Образование движущей силы в колесном транспорте
Движение тела, как известно, могут вызвать лишь действующие на него внешние силы. Единственные внешние силы, которые действуют на транспортное средство, если к нему не приложена движущая сила непосредственно, как было отмечено выше, — это силы внешнего трения.
В наземном колесном транспорте движущая сила возникает (можно сказать, создается, образуется или реализуется) при взаимодействии колеса, к которому приложен вращающий момент, с дорогой (на железнодорожном транспорте — с рельсом), благодаря наличию трения между ними.
Рассмотрим в упрощенном виде одиночное колесо, катящееся равномерно с поступательной скоростью v по твердой горизонтальной поверхности под действием вращающего момента М, приложенного от энергетической установки транспортного средства (рис. 1). Будем предполагать, что колесо и дорога абсолютно жесткие и не деформируются при взаимодействии, а колесо не имеет собственной массы.
На колесо действует вертикальная сила П=m0g, представляющая собой часть силы тяжести (веса) транспортного средства, приходящуюся на точку опоры колеса А, где т0 — соответствующая величина части массы транспортного средства. Со стороны поверхности пути на колесо в точке А действует вертикальная реакция пути N, которая (при статическом равновесии) по третьему закону Ньютона равна по величине силе П. Следовательно, равнодействующая сил, действующих на колесо по вертикали, равна нулю и перемещения колеса в вертикальном направлении исключены — колесо силой П прижато к дороге, с которой оно имеет непрерывный контакт в точке А.
Рис. 1. Схема сил, действующих на ведущее колесо локомотива при движении в режиме тяги
Действие момента М, приложенного к колесу, можно представить в виде пары сил (F1, F1 — на рис. 1) с плечом R, равным радиусу колеса. Величина каждой из сил зависит от величины вращающего момента: F1 = M/R.
Одна из этих сил действует в точке А — от колеса на дорогу, вдоль ее поверхности, упираясь в нее и стремясь сместить точку А колеса относительно соответствующей ей точки поверхности.
Этому сдвигу, в определенных пределах, препятствует наличие трения между колесом и дорогой.
Реакция FK дороги на колесо в той же точке А — по закону действия и противодействия — численно равна силе F1 и направлена противоположно ей — в сторону предполагаемого качения колеса (на рис. 1 — вправо). Равенство сил FK=F1 свидетельствует об отсутствии проскальзывания колеса относительно дороги, и точка А является для колеса мгновенным центром вращения.
Вторая сила (из пары) F1 приложена в точке О к оси колеса и действует от нее через подшипники на конструкцию транспортного средства так же горизонтально и в направлении его движения. Очевидно, эта сила и может быть движущей силой для транспортного средства. Но, строго говоря, она является внешней только для той части массы транспортного средства, которая движется поступательно (то есть, за исключением колеса, масса которого находится в сложном движении: поступательном и вращательном).
Поэтому движущей силой — силой тяги — транспортного средства следует считать силу реакции пути — FK, которая, без сомнения, является внешней уже по отношению ко всему транспортному средству. В нашем случае, силы FK и F1 не отличаются по величине, поскольку принято допущение, что колесо не имеет массы. К оценке этого допущения мы вернемся позже, а первоначально рассмотрим силу FK.
Сила FK является внешней по отношению ко всему транспортному средству, что позволяет ей и вызывать его движение. Она создается под действием момента, приложенного от источника энергии, для автономного транспортного средства — от его энергетической установки, и зависит от величины этого момента. Иными словами, эта сила управляемая, так как водитель транспортного средства может управлять режимом работы энергетической установки и, стало быть, величиной движущей силы, что и позволяет ему, меняя величину силы, управлять процессом движения.
Важно отметить, что движущая сила в колесном транспорте создается именно при взаимодействии колеса и дороги. Очевидно, что, если приподнять транспортное средство, оторвать его от дороги, например, на домкратах, колесо под действием приложенного к нему момента будет вращаться, но движущей силы для поступательного движения не будет. Именно эту цель и преследовал А.П. Бородин, создавая свой стенд для испытаний паровоза в стационарных условиях, о котором шла речь выше (см. рис. 2).
Подобная же ситуация снижения или полного отсутствия движущей силы может возникать и при потере трения между колесом и дорогой.
Таким образом, в колесном наземном транспорте колесо может служить «движителем», то есть органом, создающим движущую силу.
Колесо, одно из величайших изобретений человечества, было создано как средство борьбы с трением скольжения в транспортном движении. С появлением механических транспортных машин колесного транспорта (паровоза, автомобиля) их ведущие колеса стали не только средством снижения сопротивления движению, какими они продолжают оставаться у повозок, вагонов и т.п., но и средством создания движущей силы на транспорте.
На железнодорожном транспорте движущую силу, реализуемую в точках касания колес с рельсами, обычно называют касательной силой тяги FK. На это и указывает индекс «к» при обозначении силы. Вся система тяговых расчетов, принятая на отечественных железных дорогах, изначально ориентируется на проведение расчетов с горизонтальными силами, отнесенными именно к точке касания колес с рельсами.
Это требование зафиксировано во всех изданиях «Правил тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР) [10]. В них, в частности, прямо указано (см. п. 1.1 .5 ПТР издания 1985 г.): «Тяговые расчеты выполнять по силе тяги на ободах движущих колес (по касательной силе тяги FK)».
Поэтому и другие горизонтальные силы (например, силы сопротивления движению) приводят также к зоне контакта ведущих колес локомотива с рельсами, на что указывает индекс «к» при обозначении величины полного сопротивления движению поезда — WK.
При рассмотрении простейшей схемы образования силы тяги необходимо принять во внимание еще некоторые детали. Отметим их вкратце.
Ясно, что рассмотренная нами схема (см. рис. 1) условна.
Транспортное средство с одним колесом вообще трудно себе представить, так как оно не обладает ни поперечной устойчивостью, необходимой для надежного размещения груза, ни продольной — оно не может воспринимать реактивный вращающий момент, который на него действует от колеса. Поэтому, например, одноколесный велосипед можно увидеть только в цирке, и балансирование на нем требует от артиста большой ловкости.
Транспортные средства с одним ведущим колесом, не требующие размещения груза и поперечная устойчивость которых обеспечивается опять-таки искусством водителя (двухколесные велосипеды и мотоциклы), имеют еще одно дополнительное, поддерживающее колесо. Оно дает возможность за счет части веса всего транспортного средства обеспечить восприятие реактивного момента Мр, действующего (при приложении момента М к колесу) на раму транспортного средства и стремящегося повернуть раму относительно оси ведущего колеса в сторону, противоположную его вращению. Этим и обеспечивается устойчивость транспортного средства в продольном направлении.
Наземные колесные транспортные средства, пред назначенные для перевозки грузов, должны иметь устойчивую площадку для их размещения. Устойчивость положения плоскости, как известно, можно зафиксировать тремя точками опоры. Поэтому такие транспортные средства должны быть, как минимум, трехколесными. И такие, скажем, мотороллеры или велосипеды (или мотоциклы с прицепленной сбоку коляской), предназначенные для местной перевозки небольших грузов, иногда встречаются.
Однако это неудобно. Поэтому наземные колесные транспортные средства, как минимум, четырехколесные. А движущая сила у них создается не одним колесом, а двумя, находящимися, как правило, на одной оси.
Рассмотренная нами схема создания силы тяги остается действительной и в этом случае, если представить, что на ней в виде колеса изображены (совмещены) два колеса, находящиеся на одной и той же оси. Если к каждому из колес приложена половина вращающего момента М, в точках касания колес с дорогой будет создаваться сила тяги, по величине равная половине силы FK. Таким образом суммарное действие двух колес ведущей оси будет эквивалентно показанному на схеме рис. 1 для одного колеса.
Все сказанное выше полностью относится к рельсовому железнодорожному транспорту, тем более, что он имеет два рельса, а колеса одной оси подвижного состава жестко объединены этой осью в колесную пару. Поэтому при движении по рельсам транспортные средства должны быть не менее чем четырехколесными, а чтобы выполнять функции локомотива, транспортное средство должно иметь, как минимум, одну ведущую колесную пару, или, как говорят иногда, одну ведущую ось. Именно такое устройство и имели паровоз М.Е. и Е. А. Черепановых (осевая формула 1-1-0) и наиболее известный из паровозов Джорджа и Роберта Стефенсонов — «Ракета» (осевая формула 0-1-1).
В наше время одну ведущую ось имеет большинство обычных автомобилей.
Термин «ось» в транспортной технике употребляется в двух значениях. Буквально в конструкции подвижного состава «ось» — это одна из деталей колесной пары, объединяющая два колеса в одно целое. Колесные пары передают вес единицы подвижного состава на рельсы.
Однако, часто это слово используется в более общем, переносном смысле. Под «осью» подразумевается колесная пара как единичная точка опоры подвижного состава на рельсы. Именно в этом смысле в железнодорожной практике используются, в том числе и в данной книге, выражения типа: «восьмиосный локомотив», «четырехосный вагон», «поезд во столько-то осей», «нагрузка от оси на рельсы» и т.п.
Подведем итоги.
Силой тяги транспортного средства в наземном колесном транспорте является управляемая внешняя сила, создаваемая энергетической установкой транспортного средства при взаимодействии ведущих колес с дорогой.
Если перейти к железнодорожному рельсовому транспорту — силой тяги локомотива называется сумма управляемых внешних сил, создаваемых энергетической установкой локомотива при взаимодействии ведущих колес с рельсами, отнесенная к точкам касания ведущих колес с рельсами.