Тарасов Ю.Д., Николаев А.К. Горно-транспортные машины периодического действия

Подождите немного. Документ загружается.



#Па) через воздухоподогреватель низкого давления

направляется в цилиндр низкого давления, из которого, после

совершения работы, выбрасывается в атмосферу.

Сцепные веса пневмовозов от 8 до 10g#кН, скорость их

движения 3-4#км/ч, развиваемая ими сила тяги около 7,5#кН, а

суммарная мощность, развиваемая двумя пневмоцилиндрами, 30-

40#л.с.

Источником энергии гировоза является размещенный на

вертикальной оси маховик, который через коробку передач связан с

колесными парами локомотива. Параметры испытанного гировоза:

диаметр маховика 940#мм, начальная частота его вращения после

раскручивания 3000#об/мин, развиваемая мощность 30#л.с. при

скорости движения локомотива от 3 до 12#км/ч. Сцепной вес

гировоза около 57#кН. Время зарядки (раскручивания маховика)

12#мин при давлении сжатого воздуха в сети (4,9-5,9)10

#Па (5-

6#атм).

Кроме рассмотренных типов локомотивов, существуют

разработки в области создания альтернативных локомотивов на

электрической тяге. К ним можно отнести рудничные электровозы с

гидроприводом – сочетание нерегулируемого электродвигателя и

регулируемой гидропередачи объемного типа с гидродвигателями. По

такой схеме выполняются как контактные, так и аккумуляторные

электровозы.

Известны результаты испытания конденсаторного

электровоза. Тяговый двигатель – однофазная электрическая

машина с двумя обмотками статора и короткозамкнутым ротором.

Одна из обмоток присоединяется к сети непосредственно, а другая –

через конденсатор, обеспечивающий необходимый сдвиг фаз для

реализации крутящего момента на валу тягового двигателя.

Известно также техническое решение, обеспечивающее

бесконтактную передачу энергии от питающего кабеля к

электродвигателю (бесконтактный высокочастотный электровоз).

Частота тока 3000#Гц. На электровозе имеются выпрямители,

питающие двигатели постоянного тока.

3.5. ОСНОВЫ ТЯГОВОГО РАСЧЕТА

3.5.1. Уравнение движения поезда

Движение поезда (локомотива с прицепленным к нему

составом), как и всякого материального тела, может быть описано

дифференциальным уравнением

0 и

10 ,

P Q d

F W K

g dt



   

где F – сила тяги, развиваемая локомотивом, Н; W

– суммарные

статические сопротивления движению поезда, Н; Р – вес (сцепной

вес) локомотива, кН; Q – вес прицепной части поезда (состава), кН;

– коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс

поезда; dv/dt – ускорение движения поезда, м/с

Коэффициент инерции

QР

QKРK





вэ

где K

, K

– коэффициенты, учитывающие инерцию вращающихся

масс локомотива и вагонеток; обычно K

#=#0,036÷0,04; K

#=#0,03÷0,04.

Для поезда K

#=#1,06÷1,08.

Дифференциальное уравнение называется основным

уравнением движения поезда, оно позволяет найти необходимую

величину силы тяги при различных режимах работы локомотива как

тягового агрегата.

Сила тяги при неустановившемся режиме работы в период

пуска (трогания поезда с места)

10 ,

P Q d

F W K

g dt



  

где W – статические сопротивления движению, W

#=#W; в этом

режиме dv/dt#>#0.

При равномерном движении dv/dt#=#0, а уравнение

движения поезда

,WF 

т.е. потребная сила тяги численно равна суммарным статическим

сопротивлениям движению.

При торможении поезда, когда тяговые двигатели выключены

и F#=#0, к силам естественного сопротивления движению W

добавляется искусственное сопротивление – тормозная сила В. Тогда

W

#= =#W#+#B. В этом случае уравнение движения поезда примет

вид

 

10 ,

P Q d

W B K

g dt



    

в котором dv/dt#<0.

При свободном выбеге, когда торможение поезда

осуществляется только за счет естественных сопротивлений

движению W, т.е. В#=#0 (W

#=#W), уравнение движения поезда

P Q d

W K

g dt



   

Режим свободного выбега может быть реализован, когда

W#>#0, так как только в этом случае dv/dt#<#0, т.е. поезд будет

двигаться с замедлением и рано или поздно остановится без

искусственного его подтормаживания. Если же W#<#0, то после

выключения двигателей локомотива (F#=#0) поезд начнет двигаться с

ускорением, что совершенно недопустимо. В этом случае должно быть

применено искусственное торможение (3-й режим).

Для того, чтобы использовать полученные уравнения при

практических расчетах локомотивной откатки, должны быть

выявлены механизмы реализации силы тяги F и тормозной силы В, а

также найдена зависимость, определяющая величину статических

сопротивлений движению поезда W.

3.5.2. Механизмы реализации силы тяги и тормозной силы

При движении поезда с включенными двигателями

локомотива сила тяги F может быть получена только за счет работы

тяговых двигателей. При этом внутренние силы тяги реализуются во

внешнюю (по отношению к поезду) силу тяги F через

взаимодействие с рельсами колесных пар локомотива.

Внутренней по отношению к поезду силой тяги является

крутящий момент М (в ньютон-метрах), развиваемый двигателем

(через редуктор) на ведущих колесных парах, и который может быть

реализован (рис.24) только в виде пары сил (в ньютонах)

2 /F M D

где D

– диаметр колеса, м.

Силы F приложены в двух точках: к колесу (приведенному)

в месте его контакта с рельсом и к подшипникам колесной пары.

Первая сила F уравновешена силой сцепления F

сц

колеса с

рельсом, являющейся реактивной силой, возникающей поскольку

действует сила F. Вторая сила F (приложенная к подшипнику)

остается неуравновешенной, а потому вызывает качение колеса

(колесной пары) по рельсам и, следовательно, поступательное

движение локомотива и соединенного с ним состава. Эта сила F и

является силой тяги.

Таким образом, реализация внутреннего крутящего

момента#М во внешнюю силу тяги F возможна лишь при наличии

внешней силы F

сц

сцепления колес с рельсами, если F#=#F

сц

сц max

Рис.24. Расчетная схема к определению тягового усилия,

развиваемого локомотивом

Но с другой стороны, F

сц

не может быть беспредельной, а

ограничена коэффициентом сцепления ведущих колес локомотива с

рельсами  и усилием Р прижатия ведущих колес локомотива к рельсам,

т.е.

сц max

1000F P 

Отсюда и максимально возможная сила тяги F

max

также

ограничена F

сц

, так как F#=#F

сц

. Тогда из условия сцепления колес

локомотива с рельсами

max

1000F P 

С другой стороны, сила тяги F ограничена мощностью тяговых

двигателей N (в киловаттах), поэтому из условия использования

полной мощности тяговых двигателей максимально возможная сила

тяги

max т.п

3,6 ,



 

где v – скорость движения поезда, км/ч; η

т.п

– КПД тяговой передачи.

Если сила тяги при использовании полной мощности

тяговых двигателей меньше силы тяги из условия сцепления, т.е.

maxmax

FF 



то локомотив называют недомоторенным, если

maxmax

FF 



то локомотив называют перемоторенным.

Современные локомотивы обычно перемоторены. Это

вызвано стремлением увеличить среднеходовые скорости движения

поездов (за счет быстрого разгона) и обеспечить работу тяговых

двигателей без перегрева. Однако при использовании

перемоторенных локомотивов не исключено буксование колесных

пар, сопровождаемое износом бандажей колес и рельсов.

При торможении поезда к его тормозным колесным парам

(они же – ведущие) прикладывается тормозной момент М

(рис.25) за

счет тяговых двигателей при электрическом или электродина-

мическом торможении противотоком и использования тормозных

колодок при механическом торможении.

Внутренний (по отношению к поезду) тормозной момент М

также реализуется в виде пары сил В, одна из которых приложена к

рельсам, а вторая – к подшипникам колесных пар, а значит, и к раме

локомотива и ко всему поезду.

Как и сила тяги F, тормозная сила В ограничена

максимально возможным значением силы сцепления F

сц#max

колес

локомотива с рельсами, т.е. всегда

сц

FВ 

а максимально возможное значение тормозной силы по условию

сцепления

max

1000В P 

Для условий рудника расчетное значение коэффициента

сцепления колес с рельсами #=#0,10÷0,28.

Попытка превышения силы тяги, определяемой сцеплением

колес с рельсами, приводит к буксованию колес, при котором

коэффициент сцепления μ снижается примерно на 30#%, а поэтому

снижается и реализуемая сила тяги F. С точки зрения кинематики

условие буксования можно представить в виде неравенства

о п

v v

где v

, v

– окружная и поступательная скорости движения колеса.

Рис.25.#Расчетная схема к определению тормозной силы

сц max

сц

Характер износов бандажа и рельса при буксовании показан

на рис.26,#а.

Попытка превышения тормозной силы, определяемой также

сцеплением колес с рельсами, приводит к так называемому юзу –

движению невращающихся колес по рельсам скольжением. При

этом предельное значение тормозной силы снижается. Кроме того,

интенсивно и, самое главное, неравномерно изнашиваются бандажи

колес, а также рельсы (рис.26,#б.). В общем случае условие

возникновения юза

0 п

.v v

Пути повышения силы тяги по сцеплению и тормозной силы

следующие.

Для увеличения силы тяги пока найден только один

способ – подмагничивание ведущих колес путем установки

намагничивающей катушки внутри колеса. В результате

возникновения магнитного поля в системе колесо – рельс колесо

дополнительно прижимается к рельсу, поэтому к сцепному весу Р

добавляется еще сила магнитного прижатия Р

. В этом случае

max м

1000( )F Р Р  

Для увеличения тормозной силы могут применяться

специальные тормозные вагонетки, оборудованные колодочными

Рис.26. Режимы буксования (а)

и юза (б) колес локомотива с харак-

терными картинами износа головок

рельсов (1) и бандажей колес (2)

тормозами, и электромагнитные рельсовые тормоза,

устанавливаемые на локомотиве (электровозе).

В первом случае

max т

1000( )В P g G   

где ΣG

– общая масса тормозных вагонеток, т.

Во втором случае

max м

1000В P nP f  

где Р

– сила нажатия одного башмака с электромагнитным

приводом на рельс, Н; n – число одновременно включенных

башмаков; f – коэффициент трения между башмаком и рельсом,

f#=#0,09÷0,15.

Рис.27.#Увеличение тормозной силы с помощью подвесного

электромагнитного башмака

1 – рельс; 2, 6 – колесные пары; 3 – рама; 4 – пружинная подвеска

башмака 7; 5 – направляющие

Электромагнитный рельсовый тормоз (рис.27) состоит из

двух башмаков, кинематически связанных поперечинами и

подвешенных на пружинах между колесными парами электровоза.

При включении электромагнитов башмаки, преодолевая

сопротивление пружин, прижимаются к рельсам и обеспечивают

дополнительную тормозную силу.

4 5

3.5.3. Статические сопротивления движению поезда

При движении поезда в установившемся режиме (с

постоянной скоростью) на произвольном участке пути в соответствии

с его профилем (см.#п.3.2.1) на поезд (рис.28,#а) действуют

следующие силы: вес поезда (P#+#Q); синусоидальная составляющая

веса (P#+#Q)sinβ, где β – угол наклона рельсового пути на

рассматриваемом участке и сила сопротивления движению,

вызванная трением качения колес по рельсам и в буксах колесных

пар. В соответствии с известным законом Кулона

(P#+#Q)sinβ#=#(P#+#Q)wcosβ, где w – коэффициент сопротивления

движению подвижного состава (см.п.3.3.1).

Таким образом, при движении поезда на прямолинейном

участке пути статические сопротивления движению поезда

( )W P Q   

( 'cos sin )10w   

, (4)

где P и Q измеряются в килоньютонах, а ΣW – в ньютонах.

При движении поезда на

подъем синусоидальная

составляющая веса поезда

должна быть преодолена,

поэтому в уравнении стоит знак

«+»; при движении поезда под

уклон синусоидальная

составляющая способствует

движению, компенсируя силы

сопротивления от трения

качения и в буксах колесных пар.

В этом случае в уравнении sinβ

следует брать со знаком «–».

Углы наклона β рельсовых путей малы (рис.28,#б), поэтому в

уравнении#(4) принимают cosβ##1, а sinβ##tgβ; при малых углах β

численные значения этих тригонометрических функций с точностью

до четвертого знака после запятой одинаковы.

Тангенс угла β наклона рельсового пути к горизонту

называют уклоном пути, i#=#tgβ.

Таким образом, статические сопротивления движению

поезда могут иметь вид

( )( ' )10W P Q w i



   

, (5)

где w – коэффициент сопротивления движению поезда (в

относительных единицах); i – уклон рельсового пути (в

относительных единицах).

Помимо угловых (градусы, радианы) и относительных

единиц для численной оценки и измерения уклонов используют и

другие показатели: уклон пути в процентах i. % и в промилле i.‰.

Соотношения этих показателей с величиной уклона в относительных

единицах (рис.28,#б) следующие:

i.%#=#100i; i.‰#=#1000i. (6)

Рис.#28.#Схема к определению

статических сопротивлений движению

поезда

на прямолинейном участке пути (а) с

соотношением уклонов рельсового пути,

измеренных в промилле, относительных

и угловых единицах (б)



P + Q

i = 1#% = 0,001 = arctg 0,001

1 м

1000 м