Образование силы тяги

При подаче напряжения на обмотку якоря и обмотку возбуждения тягового электродвигателя по обмоткам тягового электродвигателя потечет ток, образуется вращающий момент на валу якоря тягового электродвигателя, который через зубчатую передачу передается на колесную пару М_к. Колесо колесной пары прижато к рельсу с силой Р₀. Вращающий момент М_к можно заменить парой сил F₁ и F₂. Сила F₁ приложена к центру колеса О, а сила F₂ – к ободу колеса в точке А касания его с рельсом. Рельс закреплен! Под действием сил F₂ и Р₀ по третьему закону Ньютона возникнут равные им и противоположно направленные реакции со стороны рельса, выраженные силами F_к и R, которые являются внешними силами. Сила R направлена вертикально и не влияет характер движения. Сила реакции рельса F_к и является силой тяги. За счет сцепления колеса с рельсом возникает необходимый упор. При этом силы F₂ и F_к уравновешиваются. Под действием силы F₁ колесо поворачивается относительно точки А, как мгновенного центра вращения. Так как мгновенный центр вращения при этом перемещается по поверхности головки рельса слева направо, то и центр колеса (точка О) поступательно будет двигаться в том же направлении.

Сумма сил F_к всех движущих колесных пар локомотива называется силой тяги локомотива.

Сила тяги F_к не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом.

F_к≤F_{к сцеп}. В противном случае, колесо теряет упор, начнется проскальзывание или боксование. Сила сцепления определяется произведением силы Р₀ на коэффициент сцепления колеса с рельсом – F_{к сцеп} = P₀ × ψ.

Для локомотива F_{к сцеп} = m_л × g × ψ,

где m_л - масса локомотива в тоннах,

g – 9,81 м/с² – ускорение свободного падения,

ψ – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления ψ зависит от материала рельса и колес, состояния их поверхностей, от скорости движения.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей на поверхностях колеса и рельса. При таком рассуждении можно считать, что при наличии отшлифованных поверхностей сила сцепления меньше. Однако, практика доказывает, что при чистых и хорошо обработанных поверхностях сила сцепления выше. Сцепление колес с рельсами объясняется молекулярным сцеплением. Для увеличения сцепления колес с рельсами используют сухой кварцевый песок, который разрушает поверхностные пленки и твердые частицы внедряются в контактируемые поверхности.

Расчетный коэффициент сцепления локомотива ψ_к определяют по эмпирическим формулам, полученных путем экспериментов или испытаний, для различных типов локомотивов и отдельно в кривых малого радиуса R менее 500 метров.

Например, для электровозов переменного тока:

+

Эмпирические формулы можно найти в «Правилах тяговых расчетов для поездной работы».

Для уменьшения проскальзывания колес под каждое колесо локомотива подается песок примерно 400÷700 г/мин летом и 900÷1500 г/мин зимой. Если и это не снижает проскальзывания колес, то машинист локомотива уменьшает силу тяги понижением напряжения подаваемого на тяговые электродвигатели переходом на более низкую позицию.

Склонность колесных пар к боксованию возрастает с увеличением проката бандажей свыше 3÷4 мм и износа рельсов вследствие изменения формы и размеров площадки, по которой соприкасаются колесо и рельс.