Тяга поездов: Учебное пособие. Часть 1, страница 6

С физической точки зрения это равносильно тому, что неравно­мерно ускоренное (замедленное) движение заменяют равномерно ускоренным (замедленным). Такое допущение вносит небольшую погрешность в расчеты, потому что постоянная времени массы поезда, характеризующая ее инерционность, значительно превышает постоян­ную времени энергосиловых устройств локомотива и состава. Фактор времени при торможении более точно можно учесть, если тормозные задачи решать по интервалам времени методом ВНИИЖТа.

Кусочно-линейная функция тем больше приближается к исход­ной, чем меньше интервалы скорости. Построение ее называют а п -проксимацией (приближением). По нормативам ПТР допустима аппроксимация по интервалам скорости не более 10 км/ч.

Таким образом, для построения словесно-описательной модели поезда его можно считать неизменяемой системой с одной степенью свободы, на которую действуют только внешние силы, приложенные к центру масс поезда в середине его длины и совпадающие с направле­нием движения поезда (либо противоположны ему). Если силы за­висят от скорости, то движение можно предсказать только путем ре­шения дифференциальных уравнений. Для поезда, имеющего одну степень свободы, достаточно одного дифференциального уравнения.

Для расчета поведения сложной системы используют метод чер­ного ящика, что позволяет в интервалах малых скоростей использо­вать статические характеристики в качестве априорной информации. Так как силы нелинейные, а решения нелинейных дифференциальных уравнений сложно, для построения модели поезда используют прин­цип малых отклонений, позволяющий производить кусочно-линейную аппроксимацию статических характеристик сил и использовать прин­цип суперпозиции при решении дифференциального уравнения дви­жения в форме задачи Коши. В каждом интервале скорости допустимо принимать равнодействующую сил постоянной по значению, соответ­ствующей средней арифметической скорости в интервале и заданному режиму движения. В зависимости от сочетания сил различают следую­щие режимы движения:

1) тяги — взаимодействуют сила тяги локомотива FK и сила сопро­тивления движению WK;

2) холостого хода — действует одна сила WK;

3) торможения — взаимодействуют сила WK и тормозная сила Вт.

При смене режимов или внешней нагрузки согласно принципу дальнодействия предполагается скачкообразное изменение равно­действующей сил. В зависимости от соотношения сил, составляющих равнодействующую, определяется характер движения поезда. Напри­мер, ускоренное движение — если сила тяги больше сил сопротивле­ния движению, замедленное — если сила тяги меньше силы сопротив­ления, равномерное—если они равны между собой. Поезд обладает свойством устойчивости, поэтому он всегда стремится к равномер­ной скорости при любом режиме движения.

15

1.5. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЯГИ И ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА

Построение математической модели представляет собой вывод дифференциального уравнения движения поезда с учетом словесно-описательной модели. Для этого используем теорему об изменении кинетической энергии системы, которая в классической 'механике формулируется следующим образом: изменение кинетической энергии механической системы при некотором ее перемещении равно алгебраи­ческой сумме работ внутренних и внешних сил на этом перемещении.

Согласно предположению I работа внутренних сил поезда равна нулю, и поэтому ее не будем учитывать. Тогда согласно закону со­хранения энергии

dr = (fK-rK-BT)ds, (1.1)

где Т — кинетическая энергия поезда, кг-ма/с2; FK — касательная сила тяги ло­комотива, Н; WK — общее сопротивление движению поезда, Н; 8Т — тормозная сила, Я; s — путь, пройденный поездом, км.

В пределах малых приращений пути и скорости силы принимают постоянными, и поэтому их не требуется представлять в дифферен­циальной форме. Силы Вт и WK берут со знаком минус потому, что они направлены против движения поезда. Учтем, что поезд имеет не только поступательное движение, но и вращательное движение колесных пар, якорей и зубчатых передач тяговых электродвигателей. Поэтому необходимо применить теорему Кенига: кинетическая энергия неизменяемой механической системы равна сумме кинетических энер­гий поступательного движения всей массы системы со скоростью ее центра масс и кинетической энергии вращательного движения ее вокруг центра инерции.

Если движение поезда прямолинейное, то нет необходимости учи­тывать его вращение вокруг центра инерции. Необходимо учитывать лишь вращение отдельных частей системы вокруг своих центров инерции.

Тогда применительно к поезду теорему Кенига можно сформули­ровать так: кинетическая энергия поезда равна сумме кинетической энергии поступательного движения всей массы поезда со скоростью его центра инерции, расположенного в середине длин поезда, и суммы кинетических энергий вращения колесных пар, якорей двигателей и зубчатых передач вокруг своих центров инерции.

При этом кинетическая энергия поезда определится по формуле

v*   ,   V/      И*вл \ ,     Ш*кл -± VA   М" л -v Т -= т —— -f 2д /кв ~ 4 2j /кл —— + 2j/я —— '                     (1-2)

где т — масса поезда, т; v — скорость поступательного движения поезда, км/ч; /кв. /кл. /я ~ полярные моменты инерции соответственно колесных пар вагонов и локомотива, якорей тяговых двигателей; шкв, ыкл, со,, — угловая скорость со­ответственно колесных пар вагонов и локомотива, якорей тяговых двигателей.

16

Для удобства тяговых расчетов произведем приведение вращаю­щихся масс к поступательному движению. Звеном приведения при­нимаем колеса поезда. Известно, что условием эквивалентности вращающихся масс системы и приведенной массы является равенство их кинетических энергий. На этом основании запишем:

V- t?         v          «KB    ,   v          «кл       v,     шя

т"Т ~ mT+ ^ кв Т +^/кл Т ч - ЯТ~' (1 -3)

где /пп — масса поезда, приведенная к поступательному движению.

Определим   полярные  моменты  инерции   вращающихся   масс:

/ив-;«квРкв;    1кл--тклркл'>    ]я~----тя(>1-

где тнв,   тк.,,   тя — соответственно массы вращающихся колесных пар вагонов, локомотива и якорей тяговых электродвигателей с зубчатой передачей.