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 предполагаемых механических свойств, или полученным в результате испытаний в контролируемых условиях. Обсуждение здесь охватывает использование этого термина в механических приложениях, в которых последней ступенью системы передачи мощности является одно или несколько колес, находящихся в фрикционном контакте с железнодорожным полотном .

Определение тягового усилия

Термин тяговое усилие часто квалифицируют как начальное тяговое усилие , непрерывное тяговое усилие и максимальное тяговое усилие . Эти термины применимы к различным условиям эксплуатации, но связаны общими механическими факторами: крутящим моментом на ведущих колесах, диаметром колеса, коэффициентом трения ( $μ$ ) между ведущими колесами и опорной поверхностью, а также массой, приложенной к ведущим колесам ( $мг$ ). Произведение пробуксовки mg $μ$ и $, который$ является коэффициентом сцепления определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен до начала или пробуксовки колес .

Стартовое тяговое усилие: Стартовое тяговое усилие – это сила тяги, которая может быть создана в состоянии покоя. Эта цифра важна на железных дорогах, поскольку определяет максимальную массу поезда, которую 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 малой скорости и может быть таким же, как и стартовое тяговое усилие.
Постоянное тяговое усилие: Непрерывное тяговое усилие — это тяговое усилие, которое можно поддерживать бесконечно, в отличие от более высокого тягового усилия, которое можно поддерживать в течение ограниченного периода времени, прежде чем система передачи мощности перегреется. Из-за взаимосвязи между мощностью ( $P$ ), скоростью ( $v$ ) и силой ( $F$ ), описываемой как:

P=vF

или

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

Тяговое усилие обратно пропорционально зависит от скорости при любом заданном уровне доступной мощности. Непрерывное 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 составе системы передачи мощности, также могут иметь максимальное номинальное постоянное тяговое усилие , которое представляет собой самую высокую тяговую силу, которая может быть создана в течение короткого периода времени без причинения вреда компонентам. Период времени, в течение которого может безопасно создаваться максимальное непрерывное тяговое усилие, обычно ограничивается термическими соображениями. например, повышение температуры тягового двигателя .

Кривые тягового усилия

Технические характеристики локомотивов часто включают кривые тягового усилия, ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} показывая связь между тяговым усилием и скоростью.

Форма графика показана справа. Линия АВ показывает работу при максимальном тяговом усилии, линия ВС показывает непрерывное тяговое усилие, обратно пропорциональное скорости (постоянная мощность). ^{[ 6 ]}

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

Железнодорожный транспорт

Чтобы тронуть поезд и разогнать его до заданной скорости, локомотив(ы) должен развить достаточную тяговую силу для преодоления сопротивления поезда , которое представляет собой комбинацию трения осевых подшипников , трения колес о рельсы (которое на криволинейном пути существенно больше, чем на касательном пути), а сила тяжести на уклоне . В движении поезд будет развивать дополнительное сопротивление по мере ускорения за счет аэродинамических сил , которые увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Также на скорости может возникнуть сопротивление за счет движения тележки (тележки) , что приведет к увеличению трения качения между колесами и рельсами. Если ускорение продолжится, поезд в конечном итоге достигнет скорости, при которой доступная тяговая сила локомотива (ов) точно компенсирует общее сопротивление, в результате чего ускорение прекратится. Эта максимальная скорость будет увеличена при понижении класса из-за силы тяжести, способствующей движущей силе, и будет уменьшена при повышении класса из-за силы тяжести, противодействующей движущей силе.

Тяговое усилие можно теоретически рассчитать на основе механических характеристик локомотива (например, давления пара, веса и т. д.) или путем реальных испытаний с помощью тензодатчиков на дышле и динамометрическом вагоне . Мощность на железной дороге — это железнодорожный термин, обозначающий доступную мощность для тяги, то есть мощность, необходимую для движения поезда.

Паровозы

Оценку тягового усилия одноцилиндрового паровоза можно получить по давлению в цилиндре, диаметру цилиндра, ходу поршня. ^{[ примечание 2 ]} и диаметр колеса. Крутящий момент, развиваемый при линейном движении поршня, зависит от угла, который образует ведущий шток с касательной радиуса ведущего колеса. ^{[ примечание 3 ]} Для более полезного значения используется среднее значение по вращению колеса. Движущая сила представляет собой крутящий момент, разделенный на радиус колеса.

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

\{t\}_{\mathrm {lbf} }={\frac {\{d\}_{\mathrm {in} }^{2}\{s\}_{\mathrm {in} }\{p\}_{\mathrm {psi} }}{\{w\}_{\mathrm {in} }}}\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 некоторых локомотивов и недооценивала эффективность других. Современные локомотивы с роликовыми подшипниками , вероятно, были недооценены.

Европейские дизайнеры использовали константу 0,6 вместо 0,85, поэтому их нельзя сравнивать без коэффициента пересчета. В Великобритании на магистральных железных дорогах обычно использовалась константа 0,85, но производители промышленных локомотивов часто использовали более низкую цифру, обычно 0,75.

Константа с зависит также от размеров цилиндра и времени открытия пароприемных клапанов; если впускные клапаны пара закрываются сразу после достижения полного давления в цилиндре, можно ожидать, что усилие поршня упадет менее чем до половины первоначального усилия. ^{[ примечание 5 ]} давая низкое значение c . Если клапаны баллонов остаются открытыми дольше, значение c увеличится ближе к единице.

Три или четыре цилиндра (простые)

Полученный результат следует умножить на 1,5 для трехцилиндрового локомотива и на два для четырехцилиндрового. ^{[ 8 ]}

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

$\{t\}_{\mathrm {lbf} }={\frac {0.85\{d\}_{\mathrm {in} }^{2}n\{s\}_{\mathrm {in} }\{p\}_{\mathrm {psi} }}{2\{w\}_{\mathrm {in} }}},$ ^{[ 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 в котле, фунт на квадратный дюйм.
w — диаметр ведущих колес в дюймах

Несколько цилиндров (составные)

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

Значения и сравнения паровозов

Тяговое усилие — это показатель, который часто называют при сравнении мощности паровозов, но он вводит в заблуждение, поскольку тяговое усилие показывает способность запустить поезд, а не способность его тянуть. Возможно, самое высокое тяговое усилие, когда-либо заявленное, было у Вирджинской железной дороги , трехплексного локомотива 2-8-8-8-4 который в простом режиме расширения имел расчетное пусковое усилие 199 560 фунтов силы (887,7 кН), но котел не мог производить достаточно пара для перевозки на скорости более 5 миль в час (8 км/ч).

Из наиболее успешных паровозов самым высоким номинальным пусковым тяговым усилием были модели Virginian Railway AE класса 2-10-10-2 с усилием 176 000 фунтов силы (783 кН) в режиме простого расширения (или 162 200 фунтов, если рассчитывать по обычному методу). формула). У Union Pacific Big Boys стартовая TE составляла 135 375 фунтов силы (602 кН); Модели компании Norfolk & Western Y5, Y6, Y6a и Y6b класса 2-8-8-2 имели стартовую TE 152 206 фунтов силы (677 кН) в простом режиме расширения (позже измененную до 170 000 фунтов силы (756 кН), утверждают некоторые энтузиасты); а Пенсильванской железной дороги грузовой дуплекс во втором квартале достиг 114 860 фунтов силы (510,9 кН, включая ускоритель) - самого высокого показателя для локомотивов с жесткой рамой. Более поздние двухцилиндровые пассажирские локомотивы обычно имели усилие TE от 40 000 до 80 000 фунтов силы (от 170 до 350 кН).

Дизельные и электровозы

Для электровоза или дизель-электровоза пусковое тяговое усилие можно рассчитать по величине массы на ведущих колесах (которая в некоторых случаях может быть меньше общей массы локомотива), совокупному срывному моменту тяговых двигателей , передаточное число между тяговыми двигателями и мостами и диаметр ведущего колеса . У дизель-гидравлического локомотива на пусковое тяговое усилие влияют пусковой момент гидротрансформатора , а также передаточное число, диаметр колеса и масса локомотива.

Взаимосвязь между мощностью и тяговым усилием была выражена Хэем (1978) как

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

^{[ 10 ]}

где

t — тяговое усилие, в ньютонах (Н)
P — мощность в ваттах (Вт)
E — это КПД с рекомендуемым значением 0,82 для учета потерь между двигателем и рельсом, а также мощности, отводимой на вспомогательные системы, такие как освещение.
v — скорость в метрах в секунду (м/с).

Грузовые локомотивы спроектированы так, чтобы производить более высокое максимальное тяговое усилие, чем пассажирские локомотивы эквивалентной мощности, что обусловлено гораздо большим весом, типичным для грузового поезда. В современных локомотивах передача между тяговыми двигателями и осями подбирается с учетом вида эксплуатации, в которой будет эксплуатироваться агрегат. Поскольку тяговые двигатели имеют максимальную скорость, с которой они могут вращаться без повреждений, передача более высокого тягового усилия осуществляется за счет максимальной скорости. И наоборот, передача, используемая в пассажирских локомотивах, отдает предпочтение скорости, а не максимальному тяговому усилию.

Электровозы с одномоторными тележками иногда оснащаются двухскоростной передачей. Это позволяет увеличить тяговое усилие при буксировке грузовых поездов, но на пониженной скорости. Примеры включают классы SNCF BB 8500 и BB 25500 .

См. также

Торможение
Уравнение перетаскивания
Коэффициент сцепления , который представляет собой просто вес на ведущих колесах локомотива, разделенный на пусковое тяговое усилие.
Классификация мощности - Британские железные дороги и железных дорог Лондона, Мидленда и Шотландии. схема классификации
Сцепление с рельсами
Тяговое усилие трактора , тяговое усилие на кнехте - статьи, относящиеся к тяговому усилию для других видов транспортных средств.

Примечания

^ На графиках обычно показано сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса, на ровном месте или на подъеме.
^ Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты 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 крепление приводного стержня
^ Как и в любой физической формуле, единицы измерения должны быть согласованными: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунтах-силах, а давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.
^ см . в законах о газе . Объяснение
^ Значение константы c для цилиндра низкого давления принимается равным 0,80, тогда как значение для цилиндра высокого давления принимается равным 0,85.

Ссылки

^ Саймон Ивницкий, изд. (2006). Справочник по динамике железнодорожного транспорта . Бока-Ратон: CRC Press: Тейлор и Фрэнсис. п. 256. ИСБН 978-0-8493-3321-7 .
^ XPT: Доставка, тестовые и демонстрационные запускиrailpage.au.org, см. график.
^ Семейство локомотивов Gravita voithturbo.de (страница 2). Архивировано 18 марта 2009 г. в Wayback Machine.
^ Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (страница 2)
^ Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические локомотивы-платформы для Европы siemens.dk (стр. 3)
^ Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумайстер; Али Садег, ред. (2006). Стандартный справочник знаков для инженеров-механиков (11-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 166. ИСБН 978-0-07-142867-5 .
^ Аллан, Ян (1957). Общий объем локомотивов Британских железных дорог . Ян Аллан, ООО
^ Ян Аллан ABC локомотивов British Railways , зимнее издание 1960/61 г., часть 1, стр. 3
^ Филлипсон, Э.А. (1936). Проектирование паровоза: данные и формулы . Издательство «Локомотив».
^ Хэй, Уильям (1978). Железнодорожное машиностроение . Уайли, Нью-Йорк. п. 100.

Дальнейшее чтение

[7] На графиках обычно показано сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса, на ровном месте или на подъеме.

[8] Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты ведущего стержня до центра ведомого колеса.

[9] 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 крепление приводного стержня

[10] Как и в любой физической формуле, единицы измерения должны быть согласованными: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунтах-силах, а давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.

[12] см . в законах о газе . Объяснение

[15] Значение константы c для цилиндра низкого давления принимается равным 0,80, тогда как значение для цилиндра высокого давления принимается равным 0,85.

[dynamics-1] Саймон Ивницкий, изд. (2006). Справочник по динамике железнодорожного транспорта . Бока-Ратон: CRC Press: Тейлор и Фрэнсис. п. 256. ИСБН 978-0-8493-3321-7 .

[railpage-2] XPT: Доставка, тестовые и демонстрационные запускиrailpage.au.org, см. график.

[voith-3] Семейство локомотивов Gravita voithturbo.de (страница 2). Архивировано 18 марта 2009 г. в Wayback Machine.

[vossloh-4] Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (страница 2)

[siemens-5] Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические локомотивы-платформы для Европы siemens.dk (стр. 3)

[marks-6] Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумайстер; Али Садег, ред. (2006). Стандартный справочник знаков для инженеров-механиков (11-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 166. ИСБН 978-0-07-142867-5 .

[11] Аллан, Ян (1957). Общий объем локомотивов Британских железных дорог . Ян Аллан, ООО

[13] Ян Аллан ABC локомотивов British Railways , зимнее издание 1960/61 г., часть 1, стр. 3

[14] Филлипсон, Э.А. (1936). Проектирование паровоза: данные и формулы . Издательство «Локомотив».

[16] Хэй, Уильям (1978). Железнодорожное машиностроение . Уайли, Нью-Йорк. п. 100.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ примечание 1 ]

[ примечание 2 ]

[ примечание 3 ]

[ примечание 4 ]

[ 7 ]

[ примечание 5 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ примечание 6 ]

[ 10 ]