Главная >> Подвижной состав >> Силы сопротивления движению подвижного состава

Сопротивление воздушной среды - Силы сопротивления движению подвижного состава

Оглавление
Силы сопротивления движению подвижного состава
Основное сопротивление движению
Сопротивление от трения качения колес по рельсам
Сопротивление от трения скольжения колес по рельсам
Диссипация энергии при взаимодействии колес с рельсами
Сопротивление воздушной среды
Диссипация энергии в окружающую среду
Расчет основного сопротивления
Добавочное сопротивление при трогании поезда с места
Пути снижения сопротивления движению поездов

Поезд при движении по открытой местности вынужден преодолевать аэродинамическое (воздушное) сопротивление окружающей среды. Возникновение аэродинамического сопротивления обусловлено наличием вязкости воздуха, т.е. свойством оказывать сопротивление относительному движению своих частиц.
Физическая природа возникновения и действия этого вида сопротивления движению может быть объяснена из основных положений гидродинамики.


Рис. 12. Схема взаимодействия движущегося тела и потока идеальной жидкости

Рассмотрим движение тела произвольной формы сечением F в потоке идеальной (не имеющей внутреннего трения частиц) жидкости (рис. 12).
В лобовой части тела создается как бы уплотнение частиц жидкости и повышение ее давления р1:

где р0 — атмосферное давление, р0 = 0,1 МПа; Рдин — динамическая составляющая давления, МПа:

где р  —  плотность жидкости, кг · c2/m; V  —  скорость движения, м/с.
В хвостовой части тела возникает некоторое разряжение р2 < р0 и появляется сила, стремящаяся втянуть в себя движущееся тело и тормозящая его движение.
Лобовое сопротивление движущегося тела, Н:

где F —  площадь поперечного сечения тела, м2.
Все боковые поверхности тела также испытывают трение о слои жидкости. Величина потерь на трение зависит в основном от шероховатости поверхности и скорости движения тепа.
В цепом гидравлическое сопротивление движению тела в потоке жидкости будет равно сумме лобового сопротивления и потерь на трение, Н:
Если принять упрощенную схему взаимодействия движущегося поезда и воздушной среды, то можно использовать основные положения аэродинамики для приблизительной оценки аэродинамического сопротивления.
Отметим основные причины возникновения сопротивления воздушной среды (рис. 13):
на лобовую часть локомотива действует динамический, скоростной напор воздуха;
сильное завихрение воздушного потока за последним вагоном приводит к появлению зоны разряжения в хвосте поезда;
турбулизация воздушного потока в межвагонных промежутках и, особенно, в промежутке перед первым вагоном;
- трение между всеми поверхностями поезда и слоями воздуха;
мощная турбулизация воздушного потока под поездом, т.к. колесные пары в некоторой степени работают как вентиляторные колеса.
Заметное влияние на величину аэродинамического сопротивления также оказывают: общая длина поезда и положение вагона в поезде, выступающие части и открытые двери подвижного состава, форма головной части локомотива, форма первого и последнего вагонов дизель-  или электропоезда и др.
Приблизительная оценка величины сопротивления движению поезда от воздушной среды К5 может быть выполнена с помощью следующего выражения, Н:
(3.26)
Схема взаимодействия движущегося поезда и воздушной среды
Рис. 13. Схема взаимодействия движущегося поезда и воздушной среды
Удельное сопротивление движению поезда от воздушной среды, Н/кН:
(3.27)
где Fr — поперечное сечение локомотива или головного вагона, м2; т — число колесных пар; q0 — нагрузка от колесной пары вагона на рельсы, кН; Сх  —  коэффициент формы, определяется экспериментальным путем с помощью обдувки моделей подвижного состава в аэродинамических трубах, у локомотивов Сх = 0,5 — 1,0, дизель- и электропоездов Сх=0,9 — 1,28, скоростных поездов Сх = 0,2.
Коэффициент формы Сх характеризует степень приближения аэродинамики подвижного состава к форме идеально обтекаемого тела. Как известно, наименьший коэффициент Сх имеет тело с формой «капли» жидкости (рис. 14), для которого коэффициент формы Сх=0,05. Не случайно, формы тел многих видов морских животных и рыб схожи с каплей жидкости.

Рис. 14. Схема обтекания тела с формой «капли»

Аэродинамические испытания реальных поездов с локомотивами, имеющими разную форму головной части, проведенные в аэродинамической трубе ЦАГИ, показали, что применение более совершенных обтекаемых форм кабины машиниста приводит к увеличению коэффициента формы Сх головной части первого вагона грузового состава. Коэффициент формы одиночно следующего локомотива на 20 % больше величины Сх для того же локомотива в составе поезда. То есть снижение сопротивления воздушной среды возможно при одновременном применении обтекаемых форм головной и хвостовой частей поезда и легких гофрированных оболочек для закрытия всех межвагонных промежутков. Особую актуальность эта проблема приобретает при эксплуатации высокоскоростных поездов. Например, в Японии для уменьшения аэродинамического сопротивления движению высокоскоростных поездов всю ходовую часть закрывают специальными легкими щитами.
На рис. 15 приведены зависимости удельного аэродинамического сопротивления к5, Н/кН, движению грузовых четырехосных порожних (qQ = 50 кН) и груженых (qQ = 220 кН) вагонов в зависимости от скорости движения V, построенные по данным П.Н. Астахова [6]. Из графиков, представленных на рис. 15, видно, что удельное аэродинамическое сопротивление движению порожних вагонов в несколько раз превышает величину к5 для полностью загруженных вагонов (qQ = 220 кН); с ростом скорости величина сопротивления воздушной среды возрастает в квадратичной зависимости; плотность воздуха при изменении температуры от -20 °С до +20 °С заметного влияния на этот вид сопротивления не оказывает.
Экспериментальные исследования натурного высокоскоростного французского поезда TGV позволили [5] установить, что коэффициент формы поезда Сх можно представить в виде следующего уравнения
(3.28)
где a1  —  коэффициент формы головного и хвостового вагона; S —  площадь поперечного сечения вагона, м2; а2  —  коэффициент шероховатости поверхности поезда; р  —  периметр поперечного сечения поезда, м; lп  —  полная длина поезда, м.


Рис. 15. Зависимости удельного сопротивления воздушной среды движению грузовых четырехосных порожних (q0 = 50 кН) и груженых (q0 = 220 кН) вагонов от скорости движения и температуры воздуха

Сопротивление движению 10-вагонного поезда TGV весом 4000 кН предлагается рассчитывать по следующей эмпирической зависимости, Н:
Из формулы (3.27) следует, что основными эксплуатационными факторами, влияющими на величину удельного сопротивления движению подвижного состава от воздушной среды, являются скорость движения V и загрузка вагонов q0. Например, удельное аэродинамическое сопротивление высокоскоростного поезда TGV, определенное по формуле (3.29), при скорости V = 300 км/ч составляет к5 = 150 НУкН.



 
« Сила тяги и тяговые характеристики локомотивов   Системы высокоскоростного наземного транспорта »
железные дороги