Существуют несколько гипотез образования силы сцепления колеса и рельса. В основу гипотезы упругих деформаций положено представление об упругом смещении колеса по рельсу. Прикладываемый к колесу вращающий момент вызывает некоторое перераспределение нагрузок в зоне контакта. В силу упругости материала при качении колеса возникает деформация поверхностей трения колеса и рельса, причем поверхность трения колеса находится в состоянии сжатия, а рельса–в состоянии растяжения.
По мере перекатывания колеса по рельсу эти поверхности стремятся возвратиться в исходное состояние. Согласно одной из гипотез под влиянием возникающих при этом упругих сил по периферии контактной площадки, где нагрузки невелики, происходит относительное смещение контактирующих поверхностей. Таким образом, помимо характеризующейся высокими нагрузками зоны сцепления, возникает зона проскальзывания поверхностей трения, или зона скольжения, вызванная упругими деформациями колеса и рельса.
С ростом вращающего момента зона сцепления уменьшается, а зона скольжения увеличивается. Соответственно увеличивается и скорость скольжения. При постоянном вращающем моменте чем больше скорость поступательного движения колеса, тем больше скорость скольжения. Пропорциональность между скоростью движения и скоростью скольжения сохраняется до тех пор, пока вращающий момент не превзойдет допускаемого по сцеплению, соответствующего максимальному значению силы сцепления Fсц max. В этом случае контактирующие поверхности начинают скользить одна по другой и развивается процесс боксования, влекущий за собой резкое снижение силы тяги. Таким образом, в процессе образования силы сцепления и силы тяги наблюдается качение колеса и его упругое проскальзывание относительно рельса, называемое «микроскольжением», «псевдоскольжением» или «криппом», которое характеризуется отношением скорости скольжения к скорости перемещения центра колеса.
Согласно теоретическим расчетам упругое проскальзывание (крипп) не должно превышать 0,2–0,3% скорости движения, однако по данным, полученным при экспериментах в эксплуатационных условиях, проскальзывание колес по рельсам составляет 0,5–2,0% скорости движения. Такое проскальзывание трудно объяснить только упругим скольжением поверхностей трения в зоне контакта колеса с рельсом. Поэтому широкое распространение получила выдвинутая в прошлом веке Н. П. Петровым гипотеза пластических деформаций, основывающаяся на положении о том, что при перекатывании колеса по рельсу трение качения обязательно сопровождается трением скольжения. Согласно этой гипотезе контактная площадка делится на участки скольжения и сцепления. С ростом вращающего момента участок сцепления уменьшается и в случае реализации предельной силы тяги стягивается в точку. Касательное напряжение на участке скольжения не зависит от вращающего момента, а является лишь функцией нормального давления. Изменение силы сцепления зависит от размеров участка скольжения.
Тангенциальная сила (сила тяги) между колесом и рельсом не может возникнуть при отсутствии скольжения. Хотя обе гипотезы содержат различные предпосылки, однако в обоих случаях учитывается возникновение предельного состояния, за которым следует срыв сцепления.
Зависимость между коэффициентом сцепления и скоростью скольжения (рис. 1) может быть условно разделена на две части. При наблюдается прямая пропорциональность между скоростью скольжения и коэффициентом сцепления, однако по мере роста скорости скольжения и приближения ее к зависимость становится все более нелинейной. При возникает процесс боксования.
Для оценки интенсивности уменьшения коэффициента сцепления по мере увеличения скорости скольжения сверх используют параметр, называемый жесткостью характеристики сцепления:
Где – значение в точке.
Принято считать, что сила сцепления колесной пары пропорциональна вертикальной нагрузке от колес на рельсы. При этом коэффициент сцепления рассматривается как коэффициент пропорциональности между силой сцепления и нормальной нагрузкой.
По современным воззрениям, в основе сцепления колеса с рельсом лежат фрикционные процессы, которые являются проявлением сил молекулярного взаимодействия, упругих и пластических деформаций материала в зоне контакта взаимодействующих тел, а сам процесс образования силы сцепления ( силы тяги) представляет собой совокупности качения колеса и его проскальзывания относительно рельса.
Отношение максимально реализуемой осью силы тяги к нормальной нагрузке от колес на рельсы в данный момент определяет коэффициент сцепления одной оси. Современные локомотивы с индивидуальным .приводом осей в эксплуатационных условиях не реализуют этот коэффициент, поскольку на локомотиве всегда имеется одна или несколько осей, находящихся в наиболее неблагоприятных условиях по сцеплению и готовых перейти в режим боксования раньше чем будут реализованы наибольшие значения силы тяги остальными осями локомотива. В связи с этим коэффициент сцепления локомотива в целом ограничивается условиями сцепления лимитирующей оси локомотива.
При исследовании характера сцепления колес с рельсами было установлено, что причинами, способствующими появлению лимитирующих осей, чаще всего являются конструктивные и эксплуатационные особенности подвижного состава и рельсового пути, приводящие к разгрузке передних колесных пар за счет опрокидывающего момента, колебаниям вертикальных нагрузок от колесных пар и отдельных колес на рельсы, различию сил тяги и торможения, реализуемых отдельными осями, принудительному скольжению колес, вызванному конусностью бандажей и свободной установкой их в рельсовой колее.
Большое внимание уделяют улучшению условий сцепления при разработке конструкции локомотивов. Для улучшения их тяговых свойств применяют независимое возбуждение тяговых двигателей; механическое спаривание колесных пар с помощью промежуточного зубчатого колеса при индивидуальном приводе; одномоторные тележки при групповом приводе; упругую связь колесной пары с редуктором и демпфирующими устройствами; рациональное размещение двигателей при опорно-осевом подвешивании; бесчелюстные буксы; бесшкворневые тележки, связанные с кузовом через наклонное тяги, а также современное рессорное подвешивание.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.