Коэффициент сцепления

Качение колеса по рельсу без проскальзывания происходит за счет силы сцепления Вс, действующей со стороны рельса на колесо в точке их контакта.

(1.3)

где: q –осевая нагрузка;

yк - коэффициент сцепления между колесом и рельсом.

Сцепление колес с рельсами представляет сложный процесс, при котором происходит преодоление механического зацепления микронеровностей поверхностей колеса и рельса и их молекулярного притяжения.

Коэффициент сцепления зависит в основном от осевой нагрузки, состояния поверхностей колеса и рельса, скорости движения, площади контакта, типа тягового привода и может изменяться в широких пределах (0,04 – 0,30). Наиболее неблагоприятное сцепление имеет место при моросящем дожде, образовании на рельсах инея или при загрязнении рельсов перевозимыми нефтепродуктами, смазкой, торфяной пылью. Простым и эффективным способом повышения коэффициента сцепления является подача песка под колесные пары.

1.7. Условие безъюзового торможения.

Явление, когда колесо прекращает свое вращение и начинает скользить по рельсу при продолжающемся движении поезда, называется заклиниванием или юзом.

Как правило, заклинивание колесной пары не происходит мгновенно. Предварительно колесная пара начинает проскальзывать, скорость ее становится меньше поступательной скорости подвижного состава. Это приводит к увеличению тормозной силы Вт за счет повышения коэффициента трения jк. В точке контакта колеса с рельсом кинетическая энергия превращается в тепловую, что может привести к сдвигу металла на поверхности катания колеса при проскальзывании (образование навара) или образованию овальной площадки (ползуна) при скольжении. Поэтому максимальная величина тормозной силы ограничивается условиями сцепления колес с рельсами. Следовательно, во избежание юза, максимальное тормозное нажатие принимают таким, чтобы тормозная сила не превышала силу сцепления колеса с рельсом.

Для этого должно выполняться правило:

Втmax£ Вс

(1.4)

или

где: jк - коэффициент трения;

К - сила нажатия колодок на ось;

yк - коэффициент сцепления колеса с рельсом;

q - осевая нагрузка.

В этом случае максимальное нажатие колодок на ось равно:

(1.5)

Отношение yк/jк = dназывают коэффициентом нажатия тормозной колодки. При заданной осевой нагрузке допустимые значения коэффициента нажатия будут зависеть от значенийyкиjк, которые в свою очередь зависят от скорости движения и материала колодок. При расчетах значения dдля локомотивов принимают в пределах 0,5-0,6.

На рис. 1.4 показана зависимость коэффициентов трения чугунной тормозной колодки и сцепления колеса с рельсом при различных скоростях движения.

Из приведенных графиков видно, что при снижении скорости в процессе торможения значения jк становятся больше yк, следовательно, вероятность заклинивания колесных пар выше при низких скоростях движения; при высоких скоростях значения yк больше jк, и значит, опасность юза практически исключается, а силу нажатия колодки на колесо можно увеличить для реализации большей тормозной силы.

1.8. Способы регулирования величины тормозной силы.

Важной характеристикой тормоза является его способность максимально использовать коэффициент сцепления колес с рельсами. Неполное использование сцепления имеет место в процессе наполнения тормозных цилиндров, то есть когда тормозная сила еще не достигла максимальной величины. Поэтому при допустимых условиях по величинам продольных динамических усилий в поезде и заклиниванию колесных пар стремятся к минимальному времени наполнения тормозных цилиндров.

Коэффициент сцепления уменьшается с ростом скорости движения, что вызывает необходимость изменения тормозной силы (в первую очередь для подвижного состава, оборудованного чугунными тормозными колодками). Для грузовых тормозов большое значение в использовании сцепления имеет соответствие между величиной тормозной силы и весом вагона, поскольку сила сцепления зависит от нагрузки от колесной пары на рельс. Поэтому с целью исключения заклинивания колесных пар применяется весовое и скоростное регулирование величины тормозной силы.

Весовое регулирование. Соответствие между величиной тормозной силы и весом вагона в тормозах грузового типа достигается ручным переключением режимов торможения или применением на грузовых вагонах авторежимов, которые автоматически регулируют тормозное нажатие в зависимости от загрузки вагона. Воздухораспределитель грузового типа имеет три режима торможения: порожний, средний и груженый. Переключение режимов выполняется вручную в зависимости от загрузки вагона, приходящейся на ось. Каждому режиму торможения соответствует определенное давление в тормозном цилиндре. (Табл. 5.1).

Автоматический регулятор режимов торможения (авторежим) позволяет избежать ошибки при установке требуемого режима торможения.

Корпус авторежима крепится к подрессоренной хребтовой балке вагона, а упор соприкасается с плитой, укрепленной на необрессоренной части тележки. По мере загрузки вагона расстояние между корпусом авторежима и опорной плитой уменьшается вследствие прогиба рессор вагона. Колебания кузова вагона не сказываются на давлении в тормозном цилиндре, так как демпфирующие пружины и дроссельное отверстие гасят колебания подвижной части авторежима. (Подробнее об устройстве и работе авторежима см. главу 5).

Загрузку вагона можно оценить по положению клина амортизатора относительно фрикционной планки рессорного подвешивания вагона. Вагон считается порожним, если верхняя плоскость клина амортизатора находится выше фрикционной планки.

Скоростное регулирование тормозной силы. Изменение тормозной силы при уменьшении коэффициента сцепления при высоких скоростях движения сводится к увеличению нажатия на колодку за счет повышения давления в тормозном цилиндре. (Рис.1.5).

В процессе уменьшения скорости при торможении переключение с высокого нажатия (К2) на пониженное (К1) выполняется автоматически специальными скоростными регуляторами при достижении конкретной скорости перехода (например при V=50 км/ч). Регулятор устанавливается на буксе колесной пары тележки. Регулирование тормозной силы осуществляется в случае применения полного торможения. При полных торможениях и малых скоростях движения величина тормозной силы может превысить значение силы сцепления Вс колеса с рельсом, что резко повышает вероятность заклинивания колесных пар.

Наличие в составе поезда разнотипных вагонов с различными значениями К делает расчет тормозной силы с использованием формул 1.1. и 1.2. для определения коэффициентов трения весьма трудоемким. Для упрощения тормозных расчетов пользуются методом приведения, при котором действительные значения Ки jк заменяются расчетными значениями Кри jкр, а коэффициент трения определяется при одном, условно выбранном тормозном нажатии Ку, но при этом обеспечивалось бы равенство:

φк К = φкр Кр ,

откуда

(1.6)

Значения Купринимают: для чугунных колодок – 2,7 тс, для композиционных колодок – 1,6 тс. Подставляя значения Кув формулы 1.1. и 1.2., получим значения расчетных коэффициентов трения соответственно для чугунных и композиционных колодок:

(1.7)

(1.8)

Как видно из выражений 1.7. и 1.8. расчетные коэффициенты трения колодок не зависят от силы нажатия, а зависят только от скорости движения.

После подстановки значений jки jкрв выражение 1.6. получим формулы для определения расчетных сил нажатия чугунных и композиционных колодок:

(1.9)

(1.10)

Если в поезде используются тормоза с разными типами тормозных колодок (например, чугунными и композиционными), то необходимо привести расчетное нажатие к одной системе нажатий. Это приведение выполняют умножением величины нажатия на соответствующий коэффициент эффективности, которые зависят от скорости движения. Коэффициенты эффективности определяют исходя из равенства длины тормозного пути при действии колодок разного типа. На железных дорогах России за основную принята система расчетных значений нажатий чугунных тормозных колодок, для которых установлены все тормозные нормативы и действующие номограммы и таблицы зависимости тормозных путей от скорости начала торможения, удельных расчетных нажатий и крутизны уклонов.