Что такое железнодорожное сопротивление

Классификация сил сопротивления движению

Движение поезда сопровождается действием неуправляемых внутренних и внешних сил, направленных против его движения и принято их различать:

по режимам и условиям движения, по видам и типам подвижного состава.

По режимам и условиям движения различают: сопротивление троганию поезда с места, основное сопротивление и дополнительные сопротивления.

Сопротивление троганию поезда с места называют сопротивление, которое возникает в процессе перехода его частей из состояния покоя в состояние движения, начиная от локомотива и кончая последним вагоном. Это сопротивление ограничено по времени действия и заметно отличается по физической сущности от сил основного сопротивления и поэтому оно учитывается отдельно при выполнении тяговых расчётов.

Основным сопротивлением называют совокупность горизонтальных сил, постоянно действующих против поступательного движения подвижного состава в процессе его движения.

Основное сопротивление локомотива, в зависимости от режимов ведения поезда, различают: сопротивление движению в режиме тяги и основное сопротивление в режиме холостого хода, т.е. движение без тяги.

Основное сопротивление различается также по видам и типам подвижного состава: тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов, вагонов с разделением по числу осей и типам буксовых подшипников.

Неуправляемые дополнительные сопротивления поступательному движению называют временно действующие горизонтальные силы, возникающие: от профиля и плана пути, от подвагонных генераторов, ветра, низкой температуры воздуха и других причин.

По единицам измерения все сопротивления, как уже ранее говорилось могут быть полные и удельные. Полное сопротивление представляет собой сопротивление для всего локомотива, вагона, состава, поезда и обозначаются соответственно: для локомотива в режиме тяги — , а в режиме холостого хода – ; для состава — , поезда — в режиме тяги или в режиме выбега (холостого хода) на прямом горизонтальном пути и измеряется в Ньютонах.

Удельное сопротивление представляет собой сопротивление движению приложенное к единице веса подвижного состава и, соответственно обозначается: , , , , и измеряется в Н/кН. В данном случае размерность не сокращается, так как векторы силы сопротивления поступательному движению направлены горизонтально пути движения, а векторы силы веса направлены перпендикулярно горизонтальным силам.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

21. Сопротивления движению поезда.

Силы, действующие вдоль оси пути по направлению движения поезда называются движущими силами, а силы встречного направления – силами сопротивления движения поезда.

Сопротивления движению поезда делятся на две составляющие:

I. Основное, действует при движении поезда всегда:

1). Сопротивление пути – трение качения колес по рельсам из-за деформации опорных поверхностей (сила обратно пропорциональна диаметру колес и зависит от твердости материалов); трение скольжения из-за проскальзывания и из-за трения между гребнями бандажей и рельсами, которые уменьшаются при натяжке в режиме тяги; от ударов на неровностях пути (зависит от скорости, нагрузки на ось, зазора в стыке).

2). Сопротивление подвижного состава – трение в подшипниках (сила прямо пропорциональна диаметру оси, обратно пропорциональна диаметру колеса, зависит от коэффициента трения, площади соприкосновения, смазки).

3). Сопротивление внешней среды – впереди сжатие воздуха, боковые поверхности и крыша соприкасаются с воздухом, в промежутках между вагонами и за составом происходит разряжение, завихрение воздуха (конструктивно выполнять более обтекаемую форму).

II. Дополнительное – возникает при движении по отдельным участкам пути и в отдельные периоды времени.

1). От уклонов – эти силы создаются составляющей веса поезда, действующая на подъеме против движения поезда, а на спусках – по направлению движения.

Уклон характеризуется крутизной i, в – тысячных долях и показывает высоту подъема в метрах на каждый километр пути.

Удельная сила дополнительного сопротивления от подъема численно равна величине подъема и измеряется в ньютонах на килоньютон.

2). От кривых – под действием центробежной силы гребни бандажей колесных пар прижимаются к рельсам и появляется трение. Колесо, идущее по внутреннему рельсу, имеет проскальзывание; трение в опорах кузова, в боковых опорах. Из-за большого числа факторов и сложных зависимостей удельное дополнительное сопротивление от кривой определяется по эмпирической формуле ω_R = 700 / R, где R – радиус кривой в м.

3). При трогании с места – повышенное трение в подшипниках (смазка выдавлена, полусухое трение), большая деформация рельса и колеса.

Силы удельного дополнительного сопротивления при трогании с места определяются по эмпирическим формулам:

для подшипников скольжения ;

для подшипников качения .

m_Bo – масса вагона, приходящаяся на одну ось.

4). При низких температурах окружающего воздуха – возрастает вязкость смазки, а значит и коэффициент трения; возрастает так же и сопротивление воздушной среды; определяется по формуле ω_НТ = ω₀ (К_НТ -1), а значение коэффициента К_НТ берется из таблицы при различных низких температурах и скоростях движения для грузовых и пассажирских вагонов.

5). От ветра — встречный и боковой ветер увеличивают сопротивление из-за трения и увеличения сопротивления воздушного потока. По таблице берется коэффициент ветра К_В и дополнительное сопротивление от ветра ω_В = ω₀ (К_В -1).

6). От подвагонных генераторов для пассажирских вагонов.

7). От движения в тоннелях.

Общее сопротивление движения поезда W_К определяется алгебраической суммой основного и дополнительного сопротивлений. W_К = W₀ + W_д, в Н. Почти все виды сопротивлений пропорциональны весу поезда, поэтому рассматривают удельное сопротивление движения поезда ω_Н = ω₀ + ω_д в Н/кН.

Основное удельное сопротивление определяется по эмпирическим формулам в зависимости от скорости движения:

— для различных серий локомотивов;

— при движении под током;

— при движении без тока;

— в зависимости от подшипников качения или скольжения;

— в зависимости от количества осей вагона;

— для груженых или порожних вагонов;

— для стыкового или бесстыкового пути.

Общее основное удельное сопротивление определяется как .

Основное сопротивление движению поезда.

Основное сопротивление движению поезда, это сила сопротив­ления, действующая на поезд при движении его по прямому, горизон­тальному участку пути при отсутствии ветра.

Оно складывается из сопротивлений от внутреннего трения подвижного состава, сопротивления от взаимодействия пути и подвижного состава и сопро­тивления от воздушной среды.

Сопротивление от внутреннего трения подвижного состава склады­вается из трений: щёток о коллектор, якоря о воздух, в зубчатой передаче, моторно-якорных, моторно-осевых подшипниках электровоза, в буксовых подшипни­ках электровоза и вагонов.

Сопротивление от взаимодействия пути и подвижного состава. При движении между колесом и рельсом из-за неравенства диаметров бандажей, ви­ляния тележек, от прижатия в кривых гребней бандажей к внутренней грани на­ружного рельса возникает трение скольжения. Кроме того, колесо набегает на торцы рельс на стыках и на крестовины стрелочных переводов, воспринимает удары от неровностей пути (лыски или ползуны от боксовки) и само передает удары на путь, особенно сильно, при наличии ползунов или овальности бандажей.

Сопротивление от воздушной среды. Это сопротивление складывается из лобового, межвагонного и кормового. Оно увеличивается с увеличением ско­рости.

Полное основное сопротивление уменьшается при правильном уходе за узлами трения и их своевременной смазке, при правильном содержании механи­ческой части, бандажей колесных пар, рельсовой колеи, стрелочных переводов, применении безстыкового пути, при обтекаемой форме пассажирских локомоти­вов и электропоездов, при закрытых дверях и люках в грузовых поездах, а также при правильном формировании состава: желательно иметь одно лобовое соп­ротивление (только от электровоза) и не более.

Основное сопротивление складывается из полного основного сопротивления электровоза и состава

Удельное сопротивление для локомотивов и вагонов состава для скорос­тей, кратных десяти подсчитывается по эмпирическим формулам.

Дополнительное сопротивление.

Дополнительное сопротивление движению складывается из со­противления от подъёма (уклона) и кривой.

Дополнительное сопротивление от подъёма. Поскольку с увеличени­ем крутизны подъёма пропорционально увеличивается удельное сопротивление от подъёма, удельное сопротивление от подъёма принято считать равным его величине, например при крутизне подъёма j = 10 тысячных удельное сопротив­ление от этого подъёма равно 10 кгс/ т.

Полное сопротивление от подъёма равно удельному сопротивлению, от подъёма умноженному на вес электровоза и состава, т.е. на вес поезда:

Дополнительное сопротивление от кривой. В кривых гребни бандажей прижимаются к боковой грани наружного рельса. Чем меньше радиус кривой и меньше поперечные разбеги колёсных пар, тем больше удельное сопротивление от кривой. Кроме этого, в кривых возникают дополнительные усилия в опорах кузова и автосцепках электровоза и состава.

Удельное сопротивление от кривой подсчитывается по опытной форму­ле:

Полное сопротивление от кривой равно удельному сопротивлению от кривой, умноженному на вес поезда:

Для уменьшения дополнительного сопротивления применяют гребнесмазыватели различной конструкции, а при реконструкции ж.д. увеличивают радиус кривых и уменьшают крутизну подъёмов.

Добавочное сопротивление.

В отличие от основного и дополнительных сопротивлений, которые все­гда присутствуют при движении поезда, это сопротивление может быть не всегда. К нему относятся следующие виды сопротивлений: сопротивление от ветра, от низких температур, от трогания с места, от воздушной среды в тоннелях и подва­гонных генераторов в пассажирских поездах.

Сопротивление от ветра. Встречный или боковой ветер создает доба­вочное сопротивление движению. Учитывается на участках с постоянными вет­рами в процентах от основного сопротивления.

Сопротивление от низких температур. Возникает из-за повышения вязкости смазки в узлах трения. Учитывается при температурах наружного возду­ха ниже 25 градусов в процентах от основного сопротивления. Как правило, при таких температурах снижается вес поезда, особенно на участках, где весовая норма поезда установлена по сцеплению

Сопротивление от трогания с места. Возникает из-за увеличения трения скольжения и вдавливания колес поезда в неровности пути. После оста­новки смазка занимает свободное пространство, и трогание с места происходит при полусухих подшипниках, особенно при подшипниках скольжения. Это сопро­тивление подсчитывается по эмпирическим формулам, которые учитывают тип подшипников и нагрузку на ось вагона.

Сопротивление от воздушной среды в тоннелях и подвагонных гене­раторов в пассажирских поездах. Первое сопротивление подсчитывается в про­центах от основного, а второе — учитывается при скоростях более 20 км/час

2.12 Составляющие сопротивления движению поезда

Для того чтобы обеспечить движение поезда необходимо преодолеть возникающие при этом силы трения в элементах подвижного состава и железнодорожного пути, а на подъемах, кроме того, еще и силу тяжести.

Работа, затраченная на преодоление сил трения, расходуется на истирание деталей подвижного состава и пути и, в конечном счете, превращается в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающую среду.

Работа, затраченная не преодоление силы тяжести при движении на подъем, идет на увеличение потенциальной энергии поезда и может быть возвращена, если вслед за подъемом следует спуск.

Сопротивлением движению поезда W называется эквивалентная сила, работа которой на некотором участке пути равна работе всех сил, противодействующих движению поезда на том же участке.

Сопротивление движению, в конечном счете, определяет:

1. вес поезда,
2. скорость его движения,
3. расход электроэнергии или дизельного топлива.

Сопротивление движению поезда условно делят на три составляющих (рис. 2.4):

1. Основное сопротивление движению поездаW₀ на прямом и горизонтальном участке пути, зависит от типа подвижного состава и скорости его движения.
2. Дополнительное сопротивлениеW_д, возникающее на подъемах и в кривых участках пути, зависящее от плана и профиля железнодорожной линии.
3. Добавочное сопротивлениеW_доб, возникающее при особых условиях движения поезда (трогании с места, движение в тоннеле, особо неблагоприятная погода).

Рис. 2.4. Классификация составляющих сопротивлению движения поезда Полное сопротивление движению поезда равно сумме этих трех составляющих: (2.22) Почти все силы, противодействующие движению поезда, пропорциональны его весу. Поэтому для расчетов удобно использовать отношение сопротивления движению поезда W к его весу (G+Q). (2.23) где: G — вес локомотива, а Q — вес вагонов. Величину w называют удельным сопротивлением движению и измеряют в Н/кН. Удельное сопротивление движению можно определить отдельно для локомотива: (2.24) и для вагонов: (2.25) Полное сопротивление движению поезда равно сумма сопротивлений движению локомотива и вагонов: (2.26) Основное сопротивление движению поезда и его составляющие Основным называется сопротивление движению поезда на прямом и горизонтальном участке пути. Можно выделить три составляющих основного сопротивления движению:

1. сопротивление пути;
2. сопротивление подвижного состава;
3. сопротивление воздушной среды.

1. Сопротивление пути создается силами, возникающими при перекатывании колеса по рельсу. Под действием приложенной к колесу вертикальной нагрузки от веса подвижного состава, рельс несколько прогибается (рис. 2.5) и образующееся при этом углубление препятствует движению колеса. Рис. 2.5 Движение колесной пары по рельсам Сопротивление качения колеса можно уменьшить, увеличивая жесткость пути. Это достигается:

• повышением твердости поверхностей рельса и колеса,
• применением более тяжелых рельсов,
• уменьшением расстояния между шпалами.

2. Сопротивление подвижного состава обусловлено трением между его деталями, и главным образом — трением в буксовых подшипниках. Эта составляющая основного сопротивления движению является наиболее существенной при малых скоростях движения. В настоящее время все локомотивы, электропоезда и пассажирские вагоны, а также значительная часть грузовых имеют роликовых буксовые подшипники. 3. Сопротивление воздушной среды является результатом взаимодействия движущегося поезда с окружающим его воздухом. Непосредственно перед лобовой поверхностью локомотива создается зона повышенного давления. Воздух из этой зоны обтекает движущийся поезд вдоль его боковых поверхностей. В промежутках между вагонами, в подвагонном пространстве и за хвостовым вагоном образуются зоны пониженного давления и туда устремляется окружающий воздух, образуя там завихрения. При скорости движения до 40 км/ч сопротивление воздушной среды составляет незначительную часть от общего сопротивления движению. По мере увеличения скорости поезда эта составляющая возрастает и при скорости движения около 200 км/ч — практически определяет величину основного сопротивления движению поезда. Расчет основного сопротивления движению поезда Существенное влияние на величину основного сопротивления движению оказывают факторы, которые нельзя точно рассчитать заранее. К ним относятся:

1. состояние пути;
2. состояние подвижного состава;
3. износ трущихся деталей;
4. наличие и качество смазки.

Поэтому формулы для расчета основного сопротивления движению устанавливаются на основе результатов многочисленных испытаний подвижного состава в различных условиях. Результаты опытов обычно представляют в виде графиков, которые отражают зависимость удельного основного сопротивления движению w₀ определенного типа подвижного состава от скорости v. Для удобства расчетов подбирают формулы, которые дают достаточно хорошее совпадение с результатами опытных поездок. Формулы, полученные не основе опытных данных, называются эмпирическими (от греческого «эмпирия» — опыт). Результаты расчетов по эмпирическим формулам будут справедливы только при выполнении следующих двух условий:

1. использование определенных единиц измерения для величин, входящих в эмпирические формулы.
2. употребление эмпирических формул только для определенного диапазона изменения входящих в них величин.

Обычно формулы для определения удельного основного сопротивления движению имеют вид: (2.27) где a,b,c — коэффициенты, полученные из опытных данных, зависящие от типа подвижного состава и степени загрузки вагонов. Расчет дополнительного сопротивления движению поезда от уклонов Кроме силы тяги и сил трения на поезд действует еще сила тяжести, направленная вертикально вниз. Проекция силы тяжести поезда (G+Q) на направление его движения называется дополнительным сопротивлением движению поезда от уклоновW_i. Из рисунка 3.6 следует, что дополнительное сопротивление движению от уклонов определяется уравнением: (2.28) где α — угол между силой тяжести и перпендикуляром к плоскости рельсов, равный углу наклона участка пути. Рис. 2.6. Схема образования дополнительного сопротивления движению поезда на уклоне

• на подъемах (α > 0 и sinα > 0) сила W_i действует навстречу движению поезда;
• на спусках (α< 0 и sinα< 0) сила W_i действует по направлению движения поезда;
• на горизонтальных участках пути α = 0 и sinα= 0.

Крутизну подъема или спуска характеризуют уклоном, который равен отношению высоты подъема ΔН к длине участка ΔS. Если для измерения ΔН и ΔS использовать одинаковые единицы измерения, то уклон равен синусу угла подъема пути и выражается в долях единицы: (2.29) В железнодорожной практике принято измерять уклон отношением высоты подъема в метрах к длине участка в километрах: (2.30) При этом единицей измерения уклона служит тысячная доля или просто тысячная, обозначаемая как ‰. Уклон i = 1‰ соответствует изменению высоты ΔН в метрах на расстоянии ΔS = 1 км. Подставим в формулу (2.30) выражение (2.29) и исключив sinα, используя соотношение (2.28) получаем: (2.31) Как следует из выражения (2.30) дополнительное сопротивление движению от уклонов в кгс/т∙с или Н/кН численно рвано уклону в ‰: (2.32) Расчет дополнительного сопротивления движению от кривых На рисунке 2.7,а показан вид снизу на локомотив или вагон, движущийся по прямолинейному участку пути. При этом оси всех колесных пар 1 располагаются параллельно друг другу и перпендикулярно оси пути, а продольные оси тележек 2 совпадают с продольной осью кузова 3. Благодаря конической форме бандажей колесная пара занимает в рельсовой колее среднее положение, при котором гребни бандажей 4 не касаются боковых граней рельсов 5. При движении локомотива или вагона по кривой гребни бандажей 4 прижимаются к внутренней грани наружного рельса (рис. 2.7,б). Кроме того, при входе подвижного состава в кривую и при выходе из нее тележки 2 поворачиваются относительно кузова 3 на угол β. Рис. 2.7. Схемы расположения колесных пар и тележек подвижного состава на прямом и кривом участках пути Дополнительные силы трения, вызванные этими явлениями, возрастают с уменьшением радиуса кривой. Удельное дополнительное сопротивление движению поезда от кривых определяют по эмпирической формуле: (2.33) где R — радиус кривой в метрах. Эта формула справедлива, если поезд полностью расположен в кривой (рис. 2.8,а). Если же длила поезда l_n превышает длину кривой S_кр, то в пределах кривой располагается только часть состава (рис. 2.8,б). При этом удельное сопротивление от кривой соответственно уменьшается. Рис. 2.8. Схемы расположения поезда на кривом участке пути (2.34) Сопротивление движению от кривых w_R всегда положительно в отличие от удельного дополнительного сопротивления движению от уклонов w_i, которое может быть как положительно, так и отрицательно. Расчет полного сопротивления движению поезда Полное сопротивление движению поезда определяют по формуле: (2.35) Основное сопротивление движению поезда равно сумме основных сопротивлений движению электровоза и вагонов . Дополнительное сопротивление движению учитывают как сумму сопротивлений движению от уклона w_i и кривых w_R. Добавочное сопротивление учитывают по специальным нормам только при особых условиях движения поезда. Используя выражения (3.35) и (3.26) имеем: (2.36) Из анализа формулы (2.36) видно, что полное сопротивление движению зависит от:

1. типа подвижного состава;
2. веса поезда;
3. профиля и плана железнодорожной линии.

Основное сопротивление движению локомотива составляет 2÷5% от основного сопротивления движению грузового состава. Поэтому при движении поезда главным является второе слагаемое — сопротивление движению вагонов . Третье слагаемое в формуле (2.36) не зависит от скорости движения. На подъемах эта величина положительна, а не спусках отрицательна. Приложение 1 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Железные дороги. Общий курс: Учебник для вузов/М. М. Филиппов, М.М. Уздин, Ю.И. Ефименко и др.; Под ред. М.М. Уздина. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1991. — 295 с.
2. Кононов В. Е. Подвижной состав и тяга поездов: Учеб. пособие. — М.: РГОТУПС, 2002. — 123 с.
3. Кононов В. Е., Скалин А. В., Ибрагимов М. А. Локомотивы (общий курс). -М.: РГОТУПС, 2008. 187 с.
4. Общий курс железных дорог. Учебное пособие / В.И. Апатцев, В.И. Некрашевич, Е.В. Бородина Российский государственный открытый технический Университет путей сообщения. -М.: 1997. — 140 с.

29