Общие принципы механики движения поездов и работы локомотивов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ И РАБОТЫ ЛОКОМОТИВОВ

План:

СИЛЫ И ДВИЖЕНИЕ

ДВИЖЕНИЕ ПОЕЗДА

ЭНЕРГЕТИКА ВИДОВ ТРАНСПОРТА

Литература

СИЛЫ И ДВИЖЕНИЕ

Мы часто говорим, что поезд ведет локомотив. Но что именно с физической точки зрения вызывает движение состава? Почему один и тот же поезд в одних условиях движется быстро, а в других значительно медленнее? Какие данные и характеристики локомотива определяют характер движения поезда? Чтобы ответить на эти вопросы, надо вспомнить раздел механики из школьного курса физики.

В любом учебнике физики рассматривается простейший пример прямолинейного движения тела по плоскости (рис. 1 ,а). Тело (предмет) А лежит на горизонтальной опорной поверхности жидкости Б (или плавает на поверхности). Сила тяжести (вес) тела Р действует на опорную поверхность сверху вниз: Р = mg, где m -- масса, а g -- ускорение земного притяжения (g = 9,81 м/с2). Реакция опорной поверхности N (или выталкивающая сила жидкости) по закону равенства действия и противодействия равна силе тяжести по величине и противоположна по направлению. Вследствие равенства и противоположности действующих сил их сумма или равнодействующая равна нулю, т.е. тело находится в состоянии покоя (в вертикальном направлении).

Рис. 1. Силы, действующие на материальное тело:

а - в состоянии покоя; б - при движении

Каким образом можно вывести тело А из состояния неподвижности и заставить его двигаться в горизонтальном направлении, например вправо? Ответ может быть лишь один -- необходимо приложить к телу какую-то внешнюю силу (а сила в физике -- это результат взаимодействия двух тел), направленную в сторону ожидаемого движения.

Потянем тело А вправо с силой F, приложенной к телу, например, при помощи гибкой нити (рис, 1 ,б.). Если сила F превысит по величине силу сопротивления тела страгиванию (которую иногда называют силой трения покоя), то тело сдвинется с места и будет перемещаться вправо. Препятствовать этому перемещению будет сила сопротивления движению W0, являющаяся результатом трения скольжения между телом А и опорной поверхностью Б или, в общем случае, окружающей средой. По закону Кулона -- Амонтона величина силы трения скольжения прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела А на опорную поверхность Б, т.е. силе тяжести Р, а именно: , где -- коэффициент трения. Если сила F больше силы W0, то равнодействующая этих сил R будет больше 0, т.е. R= F - W0 > 0, и направлена вправо. В этом случае движение тела будет ускоренным.

Величина ускорения а тела на основании второго закона Ньютона пропорциональна равнодействующей силе F - W0 и обратно пропорциональна массе m тела, т.е. а = (F - W0)/m.

Таким образом, движение тела по горизонтальной поверхности связано с наличием двух групп сил. Две вертикальные силы (тяжести и реакция опорной поверхности -- пути) уравновешены, а две горизонтальные силы не уравновешены. Поэтому движение будет горизонтальным. Сила сопротивления W0 появляется с момента начала движения, она неуправляема и не зависит от того, что организует движение. Зато сила F полностью зависит от того, что организует движение, а точнее, от мощности двигателя транспортного средства. Поэтому-то силу F и называют движущей силой.

Сформулируем основные условия движения материальных тел, вытекающие из законов механики:

Таблица 1

Способы создания движущей силы в различных видах транспорта

· причиной движения может быть только внешняя по отношению к телу сила F (см. рис. 1);

· характер движения (изменения скорости) зависит от соотношения величин движущей силы и силы сопротивления. Например, увеличение скорости движения тела будет происходить, если F > W0 и т.д.

В рассмотренном выше случае тело А движется го плоскости Б при помощи гибкой нити (непосредственное приложение силы). Какие еще способы создания движущей силы можно встретить в природе, технике (например, при движении лифта, рыбы в воде, шагающего по тротуару человека, ракеты в космическом пространстве и т.д.)? Ответы на эти вопросы можно получить из табл. 1, где приведены основные способы создания движущей силы, реализованные природой и человеком в различных видах транспорта, и соответствующие им примеры.

Так, во всевозможных видах транспорта используются разные способы создания движущей силы. Большинство из них относится к трем принципиально отличающимся группам.

Первая группа -- непосредственное приложение внешней силы. Самая очевидная форма реализации данного способа -- это приложение внешней силы от стационарного источника энергии при помощи гибкой связи (каната), как показано на рис. 1.

Существуют различные системы, в которых транспортные средства перемещаются при помощи канатной тяги. Но они пригодны для транспортировки грузов или пассажиров на ограниченные расстояния.

Однако надо заметить, что в начальную пору железнодорожного строительства в некоторых случаях проекты рельсовых дорог с канатной тягой от стационарных паровых машин не только всерьез конкурировали с локомотивной тягой, но и были частично реализованы (на подъемах) на первых железнодорожных линиях Дарлингтон -- Стоктон и Ливерпуль -- Манчестер в Англии в 1825 и 1830 гг., соответственно.

Другая форма непосредственного использования внешней силы, а именно, использование динамического давления ветра при помощи паруса, была очень долгое время для человечества основным способом передвижения по воде, причем даже на очень большие расстояния -- при кругосветных экспедициях. Недостаток этого способа, если говорить о массовых перевозках грузов или пассажиров, очевиден: ветер не всегда есть вообще и далеко не всегда он дует е нужную сторону.

Существуют еще некоторые формы непосредственного приложения внешней силы для транспорта:

· использование давления воздуха, газа или жидкости в замкнутых трубопроводах (трубопроводный транспорт нефти и газа, пневмо- и гидротранспорт сыпучих материалов, пневматическая почта внутри служебных помещений, которая была распространена до появления электрических видов связи);

· использование электромагнитного взаимодействия между искусственным путем и транспортным средством (линейный электродвигатель, ускорители ядерных частиц).

Очевидно, что эти способы еще менее универсальны и существенно ограничены по своим возможностям -- либо по определенному виду транспортируемого груза, либо по расстоянию транспортировки.

Вторая группа -- использование реакций твердого пути или подвижной среды, окружающей транспортные средства.

Можно перечислить основные из них,

Отталкивание рычагами от твердой поверхности. Этим способом пользуются наземные животные (и, естественно, люди), опорными «рычагами» для которых служат их собственные ноги. Реакция возникает при отталкивании от поверхности вследствие наличия трения между опорой (ногой) и поверхностью дороги. Эффективность этого способа непосредственно зависит именно от величины силы трения. Мы знаем сами, как трудно передвигаться при ее практическом отсутствии (например, по гладкому льду).

Недостаток этого способа для создания сухопутных транспортных средств -- неравномерность действия движущей силы, ее циклический характер, связанный с попеременным отталкиванием при ограниченном (два или четыре) количестве опор или рычагов.

Тем не менее, была в свое время попытка использования этого способа при создании одного из первых паровозов в самом начале позапрошлого столетия (его создал изобретатель Уильям Брентон в Англии в 1813 г.). Паровоз Брентона имел пару вертикальных рычагов (стоек), которыми он под действием паровой машины буквально отталкивался от поверхности земли, примерно так же, как это делает лыжник, отталкиваясь палками.

Из-за очевидного недостатка (неравномерности действия отталкивающей силы по величине и по времени), о котором говорилось выше, этот паровоз не мог работать достаточно эффективно и такая идея не получила дальнейшего развития. Однако в оправдание изобретателя надо сказать, что «ноги», расположенные по обеим сторонам локомотива, были применены на паровозе еще и для того, чтобы он сохранял устойчивость, двигаясь по очень неровному пути, уложенному из коротких рельсов.

Отталкивание рычагами от подвижной среды. Такое перемещение происходит в воде и воздухе. Человек использовал этот способ на воде, применив весла, которыми гребец отталкивается от нее. Недостаток здесь тот же -- циклический характер гребков приводит к неравномерности действия движущей силы. В колесном пароходе, благодаря большому числу лопастей на колесах и тому, что при вращении колес число одновременно отталкивающихся от воды лопастей остается одним и тем же, этот недостаток уже не ощущается. В этом случае отталкивание становится практически непрерывным и равномерным.

Непрерывное отталкивание колесом от твердой поверхности. На этом принципе основан весь современный наземный самоходный колесный транспорт. Колесо, к которому должен быть приложен вращающий момент, создаваемый мускульной силой велосипедиста или передаваемый от вала двигателя (энергетической установки) транспортного средства, благодаря наличию трения между колесом и поверхностью дороги непрерывно отталкивается от нее и преобразует свое вращение в поступательное движение всего экипажа, Эта непрерывность процесса отталкивания позволяет создавать технические транспортные средства, в которых движущая сила может действовать постоянно.

Непрерывное отталкивание движущим винтом от подвижной среды. Так можно назвать способ создания движущей силы при помощи гребного винта в воде и пропеллера в воздухе, который аналогичен по своим свойствам и преимуществам ведущего колеса на твердой поверхности.

Современный флот (речной и морской, надводный и подводный) основан именно на этом принципе, так же, как и винтовая (пропеллерная) авиация.

Третью группу из возможных способов создания движущих сил на транспорте обычно называют реактивным движением. Строго говоря, все перечисленные выше способы могли бы быть также названы реактивными и, по сути дела, ими и являются, так как основаны на использовании реакций окружающей среды.

Но под реактивным движением обычно принято подразумевать движение за счет силы внутренней реакции газовой струи, вытекающей с большой скоростью из камеры сгорания двигателя.

Имелись попытки использования реактивных двигателей для создания движущей силы и на железнодорожном подвижном составе (в частности, в СССР в 1971 -- 1972 гг. испытывался опытный вагон с двумя авиационными турбореактивными двигателями, который при движении смог достичь скорости 249 км/ч).

Ясно, что все подобные транспортные машины с реактивными двигателями на поверхности земли могут иметь лишь или экспериментальный, или спортивный характер -- ввиду своих явно не экологических качеств (непомерный шум, пожароопасность), не говоря уже о главном -- отсутствии гарантированного обеспечения безопасности самого движения.

ДВИЖЕНИЕ ПОЕЗДА

Если мы представим поезд в виде системы связанных между собой тел -- локомотива и вагонов (рис. 2), то увидим у каждого тела наличие тех же двух групп сил. Каждую единицу подвижного состава собственная сила тяжести qi прижимает к рельсам. Силы трения (о них мы далее поговорим подробнее) оказывают сопротивление движению каждой единицы подвижного состава. В сумме эти силы представляют собой сопротивление движению поезда W0. А движущая сила F у поезда одна -- ее должен создать локомотив, который тянет поезд.

Так как локомотив и вагоны в составе поезда движутся в среднем с одной и той же скоростью, т.е. проходят одно и то же расстояние (от одной станции до другой) за одно и то же время, весь поезд можно считать одним телом с суммарным весом (Р + Q), где Q -- вес состава. Тогда схема его движения под действием сил на горизонтальном пути будет аналогична рис. 1,б.

Подведем первые итоги. Движение поезда определяется величиной движущей силы F. Это та сила, с которой локомотив тянет состав. Поэтому в железнодорожной практике движущая сила, развиваемая локомотивом, называется силой тяги*. В некоторых других видах транспорта, например, е авиации или ракетной технике, ее называют просто «тягой» (говорят, что двигатель самолета развивает тягу в столько-то килоньютон и т.п.).

* Слово «тяга» как железнодорожный термин было очень распространено в России. Раньше на железных дорогах страны службы локомотивного хозяйства назывались службами тяги, инженеры и техники по локомотивам были «тяговики» по специальности. Были общероссийские съезды инженеров тяги и т.д. Сейчас это слово используется реже, например, говорят «электрическая тяга» Тем не менее, и сейчас это емкое и чисто русское понятие сохранилось в названии железнодорожной науки "Теория локомотивной тяги».

Движению всегда препятствуют силы сопротивления W, физическая природа которых связана с трением. Рассмотрим несколько подробней эти силы применительно к железнодорожному транспорту. Начнем с сил сопротивления.

Сила сопротивления движению в простейшем случае движения тела по горизонтальной плоскости (см. рис, 1,б) -- это сила трения скольжения W0. Из физики известно, что она пропорциональна весу тела , где -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Его величина зависит от многих факторов: материала и состояния (шероховатости) трущихся поверхностей, наличия и вязкости смазки, скорости перемещения и т.д.

Для трения дерева по дереву , металла по металлу , для скольжения твердых поверхностей со смазкой . Таким образом, для перемещения тела «волоком» по горизонтальной поверхности необходимо тянуть его с силой, равной по величине не менее 20 % его веса. Однако и такое сопротивление при скольжении слишком велико, если говорить о массовой транспортировке грузов. В таких условиях, например, тепловоз 2ТЭ10М, который развивает силу тяги примерно 500 кН (50 тс), смог бы тянуть состав по горизонтальному пути массой всего 250 т, т.е. в самом лучшем случае самого себя, так как масса тепловоза 2ТЭ10М составляет 271 т.

Рис. 2. Силы, действующие на поезд

Весь путь развития средств транспорта за историю человечества -- это борьба с трением. Громадным достижением на этом пути было изобретение колеса. Сопротивление движению при качении существенно меньше, чем при скольжении. Сила трения качения может быть в десятки и даже в сотни раз меньше, чем при скольжении. Его величина тем меньше, чем тверже колесо и путь и чем больше диаметр колеса.

Вот почему дорога стала железной, ведь трение качения стального колеса по стальному рельсу минимально.

Правда, помимо сопротивления качению по рельсу движению препятствует трение между шейками осей колесных пар и подшипниками букс. Однако работа трения скольжения в подшипниках уменьшается в отношении диаметра колеса к диаметру шейки.

Сила тяги. Механическая работа, которую совершает сила тяги при движении поезда, является одной из форм энергии. В соответствии с законом сохранения энергии -- энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому, чтобы совершить работу движения поезда, локомотив должен преобразовать в нее какое-то количество энергии другого вида, например, внутреннюю химическую энергию топлива, Такое преобразование на тепловозе происходит в двигателе внутреннего сгорания, на паровозе -- в топке и т.д.

Чтобы вызвать движение, сила должна быть приложена к телу, т.е. быть внешней по отношению к телу. Но сила, создаваемая двигателем внутреннего сгорания вследствие давления газов в цилиндрах на поршни, -- это сипа внутренняя. Она не может вызвать движение поезда, как не могут привести к поступательному движению «шаги» человека, висящего на гимнастической перекладине.

Рис. 3. Создание силы тяги при взаимодействии колеса с рельсом

Внешняя движущая сила создается локомотивом во взаимодействии с рельсами (рис. 3). В результате преобразования электрической энергии в механическую работу тяговый электродвигатель через зубчатую передачу редуктора сообщает оси колесной пары вращающий момент М. Если пренебречь потерями на трение в моторно-осевых и буксовых подшипниках, можно посчитать, что вся величина этого момента используется для вращении колесной пары с частотой nk (об/мин).

Момент в соответствии с правилами физики можно представить в виде пары сил F1 и , действующих на плече, равном радиусу колеса . Эта пара сил сама по себе является внутренней по отношению к локомотиву и, следовательно, не может вызвать его движения.

В этом нетрудно убедиться, если представить локомотив поднятым над рельсами, например, на домкратах. Его двигатели могут работать, колесные пары вращаться под действием момента М, но поступательного движения не будет -- локомотив в этом случае не имеет точки опоры. Так же и человек, когда теряет эту опору, оказавшись, например, на скользком льду, может перемещаться лишь с большим трудом и медленно. Однако, когда локомотив не поднят и находится на рельсах, вращение его колесных пар приводит к поступательному движению. Значит, есть сила, преодолевающая сопротивление движению, т.е. трение.

Что же это за сила? Самое удивительное в том, что по природе своей это тоже сила трения. Когда колесо прижато к рельсу силой тяжести Р, действие силы на рельс в точке касания колеса 0 при отсутствии его проскальзывания (т.е. при достаточном трении) приводит к появлению равной по величине реакции F, действующей от рельса на колесо в направлении его поступательного движения. Сила F -- пассивная, она появляется только тогда, когда колесо упирается в рельс под действием приложенного к нему момента М. Но, тем не менее, именно эта сила и является причиной движения, т.е. внешней движущей силой.

Силу сопротивления проскальзыванию колеса относительно рельса называют силой сцепления. Физическая природа процесса сцепления колес локомотива с рельсами представляется очень сложной и во многом неясной до настоящего времени. Дело в том, что движение колеса локомотива по рельсу связано одновременно с трением качения и трением скольжения, в том числе и упругого (крипа). На величину силы сцепления колес с рельсами оказывают существенное влияние скорость движения локомотива, состояние колес и рельсов, а также степень их износа, атмосферные условия (снег, дождь и т.д.), конструкция экипажной части, вес локомотива и целый ряд других случайных факторов.

В первом приближении силу сцепления Fсц определяют как силу трения, т.е, . Здесь коэффициент пропорциональности по аналогии с формулой для определения силы трения можно назвать коэффициентом сцепления. Сила тяги F (см. рис. 3) не может быть больше предела, устанавливаемого условиями сцепления . В этом, как говорят, состоит ограничение силы тяги по сцеплению.

Объясним это ограничение на примере: шестиосный локомотив весом 1200 кН (массой 120 т) при идеальных условиях реализации максимального расчетного значения коэффициента сцепления сможет создать силу тяги 40 кН независимо от его мощности, т.е. даже в этом случае сила тяги может быть равной лишь трети веса локомотива .

Таким образом, трение, с которым люди борются, чтобы облегчить работу любой машины или уменьшить затраты энергии на транспорт, в данном случае выполняет полезную службу. Чем больше трение (сцепление) между колесом и рельсом, тем больше может быть сила тяги локомотива. Потеря сцепления, например, при наличии жидкости (воды, масла и т.д.) между колесом и рельсом ведет к проскальзыванию (пробоксовыванию) колес и к потере (частичной или полной) силы тяги. Так буксуют, например, колеса автомобиля в гололед или на грязной дороге.

При проектировании локомотивов расчетные значения силы тяги Fкр, по которым рассчитывают возможный для локомотива вес поезда, устанавливают не по пределу сцепления, а с некоторым запасом, считая , где -- так называемый коэффициент тяги ‹)

Величина коэффициента тяги, например, для большинства серийных грузовых тепловозов находится в пределах 0,18 -- 0,19 при расчетной величине коэффициента сцепления примерно 0,26.

ЭНЕРГЕТИКА ВИДОВ ТРАНСПОРТА

Любой вид транспорта требует затраты энергии. Оценим эффективность рассмотренного способа создания внешней движущей силы -- за счет взаимодействия колес локомотива с рельсами. Попробуем установить место железнодорожного транспорта (локомотивной тяги) среди других видов транспорта. В качестве показателей для сравнения выделим следующие:

· средняя скорость доставки грузов или пассажиров \/ср (км/ч);

· удельная мощность (кВт/т), затрачиваемая на перевозку 1 т массы груза,, где N -- мощность транспортного средства (кВт), mp и mQ -- массы, соответственно, транспортного средства и перевозимого груза (т);

· удельная работа (Вт•ч/т•км), затрачиваемая на перевозку 1 т массы груза на расстояние 1 км.

Последняя величина зависит и от средней скорости доставки \/ср. В общем случае удельная работа определялась по следующей зависимости: .

тяга железнодорожный транспорт рельс

Таблица 2

Сравнение видов транспорта по затратам энергии

Результаты сравнения различных видов транспорта по вышеперечисленным показателям приведены в табл. 2. Здесь под высокоскоростным наземным транспортом (ВСНТ) понимаются бесколесные поезда на магнитном подвесе или воздушной подушке.

Анализ результатов сравнения эффективности работы различных видов транспорта, представленных в табл. 2, позволяет сделать следующие выводы;

· оптимальным скоростным диапазоном работы колесного железнодорожного транспорта является интервал скоростей 30 -- 200 км/ч;

· на перевозку единицы массы продукции (груза) локомотивы затрачивают энергию (топливо, денежные средства и т.д.) в несколько раз (5 -- 8) меньше, чем автомобили, и в сотни раз меньше, чем самолеты и вертолеты.

Именно по этим причинам железнодорожный транспорт почти во всех странах мира является самым экономичным видом транспорта для перевозки массовых грузов (уголь, руда, песок, нефть, зерно, машины и т.д.).

Необходимо также подчеркнуть, что железнодорожный транспорт обязан своим существованием, как вид транспорта, локомотивам. Именно локомотив как средство тяги превратил обычные рельсовые пути, обслуживавшиеся раньше конной тягой, каких было много на промышленных предприятиях, в железную дорогу.

Литература:

1. Кочнев Ф.П., Акулиничев В.М., Макарочкин А.М. Организация движения на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 2009.

2. Угрюмов А.К. Неравномерность движения поездов. - М.: Транспорт, 2008.

3. Акулиничев В.М., Кудрявцев В.А., Корешков Б.И. Математические методы в эксплуатации железных дорог. - М.: Транспорт, 2001.

4. Автоматизация и механизация переработки вагонов на станциях

5. / Ю.А. Муха, И.В. Харланович, В.П. Шейкин и др. - М.: Транспорт, 2005.

6. Эксплуатационные и технические параметры специализированных высокоскоростных пассажирских магистралей: Сб. науч. тр. / ВНИИ ж.-д.

7. тр-та / Под ред. Е.А. Сотникова, С.С. Жаброва. - М.: Транспорт, 1989.

8. Сапожников В.В. Исследование и разработка методов надежностного синтеза дискретных систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Дис. на соискание уч. степени д-ра техн. наук. - М.: МИИТ, 2009.

9. Василенко М.Н. Теория и методы анализа качества функционирования автоматизированных технологических комплексов на железнодорожном транспорте: Автореф. дис. на соискание уч. степени д-ра техн. наук. - Л.: ЛИИЖТ, 2003.

10. Василенко М.Н. Теория и методы анализа качества функционирования автоматизированных технологических комплексов на железнодорожном транспорте: Дис. на соискание уч. степени д-ра техн. наук. - Л.: ЛИИЖТ, 2003.

11. Лисенков В.М. Теория автоматических систем интервального регулирования. - М.: Транспорт, 1987.

Размещено на Allbest.ru