Calcule de tracțiune

Calculele de tracțiune  sunt o parte aplicată a teoriei tracțiunii trenului , care ia în considerare condițiile de mișcare a trenului și rezolvă problemele legate de determinarea forțelor care acționează asupra trenului și a legilor mișcării trenului sub influența acestor forțe.

Istoricul calculelor de tracțiune

În 1814, în Anglia, William Gedley și Timothy Gakward au efectuat primele experimente privind evaluarea experimentală a forțelor de aderență ale roților unei locomotive cu abur cu șine . În 1818, George Stephenson a efectuat primele experimente pentru a determina forțele de rezistență la mișcarea vagoanelor . În 1825-1830. Inginerul ceh Frantisek Antonin Gerstner, care a construit o cale ferată trasă de cai în Austro-Ungaria, a stabilit că un cal poate transporta de șapte ori mai multă sarcină pe șine decât pe un drum de pământ.

În 1858, profesorul Institutului Corpului Inginerilor de Căi Ferate A.G. Dobronravov și-a publicat lucrarea „Teoria generală a motoarelor cu abur și teoria locomotivelor cu abur”, unde a dat ecuația mișcării trenului și a analizat în detaliu elementele forțelor. de rezistenţă la mişcare. În 1869, profesorul M.F. Okatov a efectuat experimente „la alunecare”, adică a determinat mărimea forței de tracțiune prin aderență. În 1877-1879. proiectantul de locomotive cu abur, inginerul V. I. Lopushinsky, a efectuat experimente pe diferite drumuri pentru a măsura rezistența la mișcare a unei locomotive cu abur și a vagoanelor folosind dinamometre.

În 1877, profesorul L. A. Ermakov, în lucrarea sa „Determinarea consumului de combustibil de către locomotivele cu abur”, a dezvoltat științific bazele calculelor de tracțiune pentru a determina greutatea trenului, timpul de călătorie, viteza admisă a trenurilor prin frâne, consumul de combustibil și apă. În 1883, L. A. Ermakov a luat în considerare natura rezistenței la mișcare pe o cale orizontală și dreaptă, pe pante și în secțiunile curbe ale căii.

În 1880, inginerul A.P. Borodin a creat un stand pentru testarea locomotivelor cu abur în atelierele feroviare din Kiev. Setul de roți motrice al unei locomotive cu abur 1-2-0 a fost separat de cel pereche și ridicat deasupra șinelor, unul dintre bandaje a fost răsucit sub scripetele de transmisie cu cureaua. Echipamentul utilajului atelierelor a servit drept încărcătură pentru locomotiva cu abur. Dezavantajul standului a fost limita de sarcină - 65-70 kW la 100 rpm a roților motoare, care corespundea unei viteze de 30 km/h.

În 1889, a fost publicată lucrarea profesorului Institutului de Tehnologie din Sankt Petersburg Petrov „Rezistența trenurilor pe căile ferate”, în care componentele forțelor de rezistență la mișcarea trenurilor și influența diferiților factori asupra amplorii lor au fost considerat teoretic. În 1892, a propus formule de calcul pentru determinarea rezistenței la mișcarea materialului rulant.

În 1903-1904. La uzina Putilov din Sankt Petersburg a fost construită o stație de testare a patinoarului. Fiecare axă motoare a locomotivei era montată pe o rolă, a cărei jantă avea profilul unui cap de șină, roțile de ghidare și de susținere se sprijineau pe șine. Locomotiva a fost cuplată printr-un dinamometru la un suport masiv. Prin frânarea rolelor s-a creat sarcina constantă necesară a locomotivei.

În 1898, inginerul Yu. V. Lomonosov a început să efectueze teste operaționale ale locomotivelor cu abur ca parte a trenurilor în numele serviciului de tracțiune al căii ferate Harkov-Nikolaev. Din 1908, pe toate căile ferate s-au efectuat teste de tracțiune și termică ale locomotivelor cu abur după metoda propusă de acesta. În 1912, în subordinea Ministerului Căilor Ferate, a fost creat „Oficiul de experimente pe tipuri de locomotive cu abur”, condus de Yu. V. Lomonosov. Ministerul Căilor Ferate a aprobat „Regulile pentru realizarea experimentelor comparative pe tipuri de locomotive cu abur”, care sunt obligatorii pentru testarea locomotivelor cu abur pe căile ferate de stat. Pe baza testelor efectuate, au fost create pașapoarte tehnice pentru locomotivele cu abur din aproape toate seriile care funcționează pe căile ferate rusești. În 1917, Ministerul Căilor Ferate a aprobat „Regulile provizorii pentru realizarea calculelor de tracțiune”, create pe baza lucrărilor „Oficiului Experimental”.

În 1932, lângă stația Butovo a fost construit un „Inel de cale ferată experimentală” cu un diametru de 1912 m, destinat testării materialului rulant. În 1935, inelul a fost electrificat, ceea ce a făcut posibilă testarea primelor locomotive electrice din seriile VL19 și S11. Toate noile tipuri de locomotive sunt testate pe inel pentru a determina caracteristicile lor de tracțiune.

Calcule de tracțiune

Se folosesc calcule de tracțiune:

Simplificari folosite in calcule

Dacă traseul nu este format din tronsoane drepte, acestea recurg la îndreptarea profilului căii.

Îndreptarea profilului pistei și determinarea urcării de mare viteză și coborârii maxime estimate

Pentru a îmbunătăți acuratețea rezultatelor calculelor de tracțiune, precum și pentru a reduce volumul și timpul de implementare a acestora, este necesar să se îndrepte profilul traseului unei anumite secțiuni.

Îndreptarea profilului căii se bazează pe egalitatea lucrului mecanic pe un profil îndreptat și pe un profil real.

Îndreptarea profilului constă în înlocuirea a două sau mai multe elemente adiacente ale traseului longitudinal cu un element, a cărui lungime s c  este egală cu suma lungimilor elementelor îndreptate ( s 1 , s 2 , . . . . . , s n ). ) adică

s С \u003d s 1 + s 2 + .... + s n,

panta i” c  se calculează prin formula


Pentru ca calculele vitezei și timpului de deplasare a trenului de-a lungul secțiunii să fie suficient de precise, este necesar să se verifice posibilitatea de îndreptare

grupuri de elemente de profil conform formulei:

unde s i este lungimea secțiunii îndreptate, m;

Δi este valoarea absolută a diferenței dintre panta secțiunii îndreptate și panta elementului care se verifică, 0 / 00 ,

Fiecare element al grupului rectificabil este supus acestei verificări. Cu cât elementele grupului rectificat sunt mai scurte și cu cât sunt mai aproape de abruptitate, cu atât este mai probabil ca testul lor de satisfacție a stării să fie pozitiv.

Curbele de pe secțiunea îndreptată sunt înlocuite cu o pantă fictivă, a cărei abruptitate este determinată de formula

unde S kri  și R i sunt lungimea și raza curbei în secțiunea îndreptată, m.

Abruptul secțiunii îndreptate, ținând cont de ridicarea fictivă din curbă

Luăm valorile i'c pozitive pentru mișcarea acolo, iar valorile mișcării inverse i ' c  negative, adică . urcarea devine coborâre.

Nu puteți îndrepta următoarele elemente: urcare estimată, urcare abruptă, coborâre abruptă. De asemenea, platformele de pe întinderea dintre elemente de diferite semne nu pot fi incluse în îndreptare. Un profil îndreptat trebuie să păstreze toate caracteristicile unui profil real în ceea ce privește poziția relativă a punctelor ridicate și coborâte.
După îndreptarea profilului pistei, îl analizăm pentru a identifica urcarea calculată, urcarea de mare viteză și cea mai abruptă coborâre.

Ascensorul de proiectare se numește un astfel de lift, pe care este setată viteza de proiectare, acest lift este secțiunea cea mai dificilă. i calc = 8,0 ‰.

O ascensiune scurtă cu o abruptă mai mare decât cea calculată este o astfel de urcare la care i calc <i cr, dar lungimea sa este mai mică decât cea calculată și de aceea trenul o depășește destul de ușor i cr = 8,0 ‰.

O coborâre abruptă este cea mai abruptă coborâre, la care trenul trebuie să treacă la ralanti și, în același timp, să folosească frâna i cpu = -6,8 ‰

Calculul masei compoziției

Calculăm masa după formula:

unde F cr este forța de tracțiune calculată a locomotivei, kgf;

valoarea vitezei calculate este egală cu V p

i p - abruptul creșterii calculate,

P este masa estimată a locomotivei, m

w, 0 - rezistivitatea de bază a locomotivei, kgf/t

Depinde de viteza si este determinata de formula:

w,, 0 - rezistivitatea principală a compoziției în kgf / t, calculăm, respectiv, și pentru viteza de proiectare conform formulei

unde alfa, betta și gamma sunt, respectiv, cotele mașinilor cu 4, 6 și 8 osii în compoziția în greutate dată

Verificarea masei compozitiei

Luăm în considerare că înainte de a depăși o secțiune abruptă, compoziția este precedată de elemente de profil ușoare. În acest caz, calea, a cărei abruptitate este egală cu 8,0 0 / 00 , a trecut de tren, ținând cont de energia cinetică

unde V n este viteza la începutul liftului care este verificat, i.e. aceasta este viteza care a fost dezvoltată pe elementul anterior

V to - viteza la finalul ascensiunii verificate

(f k - w k ) cf - forța specifică, calculăm pentru valoarea medie a vitezei

Valoarea vitezei medii este:

Verificarea masei trenului pe lungimea liniilor de primire și de plecare ale gării

Pentru a verifica masa trenului pe lungimea șinelor de primire și de plecare, trebuie mai întâi să determinați numărul de vagoane din tren și lungimea trenului.

Numărul de vagoane din tren:

4 axe:

8 axe:

Aflați lungimea totală a trenului folosind formula:

unde Ll este lungimea locomotivei

Calculul și construcția curbelor forțelor de accelerare și decelerare

Calculul diagramei forțelor rezultante specifice se efectuează pentru trei moduri de conducere a trenului de-a lungul unei secțiuni orizontale:

1) pentru modul de tracțiune

2) pentru ralanti

3) pentru modul de frânare:

în timpul frânării de serviciu

în timpul frânării de urgență

Calculul se efectuează în raport cu vitezele de la 0 până la proiectare, precum și pentru vitezele calculate și viteza de atingere a caracteristicii automate

Forțele care acționează asupra unui tren Forța de tracțiune

Forta de tractiune a locomotivei in functie de viteza este determinata de caracteristicile de tractiune, care sunt construite pentru anvelope noi in concordanta cu caracteristicile motoarelor de tractiune luate pe banc sau in timpul probelor de functionare. Forța de tracțiune a locomotivei nu poate depăși forțele de aderență ale roților motrice ale locomotivei cu șinele.

,

unde F K  este forța de împingere;
P este greutatea de „cuplaj” a locomotivei (suma sarcinilor pe șine de la toate roțile motrice);
ψ este coeficientul de aderență.

Coeficientul de frecare al roții cu șina este maxim la parcare și scade pe măsură ce viteza locomotivei crește. Deoarece coeficientul real de aderență depinde de factori aleatori precum starea căii și condițiile atmosferice, acesta este înlocuit cu coeficientul de frecare calculat ψ K , a cărui valoare este determinată de formule empirice bazate pe rezultatele a numeroase experimente în real. Operațiune. În cel mai simplu caz, pentru locomotive:

,

unde v este viteza de deplasare, km/h.

Rezistența la mișcare

Rezistența la deplasarea trenului se numește forță aplicată în punctele de contact al roților cu șinele, pentru a depăși aceeași muncă ca și pentru a depăși toate forțele necontrolate care împiedică deplasarea. Rezistivitatea este forța de rezistență a fiecărei unități de greutate a trenului.

,

unde w este rezistivitatea;
W este rezistența totală, N;
P este greutatea locomotivei, kN;
Q este greutatea vagoanelor, kN.

Rezistența principală se numește forțele care împiedică mișcarea materialului rulant de-a lungul unei căi orizontale drepte într-o zonă deschisă în condiții meteorologice normale, la orice viteză admisă. Rezistența principală este formată din:

  • rezistența la frecare în rulmenții de osie;
  • rezistența la frecarea de rulare a roților pe șine;
  • rezistența la frecarea de alunecare a roților pe șine;
  • disiparea energiei în timpul interacțiunii roților cu șinele (pierderea energiei la îmbinări și neregularități ale căii, deformarea elastică a șinelor și traverselor);
  • rezistenta aerului;
  • disiparea energiei în mediu în timpul oscilațiilor verticale ale părților arcuite ale materialului rulant și smucirilor de-a lungul lungimii trenului.

Din cauza influenței a numeroși factori, este practic imposibil să se stabilească dependențe analitice pentru calcularea rezistivității principale; valoarea acesteia este obținută exclusiv experimental. Ca rezultat al prelucrării datelor experimentale, se obțin formule empirice sau grafice. De exemplu, pentru un cărucior cu patru axe pe rulmenți cu role care se deplasează de-a lungul unei căi de legătură

,

unde q 0  este sarcina de la setul de roți pe șine.

Rezistențele suplimentare se numesc forțe temporare care apar în condiții specifice de funcționare a materialului rulant:

  • din panta profilului pistei;
  • din curbura căii;
  • din vânt;
  • de la temperatură scăzută;
  • din tuneluri;
  • de la generatoarele de tren de rulare ale autoturismelor.

Rezistența specifică suplimentară la mișcare din pantă este luată egală cu valoarea pantei în ppm.

.

Rezistența specifică suplimentară la mișcare în secțiunile curbe ale căii de rulare apare din următoarele motive:

  • roțile aceluiași set de roți parcurg o cale diferită de-a lungul șinelor exterioare și interioare (conicitatea anvelopelor reduce această diferență), ceea ce duce la o creștere a alunecării roților;
  • datorită acțiunii forței centrifuge, crestele roții sunt presate pe fața laterală interioară a șinei exterioare, ceea ce crește forța de frecare de alunecare;
  • boghiurile de material rulant se rotesc în raport cu axa caroseriei, în urma cărora apar forțe de frecare de alunecare în suporturi, dispozitive de pivotare și cutii de osii.

Rezistența specifică suplimentară la mișcarea din curbă este calculată prin formule empirice, atunci când lungimea trenului este mai mare decât lungimea curbei

,

unde R este raza curbei;
s KP  este lungimea curbei;
l P  este lungimea trenului.

Când lungimea trenului este mai mică sau egală cu lungimea curbei

.

Atunci când se efectuează calcule care necesită o precizie sporită, se ia în considerare și viteza trenului și cota șinei exterioare.

Rezistența specifică suplimentară la mișcare cauzată de acțiunea unui vânt frontal sau lateral se determină în fracțiuni din rezistența specifică principală folosind coeficientul K B .

.

Coeficientul K B este determinat din tabele sau nomograme și depinde de viteza vântului, viteza materialului rulant și densitatea aerului. Lista siturilor pentru care se utilizează corecția pentru vânt și viteza vântului pentru fiecare perioadă se stabilește pe baza rezultatelor observațiilor meteorologice pe termen lung.

La temperaturi scăzute ale aerului exterior, densitatea acestuia crește, crescând rezistența aerodinamică la mișcare, crește vâscozitatea lubrifiantului în ax și rulmenți motor-axiali, crescând forțele de frecare din acestea. Rezistența specifică suplimentară de antrenare datorită temperaturii exterioare scăzute este luată în considerare la temperaturi sub -25 °C utilizând coeficientul K HT

.

Coeficientul K HT se determina din tabele in functie de viteza trenului si de temperatura exterioara.

Rezistența specifică suplimentară de la deplasarea în tuneluri apare din cauza creșterii rezistenței la rezistență, a efectului de rarefacție în secțiunea de coadă a trenului și a apariției turbulențelor între pereții tunelului și trenului.

.

Coeficientul K T depinde de viteza trenului și de numărul de linii din tunel. Într-un tunel cu două căi, rezistența la mișcarea aerului este mult mai mică decât într-un tunel cu o singură cale.

Rezistența suplimentară a generatoarelor de tren de rulare ale autoturismelor este luată în considerare la viteze de 20 km/h și peste.

,

unde P' este puterea nominală medie a generatorului trenului de rulare.

Nu există generatoare de tren de rulare în trenurile de mare viteză care au o sursă de alimentare centralizată de la o locomotivă sau vagonul unei centrale electrice.

Procesul de îndepărtare de la locul materialului rulant după opriri lungi (20 de minute sau mai mult) are loc în condiții de frecare semi-uscată și uscată. În timpul parcării, pana de ulei dintre părțile de frecare ale rulmentului osiei este distrusă, temperatura scade și vâscozitatea lubrifiantului crește. Parcarea este însoțită de o strivire semnificativă a metalului în zona zonei de contact, ceea ce crește pierderile cauzate de frecarea de rulare de-a lungul șinelor. Rezistență suplimentară la pornire pentru materialul rulant pe rulmenți

. Forța de frânare

Forța de frânare a trenului este definită ca suma produselor forțelor reale de apăsare ale plăcuțelor de frână K și coeficienților efectivi de frecare a plăcuțelor φ K sau ca produsul sumei forțelor de presare calculate (reduse) K P și coeficientul de frecare calculat al plăcuțelor φ KP .

.

Odată cu creșterea vitezei și apăsarea specifică a plăcuțelor, cantitatea de căldură generată în timpul frecării plăcuței împotriva roții crește, temperatura metalului roții și plăcuței crește, stratul de suprafață devine mai plastic, ca urmare dintre care coeficientul de frecare scade. Coeficientul de frecare este calculat folosind formule empirice, de exemplu, pentru plăcuțe de frână din fontă standard

.

Forța reală de apăsare este determinată de presiunea aerului din cilindrul de frână (cilindrii de frână au găuri pentru conectarea unui manometru), zona pistonului, forța arcului de eliberare, raportul de pârghie a frânei, numărul de plăcuțe care funcționează dintr-un cilindru, eficiența cilindrului și pârghie. Pentru a simplifica calculele, se utilizează forța de presare calculată și coeficientul de frecare calculat. Formula pentru determinarea coeficientului de frecare calculat pentru plăcuțele din fontă este

.

Forțele de presare calculate se determină conform standardelor stabilite pentru fiecare tip de locomotivă, vagon și sarcina acestuia. Pentru a preveni derapajul, forța de frânare generată de mijloacele de frânare ale fiecărei perechi de roți nu trebuie să depășească forța de aderență a perechii de roți la șine.

Coeficientul de frânare calculat este raportul dintre suma forțelor de presare calculate și greutatea trenului

.

În calculele în care se ia în considerare utilizarea frânării de urgență, coeficientul de frânare calculat este considerat egal cu valoarea sa completă; atunci când se aplică frânarea de serviciu completă, coeficientul de frânare calculat este egal cu 0,8 din valoarea sa completă. Pentru frânarea de control, valoarea coeficientului de frânare calculat, în funcție de stadiul de frânare, se determină din tabele.

Calculul greutății compoziției

Greutatea trenului și viteza trenului se determină din condiția de utilizare deplină a puterii locomotivei și a energiei cinetice a trenului. Greutatea trenului se determină pe baza stării de deplasare de-a lungul ascensiunii calculate (de ghidare) la o viteză uniformă și de-a lungul urcării celei mai dificile la o viteză neuniformă folosind energia cinetică a trenului. Greutatea trenului în condițiile deplasării la o viteză uniformă pe creșterea calculată se determină din condiția de egalitate a forțelor de tracțiune și rezistență la deplasarea trenului conform formulei

,

unde w' 0  este rezistivitatea principală a locomotivei;
w'' 0  este rezistivitatea principală a vagoanelor.

Greutatea compoziției pentru trecerea celei mai dificile urcări folosind energia cinetică este determinată de metoda de selecție. Pentru a face acest lucru, se determină greutatea compoziției pentru ridicarea calculată și se verifică posibilitatea de a trece cel mai dificil ascensor. Dacă viteza la capătul elementului verificat este mai mică decât cea calculată (minimul admisibil), greutatea compoziției se reduce și calculul se repetă.

Greutatea trenului este, de asemenea, verificată pentru starea de pornire în creștere, în timp ce forța de accelerare rezultată trebuie să fie mai mare decât zero.

Rezolvarea problemelor de frânare

Sarcinile de frânare sunt sarcinile de determinare a mijloacelor de frânare care asigură o reducere a vitezei sau o oprire completă a trenului la distanța necesară și sarcinile de determinare a distanței la care un tren cu mijloace de frânare cunoscute poate opri sau reduce viteza la o valoare dată. Datorită inerției sistemului de frânare, creșterea forței de frânare în diferite mașini nu are loc simultan. Pentru a simplifica calculele, se presupune că forța de frânare crește instantaneu până la o valoare constantă după o anumită perioadă de timp t p , care se numește timpul de pregătire a frânelor pentru acțiune. Timpul de pregătire a frânelor pentru acțiune crește odată cu creșterea lungimii compoziției, iar în calcule se folosesc și corecții pentru panta și mărimea forței de frânare.

Distanța de frânare este egală cu suma distanței de frânare pregătitoare (distanța parcursă în timpul pregătirii frânelor) și a distanței efective de frânare. Valoarea distanței reale de frânare este determinată de obicei prin integrarea numerică a ecuației mișcării pe intervalele de viteză.

Determinarea vitezei maxime admisibile în funcție de presiunea de frânare calculată, în funcție de mărimea pantei

Se caută cea mai abruptă coborâre cu mijloace de frânare date și distanța totală de frânare acceptată egală cu . Metoda de rezolvare este grafico-analitică. Distanța totală de oprire este:

unde S p este calea de pregătire a frânelor pentru acțiune, timp în care frânele trenului sunt considerate condiționat inactive (din momentul în care mânerul macaralei conducătorului auto este setat în poziția de frânare până când frânele trenului sunt pornite).

S d este distanța reală de oprire pe care trenul se deplasează cu frânele în forță maximă

Calculul timpului de călătorie prin metoda lui Degtyarev

Pentru construcție, este necesar să faceți un șablon sub forma unui triunghi isoscel. Pentru scara noastră, dimensiunile triunghiului sunt următoarele: baza este de 60 mm, înălțimea este de 180 mm. După realizarea șablonului, începem construcția. Când trenul începe să se deplaseze din stația „A”, viteza acestuia crește în consecință, curba timpului ar trebui să crească, aplicăm baza șablonului astfel încât unghiul uneia dintre laturile sale și baza să se sprijine pe începutul stației „A” , trageți o linie de-a lungul șablonului de la zero până la punctul de intersecție cu viteza . Din punctul primit tragem o linie de-a lungul celeilalte laturi isoscele pana la baza. Apoi construim același triunghi, pe care îl limităm și la curba de viteză deja construită.

În continuare, continuăm să construim triunghiuri unul lângă celălalt. Ca rezultat, obținem că cu cât viteza este mai mare, cu atât triunghiul este mai mare, iar un triunghi este egal cu un minut. Numărăm aceste triunghiuri construind o curbă de timp, pentru aceasta, proiectăm abscisa la care triunghiul este egal cu un minut se termină cu abscisa, care corespunde valorii de 1 minut, și conectăm punctul care corespunde acestui minut la următorul minut. Astfel, obținem o curbă cu intervale de la un minut la alt minut, adică. de la capătul unui triunghi până la capătul altui triunghi. Trebuie avut în vedere că curba timpului este în creștere, prin urmare, atunci când ordonata este egală cu 10 minute, tăiem curba și deplasăm punctul de rupere în jos. Astfel, curba este tăiată la fiecare 10 minute. În cazul nostru, pe baza scalei, un triunghi este egal cu 0,1 minut.

Trasarea unei curbe de viteză

Curba vitezei este un grafic al dependenței vitezei unui tren de distanța parcursă. Sub axa absciselor, profilul traseului este reprezentat condiționat. De obicei, o curbă a vitezei de deplasare este construită pentru compoziția greutății calculate atunci când se determină cel mai scurt timp de călătorie pentru un tren pe o anumită secțiune. Calculul se realizează printr-o metodă grafică, folosind diagrame ale forțelor de accelerare și decelerare, sau prin integrarea ecuației de mișcare a trenului. Rezultatul calculului este utilizat la pregătirea programului de tren.

Literatură

  • Astakhov P. N. „Rezistența la mișcarea materialului rulant feroviar” Procedurile Institutului Central de Cercetare al Ministerului Căilor Ferate. Numărul 311. - Moscova: Transport, 1966. - 178 p.
  • Deev V. V., Ilyin G. A., Afonin G. S. Manual „Tracțiunea trenurilor”. - Moscova: Transport, 1987. - 264 p.
  • Reguli de calcul al tracțiunii pentru lucrul cu trenul. — M.: Transport, 1985. 287 p.