Тяговое усилие

В железнодорожной технике термин «тяговое усилие» описывает тяговую или толкающую способность локомотива . Опубликованное значение тяговой силы для любого транспортного средства может быть теоретическим, то есть рассчитанным на основе известных или подразумеваемых механических свойств, или полученным путем испытаний в контролируемых условиях. Обсуждение в настоящем документе охватывает использование термина в механических приложениях, в которых конечным этапом системы передачи мощности является одно или несколько колес, находящихся во фрикционном контакте с железнодорожным путем .

Определение тягового усилия

Термин тяговое усилие часто квалифицируется как стартовое тяговое усилие , постоянное тяговое усилие и максимальное тяговое усилие . Эти термины применяются к различным условиям эксплуатации, но связаны общими механическими факторами: входным крутящим моментом на ведущих колесах, диаметром колеса, коэффициентом трения ( $μ$ ) между ведущими колесами и опорной поверхностью и весом, приложенным к ведущим колесам ( $mg$ $)$ . Произведение $μ$ и mg является коэффициентом сцепления , который определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен до начала пробуксовки или проскальзывания колес .

Начальное тяговое усилие: Начальное тяговое усилие — это тяговое усилие, которое может быть создано на стоянке. Этот показатель важен на железных дорогах, поскольку он определяет максимальный вес поезда, который локомотив может привести в движение.
Максимальное тяговое усилие: Максимальное тяговое усилие определяется как наивысшая тяговая сила, которая может быть создана в любых условиях, не наносящих вреда транспортному средству или машине. В большинстве случаев максимальное тяговое усилие развивается на низкой скорости и может быть таким же, как и стартовое тяговое усилие.
Постоянное тяговое усилие: Непрерывное тяговое усилие — это тяговое усилие, которое может поддерживаться бесконечно, в отличие от более высокого тягового усилия, которое может поддерживаться в течение ограниченного периода времени до перегрева системы передачи мощности. Из-за соотношения между мощностью ( $P$ ), скоростью ( $v$ ) и силой ( $F$ ), описываемого как:

P=vF

или

{\frac {P}{v}}=F.

Тяговое усилие обратно пропорционально скорости на любом заданном уровне доступной мощности. Постоянное тяговое усилие часто отображается в виде графика в диапазоне скоростей как часть кривой тягового усилия . ^[1]

Транспортные средства, имеющие гидродинамическую муфту , гидродинамический усилитель крутящего момента или электродвигатель в качестве части системы передачи мощности, также могут иметь максимальный номинал непрерывного тягового усилия , который является наивысшей силой тяги, которая может быть произведена в течение короткого периода времени без причинения вреда компонентам. Период времени, в течение которого максимальное непрерывное тяговое усилие может быть безопасно создано, обычно ограничивается тепловыми соображениями, такими как повышение температуры в тяговом двигателе .

Кривые тягового усилия

Технические характеристики локомотивов часто включают кривые тягового усилия, ^[2]^[3]^[4]^[5] показывающие зависимость между тяговым усилием и скоростью.

Форма графика показана справа. Линия AB показывает работу при максимальном тяговом усилии, линия BC показывает постоянное тяговое усилие, обратно пропорциональное скорости (постоянная мощность). ^[6]

На кривые тягового усилия часто накладываются графики сопротивления качению — пересечение графика сопротивления качению ^{[примечание 1]} и графика тягового усилия дает максимальную скорость при нулевом уклоне (когда чистое тяговое усилие равно нулю).

Рельсовые транспортные средства

Чтобы запустить поезд и разогнать его до заданной скорости, локомотив(ы) должен(ны) развить достаточную силу тяги, чтобы преодолеть сопротивление поезда , которое представляет собой комбинацию трения подшипников осей , трения колес о рельсы (которое существенно больше на криволинейном пути, чем на прямолинейном пути) и силы тяжести на уклоне . После начала движения поезд будет развивать дополнительное сопротивление по мере ускорения из-за аэродинамических сил , которые увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Сопротивление также может возникать на скорости из-за рыскания тележки , что увеличит трение качения между колесами и рельсами. Если ускорение продолжится, поезд в конечном итоге достигнет скорости, при которой имеющаяся сила тяги локомотива(ов) будет точно компенсировать общее сопротивление, в результате чего ускорение прекратится. Эта максимальная скорость будет увеличиваться на спуске из-за того, что сила тяжести помогает движущей силе, и будет уменьшаться на подъеме из-за того, что сила тяжести противодействует движущей силе.

Тяговое усилие можно теоретически рассчитать на основе механических характеристик локомотива (например, давления пара, веса и т. д.) или путем реальных испытаний с использованием датчиков деформации на тяговом брусе и динамометрического вагона . Мощность на рельсах — железнодорожный термин, обозначающий доступную мощность для тяги, то есть мощность, которая доступна для приведения в движение поезда.

Паровозы

Оценку тягового усилия одноцилиндрового паровоза можно получить из давления в цилиндре, диаметра цилиндра, хода поршня ^{[примечание 2]} и диаметра колеса. Крутящий момент, развиваемый линейным движением поршня, зависит от угла, который ведущий шток образует с касательной радиуса на ведущем колесе. ^{[примечание 3]} Для более полезного значения используется среднее значение по вращению колеса. Движущая сила — это крутящий момент, деленный на радиус колеса.

В качестве приближения можно использовать следующую формулу (для двухцилиндрового локомотива): ^{[примечание 4]}

\{t\}_{\mathrm {фунт-сила} }={\frac {\{d\}_{\mathrm {дюйм} }^{2}\{s\}_{\mathrm {дюйм} }\{p\}_{\mathrm {пси} }}{\{w\}_{\mathrm {дюйм} }}}\times 0,85,

^[7]

где

t — тяговое усилие в фунтах-силах
d — диаметр поршня в дюймах ( отверстие )
s — ход поршня в дюймах
p — рабочее давление в фунтах на квадратный дюйм
w — диаметр ведущих колес в дюймах

Константа 0,85 была стандартом Ассоциации американских железных дорог (AAR) для таких расчетов и переоценивала эффективность одних локомотивов и недооценивала других. Современные локомотивы с роликовыми подшипниками , вероятно, были недооценены.

Европейские проектировщики использовали константу 0,6 вместо 0,85, поэтому их нельзя сравнивать без коэффициента пересчета. В Великобритании на магистральных железных дорогах обычно использовали константу 0,85, но производители промышленных локомотивов часто использовали более низкое значение, обычно 0,75.

Константа c также зависит от размеров цилиндра и времени, в течение которого открываются клапаны впуска пара; если клапаны впуска пара закрываются сразу после достижения полного давления в цилиндре, можно ожидать, что сила поршня упадет до менее чем половины первоначальной силы. ^{[примечание 5]} давая низкое значение c . Если клапаны цилиндра остаются открытыми дольше, значение c поднимется ближе к единице.

Три или четыре цилиндра (простые)

Результат следует умножить на 1,5 для трехцилиндрового локомотива и на два для четырехцилиндрового локомотива. ^[8]

Альтернативно, тяговое усилие всех «простых» (т.е. несоставных) локомотивов можно рассчитать следующим образом:

${\ displaystyle \ {t \} _ {\ mathrm {lbf} } = {\ frac {0,85 \ {d \} _ {\ mathrm {in} } ^ {2} n \ {s \} _ {\ mathrm { in} }\{p\}_{\mathrm {psi} }}{2\{w\}_{\mathrm {in} }}},}$ ^[9]

где

t — тяговое усилие в фунтах-силах
n — количество цилиндров
d — диаметр поршня в дюймах
s — ход поршня в дюймах
p — максимальное номинальное давление котла в фунтах на кв. дюйм
w — диаметр ведущих колес в дюймах

Несколько цилиндров (составные)

Для других количеств и комбинаций цилиндров, включая двигатели двойного и тройного расширения, тяговое усилие можно оценить путем сложения тяговых усилий, создаваемых отдельными цилиндрами при соответствующих им давлениях и ходах цилиндров. ^{[примечание 6]}

Значения и сравнения для паровозов

Тяговое усилие — это цифра, которую часто приводят при сравнении мощности паровозов, но она вводит в заблуждение, поскольку тяговое усилие показывает способность завести поезд, а не способность тянуть его. Возможно, самое высокое тяговое усилие, когда-либо заявленное, было у триплексного локомотива 2-8-8-8-4 Virginian Railway , который в режиме простого расширения имел расчетную стартовую TE 199 560 фунтов-сил (887,7 кН) — но котел не мог производить достаточно пара для тяги со скоростью более 5 миль в час (8 км/ч).

Из более успешных паровозов, те, которые имели самое высокое номинальное пусковое тяговое усилие, были у Virginian Railway AE-class 2-10-10-2s , в 176 000 фунтов силы (783 кН) в режиме простого расширения (или 162 200 фунтов, если рассчитывать по обычной формуле). У Union Pacific Big Boys начальное TE было 135 375 фунтов силы (602 кН); у Norfolk & Western Y5, Y6, Y6a и Y6b class 2-8-8-2s начальное TE было 152 206 фунтов силы (677 кН) в режиме простого расширения (позже модифицированное до 170 000 фунтов силы (756 кН), утверждают некоторые энтузиасты); и грузовой дуплекс Пенсильванской железной дороги Q2 достиг 114 860 фунтов силы (510,9 кН, включая усилитель) — наивысший показатель для локомотива с жесткой рамой. Более поздние двухцилиндровые пассажирские локомотивы в целом имели тягу от 40 000 до 80 000 фунтов силы (от 170 до 350 кН) TE

Тепловозы и электровозы

Для электровоза или дизель-электрического локомотива пусковое тяговое усилие можно рассчитать из величины веса на ведущих колесах (который в некоторых случаях может быть меньше общего веса локомотива), объединенного момента торможения тяговых двигателей , передаточного числа между тяговыми двигателями и осями и диаметра ведущего колеса . Для дизель-гидравлического локомотива пусковое тяговое усилие зависит от момента торможения гидротрансформатора , а также от зубчатой передачи, диаметра колеса и веса локомотива.

Соотношение между мощностью и тяговым усилием было выражено Хэем (1978) как

t={\frac {PE}{v}},

^[10]

где

t — тяговое усилие, в ньютонах (Н)
P — мощность в ваттах (Вт)
E — КПД, рекомендуемое значение 0,82 учитывает потери между двигателем и рельсом, а также мощность, отводимую на вспомогательные системы, такие как освещение.
v — скорость в метрах в секунду (м/с)

Грузовые локомотивы предназначены для создания более высокого максимального тягового усилия, чем пассажирские единицы эквивалентной мощности, что обусловлено гораздо большим весом, типичным для грузового поезда. В современных локомотивах передача между тяговыми двигателями и осями выбирается в соответствии с типом обслуживания, в котором будет эксплуатироваться единица. Поскольку тяговые двигатели имеют максимальную скорость, с которой они могут вращаться без повреждения, передача для более высокого тягового усилия осуществляется за счет максимальной скорости. И наоборот, передача, используемая в пассажирских локомотивах, благоприятствует скорости, а не максимальному тяговому усилию.

Электровозы с мономоторными тележками иногда оснащаются двухскоростной передачей. Это позволяет увеличить тяговое усилие для перевозки грузовых поездов, но на пониженной скорости. Примерами служат классы SNCF BB 8500 и BB 25500 .

Смотрите также

Торможение
Уравнение сопротивления
Коэффициент сцепления , который представляет собой вес на ведущих колесах локомотива, деленный на пусковое тяговое усилие.
Классификация мощности – схема классификации железных дорог Великобритании и Лондона, Мидленда и Шотландии
Сцепление с рельсами
Тяговое усилие трактора , тяговое усилие на столбе – статьи, касающиеся тягового усилия для других видов транспортных средств

Примечания

^ Графики обычно показывают сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса, на ровной поверхности или на подъеме.
^ Половина длины хода примерно равна радиальному расстоянию от соединения ведущего стержня до центра ведомого колеса.
^ Соотношение следующее: Крутящий момент = Сила _поршня x R (радиальное расстояние до точки соединения ведущего стержня) x cos( A ), где A — угол, который ведущий стержень образует с касательной к радиусу от центра колеса до крепления ведущего стержня.
^ Как и в любой физической формуле, единицы измерения должны быть согласованы: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунтах-силах, тогда как давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.
^ См . объяснение в Газовых законах .
^ Значение константы c для цилиндра низкого давления принимается равным 0,80, а для цилиндра высокого давления — равным 0,85.

Ссылки

^ Саймон Ивницки, ред. (2006). Справочник по динамике железнодорожного транспорта. Бока-Ратон: CRC Press: Taylor & Francis. стр. 256. ISBN 978-0-8493-3321-7.
^ XPT: Доставка, тестовые запуски и демонстрационные запуски railpage.au.org см. график
^ Семейство локомотивов Gravita voithturbo.de (страница 2) Архивировано 18.03.2009 на Wayback Machine
^ Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (страница 2)
^ Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические платформенные локомотивы для Европы siemens.dk (стр. 3)
^ Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумейстер; Али Садег, ред. (2006). Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers (11-е изд.). McGraw-Hill. стр. 166. ISBN 978-0-07-142867-5.
^ Аллан, Ян (1957). Объединенный том локомотивов Британских железных дорог . Ian Allan Ltd.
^ Ян Аллан ABC of British Railways Locomotives , зимнее издание 1960/61, часть 1, стр. 3
^ Филлипсон, Э. А. (1936). Проектирование паровозов: данные и формулы . Издательская компания «Локомотив».
^ Хей, Уильям (1978). Железнодорожное машиностроение . Wiley, Нью-Йорк. С. 100.

Дальнейшее чтение

Простое руководство по обучению физике
Тяговое усилие, ускорение и торможение