Admin

Общие принципы механики движения поездов и работы локомотивов

В 2015 г. редакция возобновляет публикацию серии статей под рубрикой «Школа молодого машиниста» (прошлые публикации см. «Локомотив» № 1 — 12 за 2006 г. и № 1 — 11 за 2007 г.), где будут приведены начальные сведения, разъясняющие устройство и принципы работы автономных локомотивов, конструкции их основных узлов, основы тяги поездов, организации эксплуатации и ремонта локомотивов. Думаем, что эти статьи будут интересны и полезны как учащимся, студентам и молодым преподавателям железнодорожных учебных заведений, так и начинающим машинистам локомотивов и их помощникам.

ЧАСТЬ 1. ДВИЖЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Локомотивы, как и все транспортные машины, предназначены для перемещения в пространстве грузов или пассажиров. Наибольшие объемы транспортной перевозочной работы в мире связаны, в первую очередь, с перевозками именно грузов, обеспечивающих потребности различных отраслей. Это так называемые массовые грузы: топливо (нефтепродукты, уголь), полезные ископаемые (руда, различные виды сырья), строительные материалы (цемент, песок, щебень, керамзит https://dikom-baza.ru/keramsit), минеральные удобрения и сельскохозяйственные продукты.

Мы часто говорим, что локомотив ведет поезд. Но что именно с физической точки зрения вызывает движение состава? Почему один и тот же поезд в одних условиях движется быстро, а в других значительно медленнее? Какие данные и характеристики локомотива определяют характер движения поезда?

Чтобы ответить на эти вопросы, надо вспомнить раздел механики из школьного курса физики.

В любом учебнике физики рассматривается простейший пример прямолинейного движения тела по горизонтальной поверхности. Физическое тело (предмет) А лежит (рис. 1,а) на горизонтальной опорной поверхности Б (или плавает на поверхности жидкости). Сила тяжести (вес) тела Р = mg, где m — масса, ад — ускорение земного притяжения (д = 9,81 м/с2), действует на опорную поверхность сверху вниз. Реакция опорной поверхности N (или выталкивающая сила жидкости) по закону равенства действия и противодействия равна силе тяжести по величине и противоположна по направлению. Вследствие равенства и противоположности действующих сил их сумма или равнодействующая равна нулю: тело находится в состоянии покоя (в вертикальном направлении).

Каким образом можно вывести тело А из состояния неподвижности и заставить его двигаться в горизонтальном направлении, например, вправо? Ответ может быть лишь один — необходимо приложить к телу какую-то внешнюю силу (а сила в физике — это результат взаимодействия двух тел), направленную в сторону ожидаемого движения.

Потянем тело А вправо с силой F, приложенной к телу, например, при помощи каната (гибкой нити) (рис. 1 ,б), как это предусматривалось на некоторых первых железных дорогах.

При этом, если сила F превысит по величине силу трения покоя между телом и поверхностью, то тело сдвинется с места и начнет перемещаться вправо. После начала движения препятствовать этому перемещению будет сила сопротивления движению W0, являющаяся результатом трения скольжения между телом А и опорной поверхностью Б или, в общем случае, окружающей средой.

По известному закону Кулона-Амонтона величина силы трения скольжения по твердой поверхности прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела А на опорную поверхность Б, т.е. силе тяжести Р, а именно, W0 = Рц, где ц — коэффициент трения. В данном случае это коэффициент трения скольжения, величина которого зависит от материалов и состояния трущихся поверхностей.

В дальнейшем, если величина силы F будет больше силы W0, то равнодействующая этих сил R, действующих на тело по горизонтали, будет больше 0, т.е. R = F-W0 > 0, и направлена вправо. В этом случае движение тела будет ускоренным.

Величина ускорения а тела по второму закону Ньютона пропорциональна равнодействующей силе R = F - W0 и обратно пропорциональна массе m тела (т = Р/g, где g — ускорение силы тяжести), т.е. а = (F-W0)/m.

Таким образом, движение тела по горизонтальной поверхности связано с наличием двух групп сил. Две вертикальные силы (тяжести и нормальная реакция опорной поверхности или пути) уравновешены, а две горизонтальные силы в общем случае не уравновешены. Поэтому движение будет горизонтальным. Сила сопротивления W0 появляется с момента начала движения, она неуправляема и не зависит от того, кто организует движение. Зато внешняя сила F полностью зависит от того, кто организует движение, а точнее, от мощности двигателя транспортного средства. Поэтому-то силу F и называют движущей внешней силой.

Сформулируем основные условия движения материальных тел, вытекающие из законов механики:

□ причиной движения может быть только внешняя по отношению к телу сила F (см. рис. 1);

□ характер движения (изменения скорости) зависит от соотношения величин движущей силы и силы сопротивления. Например, увеличение скорости движения тела будет происходить, если F > W0 и др.


Способы создания движущей силы в различных видах транспорта. Так как для перемещения любого тела к нему следует приложить внешнюю силу в направлении предполагаемого движения, то при разработке любого способа организации транспортного движения и транспортных средств, целью которых является перемещение грузов (или пассажиров), первичными извечно возникали и возникают по сей день три главных вопроса:
- как создать и реализовать движущую силу транспортного средства (это — качественная сторона любого проекта в области транспорта);

* какая величина движущей силы необходима для возможности перемещения транспортного средства (для преодоления сопротивления движению — количественная сторона);

* сколько энергии необходимо затратить на это перемещение и за какое время оно возможно (оценка технико-экономической целесообразности).

Эти вопросы возникали и на заре развития железнодорожного транспорта. Ответы на эти вопросы искали и создатели первых локомотивов, и строители первых железных дорог.

В различных видах транспортных систем используются разные способы создания движущей силы. Большинство из них относятся к двум принципиально отличающимся классам.

Первый — это непосредственное приложение внешней силы (рис. 2).

Самая очевидная форма реализации этого способа — приложение внешней силы от стационарного источника энергии при помощи гибкой связи (каната), как это было показано на рис. 1.

Существуют различные системы, в которых транспортные средства перемещаются при помощи канатной тяги:

• над поверхностью земли — канатные дороги с вагонетками для грузов на предприятиях горно-добывающей промышленности, канатно-кресельные дороги для пассажиров (например, лыжников) в горных условиях;

• на поверхности земли — по рельсам или направляющим — фуникулеры и эскалаторы;

• в вертикальном направлении на земле и под землей — лифты.

При помощи канатов перемещаются несамоходные паромы на водных (речных) переправах (например, через каналы).

Ясно, что все эти средства пригодны для транспортировки на ограниченные расстояния, зависящие от возможной длины тяговых канатов. Величина движущей силы также ограничивается прочностью канатов и приемлемой допустимой их массой.

В начальную пору железнодорожного строительства в некоторых случаях проекты рельсовых дорог с канатной тягой от стационарных паровых машин не только всерьез конкурировали с локомотивной тягой, но и были реализованы частично (на подъемах), например, на первых железнодорожных линиях в Англии (рис. 2,а).

Другая форма непосредственного использования внешней силы, а именно использование динамического давления ветра р при помощи паруса (рис. 2,6), была очень долгое время для человечества основным способом транспорта на воде, причем даже на очень большие расстояния — при кругосветных экспедициях.

Движущая сила в этом случае создается под действием динамического давления ветра, которое зависит от квадрата его скорости, на площадь поверхности паруса А. Величина движущей силы F при попутном ветре является произведением величины динамического давления р воздуха на площадь поверхности паруса A (F = р-А). Чем больше скорость ветра и площадь перпендикулярных ему поверхностей парусов, тем больше величина движущей силы.

При помощи парусного флота были совершены многие великие географические открытия. Парусные суда используются и сейчас, но ограниченно и, главным образом, для спортивных целей или отдыха. Недостатки этого способа, если говорить о массовых перевозках грузов или пассажиров в современном мире, очевидны: ветер не всегда есть вообще и далеко не всегда он дует в нужную сторону.

Есть еще некоторые формы непосредственного приложения внешней силы для транспорта:

♦ использование давления воздуха, газа или жидкости в замкнутых трубопроводах (водопроводы, трубопроводный транспорт нефти и газа, пневмо- и гидротранспорт сыпучих материалов, пневматическая почта);

♦ использование электромагнитного взаимодействия между искусственным путем и транспортным средством (линейный электродвигатель, ускорители ядерных частиц).

Очевидно, что эти способы еще менее универсальны и существенно ограничены по своим возможностям: либо по определенному виду транспортируемого груза, либо по расстоянию транспортировки.

Второй класс возможных способов создания движущих сил для транспортных целей — использование реакций твердого пути или подвижной среды, окружающей транспортные средства.
а — отталкивание «рычагами» от твердой поверхности (паровоз У. Бренто-на); б — колесный пароход; в — отталкивание колесом от твердой поверхности
Перечислим основные из них.

© Отталкивание рычагами от твердой поверхности. Этим способом пользуются наземные животные и люди, опорными «рычагами» для которых служат их собственные конечности. Реакция возникает при отталкивании от поверхности вследствие наличия трения между опорой (ногой) и поверхностью дороги. Эффективность этого способа непосредственно зависит именно от величины силы трения. Мы знаем сами, как трудно передвигаться при ее практическом отсутствии (например, по гладкому, скользкомул ьду).

Недостатком отталкивания рычагами применительно к возможности создания сухопутных технических транспортных средств является неравномерность действия движущей силы, ее циклический характер, связанный с попеременным отталкиванием при ограниченном (два или четыре) количестве этих опор или рычагов.

Тем не менее, была в свое время попытка использования этого способа при создании одного из первых паровозов в самом начале позапрошлого столетия. Его создал изобретатель Уильям Брентон в Англии в 1813 г. (рис. 3,а). Паровоз Брентона имел пару вертикальных рычагов (стоек), которыми он под действием паровой машины буквально отталкивался от поверхности земли, примерно так же, как это делает лыжник, отталкиваясь палками. Из-за очевидного недостатка (неравномерности действия отталкивающей силы по величине и по времени), о котором говорилось выше, этот паровоз не мог работать достаточно эффективно, и такая идея не получила дальнейшего развития.

© Отталкивание рычагами от подвижной среды. Так перемещаются рыбы в воде, птицы в воздухе. Человек использовал этот способ на воде, применив весла, которыми гребец, упираясь в воду, отталкивается от нее. Недостаток здесь тот же — циклический характер гребков приводит к неравномерности действия движущей силы,

В колесном пароходе (рис. 3,6), благодаря большому числу лопастей на колесах и тому, что при вращении колес число одновременно отталкивающихся от воды лопастей остается одним и тем же, этот недостаток уже почти не ощущается. В этом случае отталкивание становится практически непрерывным и равномерным.


© Отталкивание колесом от твердой поверхности (рис. 3,в). Fla этом принципе основан весь современный наземный колесный транспорт. Ведущее колесо, к которому должен быть приложен вращающий момент, создаваемый либо мускульной силой велосипедиста, либо передаваемый от вала двигателя транспортного средства, благодаря наличию трения между колесом и поверхностью дороги непрерывно отталкивается от нее и преобразует, таким образом, свое вращательное движение в поступательное движение экипажа, в состав которого оно входит.

Эта непрерывность процесса отталкивания приводит к непрерывности действия внешней реакции, т.е. к непрерывности действия внешней движущей силы, и позволяет создавать технические транспортные средства, в которых движущая сила может действовать постоянно и непрерывно.

® Отталкивание движущим винтом от подвижной среды — так можно назвать способ непрерывного создания движущей силы при помощи гребного винта в воде и воздушного винта в воздухе, который аналогичен по своим свойствам и преимуществам использованию ведущего колеса на твердой поверхности.

Современный флот, речной и морской, надводный и подводный, основан именно на этом принципе, так же как и винтовая (пропеллерная)авиация.

Третий тип из возможных способов создания движущих сил на транспорте обычно называют реактивным движением. Строго говоря, перечисленные выше способы могли бы быть также названы реактивными и, по сути дела, ими и являются, так как основаны на использовании реакций окружающей среды.

Но под реактивным движением обычно принято подразумевать движение за счет силы внутренней реакции массы газовой струи, вытекающей с большой скоростью из камеры сгорания двигателя. Наглядным примером действия подобной реактивной силы может служить явление так называемой «отдачи», которое имеет место при выстреле огнестрельного оружия (револьвера, винтовки, пушки). Орудие стремится сдвинуться в направлении, противоположном движению выстреливаемого снаряда.

Сила отдачи, мгновенно действующая при выстреле на затвор ствола, на основе принципа сохранения импульса практически обратно пропорциональна отношению масс орудия и снаряда. Выстрел — явление кратковременное, поэтому и сила отдачи действует кратковременно. Но на этом принципе основано движение самолета с реактивными двигателями и ракеты. Их двигатели, непрерывно выбрасывая поток продуктов сгорания топлива, создают непрерывно действующую — при работе двигателя — реактивную движущую силу.

Создание движущей силы таким способом, когда ее величина не ограничена условиями взаимодействия с дорогой, привело к разработке высокоскоростных (гоночных) автомобилей и моторных лодок с мощными реактивными двигателями. Такие экспериментальные машины предназначаются для установления рекордов — достижения максимальных скоростей движения на земле и на воде.

Были эксперименты и с использованием реактивных двигателей для создания движущей силы на железнодорожном подвижном составе (в частности, в СССР в 1971 — 1972 гг. испытывался опытный вагон с двумя авиационными турбореактивными двигателями, который при движении смог достичь скорости около 250 км/ч).

Ясно, что подобные транспортные машины с реактивными двигателями на поверхности земли могут иметь лишь или экспериментальный, или спортивный характер — ввиду своих качеств (шум, пожароопасность), не говоря уже о самом главном — отсутствии гарантированного обеспечения безопасности самого движения, например, в случае необходимости аварийной остановки.

Движение поезда. Если мы представим поезд в виде системы связанных между собой тел — локомотива и вагонов (рис. 4), то
мы увидим у каждого тела наличие тех же двух групп сил. Каждую единицу подвижного состава собственная сила тяжести q, прижимает к рельсам. Силы трения (о них мы далее поговорим подробнее) оказывают сопротивление движению каждой единицы подвижного состава. В сумме эти силы представляют собой сопротивление движению поезда W0. А движущая сила F у поезда одна — ее должен создать локомотив, который тянет поезд.

Так как локомотив и вагоны в составе поезда движутся в среднем с одной и той же скоростью, т.е. проходят одно и то же расстояние (от одной станции до другой) за одно и то же время, весь поезд можно считать одним телом суммарным весом (Р + Q), где Q — вес состава. Тогда схема его движения под действием сил на горизонтальном пути будет аналогична рис. 1 ,б.

Подведем первые итоги. Движение поезда определяется величиной движущей силы F. Это та сила, с которой локомотив тянет состав. Поэтому в железнодорожной практике движущая сила, развиваемая локомотивом, называется силой тяги. В некоторых других видах транспорта, например, в авиации или ракетной технике, ее называют просто «тягой» (говорят, что двигатель самолета развивает тягу в столько-то килоньютон и др.).

Движению всегда препятствуют силы сопротивления W, физическая природа которых связана с трением. Рассмотрим несколько подробней эти силы применительно к железнодорожному транспорту. Начнем с сил сопротивления.

Сила сопротивления движению в простейшем случае движения тела по горизонтальной плоскости (см. рис, 1 ,б) — это сила трения скольжения W0. Из физики известно, что она пропорциональна весу тела W0 = р-Р, где р — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Его величина зависит от многих факторов: материал и состояние (шероховатость) трущихся поверхностей, наличие и вязкость смазки, скорость перемещения и др.

Для трения дерева по дереву р * 0,3, металла по металлу р « 0,2, для скольжения твердых поверхностей со смазкой р = 0,05 — 0,10. Таким образом, для перемещения тела «волоком» по горизонтальной поверхности необходимо тянуть его с силой, равной по величине не менее 20 % его веса. Однако и такое сопротивление при скольжении слишком велико, если говорить о массовой транспортировке грузов. В таких условиях, например, тепловоз 2ТЭ10М, который развивает силу тяги примерно 500 кН (50 тс), смог бы тянуть состав по горизонтальному пути массой всего 250 т, т.е. в самом лучшем случае самого себя, так как масса, например, тепловоза 2ТЭ10М составляет 271 т.

Весь путь развития средств транспорта за всю историю человечества — это борьба с трением. Громадным достижением на этом пути было изобретение колеса. Сопротивление движению при качении существенно меньше, чем при скольжении. Сила трения качения может быть в десятки и даже в сотни раз меньше, чем при скольжении. Его величина тем меньше, чем тверже колесо и путь и чем больше диаметр колеса.

Вот почему дорога стала железной, ведь трение качения стального колеса по стальному рельсу минимально.

Правда, помимо сопротивления качению по рельсу движению препятствует трение между шейками осей колесных пар и подшипниками букс. У грузовых вагонов еще встречаются подшипники скольжения. Однако работа трения скольжения в подшипниках уменьшается в отношении диаметра колеса к диаметру шейки. В результате удельное сопротивление движению даже вагонов с подшипниками скольжения обычно не превышает 0,2

— 0,3 % от их веса. Поэтому, например, тепловоз 2ТЭ10М мог бы вести по горизонтальному пути (со скоростью 20 — 25 км/ч) состав из вагонов с подшипниками скольжения массой до 17000

— 25000 т.

Сила тяги. Механическая работа, которую совершает сила тяги при движении поезда, является одной из форм энергии. В соответствии с одним из основных физических законов — законом сохранения энергии — энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому, чтобы совершить работу движения поезда, локомотив должен преобразовать в нее какое-то количество энергии другого вида, например, внутреннюю химическую энергию топлива. Такое преобразование на тепловозе происходит в двигателе внутреннего сгорания, на паровозе — в топке и др.

Чтобы вызвать движение, сила должна быть приложена к телу, т.е. должна быть внешней по отношению к телу. Но сила, создаваемая двигателем внутреннего сгорания вследствие давления газов в цилиндрах на поршни, — это сила внутренняя. Она не может вызвать движение поезда, как не могут привести к поступательному движению «шаги» человека, висящего на гимнастической перекладине. Известный герой «удивительных приключений» барон Мюнхгаузен утверждал, что однажды, завязнув с лошадью в болоте, потянул рукой себя за волосы вверх и вытащил из болота себя, а за собой и лошадь. Противоестественность этого рассказа состоит именно в том, что сила, какой располагал барон, была внутренней и не могла вызвать движения всей системы (барон + лошадь).

Внешняя движущая сила создается локомотивом во взаимодействии с рельсами (рис. 5). В результате преобразования электрической энергии в механическую работу тяговый электродвигатель через зубчатую передачу редуктора сообщает оси колесной пары вращающий момент М. Если пренебречь потерями на трение в моторно-осевых и буксовых подшипниках, можно посчитать, что вся величина этого момента используется для вращения колесной пары с частотой nk (об/мин).

Момент в соответствии с правилами физики можно представить в виде пары сил F, и F,, действующих на плече, равном радиусу колеса R (F1 = F, = M/R). Эта пара сил сама по себе является внутренней по отношению к локомотиву и, следовательно, сама по себе не может вызвать его движения.

В этом нетрудно убедиться, если представить локомотив поднятым над рельсами, например, на домкратах. Его двигатели могут работать, колесные пары вращаться под действием момента М, но поступательного движения не будет — локомотив в этом случае не имеет точки опоры. Также и человек, когда теряет эту опору, оказавшись, например, на скользком льду, может перемещаться лишь с большим трудом и медленно. Однако, когда локомотив не поднят и находится на рельсах, вращение его колесных пар приводит к поступательному движению. Значит, есть сила, преодолевающая сопротивление движению, т.е. трение.

Что же это за сила? Самое удивительное в том, что по природе своей это тоже сила трения. Когда колесо прижато к рельсу силой тяжести П, действие силы F, на рельс в точке касания колеса О при отсутствии его проскальзывания (т.е. при достаточном трении) приводит к появлению равной по величине реакции FK, действующей от рельса на колесо в направлении его поступательного движения. Сила FK— пассивная, она появляется только тогда, когда колесо упирается в рельс под действием приложенного к нему момента М. Тем не менее именно эта сила и является причиной движения, т.е. внешней движущей силой.

Силу сопротивления проскальзыванию колеса относительно рельса называют силой сцепления. Физическая природа процесса сцепления колес локомотива с рельсами представляется очень сложной и во многом неясной до настоящего времени. Дело в том, что движение колеса локомотива по рельсу связано одновременно с трением качения и трением скольжения, в том числе и упругого (крипа). На величину силы сцепления колес с рельсами оказывают существенное влияние скорость движения локомотива, состояние колес и рельсов, а также степень их износа, атмосферные условия (снег, дождь и т.д.), конструкция экипажной части, вес локомотива и целый ряд других случайных факторов.

В первом приближении силу сцепления Fcp определяют как силу трения, т.е., Fcp = № Здесь коэффициент пропорциональности Ч* по аналогии с формулой для определения силы трения можно назвать коэффициентом сцепления. Сила тяги FK (см. рис. 5) не может быть больше предела, устанавливаемого условиями сцепления (FK < F ). В этом, как говорят, состоит ограничение силы тяги по сцеплению.

Объясним это ограничение на примере: шестиосный локомотив весом 1200 кН (массой 120 т) при идеальных условиях реализации максимального расчетного значения коэффициента сцепления Ч/тах = 0,33 сможет создать силу тяги 40 кН независимо от его мощности, т.е. даже в этом случае сила тяги может быть равной лишь трети веса локомотива Fkmax = Р/3.

Таким образом, трение, с которым люди борются, чтобы облегчить работу любой машины или уменьшить затраты энергии на транспорт, в данном случае выполняет полезную службу. Чем больше трение (сцепление) между колесом и рельсом, тем больше может быть сила тяги локомотива. Потеря сцепления, например, при наличии жидкости (воды, масла и др.) между колесом и рельсом ведет к проскальзыванию (пробоксовыванию) колес и к потере (частичной или полной) силы тяги. Так боксуют, например, колеса автомобиля в гололед или на грязной дороге.

При проектировании локомотивов расчетные значения силы тяги FKp, по которым рассчитывают возможный для локомотива вес поезда, устанавливают, по ряду причин, не по пределу сцепления, а с некоторым запасом, считая Fkp = ср-Р, где <р = FKp/P — так называемый коэффициент тяги (ц> < Ч* ).

Величина коэффициента тяги, например, для большинства серийных грузовых тепловозов находится в пределах 0,18 — 0,19 при расчетной величине коэффициента сцепления примерно 0,26.

Энергетика видов транспорта. Любой вид транспорта требует затраты энергии. Оценим эффективность рассмотренного способа создания внешней движущей силы — посредством взаимодействия колес локомотива с рельсами. Как говорят, все познается в сравнении. Попробуем установить место железнодорожного транспорта (локомотивной тяги) среди других видов транспорта. В качестве показателей для сравнения выделим следующие: средняя скорость доставки грузов или пассажиров Vcp (км/ч) и удельная мощность N(kBt/t), затрачиваемая на перевозку 1 т массы груза, = N/(mp + mQ), где N — мощность транспортного средства (кВт), тр и mQ — массы транспортного средства и перевозимого груза (т).

Результаты сравнения различных видов транспорта по вышеперечисленным показателям приведены в таблице. Здесь под высокоскоростным наземным транспортом (ВСНТ) понимаются бес-колесные поезда на магнитном подвесе или воздушной подушке.


Анализ результатов сравнения эффективности работы различных видов транспорта, представленных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:

♦ оптимальным скоростным диапазоном работы колесного железнодорожного транспорта является интервал скоростей 30 — 200 км/ч;

♦ на перевозку единицы массы продукции (груза) локомотивы затрачивают энергию (топливо, денежные средства и др.) в несколько (5 — 8) раз меньше, чем автомобили, и в сотни раз меньше, чем самолеты и вертолеты.

Именно по этим причинам железнодорожный транспорт почти во всех странах мира является самым экономичным видом транспорта для перевозки массовых грузов (уголь, руда, песок, нефть, зерно, машины и др.).

Необходимо также подчеркнуть, что железнодорожный транспорт обязан локомотивам всем своим существованием, как вид транспорта. Именно локомотив как средство тяги превратил обычные рельсовые пути, обслуживавшиеся конной тягой, каких было много на промышленных предприятиях, в железную дорогу.

/Продолжение следует)

В.С. РУДНЕВ,

профессор МИИТа

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com