различные силы, способствующие увеличению скорости, поддержанию равномерного движения или замедлению движения поезда. Все эти силы, отличающиеся по величине, направлению и характеру действия, разделяют на управляемые и не управляемые машинистом.

К управляемым относят силы тяги и торможения поезда, обозначаемые в расчетах буквами F и В. При необходимости машинист может регулировать величину и продолжительность действия этих сил.

Неуправляемыми являются силы различных сопротивлений движению поезда, обозначаемые в расчетах буквой W , а также сила тяжести (веса) поезда. Кроме того, при любом изменении скорости движения проявляется действие сил инерции массы поезда.

В зависимости от соотношения величины и направления действия указанных сил изменяется характер движения поезда:

1) если сила тяги, приложенная к поезду, больше сил сопротивления движению, поезд получает ускоренное движение (разгон);

2) когда сила тяги равна силам сопротивления движению устанавливается равномерная (равновесная) скорость поезда;

3) если сила тяги меньше сил сопротивления движению или при отсутствии силы тяги действуют тормозные силы поезд замедляет движение.

Силы тяги

Для приспособления дизеля к условиям тяги поездов между валом дизеля и колесными парами применяют промежуточные передачи. Эти передачи позволяют преобразовать постоянный вращающий момент коленчатого вала дизеля в переменный на колесных парах тепловоза.

Наиболее распространеннойявляется электрическая передача, сочетающая хорошие тяговые способности электродвигателей с последовательным возбуждением и возможность автоматического управления работой дизель-генератора.

Сила тяги тепловоза появляется в результате взаимодействия колес с рельсами при прикладывании вращающего момента М_дв от тяговых электродвигателей к колесным парам (рис. 1). Возникающий при этом вращающий момент колеса М, может быть заменен парой сил, дающей тот же результат. Одна из этих сил F_K приложена к центру оси колеса, другая F_Kl -в точке К касания бандажа с рельсом. Указанная пара сил, действующая на плече, равном половине диаметра колеса, стремится провернуть колесо вокруг его геометрической оси. Проворачиванию препятствует сила сцепления колеса с рельсом F_c, возникающая как противодействие силе F_kS . Причем сила сцепления появляется неизбежно, так как бандаж и головка рельса, плотно прижатые друг к другу нагрузкой на ось Р, имеют на своей поверхности множество мелких неровностей. Горизонтальное усилие от колеса на рельс F_Kl воспринимается указанными неровностями и на основании третьего закона механики порождает ответную (реактивную) силу F_c от рельса на колесо. Физически силу сцепления можно представить в виде упора, не позволяющего колесу проскользнуть по рельсу. Одинаковые по величине, но противоположные по направлению силы F_kS и F_c взаимно уравновешиваются, а оставшаяся сила F_K вызывает перекатывание и поступательное движение колесной пары по рельсам. Через узлы экипажной части тепловоза сила F_K от каждой колесной пары передается на тележку и далее на раму тепловоза.

Для ускорения поезда нужно, чтобы сила тяги локомотива была больше сил сопротивления. Сила тяги возникает при передаче вращающего момента от ТЭД к колесным парам. Вращающий момент на колесной паре определяется по формуле:

Где: М_{дв -}вращающий момент на валу якоря ТЭД,

М - передаточное число тягового редуктора;

Силой тяги называется внешняя сила, приложенная к движущим колесам локомотива в направлении его движения.

Вращательный момент М_к заменяем парой сил F и F₁

В точке касания колеса с рельсом согласно 3-го закона Ньютона возникает реактивная сила F_сц, действующая от рельса на колесо. Эта сила препятствует проскальзыванию колеса относительно рельса. Одинаковые по величине и противоположно направленные силы F₁ и F_сц взаимно уравновешиваются, а оставшаяся сила F вызывает поступательное движение колесной пары.

Сумма сил F всех тяговых электродвигателей и является силой тяги локомотива

Читайте также: