Сцепление ведущих колес локомотива с рельсами. Основной закон локомотивной тяги
Величина момента М, который может быть приложен к ведущему колесу (ведущей оси) локомотива меняется в зависимости от изменений режима движения и режима работы энергетической установки локомотива.
Но в любом случае сила трения покоя (при отсутствии скольжения), которая является силой реакции на действующий момент, не может превосходить какого-то предельного значения, зависящего от условий трения (сцепления):
(1)
Это условие называют основным (или первым) законом локомотивной тяги.
Чтобы увеличить силу тяги (см. рис. 1), нужно увеличить величину вращающего момента, чтобы уменьшить — соответственно снизить его величину. Практически наиболее важной и чаще встречающейся потребностью в эксплуатации бывает необходимость увеличения силы тяги локомотива на отдельных этапах его движения с поездом (в моменты трогания поезда с места, его разгона, при движении на крутых подъемах и т.п.). Однако безграничное увеличение вращающего момента, приложенного к ведущей оси, невозможно.
Депо в том, что, как было показано выше, сила тяги возникает как реакция на вращающий момент при условии отсутствия скольжения в точке А, то есть при наличии между колесом и рельсом необходимой для этого величины силы трения.
Сила трения скольжения, как известно из физики и было показано выше на примере, по закону Кулона-Амонтона прямо пропорциональна величине силы, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу; в нашем случае это нагрузка от колеса на рельс П. Следовательно, F=Πμ. Известно также, что величины силы трения при отсутствии проскальзывания (так называемая сила трения покоя) и соответствующего ей коэффициента трения покоя больше, чем соответственно величины силы и коэффициента трения при начавшемся скольжении.
Стало быть, максимальная величина силы трения между колесом и рельсом при отсутствии скольжения равна Fмакс = Πμ0. И, следовательно, наибольшее возможное значение силы тяги, как уже было отмечено выше, не может быть больше максимальной величины силы трения между колесом и рельсом, то есть FK < FMaкс.
Реальный процесс взаимодействия колеса, создающего силу тяги, и рельса более сложен, так как поверхности колеса и рельса не плоские, а криволинейные. Поэтому в контакте колеса и рельса имеют место трение и скольжение и в поперечном направлении (о чем речь пойдет ниже).
И хотя все основано именно на трении, процесс реального взаимодействия ведущего колеса и рельса на железнодорожном транспорте называют сцеплением и величину максимальной силы тяги называют силой тяги по условиям сцепления ведущих колес с рельсами (или просто — «по сцеплению»), а само выражение неравенства — ограничением силы тяги по сцеплению.
Fмакс =ПΨ, где Ψ — коэффициент сцепления.
Это ограничение обычно записывают так:
Это величина максимально возможной силы тяги одного колеса.
Если посчитать, что значения коэффициентов сцепления всех колес локомотива одинаковы, то для локомотива в целом можно написать
где Ρ-ΣΠ — так называемый «сцепной» вес локомотива (сумма нагрузок на рельсы от всех его ведущих колес).
С учетом принятых выше единиц измерения горизонтальных и вертикальных сил, действующих на поезд:
(2)
где величины вертикальных нагрузок ΣΠ и Р — в килоньютонах, кН, а результат — сила тяги FK макс — в ньютонах, Н.
Ограничение величины горизонтальных сил в точках касания колес и рельсов по условиям сцепления имеет значение не только для силы тяги, но и для создания тормозных сил. Роль этого ограничения будет показана далее.
Неравенство FK макс < 1000Ρψ и является конкретным выражением основного закона локомотивной тяги. Важно обратить внимание на то, что и при формулировке закона, и в этом его конкретном выражении отсутствуют указания на тип локомотива и мощность его энергетической установки. Этот закон одинаково ограничивает наибольшую возможную величину силы тяги автономных и неавтономных локомотивов по условию сцепления ведущих колес и рельсов независимо от типа и мощности самого локомотива.