Возможности повышения тягового усилия шахтных локомотивов

Шеперс В. Бургвинкель В. «Возможности повышение тягового усилия шахтных локомотивов» // Глюкауф.— 1986,— № 6.— С. 38—43.

В рамках обширной исследовательской программы факультета горного и металлургического машино­строения Рейнско-Вестфальской высшей техниче­ской школы в Ахене были проведены измерения передачи усилия от колеса к рельсу на шахтных локомотивах в подземных условиях [1, 2]. Величи­на измеренных коэффициентов сцепления колеба­лась от 0,14 до 0,17. Эти величины сопоставимы со значениями коэффициента сцепления для условий поверхности при небольшой влажности и загряз­ненности рельсовых путей, так что коэффициенты сцепления, полученные для шахт, соответствуют нижней границе обычных для поверхности коэффициентов. Такие низкие значения частично объясняются специфическими условиями подземных работ — тяговых и тормозных усилий кроются в конструкции применяемых в настоящее время в горной промышленности рудничных локо­мотивов, в типе их колесных пар, рессор, систем привода и управления. Ниже будут представлены возможности повыше­ния усилий сцепления рудничных локомотивов, увеличения их тягового и тормозного усилий.

Ниже будут представлены возможности повыше­ния усилий сцепления рудничных локомотивов, увеличения их тягового и тормозного усилий.

Механизм передачи тягового усилия

В точке контакта между колесом и рельсом происходит сцепление микровыступов контактирующих поверхностей (рис. 1). Упругость таких микровыступов можно сравнить с жесткостью или деформацией пружины. Если вначале действует не слишком большое тангенциальное усилие Ft, то благо­даря упругости микровыступов одно из тел фрикционной пары проскальзывает относительно другого на микроскопически малую величину, для этого необходимо преодолеть сопротивление деформации. Из-за наличия сил сопротивления на участке микросмешения совершается работа внутреннего трения, соответствующая площади фигуры между характеристиками сжатия и растяжения изображен­ной на рис. 1 диаграммы. Она соответствует ком­поненте гистерезиса силового замыкании.

Рис. I. Схема сцеплении колеса с рельсом (а), диаграмма упругости мнкровысгупов (b) и схема зоны контакта (с): У — микровыступы; 2 — упругие элементы микровыступов; S--компоненты гистерезиса; 4— участок скольжении; 5 — участок сцепления; Ft и Fn—усилие тяги на ободе колеса и нормальное усилие.

Благодаря наличию первоначально небольшого тангенциального усилия на эллиптическое поверхно­сти между колесом и рельсом возникает зона скольжения. Величина тангенциального определяет долю зоны скольжения в обшей площади контакта (см. рис. 1). Величина деформации и зона скольжения увеличиваются, пока существует равновесие между тангенциальным усилием и со­противлением деформации. Такое состояние равно­весия достигается, если все микровыступы поверх­ности контакта вовлечены в микросмещение (рис.2, точка В). На рис. 2 фаза передачи усилия соответ­ствует участку кривой между точками А и В. Эта зона получила название фазы микроиропроскальзывания, она характеризуется резким увеличением ко­эффициента сцепления µк с увеличением проскаль­зывания. Без проскальзывания передача тангенци­ального усилия невозможна, т. е коэффициент сцепления µк равен нулю, если проскальзывание л- равно нуле (рис. 2, точка .1). Если тангенциальное усилие в конце фазы мик­ропроскальзывания превысит сопротивление де­формации, то из-за повышения работы .ил трения на находящихся в контакте микровыетупах могут возникнуть локальные зоны кратковременного по­вышения температуры, так называемые температу­ры вспышки, где за несколько миллисекунд темпе­ратура может достигнуть 1000°С и больше [3, 4]. Материал на, участке размерами в несколько до­лей миллиметра приобретает свойства текучести, сопротивление деформации уменьшается. Эту фазу называют фазой макропроскальзывания силового замыкания (см. рис. 2, часть кривой справа от точ­ки В). Коэффициент сцепления достигает максиму­ма, поскольку воздействует тангенциальное усилие, обеспечивающее длительное превышение темпера­туры размягчения и ведущее к непрерывному сни­жению усилия сопротивления. После этого наибо­лее благоприятный участок фазы макропроскаль­зывания заканчивается (см. рис. 2, точка С). На следующем участке увеличивающееся проскальзы­вание приводит к дальнейшему повышению темпе­ратуры, а следовательно, л дальнейшему снижению усилия сопротивления и сильному уменьшению ко­эффициента сцепления [5].

Рис. 2. График зависимости коэффициента сцепления µк от скольжения S: a и b - участки микро- и макроскольжения

Факторы, влияющие на сцепление

Величина коэффициента сцепления зависит от мно­жества факторов, например типа привода, свойств фрикционной пары и внешних параметров. Ниже некоторые из этих фгкторов будут разобраны бо­лее подробно.

Свойства поверхности

Коэффициент сцепления сильно зависит от свойства поверхности колеса и рельса большую роль играет чистота поверхности (ржав­чина, полировка, шлифовка) и наличие возможных чужеродных наслоений — воды, породной или угольной пыли. Максимальный коэффициент сцеп­ления получают при чистых, шлифованных поверх­ностях.

Материал

Коэффициент сцепления сильно зависит от мате­риала, из которого изготовлены рельс и колесо. Так, например, у автомобильной покрышки ни бе­тонном покрытии коэффициент сцепления может превышать 1 В рельсовом транспорте при паре трения «сталь по стали», даже в самых благоприят­ных условиях во время стендовых испытаний были получены значения коэффициента сцепления не вы­ше 0,55 |6]. Существенно лучшие значения коэф­фициента сцепления были получены при стендовых испытаниях на факультете горного и металлургиче­ского машиностроения Рейнско-Вестфальской выс­шей технической школы пары трении, состоявшей из колеса с бандажом из пластмассы и стального рельса. В этом случае а зависимости от нормаль­ной силы в плоскости колеса коэффициент сцепле­ния колебался от 0,35 до 1.1.

Контактное сжатие

Для передачи максимально возможного тангенциального усилия предпочтительно небольшое кон­тактное сжатие. Находящиеся между поверхностями соприкосновения колеса и рельса микровыступы при большом контактном смятии пропадают, при этом снижается сопротивление деформации. И наоборот, при малом контактном сжатии микровыступы сохраняются, что дает возможность пере­давать большие тангенциальные усилия. Снижения контактного сжатия можно достигнуть увеличив диаметр рабочей поверхности колеса или снизив нормальное усилие в плоскости колеса. Сни­жение нормального усилия в плоскости колеса при топ же массе локомотива можно получить путем увеличения числа ведущих осей и колес. Стендовые испытания [6] показали, что увеличе­ния коэффициента сцепления с 0,45 до 0,55, т. е. на 22%, можно достигнуть при снижении действую­щих на колесо сил с 45 до 7 кН.

Усилия на колесе

Передаваемое тангенциальное усилие прямо про­порционально нормальному усилию в плоскости колеса. Большое нормальное усилие даже при ма­лом коэффициенте сцепления дает большое пере­даваемое тангенциальное усилие на колесе. Одна­ко на действующее в плоскости колеса нормальное усилие влияют неровности пути, величины угла подъема и разгрузка оси при передаче тягового усилия. Возникающие на неровностях пути динамические дополнительные силы приводят к изменению уси­лия на колесе. Эти дополнительные динамические силы приводят к кратковременным снижениям действующего в плоскости колеса нормального усилия, что в экстремальных случаях может привести к па­дению передаваемого тангенциального усилия до нуля. Таким образом, на величину коэффициента сцепления прямое влияние оказывает качество рельсового пути и его нижнего строения, а также качество амортизации колесной пары или ходовой тележки. На рис. 3 показаны силы, действующие в систе­ме «колесо на рельсе» при движении рудничного локомотива на подъем. Вес локомотива FG распре­деляется в плоскости на все колеса. При движении вверх по уклону только часть силы веса действует как нормальное усилие в плоскости колеса. Остав­шаяся часть силы веса действует как сила скаты­вания. С увеличением угла наклона нагрузка на перед­ние колеса падает, а на задние возрастает. Однако при неизменном коэффициенте сцепления это не влияет на сумму передаваемого всеми колесными парами тангенциального усилия. В то же время если учитывать, что при возрастании усилия на ко­лесе увеличивается контактное сжатие, а коэффи­циент сцепления уменьшается, то можно говорить о том, что суммарное передаваемое тангенциальное усилие для всех колес снижается. Тем не менее при встречающихся на локомотивной откатке укло­нах это влияние пренебрежимо мало. Аналогичные соотношения можно получить для разгрузки осей при передаче тягового усилия. Так как сцепочный крюк всегда располагается выше верхней кромки рельса, то передняя колесная пара дополнительно разгружается вследствие действую­щей на крюк силы, а на заднюю колесную пару приходится дополнительная нагрузка

Возможности повышения передаваемого тягового усилия

- увеличение числа приводных осей;

- регулирование проскальзывания;

- изменение материалов в паре трения. Эти возможности будут разобраны более подробно.

Увеличение числа приводных осей

Повышение нормального усилия соответственно фактору пропорциональности коэффициента сцеп­ления непосредственно приводит к увеличению передаваемого тангенциального усилия, которое опять-таки вызывает повышение тягового усилия локомотива.Одна­ко такое повышение массы ограничивается величи­ной допустимого контактного сжатия колеса и рель­са и максимальной нагрузкой на рельс при задан­ном расстоянии между шпалами. Так, например, при расстоянии между осями шпал 1100 мм, со­гласно стандарту ДИН 20 501, максимальное нор­мальное усилие на колеса ограничено 49,3 кН. Дли двухосного локомотива это соответствует сцепной массе 20 т. В то же время следует помнить, что по­вышение нормального усилия в плоскости колеса приводит к увеличению контактного сжатия меж­ду рельсом и колесом и снижению коэффициента сцепления, что отрицательно действует на переда­ваемое тяговое усилие. Эффективным компромиссным решением, позво­ляющим повысить положительно влияющую на передачу усилия сцепную массу и снизить контакт­ное сжатие между рельсом и колесом, является ис­пользование ходовых тележек, дающих возмож­ность удвоить число приводных осей.

Регулирование проскальзывания

Как видно из качественной оценки, коэффициента сцепления ко­торой приведены на рис. 2, коэффициент сцепле­ния с увеличением проскальзывания бистро увели­чивается и по достижении максимума начинает снижаться. Результаты измерении, проведенных Ф. Фридрихом [6], (рис. 4) дают возможность чис­ленной оценки зависимости коэффициента сцепле­ния от проскальзывания. Видно, что при установке и поддержании определенного проскальзывания можно получить коэффициент сцепления, в несколь­ко раз превышающий значения при нерегулируе­мом проскальзывании. Для достижения максималь­ного сцеплении при всех состояниях рельсового пути достаточно проскальзывания равного З %. Это высказывание правомерно как для ускорения, так и для торможения.

Для предотвращения процессов скольжения во время торможения в автомобильной и железнодо­рожной технике разработаны различные системы, хорошо зарекомендовавшие себя на практике. Сле­дует упомянуть противоблокировочное устройство тормозной системы автомобиля и системы защиты от скольжения на федеральных железных дорогах. В последней системе блокирование колес имеет электронное управление, что позволяет сократить тормозной путь даже при очень плохом состоянии рельсового пути. Непременной целью любых разра­боток новых конструкций локомотивов должно стать внедрение систем защиты от скольжения в используемых в подземных условиях локомотивах. При пуске большинство систем привода средств транспорта способно сообщать приводным колесам вращательные моменты больше тех, которые мо­гут быть переданы за счет силового замыкания. Это приводит к прокручиванию приводных колес, т. е. к пробуксовке. Наиболее эффектив­ным средством борьбы с пробуксовкой явля­ются автоматические системы защитной регулиров­ки. Такие системы уже испытаны на локомотивах с электроприводом [8, 9, 10]. В них имеются элек­тронный контроль момента привода каждого коле­са и устройства для его сравнения с моментами остальных колес. Если на одном из колес на этапе ускорения вращающий момент резко уменьшаем.

Замена материалов в паре трения

До сих пор система «колесо на рельсе» рассматри­валась только для пары трения сталь по стали. При обычной на подземных работах скорости скольжения поездов, составляющей 4—6 м/с, и распро­страненных типах рельс и конструкций нижнего строения путей, ограничивающих нормальное уси­лие в плоскости колеса 50 к!1, может оказаться це­лесообразным использовать другие пары трения

В угольной промышленности Великобритании уже с 1960 г. используются пневмоколесные локо­мотивы «Пони» для рельсовых путей. При сцепной массе 3,5 т они позволяют обеспечивать перевозку средних потоков материалов при наклоне рельсо­вых путей до 10%. При мощности двигателя 12,8 кВт они развивают максимальное тяговое уси­лие- до 17,8 кН, что соответствует коэффициенту сцепления около 0,5. В 1982 г. в эксплуатации на­ходилось около 100 локомотивов 'этого типа [12].. В ходе экспериментов, проводившихся факульте­том горного и металлургического машиностроения Рейнско-Вестфальской высшей технической школы, компромиссное решение пытались найти и нашли, использовав колеса с пластиковым бандажом. На­грузка на колесо достигает 25 кН при коэффициен­те сцепления, существенно превышающем коэффи­циент сцепления для пары сталь по стали [13]. На рис. 5 показаны кривые зависимости коэффи­циента сцепления от проскальзывания для колеса с пластиковым бандажом, полученные при стендо­вых исследованиях для сухого «бесконечного» рель­са. При малой величине действующих на колесо нормальных сил (около 5 кН) коэффициент сцеп­ления может достигать 1,1. С увеличением нор­мального усилии коэффициент уменьшается Так. при нормальном усилии 25 кН коэффициент сцеп­ления составлял только 0.35. Уменьшение коэффициента сцепления с ростом действующего на коле V со нормального усилия объясняется снижением на­пряжения и микровыступах. Сколько-нибудь за­метного влияния скорости на коэффициент сцепле­ния установлено не было.

Список литературы

1. Fuuser //. Grubenlokomotiven und ihre Kennlinien — Gluckauf-Fursdiungshefte, 1981. 42. Nr 3. S. 98-111.

2. Burgainkel P, Unlerlagige Messungen des Krallschlus-sbeiwertes zu ischen Rad und Schiene.- Gluckauf- Fursdiungshefte, 198«. 47. Nr. 1. S. 28-30.

3. Buwden F. I\. Ruiler K. E. W. Phvsical properties of surfaccs - Prue Ruy. Soc. 1936, A 154, S. 640.

4. Uetz H. Somme- K Grenzflachenlemperaluren bei Gleitbanspruchiini; und deren Wirkung—Vortrag auf der Techischen Aibeitstagung des MZV Stuttgart. 1972

5. Saumwthtr -. Winkle G. Eine neue Gleitschutzgeiieration fur die Eisenbahn unter Verwendung von Mikroprozessoren — Elektr Bahnen. 1981, 79, N'r. 9. S 331-336.

6. Hoven H. Kiekironische Lokomoli\Steuerung, hin Beitrag der Automatisierung des Lokomoto -Fahrbetriebes - Glasers Annalen. 1969, 93. N'r. b, S. 178-184.

7. Fiedler H. Sclioliis G. Neue Treibwagen lur die U-Bahn Munchen Die elektrische Ausrustung. - Elektr Bahnen, 1981, 75. Nr. 11, S .181 - 387.

8. Undergroundrailwuys. — Colliery Guardian. Februar 1981. S 36- 38.