§ 24. Использование сцепного веса электровоза
Изменение нагрузок колесных пар в процессе движения. При проектировании и эксплуатации электровоза стремятся обеспечить равномерное распределение его подрессоренной массы по всем колесным парам, т. е. равенство статических нагрузок от колесных пар на рельсы. Чтобы обеспечить это при индивидуальном приводе применительно к тележечным локомотивам, необходимо выполнение следующих условий: упругие и геометрические характеристики рессор в каждой ступени одинаковы; в горизонтальной плоскости центр тяжести кузова совпадает с его геометрическим центром, а центр тяжести подрессоренных элементов тележки находится на пересечении продольной оси ее рамы с осью средней колесной пары; опоры кузова на рамах тележки размещены на одинаковых расстояниях от центра тяжести электровоза.
Два последних условия стремятся выполнить при проектировании электровоза в процессе так называемой его развески, а первое — при подборе рессорных элементов во время сборки электровоза. Однако выполнить все эти условия полностью, т. е. обеспечить равенство нагрузок от колесных пар на рельсы, очень сложно. Техническими условиями допускается возможность отклонения фактических нагрузок от проектных на ±3% для электровозов с осевой нагрузкой 23 тс и ±2% при осевой нагрузке 25 тс.
Сила тяги /'|(п(, развиваемая каждой колесной парой, по условиям сцепления с рельсами
ограничивается нагрузкой Я, от этой колесной пары иа рельсы, т. е. Я1 „„,<; фЯ; (здесь ф — коэффициент сцепления). Так как колесные пары имеют одинаковые тяговые двигатели, то сила тяги всего электровоза /■„ ^ $РК (где вес электровоза Рк= 2Я() и не должна в то же время превышать значения я Fк„m^n (здесь я — число колесных пар, /'„ш = 0,97 по техническим условиям). Из-за допускаемой неравномерности нагрузок по колесным парам наибольшая сила тяги электровоза ограничена силой тяги, развиваемой колесной парой с наименьшей нагрузкой, и может быть на 2—3% меньше расчетной по его сцепному весу, т. е. сцепной вес электровоза вследствие этого недоиспользуется на 2—3%.
При движении электровоза на распределение нагрузок по колесным парам влияет работа его тяговых двигателей, что наиболее сильно проявляется при их опорно-осевом подвешивании. Двигатель 3 (рнс. 60,а) развивает момент М, который приводит во вращение колесную пару 4 вследствие нажатия зуба шестерни 2 на зуб зубчатого колеса / (сила Z = М/г\, здесь г\ — радиус шестерни). Сила 2 направлена вверх, если двигатель 3 расположен за колесной парой.4 по направлению движения, или вниз в том случае, когда он находится перед колесной парой.
Если в точке В на оси колесной пары приложить две равные и противоположно направленные силы V (вверх) и 1" (вниз), равные силе г, то они образуют пару сил, обеспечивающую вращение колесной пары (ее момент вращения при равномерном движении уравновешивается моментом сил сопротивления, действующих на колеса), сила 2' разгру-
Рис. 60. Схемы взаимодействия тягового двигателя с колесной парой (а) и сил (б) при движении электровоза
жает колесную пару, уменьшая нагрузку от нее иа рельсы. При движении в другом направлении сила 1' увеличивает нагрузку на ось. Так как на электровозах двигатели передней и задней тележек расположены симметрично по отношению к своим колесным парам, общая сумма уменьшений нагрузок колесных пар равна сумме их увеличений, что очевидно, так как масса локомотива при движении не меняется. Наличие разгруженных колесных пар еще более уменьшает максимальные силы тяги, которые может реализовать электровоз.
В точке С на зуб шестерни действует реакция 2|, равная по значению силе 2 и противоположно направленная. Две равные и противоположно направленные силы 1"' и Z""', равные 2 = 2|, приложенные в точке £> на оси вала якоря, приводят к тому, что силы Ъ\ и 2'" создают реактивный момент Мр = М, уравновешиваемый моментом тягового двигателя.
Сила 2"" действует через подшипники вала якоря на остов двигателя и также передается на его опоры. Определим эти силы, изменяющие нагрузки на ось колесной пары и раму тележки. В точке В (рис. 60,6) сила кв — 1 — 1 (г,+г2)/Ь (здесь I — плечо, см. рис. 60,а). Эта сила увеличивает нагрузку от колесной пары на рельсы, а в точке А сила
= 1т\11* -+- 1гг/1* увеличивает нагрузку на раму тележки (при движении в направлении, указанном на рис. 60,а). При движении в противоположном направлении силы /?в и /?Л направлены вверх, но на остов тягового двигателя действует реактивный момент Мс = М, который также воспринимается осью и подвеской в виде пары сил ЯМА и /?мв, меньших сил Яд и Яд. В этом случае колесная пара разгружается — ее нагрузка уменьшается на ДЯ| = 2 — /?8 — Р.мв — /И|х/^ (здесь |х = = гг/г| — передаточное число зубчатой передачи) . При движении в направлении, обратном показанному на рис. 60,а, нагрузка на колесную пару возрастает на ДЯ|. В случае рамного подвешивания нагрузка перераспределяется только вследствие реактивного момента.
Другой причиной, изменяющей нагрузки на колесные пары, является реализация силы тяги и передача ее составу. Рама тележки (при-
Рис. 61. Влияние силы тяги на нагрузки от колесной пары на рельсы
менительно к секции восьмиосных электровозов с несочлененными тележками) не может свободно перемещаться в вертикальной плоскости относительно кузова, и их можно рассматривать как одно целое. На раму тележки от каждой колесной пары передаются силы ^кп (рис. 61), на автосцепку электровоза — сила сопротивления движению состава 47— = пРК„ (если пренебречь сопротивлением электровоза). Вследствие разности уровней приложения сил к раме тележки и кузову секции электровоза относительно уровня головки рельса действует неуравновешенный момент М„ = п РК„(пс — М. где Ас « 1м — высота автосцепки; гк — радиус колеса колесной пары, равный 0,6 м. Момент Л1н приводит к перекосу кузова секции и изменяет вертикальные нагрузки от него на тележки на АР = /Ин/^|, где 1| — расстояние между опорами кузова. Колесные пары передней тележки будут разгружаться, а задней — перегружаться.
Изменение нагрузки иа колесную пару может составить Д П2 — Р/т — М„/(т£„) (здесь т — число колесных пар в тележке). Тогда при реализации силы тяги наибольшая разгрузка оси ДЯ = ДЯ1 + ДЯг и нагрузка на рельсы от наиболее разгруженной колесной пары Птт = Я(1—0,03) — ДЯ, где 0,03 — допускаемое техническими условиями относительное отклонение нагрузки колесной пары (при Я < 23 тс).
Коэффициент использования сцепного веса. Отношение нагрузки наиболее разгруженной колесной пары к расчетной называ-
Рис. 62. Противоразгрузочное устройство восьмиосных электровозов с несочлененными тележками
Рис. 63. Схема включения противоразгрузочных устройств прн движении электровоза
ют коэффициентом использования сцепного веса рк.
Коэффициент р„ = Птт/П = 0,97—ДЯ/Я характеризует тяговые свойства электровоза и показывает, какую долю от теоретически возможной силы тяги может реализовать локомотив. Значение коэффициента (Зк зависит от расположения и способа подвешивания тяговых двигателей, конструкции рессорного подвешивания и устройств для передачи сил тяги и торможения. На электровозах ЧС4 и ЧС4Т разгрузка первой набегающей колесной пары уменьшается упругим межтележечным сочленением (см. с. 43), на восьмиосных электровозах отечественного производства — про-тиворазгрузочными устройствами. Благодаря этим конструктивным решениям в режиме пуска (при гр = 0,36) коэффициент р„ достигает 0,932 (электровозы В Л10, ВЛ10* ВЛ80", ВЛ80Р, ВЛ80С), при отсутствии противораз-грузочных устройств иа этих электровозах Р„ = 0,842. На электровозе ВЛ85 тяговые н тормозные усилия от тележек к кузову передаются наклонными тягами, коэффициент & = 0,94.
Поперечная составляющая сил при наклонных тягах уменьшает направляющее действие колеса в кривых при тяге и увеличивает его при электрическом торможении.
Использование сцепного веса зависит: от системы передачи усилий от тележек к кузову, базы кузова и тележек, продольного расстояния между упругими люлечными подвесками, высоты автосцепки от головок рельсов, жесткости рессорного подвешивания буксового узла, реализуемого коэффициента сцепления, состояния поверхностей рельсов и бандажей и ряда других факторов. Наибольшим коэффициент использования сцепного веса получается при наиболее трудных условиях работы электровоза (при трогании, особенно с тяжеловесным и длинным составом, движении на подъеме, в кривых и некоторых других условиях).
Противоразгрузочные устройства. На электровозах ВЛ80", ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛвО", ВЛ10 ВЛ ЮУ такое устройство, предназначенное для выравнивания нагрузок колесных пар, состоит из цилиндра / (рис. 62) и рычага 4 с опорным роликом 2. Цилиндр / укреплен на кронштейне концевой поперечной балки б рамы кузова.
Рычаг 4 представляет собой сварную конструкцию, состоящую нз трубы и двух плеч, развернутых под углом. Одно плечо с помощью плавающего валика закреплено на кронштейне рамы кузова. Нижним концом одно из плечей рычага прикреплено к штоку 5 цилиндра /, а на другом конце рычага установлен опорный ролик 2, через который силы передаются на специальные накладки, приваренные на концевых брусьях рамы 3 тележки. Цилиндры через электропневматические вентили подключены к пневматической системе электровоза.
При движении электровоза в работу включаются передние по ходу тележки, нагружающие устройства / и 3 (рис. 63) или 2 н 4. Создаваемые ими силы С? = 2кРк/с1 (здесь к — высота от уровня головки рельса до оси шаровой связи; й — расстояние от оси устройства до поперечной оси тележки) изменяются пропорционально силе тяги РК тележки.