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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.