2.2 Взаимодействие сил, приложенных к поезду

Характер и режимы движения поезда. Характер движения поезда зависит от соотношения сил, действующих на него. Если равнодействующая сила направлена в сторону движения, она считается положительной — поезд движется ускоренно; если равнодействующая направлена против движе­ния, она отрицательна — поезд движется замедленно. Если равнодейст­вующая равна нулю, то движение поезда равномерное

Различают следующие режимы движения поезда:

режим тяги — двигатели локомотива включены; равнодействующая си­ла равна разности сил тяги и суммарного сопротивления движению: R = F_K- Ж_к;

режим холостого хода — двигатели выключены; равнодействующая равна суммарному сопротивлению при холостом ходе R = W_KX;

режим торможения — двигатели выключены и включены тормоза, рав­нодействующая сила равна сумме сопротивления движению при холостом ходе и тормозной силы R = W_KX+ В,.

6) б)

(Ь-Щ),Н/кН 8 6 4 2 0 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Ч648-^ох,Н/кН "Г^{- 1} -Ы_ох*Ът),НМН

Рис. 2.7. Диаграммы удельных равнодействующих сил в режимах:

а — тяги, б — холостого хода, в — служебного торможения, г — экстренного торможения

Диаграммы удельных равнодействующих сил. Анализировать характер движения поезда в различных режимах удобно по диаграммам удельных равнодействующих сил, т.е. по графикам зависимости этих сил от скоро­сти. В качестве примера показаны диаграммы удельных равнодействующих сил для состава массой 4500 т при тепловозе 2ТЭ10М (рис. 2.7). Диа­граммы строят для условий движения поезда на площадке, т.е. учитывают только основное средневзвешенное сопротивление движению поезда w₀ и w_0x.

При построении диаграмм используется следующее правило: влево от оси ординат откладывают положительные равнодействующие силы, впра­во — отрицательные. Равнодействующая сила в режиме тяги г = f_K — w₍₎ (см. рис. 2.7,а) с увеличением скорости уменьшается, поскольку уменьша­ется сила тяги и возрастает сопротивление движению. В данном примере при v = 85 км/ч равнодействующая сила равна нулю: при этой скорости сила тяги и основное сопротивление движению поезда равны. При более высоких скоростях w₀ > f_K и равнодействующая становится отрицатель­ной — направлена против движения поезда.

Равнодействующая сила при движении на площадке в режиме холостого хода отрицательна - r= — w_0x (см. рис. 2.7,6); абсолютное значение ее уве­личивается с ростом скорости.

Равнодействующую силу при торможении определяют в двух вариантах: служебное торможение (см. рис. 2.7,в), когда в грузовых поездах использу­ют 50% расчетной тормозной силы г = - (w_0x + 0,5b_T), а в пассажирских поездах — 60% (при плановых остановках или при торможении для преду­смотренного графиком движения ограничения скорости); экстренное торможение г = — (щ_)х + Ь_л ) (см. рис. 2.7,г), когда полностью используют тормозную силу (для остановки поезда в непредвиденных случаях). При торможении равнодействующая сила отрицательна. С увеличением скоро­сти ее абсолютное значение уменьшается, так как с ростом скорости суще­ственно уменьшается тормозная сила (вследствие уменьшения коэффици­ента трения ф_кр — см. формулы (2.20) и (2.20,а).

По диаграмме удельных равнодействующих сил можно судить о харак­тере движения поезда в данный момент.

В примере на рис. 2.7,а при трогании поезда с места на площадке на него дей­ствует положительная удельная равнодействующая сила, равная 13 Н/кН, следова­тельно, поезд движется ускоренно. Если площадка длинная, то движение будет ус­коренным, пока скорость не достигнет 85 км/ч. В этот момент равнодействующая сила станет равной нулю и начнется равномерное движение. Если бы поезд после спуска вышел на площадку со скоростью 100 км/ч, то на него действовала бы от­рицательная равнодействующая сила —1 Н/кН. Под действием этой силы движение будет замедленным, скорость уменьшается, стремясь к 85 км/ч. Если площадка длинная, то по достижении этой скорости движение установится равномерным.

При движении поезда по площадке в режиме холостого хода под дейст­вием отрицательной равнодействующей силы скорость поезда всегда стре­мится к нулю. То же происходит и при торможении.

Чтобы перейти к условиям движения на любом уклоне, вспомним, что на уклоне возникает дополнительное удельное сопротивление w„ Н/кН, численно равное уклону /_к, %с. Суммарное удельное сопротивление при движении на подъеме больше основного сопротивления на величину w„ а при движении на спуске меньше основного сопротивления на ту же вели­чину. Поэтому, чтобы получить удельную равнодействующую силу на ук­лоне, нужно в случае подъема вычесть из удельной равнодействующей си­лы на площадке число, равное уклону и выраженное в Н/кН, а в случае спуска - прибавить то же число. Это равносильно переносу оси ординат диаграммы удельных равнодействующих сил в случае подъема — влево на величину i_K , Н/кН, а в случае спуска — вправо на ту же величину.

Так, если принять подъем 2%с (сместить ось ординат на 2 Н/кН влево от ос­новной оси на рис.2.7), то удельная равнодействующая сила при трогании поезда на этом подъеме равна +11 Н/кН и в случае длинного подъема скорость поезда возросла бы до 60 км/ч, после чего движение станет равномерным (удельная рав­нодействующая сила при этой скорости на подъеме 2%о равна нулю). Если бы по­езд вышел на подъем 2%о со скоростью 100 км/ч, то на него действовала бы отри­цательная равнодействующая сила, равная —3 Н/кН, и скорость поезда снижалась, стремясь к тому же значению 60 км/ч.

При движении в режиме тяги и холостого хода на любом уклоне скорость поезда стремится к определенному значению, которое называют установившейся скоростью. В отдельных случаях эта скорость может быть равна нулю, а также может быть больше конструкционной скорости локомотива. В других случаях установившаяся скорость соответствует точке пересечения диаграммы удельных равнодействующих сил с осью ординат, проведенной с учетом крутизны рассматриваемого уклона. Если поезд выходит на уклон с меньшей скоростью, то скорость растет, приближаясь к установившейся; если скорость при выходе на данный уклон больше установившейся, то она снижается, приближаясь к послед­ней.

В примере на рис. 2.7 в режиме тяги скорость 85 км/ч - установившаяся ско­рость v_ytT на площадке, а 60 км/ч — v_scl на подъеме 2%о. При движении в режиме холостого хода на спуске 2%с v_JCT = 70 км/ч. При том же режиме движения на спуске 4%е установившаяся скорость могла быть больше конструкционной скоро­сти. Поэтому, чтобы скорость поезда на этом спуске не превысила любое заданное значение в пределах 100 км/ч, необходимо применить регулировочное торможение. При движении в режиме тяги на спуске 2%о скорость поезда также могла превы­сить конструкционную. Поэтому, чтобы на данном спуске поддерживать скорость, например, 90 или 100 км/ч, следует использовать режим ограниченной тяги, когда сила тяги реализуется при ограниченной мощности локомотива

Если же в режиме холостого хода поезд движется по площадке, то установив­шаяся скорость равна нулю и поезд будет снижать скорость до остановки Анало­гично при движении в режиме тяги на подъеме 14%о v_ycT = 0 и скорость поезда также будет падать до нуля.