ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ТЯГОВЫЕ РАСЧЕТЫ
8-1. ЗАДАЧИ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ
Тяговые расчеты производятся для определения веса поездов, скорости движения и времени хода, расхода топлива или электроэнергии, воды, а также величины тормозных путей. С другой стороны, на основании тяговых расчетов определяются необходимые тормозные средства в поезде, производится выбор локомотивов, определяется размещение раздельных и экипировочных пунктов.
В задачи тяговых расчетов входит изучение сил, действующих на поезд, и определение их величин. В зависимости от режима движения на поезд действуют следующие силы: сила тяги — при движении в режиме тяги, тормозная сила — при движении в режиме торможения, а так же силы сопротивления движению и силы инерции — при всех режимах движения. Силы сопротивления движению поезда определяются по эмпирическим формулам. Сила тяги, которую может развивать локомотив при различных скоростях, определяется по тяговой характеристике. Тормозная сила зависит от режима торможения и скорости.
Характер движения поезда в общем виде определяется уравнением:
где F — сипа тяги, кг;
В — тормозная сила, кг;
W — сила сопротивления движению, кг;
а — ускорение, м/сек;
М' — приведенная масса поезда, кг-сек/м;
где Q+P — полный вес поезда, т;
γ — коэффициент инерции вращающихся масс, учитывающий влияние инерции вращающихся колесных пар на инерцию поезда;
g — ускорение силы тяжести, м/сек.
Величина γ для торфовозных поездов составляет в среднем примерно 0,06.
2. ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКОМОТИВОВ
Тяговые характеристики локомотивов показывают, какие величины силы тяги может развивать локомотив в зависимости от скорости и, обратно, какие скорости может развивать локомотив в зависимости от величины сопротивления движения. Тяговые характеристики представляют собой семейство кривых F=f(v). Качество тяговых характеристик оценивается по тому, насколько полно они позволяют использовать установленную мощность локомотива и его сцепной вес, а так же, в какой степени они дают возможность регулировать скорость движения поезда независимо от силы сопротивления движению. Последнее обстоятельство имеет особенно существенное значение для транспорта торфяной промышленности, где весьма важную роль играет ограничение скорости по состоянию пути. Так, на временных путях скорости движения должны находиться в пределах 4—6 км/ч, на многих соединительных и второстепенных путях 10—15 км/ч, и при этих скоростях локомотив должен устойчиво работать, независимо от величины сопротивления движению.
Тяговые характеристики в зависимости от типа локомотивов, их параметров и вида передачи могут иметь самую различную форму. Удобнее всего при тяговых расчетах пользоваться касательной силой тяги и касательной мощностью локомотивов. Касательная сила тяги локомотива FK равна сумме сил, приложенных к движущим колесам локомотива в точках касания их с рельсами.
Касательная мощность локомотива равна:
Мощность локомотива может быть задана по мощности двигателя, которая превышает касательную на величину потерь в передаче, и на величину мощности, потребляемой вспомогательными машинами, присоединенными к валу двигателя. В некоторых случаях задается сила тяги на крюке, которая меньше касательной силы тяги на величину сопротивления движению локомотива.
Ввиду того что разница в силе тяги и мощности в зависимости от их точки приложения получается значительной, нужно всегда точно указывать, какая именно мощность или сила тяги имеются в виду. Сила тяги всех локомотивов ограничивается по условиям сцепления движущих колес с рельсами и по мощности двигателей. Существует и ряд других ограничений силы тяги, вытекающих из конструктивных особенностей каждого типа локомотива, и их так же необходимо учитывать. Ограничение силы тяги по сцеплению зависит от сцепного веса локомотива, коэффициента сцепления и определяется по формуле:
где Рсц — сцепной вес, т;
φк — коэффициент сцепления локомотива.
У всех современных узкоколейных локомотивов сцепной вес равен полному весу, поскольку все оси являются движущими. Коэффициент сцепления зависит от многих факторов, которые в свою очередь могут быть отнесены к зависящим от конструкции и типа локомотива, от состояния пути и от скорости движения. Реализация высоких коэффициентов сцепления зависит также от квалификации локомотивной бригады. Формула для определения коэффициента сцепления в общем виде может быть выражена:
где А и В — опытные коэффициенты.
Практика вождения тяжеловесных поездов в торфяной промышленности показала, что при паровозной тяге надежно могут быть реализованы коэффициенты сцепления, определяемые по формуле:
(1).
Значения коэффициентов сцепления, полученные по этой формуле, могут рассматриваться как среднепрогрессивные.
Коэффициент сцепления тепловозов и электровозов выше коэффициента сцепления паровозов. Так, на широкой колее коэффициент оцепления электровозов и тепловозов выше коэффициента сцепления паровозов при трогании с места на 10% и в движении при скорости до 20 км — на 2—6%. На узкой колее измерения коэффициента сцепления электровозов, электротепловозов и тепловозов проводились в очень ограниченном объеме. По данным испытаний электротепловоза ЭД-16, проводившихся ЦНИИ МПС, средний коэффициент сцепления при трогании с места на магистральном пути без песка составил 0,287, что превышает значение, получаемое по формуле (1), на 9%. Временно до более точного определения коэффициента сцепления узкоколейных тепловозов и электротепловозов можно рекомендовать использование формулы (1), увеличивая получаемые по ней значения при трогании с места на 9%.
На временных путях коэффициент сцепления уменьшается, значения его менее устойчивы, так как зависят от состояния пути и их можно принимать равными примерно 0,7—0,9 от значений коэффициента сцепления на постоянных путях. При движении по кривым коэффициент сцепления несколько снижается с уменьшением радиуса кривой.
Тяговые характеристики тепловоза ТУ-2М приведены на рис. 8-1,а и тепловоза ТУ-2 — на рис. 8-1,6.
Расчетные тяговые характеристики электротепловоза ЭД-18 приведены на рис. 8-2, электротепловоза ТЭУ-1 — на рис. 8-3.
Электротепловоз ЭД-18 имеет автоматические характеристики, близкие к гиперболам постоянной мощности, при которых сила тяги в зависимости от скорости изменяется таким образом, что мощность локомотива остается примерно постоянной.
Сила тяги электротепловоза ЭД-18 ограничивается по току часового режима тяговых двигателей и ее следует принимать за максимальную расчетную.
Рис. 8-2. Тяговые характеристики электротепловоза ЭД-18: 1 —ограничение силы тяги по сцеплению; 2 — ограничение силы тяги по току часового режима.
Э — характеристики, соответствующие номинальной мощности в электровозном режиме; m — характеристики, соответствующие номинальной мощности в тепловозном режиме.
Сцепной вес ЭД-18 недоиспользован, что является его существенным недостатком.
Электротепловоз ТЭУ-1 имеет ступенчатые тяговые характеристики. Промежуточные скорости движения (между ступенями) могут быть получены кратковременно, главным образом при разгоне. При движении на
заданной ступени скорости электротепловоз сможет развивать любую силу тяги в пределах ограничений по мощности двигателя и по сцеплению.
Рис. 8-3. Тяговые характеристики электротепловоза ТЭУ-1.
1 — ограничение силы тяги по сцеплению; 2 — ограничение силы тяги по мощности часового режима электродвигателя.
Э — характеристики в электровозном режиме; т — характеристики в тепловозном режиме; VI, VII,... VVI — характеристики и ограничения силы тяги, соответствующие ступеням скорости с I по VI.
При движении по спуску электротепловоз автоматически переходит в режим электрического торможения с возвратом энергии в сеть. Такие характеристики позволяют точно выдерживать установленную скорость движения, что удобно при наличии ограничений скорости по состоянию пути и в торфяной промышленности имеет существенное значение.
Общим недостатком локомотивов со ступенчатыми тяговыми характеристиками является худшее использование мощности двигателей, чем у локомотивов, имеющих автоматическую характеристику. Однако локомотивы со ступенчатыми характеристиками имеют, как правило, более высокий к. п. д. передачи, чем в значительной мере компенсируется указанный выше недостаток, а также более простую конструкцию.
За расчетную силу тяги ТЭУ-Ι на руководящем подъеме следует принимать 3600 кг при скорости 15,7 км/ч, но при необходимости может быть принята и сила, равная 4 150 кг, при v=10,6 км/ч.
3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА
Сопротивление движению поезда разделяют на основное и дополнительное. Основным называют сопротивление движению на прямом горизонтальном участке пути. К дополнительным сопротивлениям относят сопротивления от уклонов, от кривых и при трогании с места. Обычно пользуются удельными сопротивлениями движению, представляющими собой сопротивления движению в килограммах, отнесенные к 1 т веса поезда.
Основное удельное сопротивление движению зависит от типа и конструкции подвижного состава, скорости движения и от загрузки вагонов. Кроме того, на него влияют состояние пути и ходовых частей, направление и сила ветра и другие факторы. Таким образом, даже для одного и того же типа подвижного состава основное удельное сопротивление в зависимости от условий эксплуатации может несколько различаться.
Эмпирические формулы для определения основного удельного сопротивления движению для различных типов подвижного состава были рекомендованы инж. Чежиным на основании опытов, проводившихся им в торфяной промышленности. Эти формулы для четырехосных торфовозных вагонов имеют общий вид:
где v — скорость движения, км/ч, a, b и с — коэффициенты.
Значения основного удельного сопротивления вагонов, подсчитанные по приведенным формулам, приведены на рис. 8-4.
Чаще пользуются приближенными формулами Чежина для четырехосных вагонов:
а) для груженого режима
б) для порожнего режима
При скоростях движения менее 10 км/ч основное удельное сопротивление движению следует принимать равным основному удельному сопротивлению при скорости 10 км/ч.
Рис. 8-4. Основное удельное сопротивление движению четырехосных торфовозных вагонов колеи 750 мм.
1 — груженый режим; 2 — порожний режим.
Сопротивление движению локомотивов обычно несколько превышает сопротивление движению вагонов. Практически при производстве тяговых расчетов можно принимать основное удельное сопротивление локомотива равным основному удельному сопротивлению вагонов, получаемая при этом погрешность не выходит за пределы точности тяговых расчетов. Основное удельное сопротивление движению на временных путях колеблется в широких пределах, так как сильно зависит от состояния путей. Обычно при расчетах основное удельное сопротивление движению на временных путях принимают равным 6—10 кг/т.
Дополнительное удельное сопротивление движению от подъемов численно равно величине подъема в тысячных и складывается алгебраически с основным удельным сопротивлением движению.
Дополнительное удельное сопротивление движению от кривых подсчитывается по эмпирической формуле 
где R —радиус кривой, м.
Сопротивление поезда троганию с места превышает величину основного сопротивления движению на величину дополнительного удельного сопротивления троганию. Для вагонов на подшипниках скольжения величину дополнительного удельного сопротивления троганию принимают
Приведенные эмпирические формулы для определения сопротивления движению получены при испытаниях вагонов старых образцов. Ввиду этого они могут рассматриваться только как временные и должны быть уточнены после проведения работы по экспериментальному определению удельных сопротивлений подвижного состава новых типов.