Тяга поездов: Учебное пособие. Часть 1, страница 10

Потенциальную силу тяги по сцеплению практически реализо­вать затруднительно и нецелесообразно потому, что многочислен­ные возмущающие воздействия приводили бы к неустойчивому дви­жению. Неустойчивые системы неработоспособны, опасны, вызыва­ют интенсивный износ технических средств. С другой стороны, не­обходимость вождения поездов наибольшей массы побуждает к бо­лее полному использованию силы сцепления. Так возникает пробле­ма определения практически приемлемой величины коэффициента сцепления, которая охватывает исследование физической природы процесса сцепления, с одной стороны, и технико-экономическую обоснованность величины этого коэффициента — с другой.

2.3. ФИЗИЧЕСКАЯ  ПРИРОДА СЦЕПЛЕНИЯ  КОЛЕС  С  РЕЛЬСАМИ

При описании процессов возникновения силы тяги интерес пред­ставлял сам механизм передачи мощности от тяговых двигателей к колесным парам. Поэтому сила сцепления колес с рельсами рас­сматривалась просто как реакция рельсов. При этом условно до­пускалось отсутствие упругих свойств и деформации металла в зоне контакта колес с рельсами, межмолекулярных взаимодействий, упругого и кинематического скольжения колес при качении, влияния инородных веществ на поверхности рельсов и колес.

В действительности все это оказывает большое влияние на силу сцепления и приводит к необходимости изучения ее физической при­роды. Познание природы сцепления позволяет находить средства и способы повышения норм массы поездов, обеспечения устойчивости движения локомотивов, снижения износа бандажей и рельсов. Естест-

25

венно, что природа сцепления стала предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований у нас и за рубе­жом.

В настоящее время общее признание получила теория моле-кулярно-механического взаимодействия контактирующих поверх­ностей на основе учения о физике твердого тела. Механичес­кое взаимодействие проявляется в процессе деформации и трения контактирующих поверхностей колес и рельсов, что тесно связано с упруго-вязкими свойствами материала и микрогеометрией шероховатых поверхностей.

Молекулярная составляющая сцепления проявляется в виде явлений микросхватывания и фрикционных связей между колесами и рельсами, которые возникают в результате взаимо­действия неуравновешенных молекул и атомов на поверхности сжатых твердых тел. Наконец, на стабильность сцепления оказывает большое влияние наличие на поверхностях рельсов и колес «третьего тела» — газа, влаги, пыли, масла и других веществ. Таким образом, важней­шими природными факторами, обусловливающими силу сцепления колес с рельсами, являются: механические взаимодействия; меж­молекулярные взаимодействия в контакте колес и рельсов; взаимо­действия поверхностей колес и рельсов с внешней средой. Рассмотрим их раздельно.

Механические взаимодействия. В теории трения различают три вида механического взаимодействия поверхностей твердых тел, относящихся к сцеплению колес с рельсами: упругий контакт, пласти­ческий контакт, микрорезание. При упругом контакте происходит формоизменение материала в зоне контакта в виде упругого оттесне­ния его, когда нагрузка и молекулярные связи не превышают преде­ла текучести. Пластический контакт возникает, когда контактные напряжения достигают предела текучести и материал обтекает более жесткие внедрившиеся микровыступы. Микрорезание возникает, когда контактные напряжения достигают значений, при которых прекращается режим обтекания выступов деформированного метал­ла и происходит разрушение микровыступов.

Все эти виды механического взаимодействия зависят от: нормаль­ной и касательной нагрузки, шероховатости контактирующих поверх­ностей, механических свойств материала, тангенциальной прочности микровыступов, продолжительности контактирования, воздействия внешней среды.

Статическая нагрузка колесной пары на рельсы отечественных локомотивов не превышает 250 кН. При динамическом взаимодей­ствии с рельсами она может достигать 350 кН. Под действием нормаль­ной нагрузки происходит смятие металла в зоне контакта, в результа­те которого образуется контурная площадка [20] эллиптического вида. Только под действием статической нагрузки ее площадь может достигнуть 400 мм2. 26

В зоне контурной площадки происходит механическое зацеп­ление микровыступов подобно зубчатой передаче, а также внедре­ние в деформированный металл более жестких выступов. Под дей­ствием силы сдвига (касательной силы тяги) возникает упругая деформация металла рельса и колеса. Упругой деформацией называют изменение формы контактирующих поверхностей без изменения объема тел.

При отсутствии внешних воздействий силы притяжения и от­талкивания молекул твердого тела взаимно уравновешены между собой. Под действием силы сдвига происходит смещение молекул в узлах кристаллической решетки металла, и равновесие наруша­ется. Силы межмолекулярного взаимодействия препятствуют это­му смещению, и в теле возникают упругие силы, уравновешиваю­щие внешние силы. Способность материала сопротивляться изме­нению формы при сохранении объема характеризуется модулем сдвига Е = т/7, где т — касательное напряжение; у —• угол сдвига (угол, образованный отклонением по вертикали верхней сдвинутой плоскости деформированного металла от ее положения до деформации). При деформации металла затрачивается работа на взаимное проникновение атомов, молекул и ионов, которая согласно закону сохранения энер­гии преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации. При перекатывании колес деформированный металл освобождается от.нагрузки и упругие силы молекулярных связей возвращают кристал­лическую решетку в прежнее состояние за счет ранее накопленной потенциальной энергии. Благодаря этому восстанавливается форма колеса и рельса.