Качество сцепления ведущего колеса с рельсом оценивается величиной коэффициента сцепления, который представляет собой отношение максимально возможной в данных условиях величины суммарной силы тяги FKмакс на ободе колес (одной колесной пары или локомотива в целом), развиваемой без боксования, к вертикальной нагрузке на колеса, то есть, например ψ = Fкмакс /(2П) — для одной ведущей оси (колесной пары)
или ψ = Fкмакс /Р — применительно к локомотиву в целом. Определенные таким образом значения коэффициента сцепления ψ называют физическим коэффициентом сцепления, реализованным в конкретных (частных) условиях.
Ввиду сказанного выше можно понять, что величина физического коэффициента сцепления в конкретных условиях — величина случайная, зависящая от многих факторов. Поэтому существует понятие расчетного коэффициента сцепления ψK, величина которого определяется на основе результатов многочисленных опытов в условиях реальной эксплуатации.
Эти результаты обобщаются в виде эмпирических зависимостей (формул), которые могут в дальнейшем использоваться для тяговых расчетов.
Факторы, влияющие на физическое сцепление колес с рельсами.
Многочисленные исследования процесса сцепления, выполненные как у нас в стране, так и за рубежом, выявили некоторые определенные закономерности в реализации величин коэффициентов сцепления.
1. Величина физического коэффициента сцепления зависит от степени относительного проскальзывания (или относительной скорости проскальзывания v CK / v) колеса по рельсу в точке контакта.
Эту зависимость, в общем виде показанную на рис. 2.5, можно разделить на три характерных участка. В первой зоне а при малых значениях скорости упругого относительного проскальзывания v CK / v (примерно до 0,5—0,8 %) величина коэффициента сцепления растет пропорционально величине упругих деформаций. В зоне б (в диапазоне скоростей относительного скольжения от 0,5—0,8 до 1,5—2 %) эта пропорциональность нарушается, хотя величина коэффициента сцепления все же остается высокой: она еще растет до максимума при значении (vCK/v) порядка 1 —1,2 %, затем начинает снижаться. При дальнейшем росте относительного проскальзывания величина коэффициента сцепления снижается (зона в на рис. 2.5). Это может приводить к значительной потере сцепления — вплоть до интенсивного проскальзывания — боксования. Отсюда следует, что для повышения тяговых возможностей локомотивов их конструкторам необходимо изыскивать способы контроля за скоростью относительного проскальзывания колес, чтобы поддерживать его величину в определенных пределах на оптимальном уровне — вблизи границ зон а и б на рис. 2.5. Такие следящие системы контроля не только защищают локомотив от возможности боксования, но и позволяют гарантировать надежную реализацию расчетных величин его силы тяги.
Рис. 2.5. Зависимость величины физического коэффициента сцепления ψ скорости относительного проскальзывания колеса по рельсу (vск / v) 100 %
2. Эта же тенденция снижения коэффициента сцепления наблюдается при увеличении скорости поступательного движения, когда продолжительность времени взаимного молекулярного контакта частиц колеса и рельса сокращается.
Первые два обстоятельства приводят к тому, что общий вид формул для определения расчетного коэффициента сцепления обычно имеет вид обратной пропорциональности его величины от скорости поступательного движения.
3. Величина коэффициента сцепления зависит от состояния поверхностей колеса и рельса, наличия окислов на этих поверхностях и «третьей фазы» между ними.
Например, известно, что после сильных дождей, хорошо очищающих поверхности рельсов, сцепление колес с рельсами улучшается. Наоборот, при незначительных осадках (небольшой дождь или снег, роса, иней) частицы пыли и растительных остатков, находящиеся на поверхности рельсов, увлажняясь, образуют пленку, тонкий слой грязи, что ухудшает сцепление колес с рельсами. В то же время, в частности, очевидно, что подача сухого кварцевого песка в зону контакта колес и рельсов существенно увеличивает величину коэффициента сцепления ψ
Поэтому все современные отечественные локомотивы имеют так называемые песочные системы с бункерами для хранения запаса сухого песка и форсунками для распыливания его в зону контакта ведущих колес с рельсами. Локомотивные депо при любом виде тяги в составе своего экипировочного хозяйства имеют устройства для хранения и сушки кварцевого песка и подачи его на локомотивы.
4. Взаимодействие колеса и рельса и, следовательно, значение коэффициента сцепления зависят от степени износа (изменения геометрической формы) контактирующих поверхностей.
5. Устойчивость сцепления колес и рельсов зависит и от конструкции экипажа локомотива и типа его тягового привода. При групповом приводе, когда возможность боксования отдельных колесных пар исключается, величина коэффициента сцепления локомотива более стабильна.
Можно отметить влияние некоторых конкретных элементов конструкции и эксплуатации:
а) так как величина суммарной силы тяги локомотива ограничена его лимитирующей (наиболее разгруженной при движении) колесной пары, фактический коэффициент сцепления локомотива ψфакт зависит от величины коэффициента использования его сцепного веса ηсц. Коэффициентом использования сцепного веса ηсц называют отношение нагрузок от ведущих колесных пар локомотива на рельсы: величины нагрузки колесной пары, наиболее разгруженной при реализации силы тяги, 2ПМИН к средней нагрузке всех ведущих колесных пар 2П, то есть ηсц = 2Пмин /2П. Можно считать, что
ψфакт = ψмакс ηсц
б) увеличение диаметра колес локомотива несколько увеличивает размеры контактной площадки между колесом и рельсом, что увеличивает и коэффициент сцепления ψфакт.
в) увеличение нагрузки на колесную пару и, как следствие, увеличение удельных давлений в зоне контакта в результате снижают величину коэффициента сцепления, так как пластические деформации в зоне контакта растут и играют роль своеобразной смазки, снижающей трение покоя;
г) при кратной тяге у второго локомотива может быть реализован более высокий коэффициент сцепления — сказывается эффект «зачистки» поверхности рельсов при прохождении их первым локомотивом.
Надо заметить, что факторы, отмеченные в пунктах б) и в), имеют лишь теоретическое значение, поскольку различия диаметров колес и осевых нагрузок у современных магистральных локомотивов относительно невелики, и поэтому влияние этих факторов (диаметра и нагрузки), если и проявляется на практике, то незначительно.
Таким образом, физический коэффициент сцепления зависит от трех групп факторов: от конструкции локомотива и состояния его колесных i iap, от конструкции и состояния пути и от атмосферных условий.
Максимальные по величине значения коэффициента сцепления в конкретных условиях могут быть получены при сухих рельсах и при подаче песка.