Что влияет на коэффициент сцепления колеса с рельсом
Сцепление колес с рельсами, ограничение силы тяги по условиям сцепления
Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила Ро (см. рис. 2), с которой колесная пара давит на рельс. Сцепление, необходимое для реализации силы тяги, можно получить лишь при условии, что некоторая доля этой силы Ро будет больше силы тяги Fкд, развиваемой данной колесной парой.
Если сила тяги превысит силу сцепления, то сцепление нарушится, колесо начнет проскальзывать по рельсу, при этом сила сцепления резко уменьшится, колесо как бы лишится упора и начнет вращаться все быстрее. Это явление называют боксованием; при нем вращающий момент, развиваемый двигателем и реализуемый колесной парой, падает (из-за уменьшения тока и коэффициента сцепления) и сила тяги снижается, что прежде всего вызывает уменьшение скорости движения поезда; возможно и нарушение коммутации двигателей локомотива.
Чтобы определить наибольшую допустимую силу тяги электровоза, необходимо знать значение коэффициента сцепления.
Коэффициент сцепления зависит от многих факторов: состояния поверхности рельсов (масляные пятна, торфяная или угольная пыль, листья уменьшают сцепление, песок — увеличивает); общего состояния пути; радиуса закругления и возвышения рельсов на кривых участках пути. При небольшом дожде коэффициент сцепления снижается, однако при сильном дожде, смывающем грязь с рельсов, уменьшения коэффициента сцепления не наблюдается.
На коэффициент сцепления влияют также факторы, зависящие от состояния электровоза. Так, повышенный прокат бандажей, разность в диаметрах по кругу катания комплекта колесных пар или колес одной колесной пары, большие поперечные разбеги колесных пар, различие жесткости рессор и пружин, неудачный подбор тяговых двигателей по характеристикам ухудшают сцепление, особенно с ростом скорости движения. Большая инерция (масса, диаметр) вращающихся частей, связанных с двигателем, препятствует развитию боксования.
build-master
понедельник, 28 февраля 2011 г.
СЦЕПЛЕНИЕ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ. КОЭФФИЦИЕНТ СЦЕПЛЕНИЯ
Сцепление колес с рельсами. В процессе ведения поезда машинист регулирует мощность силовой установки и силу тяги локомотива, которая изменяется в широких пределах. Во всех случаях сила тяги не должна превышать силы сцепления колес с рельсами во избежание срыва сцепления и возникновения боксования колесных пар.
От чего же зависит сила сцепления колеса с рельсом? От многих факторов. К ним относятся следующие: нагрузка, передаваемая колесной парой рельсам; упругие свойства материала бандажа и рельса; состояние и свойства поверхностных слоев бандажа и рельса; скорость движения локомотива; климатические и метеорологические условия сцепления; динамические процессы, связанные с состоянием экипажной части локомотива, а также конструкцией и состоянием пути, характером изменения вращающего момента и др. Влияние каждого из этих факторов на силу сцепления, а следовательно, реализуемую силу тяги неодинаково. Установлено, например, что одновременное повышение твердости материала бандажа и рельса улучшает условия сцепления, в то время как повышение твердости одной из контактирующих поверхностей может эти условия ухудшать. Увеличение нагрузки от колесной пары на рельсы улучшает условия сцепления и увеличивает реализуемую силу тяги. Именно этим вызваны некоторые конструкторские решения по балластировке локомотивов.
Существенное влияние оказывают фрикционные характеристики поверхностей бандажей и рельсов, а они в значительной степени зависят от характера загрязнений, степени их насыщенности влагой и смазкой. Они загрязняются продуктами износа, остатками перевозимых грузов, смазочными материалами и др. Загрязнение поверхностей колеса и рельса значительно ухудшает их фрикционные характеристики, особенно при насыщении слоя загрязнений парами воды или капельной влагой, что приводит к резкому снижению силы сцепления и может быть причиной возникновения боксования. Во многих странах ведутся работы по стабилизации сцепления путем механической очистки рельсов, обмывки их водой, обработки различными растворителями (кислотами, эфирами и др.), электроискровой и плазменной обработке рельсов. Однако все это не обеспечивает достаточно эффективного улучшения сцепления, и поэтому распространения такие разработки не получили.
Стабилизация сцепления. Более эффективным средством стабилизации сцепления следует считать оснащение локомотивов специальными устройствами, препятствующими развитию боксования и способствующими его затуханию при устранении вызвавшей его причины. На тяговом подвижном составе разных серий эти устройства различны по схемным и конструктивным решениям. Обычно такое устройство содержит узел обнаружения боксования и исполнительный орган, производящий необходимые переключения в электрических цепях локомотива.
В большинстве случаев в результате таких переключений уменьшается сила тяги, так как производится шунтирование резистором обмоток якорей или обмоток возбуждения тягового двигателя бок-сующей или смежной с ней оси, перевод двигателей с ослабленного на полное возбуждение, подпитка обмоток возбуждения от постороннего источника, введение резистора в цепь тяговых двигателей, ослабление возбуждения главного генератора и др. Однако применяемые устройства не отвечают в полной степени предъявляемым к ним требованиям. Это объясняется как недостаточными чувствительностью и быстродействием органов обнаружения (датчиков боксования), так и недостаточными универсальностью и гибкостью исполнительных органов, поскольку при различных соединениях и режимах работы тяговых двигателей противобоксовочные устройства должны осуществлять различное снижение вращающего момента боксующей оси.
Следовательно, предотвращение боксования колесных пар тягового подвижного состава, а в случае его возникновения скорейшее его прекращение с минимальной потерей силы тяги продолжают оставаться ответственной задачей локомотивных бригад, требующей от них высокой квалификации и мастерства.
Наиболее распространенным и эффективным средством стабилизации сцепления является введение в зону контакта колеса с рельсом мелкозернистого кварцевого песка. Эффективность его применения в свою очередь зависит прежде всего от качественного и гранулометрического состава песка, направления истечения песковоздушной струи и расположения наконечников песочных труб по отношению к зоне контакта колеса с рельсом. В связи с этим наряду с необходимостью освоения всеми локомотивными бригадами техники эффективного управления песочницей, своевременной подачи песка для предотвращения возникновения боксования не менее важно обеспечить применение высококачественного песка, правильную и систематическую регулировку форсунок песочниц, соответствующее содержание песочных труб.
Коэффициент сцепления. Силу тяги для одной колесной пары обычно выражают в долях нагрузки Р от колесной пары на рельсы:
Коэффициент сцепления и методы его оценки
Качество сцепления ведущего колеса с рельсом оценивается величиной коэффициента сцепления, который представляет собой отношение максимально возможной в данных условиях величины суммарной силы тяги FKмакс на ободе колес (одной колесной пары или локомотива в целом), развиваемой без боксования, к вертикальной нагрузке на колеса, то есть, например ψ = Fкмакс /(2П) — для одной ведущей оси (колесной пары)
или ψ = Fкмакс /Р — применительно к локомотиву в целом. Определенные таким образом значения коэффициента сцепления ψ называют физическим коэффициентом сцепления, реализованным в конкретных (частных) условиях.
Ввиду сказанного выше можно понять, что величина физического коэффициента сцепления в конкретных условиях — величина случайная, зависящая от многих факторов. Поэтому существует понятие расчетного коэффициента сцепления ψK, величина которого определяется на основе результатов многочисленных опытов в условиях реальной эксплуатации.
Эти результаты обобщаются в виде эмпирических зависимостей (формул), которые могут в дальнейшем использоваться для тяговых расчетов.
Факторы, влияющие на физическое сцепление колес с рельсами.
Многочисленные исследования процесса сцепления, выполненные как у нас в стране, так и за рубежом, выявили некоторые определенные закономерности в реализации величин коэффициентов сцепления.
1. Величина физического коэффициента сцепления зависит от степени относительного проскальзывания (или относительной скорости проскальзывания vCK /v) колеса по рельсу в точке контакта.
Эту зависимость, в общем виде показанную на рис. 2.5, можно разделить на три характерных участка. В первой зоне а при малых значениях скорости упругого относительного проскальзывания vCK/v (примерно до 0,5—0,8 %) величина коэффициента сцепления растет пропорционально величине упругих деформаций. В зоне б (в диапазоне скоростей относительного скольжения от 0,5—0,8 до 1,5—2 %) эта пропорциональность нарушается, хотя величина коэффициента сцепления все же остается высокой: она еще растет до максимума при значении (vCK/v) порядка 1 —1,2 %, затем начинает снижаться. При дальнейшем росте относительного проскальзывания величина коэффициента сцепления снижается (зона в на рис. 2.5). Это может приводить к значительной потере сцепления — вплоть до интенсивного проскальзывания — боксования. Отсюда следует, что для повышения тяговых возможностей локомотивов их конструкторам необходимо изыскивать способы контроля за скоростью относительного проскальзывания колес, чтобы поддерживать его величину в определенных пределах на оптимальном уровне — вблизи границ зон а и б на рис. 2.5. Такие следящие системы контроля не только защищают локомотив от возможности боксования, но и позволяют гарантировать надежную реализацию расчетных величин его силы тяги.
Рис. 2.5. Зависимость величины физического коэффициента сцепления ψ скорости относительного проскальзывания колеса по рельсу (vск/ v) 100 %
2. Эта же тенденция снижения коэффициента сцепления наблюдается при увеличении скорости поступательного движения, когда продолжительность времени взаимного молекулярного контакта частиц колеса и рельса сокращается.
Первые два обстоятельства приводят к тому, что общий вид формул для определения расчетного коэффициента сцепления обычно имеет вид обратной пропорциональности его величины от скорости поступательного движения.
3. Величина коэффициента сцепления зависит от состояния поверхностей колеса и рельса, наличия окислов на этих поверхностях и «третьей фазы» между ними.
Например, известно, что после сильных дождей, хорошо очищающих поверхности рельсов, сцепление колес с рельсами улучшается. Наоборот, при незначительных осадках (небольшой дождь или снег, роса, иней) частицы пыли и растительных остатков, находящиеся на поверхности рельсов, увлажняясь, образуют пленку, тонкий слой грязи, что ухудшает сцепление колес с рельсами. В то же время, в частности, очевидно, что подача сухого кварцевого песка в зону контакта колес и рельсов существенно увеличивает величину коэффициента сцепления ψ
Поэтому все современные отечественные локомотивы имеют так называемые песочные системы с бункерами для хранения запаса сухого песка и форсунками для распыливания его в зону контакта ведущих колес с рельсами. Локомотивные депо при любом виде тяги в составе своего экипировочного хозяйства имеют устройства для хранения и сушки кварцевого песка и подачи его на локомотивы.
4. Взаимодействие колеса и рельса и, следовательно, значение коэффициента сцепления зависят от степени износа (изменения геометрической формы) контактирующих поверхностей.
5. Устойчивость сцепления колес и рельсов зависит и от конструкции экипажа локомотива и типа его тягового привода. При групповом приводе, когда возможность боксования отдельных колесных пар исключается, величина коэффициента сцепления локомотива более стабильна.
Можно отметить влияние некоторых конкретных элементов конструкции и эксплуатации:
а) так как величина суммарной силы тяги локомотива ограничена его лимитирующей (наиболее разгруженной при движении) колесной пары, фактический коэффициент сцепления локомотива ψфакт зависит от величины коэффициента использования его сцепного веса ηсц. Коэффициентом использования сцепного веса ηсц называют отношение нагрузок от ведущих колесных пар локомотива на рельсы: величины нагрузки колесной пары, наиболее разгруженной при реализации силы тяги, 2ПМИН к средней нагрузке всех ведущих колесных пар 2П, то есть ηсц = 2Пмин /2П. Можно считать, что
б) увеличение диаметра колес локомотива несколько увеличивает размеры контактной площадки между колесом и рельсом, что увеличивает и коэффициент сцепления ψфакт.
в) увеличение нагрузки на колесную пару и, как следствие, увеличение удельных давлений в зоне контакта в результате снижают величину коэффициента сцепления, так как пластические деформации в зоне контакта растут и играют роль своеобразной смазки, снижающей трение покоя;
г) при кратной тяге у второго локомотива может быть реализован более высокий коэффициент сцепления — сказывается эффект «зачистки» поверхности рельсов при прохождении их первым локомотивом.
Надо заметить, что факторы, отмеченные в пунктах б) и в), имеют лишь теоретическое значение, поскольку различия диаметров колес и осевых нагрузок у современных магистральных локомотивов относительно невелики, и поэтому влияние этих факторов (диаметра и нагрузки), если и проявляется на практике, то незначительно.
Таким образом, физический коэффициент сцепления зависит от трех групп факторов: от конструкции локомотива и состояния его колесных i iap, от конструкции и состояния пути и от атмосферных условий.
Максимальные по величине значения коэффициента сцепления в конкретных условиях могут быть получены при сухих рельсах и при подаче песка.
Что влияет на коэффициент сцепления колеса с рельсом
3.2.5.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕАЛИЗАЦИЮ СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ
[ОТП] Разберем факторы, от которых зависит сцепление колес с рельсами и как можно его увеличить.
1) Механические свойства материала бандажа колес и рельс (твердость, упругость, пластичность).
2) Состояние поверхностей колес и рельсов. При чистых и сухих поверхностях достигается наибольшее сцепление колесной пары с рельсами. Образование в месте контакта колеса и рельса масляных, глинистых, торфяных и им подобных пленок, а также загрязненных снега и льда приводит к резкому снижению сцепления. Оно имеет меньшее значение, если дождь только начался, при моросящем дожде или при росе, когда влага вместе с глинистой пылью, осевшей на рельсы, создает загрязненную пленку. Во время сильного дождя поверхности промываются и сцепление становится выше.
Механическая очистка (обдув) рельсов улучшает состояние их поверхности. Осуществляется она специальным устройством, управляемым машинистом. Ощутимый эффект обдув дает до скорости 20 км/ч, но требует специального оборудования.
В виде эксперимента в процессе движения электровоза производилась электроискровая обработка поверхностей бандажей и рельсов с помощью специальной высокочастотной установки. В результате обработки разрушались поверхностные загрязненные частицы металла и удалялись имеющиеся в них скопления газов. Испытания показали существенное увеличение сцепления колес, однако износ рельсов при этом увеличился по сравнению с износом в обычных условиях. Поэтому искровая и плазменная обработки поверхностей бандажей и рельсов пока не нашли практического применения.
3) Равномерность нагрузок от колесных пар на рельсы. Наибольшую силу тяги локомотива можно получить при равномерном распределении веса локомотива между движущими колесными парами, чтобы каждая из них развивала наибольшую силу тяги. В действительности достичь равномерных нагрузок от колесных пар на рельсы трудно. Если в статическом состоянии это можно сделать за счет регулирования рессорного подвешивания, то при реализации силы тяги (движении локомотива) возникает неизбежное перераспределение нагрузок.
Касательная сила тяги условного двухосного локомотива Fк = Fк1 + Fк2 (см.рис.3.2.4-1) приложена на уровне головки рельса, а силы сопротивления движению состава W действуют на локомотив через автосцепные приборы. Эти силы, направленные в разные стороны, приложены на плече h, равном высоте оси автосцепки над уровнем головок рельсов, и образуют так называемый опрокидывающий момент Мо, который разгружает переднюю по ходу колесную пару на величину Р и перегружает заднюю колесную пару на ту же величину.
Рис.3.2.5.2-1. Перераспределение нагрузок от колесных пар на рельсы
[ТЭТ] При постоянной скорости движения сила тяги Fк равна силе сопротивления составу W, а опрокидывающий момент Мо = Fк h = W h = Р Lб. Отсюда
где Lб – база локомотива, м.
При уменьшенной нагрузке первая колесная пара раньше других потеряет сцепление с рельсами и будет ограничивать силу тяги локомотива. Поэтому в эксплуатации первая по ходу движения колесная пара обычно имеет повышенную склонность к боксованию.
[ТПДеев] Уменьшение сцепления от перераспределения нагрузок между колесными парами оценивают так называемым коэффициентом использования сцепного веса локомотива
где Ро – статическая нагрузка колесной пары, кН или кгс;
P – дополнительная нагрузка (разгрузка) колесной пары от перераспределения статических нагрузок между колесными парами, кН или кгс.
[ОТП] Другими способами выравнивания нагрузок от колесных пар являются:
— применение бесшкворневых тележек, связанных с кузовом через наклонные тяги (электровозы ВЛ65 и ВЛ85);
— использование бесчелюстных букс, устраняющих трение при вертикальном перемещении рамы тележки относительно колесных пар за счет прогиба элементов рессорного подвешивания;
Колебания локомотива, а, следовательно, и степень разгрузки колесных пар зависят от конструкции его экипажной части, жесткости рессорного подвешивания и характеристик гасителей колебаний, жесткости пути и наличия на нем неровностей (стыков), а также от скорости движения.
С увеличением скорости движения локомотива возрастает амплитуда колебаний, вызывающих снижение сцепления.
5) Расхождение характеристик тяговых электродвигателей и диаметров колесных пар. За счет расхождения характеристик тяговых электродвигателей различные движущие колесные пары развивают разные силы тяги. При прочих равных условиях колесная пара, которая развивает большую силу тяги, раньше потеряет сцепление с рельсами и начнет боксовать.
[ТПДеев] Увеличение диаметра колес увеличивает поверхность опорной площадки колеса на рельс и, как следствие, сцепление. Увеличение диаметра колес тепловозов с 1050 до 1250 мм может повысить силу сцепления на 10%. Напротив, прокат бандажей уменьшает площадь контакта, повышает давление в его зоне и снижает сцепление. Так, по опытам ВНИИЖТа при прокате бандажей в 7 мм сцепление снижается на 15%.
[ТПДеев] В то же время при одинаковых тяговых двигателях разность диаметров колес может существенно снизить результирующую силу сцепления. Так, при скорости 40 км/ч сила сцепления снижается на 7 % при расхождении диаметра колес на 1 мм.
7) Жесткость характеристик тяговых электродвигателей и схемы включения двигателей. При жестких характеристиках и параллельном включении тяговых электродвигателей возникшее боксование гасится быстрее. [ТПДеев] Например, при испытании английского электровоза, движущегося со скоростью 32 км/ч для прекращения боксования потребовалось снизить силу тяги на 13 % при параллельном, на 31 % при последовательно-параллельном и на 57 % при последовательном соединении двигателей.
8) Проскальзывание колес. Проскальзывания колесных пар возникают вследствие конусности бандажей и при разности диаметров колес одной колесной пары. На рис.3.2.5.2-2 показаны колеса, имеющие коническую форму рабочей поверхности, и рельсы, установленные с уклоном внутрь колеи (уклон равен 1/20). За счет коничности каждое колесо по ширине имеет разные диаметры, например D2, D3, D4 (точки 2, 3 и 4). При качении по рельсу его части с разными диаметрами стремятся пройти разные расстояния. Т.к. на самом деле они проходят один какой-то средний путь, то неизбежно проскальзывание точек 2 и 4 колеса.
Рис.3.2.5.2-2. Влияние коничности бандажей и положения колесной пары в рельсовой колее на проскальзывание колес
Наибольшие проскальзывания возникают при качении колесной пары в кривых участках пути, когда по внешнему рельсу она должна пройти больший путь, чем по внутреннему. Здесь коничность бандажа в какой-то мере компенсирует разницу в длине проходимого пути вследствие прижатия колесной пары к внешнему рельсу и качения по нему колеса большим диаметром.
Проскальзывание колес в кривой возрастает с уменьшением ее радиуса и приводит к снижению сцепления. Оно снижается также при большом прокате колесных пар и износе рельсов.
9) Скорость движения локомотива. С возрастанием скорости движения локомотива уменьшаются площадь контакта колеса с рельсом, его продолжительность и, как следствие, силы межмолекулярного взаимодействия между ними, увеличиваются колебания всех частей локомотива, что вызывает периодические перегрузки и разгрузки колесных пар. Все это приводит к уменьшению сцепления колес с рельсами.
Коэффициент и характеристика сцепления колес с рельсами при торможении и их особенности
Коэффициент сцепления колес с рельсами определяет, какая часть нормальной силы, приложенной между этими телами, может быть реализована в виде касательного усилия, создающего тяговый или тормозной момент. При этом нужно различать реализуемый (достижимый в процессе эксплуатации подвижного состава) и потенциальный (максимальный, предельный) для данных условий движения коэффициент сцепления.
Согласно молекулярно-механической теории трения этот параметр уменьшается с ростом нагрузки на колесную пару и скорости движения, что подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Кроме указанных, на коэффициент сцепления влияет множество дополнительных факторов, таких, как тип подвижного состава, верхнее строение пути, продольное и поперечное проскальзывания (особенно в кривых участках пути), погодные условия, наличие загрязнителей на колесах и рельсах, тип тормозных колодок и многое другое, иногда трудно поддающееся анализу (в частности, реализация тягового или тормозного момента).
При расчетах тормозных систем подвижного состава используют рекомендуемые для условий эксплуатации коэффициенты сцепления, приводимые в табличном (см. табл. 2.1) или графоаналитическом виде. Необходимо отметить, что приведенные значения не являются максимальными, так как они рассчитаны с определенным запасом (иногда существенным), снижающим вероятность возникновения юза колесных пар. Так, предельный коэффициент сцепления на сухих чистых рельсах при торможении находится в диапазоне 0,15-0,20, а применяемый для расчетов составляет в среднем 0,1- 0,12 (см. табл. 2.1).
Имеется еще один расчетно-графический способ определения коэффициента сцепления колес с рельсами [4]
Таким образом, в тормозной технике есть значительная перспектива повышения эффективности колесного тормоза практически в 1,5-2,0 раза. Однако это возможно лишь путем применения соответствующих современных (электронных) авторежимных, скоростных и противогазных регуляторов, что конечно усложняет тормозные системы.
В упрощенном варианте они уже используются на грузовых вагонах (грузовые пневмомеханические авторежимы), высокоскоростных поездах (противоюзные устройства) и пассажирских электровозах серии ЧС (скоростные регуляторы ДАКО). По мере возрастания требований к тормозной эффективности поездов они будут оснащаться указанными регуляторами.
Расчетные коэффициенты сцепления, рекомендуемые для проектирования тормозного оборудования
Вид подвижного состава и его расчетная скорость, км/ч
Расчетный коэффициент сцепления при нагрузке от колесной пары на рельсы, кН
вагоны электро- н дизельных поездов
Примечание. Промежуточные значения у, при соответствующих нагрузках находятся методом интерполяции.
Вместе с этим регулярно по сети дорог с помощью тормозоизме-рительных вагонов происходит переоценка среднеэксплуатацион-ных коэффициентов сцепления, в результате чего значения, указанные в табл. 2.1 постепенно возрастают за счет улучшения параметров подвижного состава и пути [5]. Значительную роль при этом в перспективе для повышения сцепления (в 1,5-2,0 раза) будут играть специальные триботехнические составы (третье тело), обратный аналог которых широко используется в настоящее время в лубрикаторах, предназначенных для уменьшения износа колес и рельсов и сопротивления движению [6].
Основополагающей закономерностью, определяющей взаимодействие рельса и колеса при реализации последним тягового или тормозного момента, является характеристика сцепления. Она отражает изменение силы или реализуемого коэффициента сцепления цГр между трущимися поверхностями в зависимости от скорости их взаимного скольжения Ск. Последнее находится в долях, или процентах, по формуле
Опытным путем в нашей стране в 1958 г. окружная скорость вращения колеса H.H. Меншутиным была определена характеристика сцепления колес с рельсами в режиме тяги. Некоторое время априори считалось, что аналогичная зависимость при торможении имеет такой же вид, поскольку природа сил трения сцепления одинакова при боксовании и юзе.
Многочисленные исследователи этой зависимости Ф. Барвелл, В. Хендрикс, М. Буато и другие, в том числе отечественные, приводят лишь ее общий вид без обратных ветвей и не дают математического описания. Это не позволяет рассчитать необходимые параметры противогазных устройств и реализуемые ими процессы.
Для поиска указанной закономерности автором была разработана методика [7] и создана оригинальная измерительная система [8] с датчиками нормальных и касательных усилий, сигналы которых вместе с давлением в ТЦ, скоростью движения и нагрузкой на колесную пару записывались на бумажный носитель.
Поскольку одни и те же опыты приходилось повторять в различных погодных и прочих условиях для проверки гипотезы об однородности оценок дисперсий и воспроизводимости эксперимента использовался критерий Кохрэна. Он основан на законе распределения отношения максимальной оценки дисперсии к сумме всех сравниваемых оценок дисперсий Если полученное по формуле (2.19) значение оказывалось меньше критического, приведенного в таблицах, то принималась гипотеза об однородности выборочных дисперсий, полученных на основании экспериментов. В противном случае признавалась невоспроизводимость в опытах управляемых факторов вследствие дестабилизации, вносимой неуправляемыми факторами, и увеличивалось число параллельных опытов.
Иногда в этих случаях использовался модифицированный метод наименьших квадратов, пригодный при невыполнении предпосылки о воспроизводимости эксперимента. Путем последовательп ного повышения степени подбираемого многочлена у = £ а.х.ли-
неаризованы четыре явно выраженных участка характеристики сцепления (изменения силы или коэффициента сцепления от скорости скольжения) с максимальной относительной погрешностью ±12 %, представленные на рис. 2.10 [9].
Анализ полученных процессов показывает, что увеличение скорости скольжения колеса при юзе (движение за пределами крипа или упругих деформаций) приводит к некоторому росту силы сцепления и инерции в соответствии с (2.2) до момента блокирования (остановки) колесной пары. При этом сила инерции, возросшая до максимальной резко снижается до нуля, вызывая нагрузки ударного характера на тормозную систему.
Одновременно происходит падение силы сцепления до уровня, при котором возникает скольжение колес по рельсам. Выход из заклиненного состояния происходит после существенного (в 2-3 раза) снижения тормозного нажатия по отношению к вызвавшему юз.
Дифференциальное уравнение, описывающее движение колес в процессе реализации сцепного взаимодействия, в том числе при входе и выходе из состояния юза, имеет следующий вид где R, I- соответственно радиус и момент инерции колесной пары;
рп, qn- коэффициенты прямых для четырех аппроксимированных участков характеристики сцепления;
U, h- коэффициенты, определяющие изменение уровня сцепления зависимости от скорости движения;
Данная закономерность неоднозначна, имеет четыре аппроксимированные ветви и существенно отличается от аналогичной характеристики при боксовании в тяговом положении, которую долгое время в России считали одинаковой и для тормозных режимов. Последнее объяснялось тем, что природа сил трения-сцепления в том и другом случае адгезионно-деформационная (молекулярно-механическая), и поэтому она должна проявлять себя независимо от знака скольжения.
На первой ветви характеристики сцепления АВ, едва ли достигая ее половины, в пределах упругого взаимодействия колес и рельсов (крипа) основная часть железнодорожного подвижного состава реализует тормозные процессы. Переход к юзу и повышенному скольжению (пластическим деформациям) на второй ветви характеристики происходит после небольшого срыва силы сцепления ВВ’.
Снижение тормозного нажатия позволяет перемещать рабочую точку на первой и второй ветвях характеристики в область пониженных скольжений. Если тормозное нажатие при юзе не уменьшать, то при скольжении, близком к единице (точка С) (рис. 2.10), происходит срыв сцепления с возникновением температурных вспышек на колесе, которое блокируется 1). Чтобы не допускать повреждения его поверхности, необходимо за доли секунды уменьшить нажатие тормозных колодок, после чего рабочая точка переместится по четвертой на первую ветвь характеристики сцепления и юз прекратится.
Известно, что природа сил трения-сцепления имеет двойственный молекулярно-механический (адгезионно-деформационный) характер. До настоящего времени нет определенности относительно вклада каждой составляющей в происходящий процесс, хотя механика явления в общих чертах понятна. С увеличением скорости между двумя трущимися телами механическая составляющая увеличивается, так как растет работа по срезанию выступов и неровностей, а молекулярная падает по той причине, что взаимных молекулярных связей возникает меньше. Это подтверждают опыты с элементарными физическими телами.
Практическим подтверждением существования второй восходящей и третьей ниспадающей ветвей характеристики сцепления являются несколько зафиксированных другими исследователями фактов. Так, например, при рекуперативном торможении реализуются высокие уровни сцепления при стабильном скольжении (10-15 %) благодаря устойчивости характеристик тяговых двигателей в этом режиме. Величины сцепления при этом оказываются даже большими, чем при фрикционном торможении.
Полученная таким образом закономерность взаимодействия колес и рельсов при торможении позволяет предлагать перспективные режимы управления скольжением противоюзными быстродействующими устройствами электронного типа для получения минимальных тормозных путей поездов, износа их колесных пар и расхода сжатого воздуха