Тяга поездов: Учебное пособие. Часть 1, страница 11

При циклическом повторении нагрузки-разгрузки происходит процесс упругого гистерезиса, характеризуемый петлей гистерезиса. Предположение об образовании петли гистерезиса деформированного металла колес и рельсов удалось подтвердить экспериментально. Гистерезисная петля представляет собой разность между затраченной и возвращенной работой деформации и изображается диаграммой зависимости напряжения от деформации. Так как площадь диаграм­мы пропорциональна части энергии упругости, перешедшей в тепло, то деформация представляет собой необратимый процесс рассеяния (диссипации) энергии. Этим явлением частично объясняется то, что сила тяги на автосцепке локомотива меньше касательной силы тяги на ободах колес. Явление диссипации используется некоторыми авторами для построения энергетической теории сцепления. Гисте-резисные потери зависят от скорости качения, глубины внедрения ми­кровыступов, скорости релаксации (процесса возвращения в состояние равновесия системы, выведенной из такого состояния).

На основе изложенного о природе сцепления можно заключить, что сопротивление сдвигу колеса представляет собой реакцию каса­тельной силы, зависящую от механических свойств материала, микро­геометрии шероховатых поверхностей контакта, диаметра колес

27

и глубины внедрения микровыступов под действием нормальной наг­рузки от колес на рельсы. Чем меньше твердость контактиоующих поверхностей и чем больше нагрузка, тем больше их деформация и взаимное проникновение микровыступов, тем больше контурная площадка. Чем больше диаметр колес, тем при прочих равных усло­виях больше площадь контурной площадки, тем больше микронеров­ностей вовлекается в зацепление.

Основной характеристикой микрорельефа шероховатых поверх­ностей является отношение h/r, где h и г — соответственно глубина внедрения и радиус отдельно взятого микровыступа. Шероховатость определяют по профилограмме (графическому изображению профиля поверхности посредством профилографов). С позиций физики твер­дого тела упругая деформация возникает, когда нагрузка и•силы молекулярного взаимодействия еще не вызывают напряжений, превышающих предел текучести (наибольшего напряжения, при котором в теле впервые возникает пластическая деформация). Упру­гая деформация обусловлена размером зерен, химическим составом металла, температурой тела, наличием «третьего тела» на контак­тирующих поверхностях. Все это надо учитывать для обеспечения наибольшей возможной силы тяги по сцеплению.

Исследования контурной площадки привели к заключению о том, что она состоит из зоны сцепления и зоны скольжения. Пер­вая расположена в передней части по направлению движения, вто­рая — после нее.

По предположению Рейнольдса, упругая деформация металла сопровождается микроскольжением. Под действием нормальной со­ставляющей нагрузки и касательной силы колесо при качении пе­ремещает перед собой волну деформированного металла рельса. Материал колеса при этом сжат в зоне набегания и растянут у осно­вания опорной поверхности. Материал рельса, напротив, растянут в зоне набегания и сжат у основания упругой волны. В результате упругого оттеснения металла колеса и рельса в противоположных направлениях возникает относительное перемещение контактирующих поверхностей, называемое упругим скольжением от сдвига. Возникающая при сдвиге сила трения направлена в сторону, обратную скольжению, и совпадает с направлением силы упругой деформации. Поэтому сила трения и сила упругой дефор­мации являются аддитивными величинами (подлежащими алгебраичес­кому сложению).

Вследствие конической формы бандажей и зазоров между их гребнями и внутренними гранями головок рельсов происходит виляние (извилистое движение колесных пар в колее). При этом качение колес одной колесной пары происходит кругами катания разных диаметров, и поэтому колеса проходят разные пути. Но так как они жестко посажены на одну ось, возникает продольное проскальзывание колес по рельсам. Одновременно происходит 28

также поперечное скольжение, которое зависит от угла наклона гребня бандажа, профиля головки рельса, угла набегания колеса на рельс, разбега колесной пары, базы и жесткости связи тележки с кузовом в плане, скорости движения, радиуса кривой и возвышения наружного рельса при прохождении кривых участков пути, разности диаметров левого и правого колес колесной пары, трения в связях тележек с рамой тепловоза. Вследствие сложности явления силы трения скольжения от виляния колесных пар не поддаются учету и поэтому оцениваются совместно с продольным трением скольжения. Продольное и поперечное скольжение колесных пар, обусловленное конструкцией и состоянием экипажа и пути, называют кинема­тическим скольжением.

Таким образом, сила трения скольжения возникает вследствие упругого и кинематического скольжения колес. Как известно, си­ла трения равна произведению /W, где /—коэффициент трения; N — нормальная нагрузка. Коэффициент трения зависит от нагрузки колес, микрогеометрии поверхностей, механических характеристик ма­териала, скорости скольжения. При большой нагруженности контакта слой деформированного металла утрачивает подвижность и под по­верхностью трения происходит деформация пластического сдвига, в результате которой может возникнуть боксование.

Итак, механическая составляющая силы тя­ги по сцеплению представляет собой совокупность взаимо­действий внутренних сил в результате упругой и пластической де­формации, с одной стороны, и внешних сил — зацепления микровыс­тупов и сил трения в результате упругого сдвига и кинематического скольжения — с другой.

Молекулярные взаимодействия в контакте колес и рельсов. Ис­следования микрорельефа сжатого металла в зоне контакта колес и рельсов показали, что площадь фактического контакта вершин микровыступов составляет всего лишь 10% контурной площадки [20]. Следовательно, на каждый квадратный миллиметр фактического контакта приходится весьма большая нормальная нагрузка. Только от статической нагрузки она колеблется от 3 до 6 кН мм'2. При дина­мических воздействиях нагрузка может возрасти до 4—8 кН/мм2.