Образование силы торможения

20. Образование силы торможения.

При механическом торможении подается сжатый воздух в тормозные цилиндры. Поршень в цилиндре перемещается, через шток, тяги и рычаги прижимая тормозную колодку к колесу с усилением К. В месте контакта колеса с тормозной колодкой возникает сила трения K x φ_к, направленная навстречу вращению колеса.  φ_к - это коэффициент трения колодки о колесо. Перенесем силу силу трения

K x φ_к в точку А касания колеса с рельсом. Колесо прижато к рельсу силой Р₀. Обе эти силы внутренние по отношению к поезду и не могут повлиять на характер движения.

Если колесо прижато к рельсу с силой Р₀, то в результате сцепления колеса с рельсом сила стремится сдвинуть рельс по направлению движения. Но рельс закреплен и вызывается реакция рельса по III закону Ньютона В_т, равная K x φ_к и противоположно направленная. Эта сила по отношению к поезду является внешней и называется тормозной силой. Она действует против движения и создает колесу упор.

Тормозная сила одного колеса: B_т = K x φ_к

Сила «К » зависит от интенсивности торможения, от диаметра тормозного цилиндра, от давления воздуха в нем, от передаточного отношения рычажной передачи, от силы оттормаживающей пружины в тормозном цилиндре.

Коэффициент трения φ_кзависит от материала колодок, скорости движения и удельных сил нажатия колодок на колеса.

Применяются тормозные колодки: чугунные, чугунные с повышенным содержанием фосфора (до 1,0÷1,4%), и композиционные.

С увеличением скорости движения и удельного нажатия колодок коэффициент трения снижается, т.к. за счет тепла металл размягчается, в тонком слое может оплавиться. Для повышения коэффициента трения применяют двухстороннее нажатие колодок.

Рекомендуемые материалы

Коэффициент трения рассчитывают по эмпирическим формулам, например для чугунных накладок :

где К – действительная сила нажатия на         одну колодку; V – скорость движения.

Тормозная сила поезда определяется по формуле B_т = 1000 Σ K x φ_к , где В_т – тормозная сила в Н; К – сила нажатия на тормозную колодку в кН; 1000 – переводной коэффициент «кН » в «Н ».

По этой формуле можно бы рассчитать тормозную силу, если бы вагоны были однотипными с одинаковыми силами нажатия колодок. А если вагоны разнотипные, то для каждой группы вагонов необходимо определять силу нажатия, рассчитывать коэффициент трения и суммировать.

Поэтому пользуются упрощенными методами. Применяются для расчета средние силы нажатия колодок четырехосного вагона при груженом и порожнем режимах для чугунных колодок К = 26,5 кН, для композиционных К = 15,7 кН. Подставив эти значения в эмпирические формулы коэффициента трения φ_к получаем так называемый расчетный коэффициент трения, который зависит только от скорости:

для чугунных колодок ,

для композиционных колодок .

Расчетные коэффициенты трения приводятся в таблице. Сравним эти величины: при V = 0→0,27 и 0,36; при V = 160→0,077 и 0,237. При сравнении заметно, что у чугунных колодок с увеличением скорости движения коэффициент трения резко снижается, да  и чугунные колодки имеют больший износ. У композиционных колодок коэффициент трения выше. С увеличением скорости он в меньшей степени снижается. У чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора коэффициент трения имеет промежуточное значение, но ближе к значениям чугунных колодок.

По величине тормозную силу желательно иметь большую. Но она не должна превышать силу сцепления колес с рельсами. В противном случае колесо прекращает вращение, начинается скольжение колеса по рельсу, образуется местный износ – ползун, который при дальнейшем движении по рельсам создает удары. K x φ_к ≤ P₀ x ψ . Отношение силы нажатия колодок на колесную пару К к нагрузке от колесной пары на рельсы Р₀ называют коэффициентом нажатия колодок . В расчетах принимают значения коэффициента нажатия колодок при чугунных колодках для локомотивов δ = 0,3÷0,5; для грузовых вагонов δ = 0,6÷0,7; для пассажирских вагонов δ = 0,7÷0,9; при композиционных колодках δ = 0,3. По заданному значению δ определяют наибольшие силы нажатия колодок для каждой нагрузки Р₀.

Из этих формул видно, что при меньших значениях φ_к можно допускать наибольшие силы нажатия. Поэтому при использовании композиционных колодок, у которых φ_к выше, уменьшают силы нажатия изменением передаточного отношения в тормозной рычажной передаче или уменьшением давления в тормозных цилиндрах.

У грузовых вагонов от загрузки вагона значительно меняется Р₀. Чтобы получить меньшее значение коэффициента нажатия колодок δ используются три режима работы воздухораспределителя. При загрузке меньше 3 т на колесную пару включается порожний режим с наименьшим нажатием и δ = 0,7, при загрузке от 3 т да 6 т включается средний режим, а при загрузке более 6 т включается воздухораспределитель на груженый режим и при К = 69 кН коэффициент нажатия колодок δ = 0,7. С композиционными колодками при загрузке до 6 т устанавливают  порожний режим, более 6 т – средний режим.

Как отмечено выше, у чугунных колодок при высоких скоростях движения коэффициент трения имеет малые значения, и при неизменных К и δ тормозные силы получаются низкими. Для повышения тормозной силы при высоких скоростях у пассажирских вагонов с чугунными колодками увеличивают К и δ, а чтобы не получилось юза при низких скоростях движения устанавливают автоматические регуляторы , которые при скоростях 50÷60 км/ч снижают К и δ. Если же вагоны оборудованы композиционными колодками, то нет надобности вводить второй режим нажатия колодок.

Для сохранения величины тормозной силы необходимо действительную силу нажатия заменить на расчетную силу нажатия из равенства тормозных сил: K x φ_к = P_p x ψ, отсюда , и пользуясь эмпирическими формулами для φ_к и φ_кp получаем формулы для расчета расчетных сил нажатия:

для чугунных колодок ;

для композиционных колодок .

Расчетные силы нажатия чугунных колодок для локомотивов и вагонов приводятся в таблицах. В ПТР указаны соотношения в зависимости от скорости движения расчетные нажатия композиционных колодок по отношению к чугунным.

С учетом расчетных величин К_р и φ_кp тормозная сила B_т = 1000 Σ K_p x φ_к , а так как φ_кp не зависит от величины К_р, то φ_кp выносям за знак суммы и B_т = 1000 Σ K_p x φ_кp.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 11 Расчёт эффективности системы пылегазоочистки.

Практически тормозную силу подсчитывают так: в зависимости от единицы подвижного состава по таблице определяют К_р, умножают на число осей однотипных единиц подвижного состава, по формулам или по таблице определяют φ_кp и определяют В_т.

Удельную тормозную силу (в Н/кН) находят поделив тормозную силу В_т на вес поезда m x g : .

Отношение суммарных сил расчетного нажатия колодок на колеса к весу поезда называется расчетным тормозным коэффициентом поезда. , тогда .

Расчетный тормозной коэффициент характеризует степень обеспечения поезда тормозными средствами. Чем больше J_p, тем больший тормозной коэффициент. Наименьшие значения J_p устанавливает МПС. Так например для грузовых и рефрижераторных составов при скорости до 90 км/ч J_p = 0,33; для составов с порожними вагонами при скорости до100 км/ч J_p = 0,58; для рефрижераторного поезда до 100 км/ч J_p = 0,55, а до 120 км/ч J_p = 0,6; для пассажирских составов до 120 км/ч J_p = 0,6; до 140 км/ч J_p = 0,78; до 160 км/ч J_p = 0,8.

При работе грузового состава на участках со спусками до 20‰ тормозную силу локомотива и его массу не учитывают, тогда расчетный тормозной коэффициент .

Полное значение расчетного тормозного коэффициента и соответствующая ему тормозная сила реализуется только при экстренном торможении. Для остановки на станциях и раздельных пунктах или для снижения скорости перед заранее известным местом остановки пользуются служебным торможением с расчетным тормозным коэффициентом 0,5 x J_p, для пассажирских поездов 0,6 x J_p, при этом и удельная тормозная сила 0,5 вт или 0,6 вт. При полном служебном торможении 0,8 x J_p.