Глушко Марат Иванович д т. н., профессор каф. «Электрическая тяга»



Скачать 137.51 Kb.
Дата09.11.2016
Размер137.51 Kb.
Глушко Марат Иванович д.т.н., профессор каф. «Электрическая тяга» Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС). Тел. Служебный 8(343)358-53-78.

Фёдоров Евгений Валерьевич аспирант каф. «Электрическая тяга» Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС). Fedorov335@yandex.ru Тел: 8 922 159 26 30.

Логика тормозных расчетов
Целевым назначением тормозной техники является обеспечение безопасности движения, которая определяется тормозной эффективностью. Комплексный показатель тормозной эффективности – величина тормозного пути при выполнении полного или экстренного торможения. Отсюда становится очевидной необходимость проверки тормозной техники на эффективность действия при испытаниях однородного поезда с целью выбора направления ее совершенствования и определения параметров тормозной системы поезда для последующего применения при решении тормозных задач. Существуют специальные Правила тормозных расчётов, которые являются важным документом на железнодорожном транспорте и поэтому применяются для анализа всех возможных в эксплуатации условий, особенно в области криминалистики при рассмотрении последствий чрезвычайной ситуации.

Совершенствованием методов решения тормозных расчётов занимались все ведущие учёные в области тормозных средств. Однако несмотря на их энергичные усилия, последняя версия Правил тормозных расчётов (2004 г.) свидетельствует о том, что ситуация в этой научной области в течение нескольких десятков лет находится в состоянии стагнации.

При постоянном развитии подвижного состава теперь его можно признать однородным, ведь он давно эксплуатируется на двухосных тележках, для которых известна допустимая осевая нагрузка; на грузовом вагоне применяются только композиционные тормозные колодки; он оборудован трехрежимным тормозом единого типа, авторежимом. На пассажирском подвижном составе и локомотивах применяются только чугунные тормозные колодки. При таких давно уже сложившихся условиях рекомендуемый Правилами пересчёт композиционных колодок на чугунные и применение расчётного нажатия колодки вместо действительного является свидетельством отсутствия логического подхода. Отсюда следует, что метод приведения действительного нажатия тормозных колодок к расчётной силе нажатия должен быть исключён из теории и практики тормозных расчётов. Такой же оценки заслуживает метод подсчёта тормозной характеристики поезда по сумме расчётных нажатий тормозных колодок всех вагонов для заполнения таблицы справки формы ВУ–45.

Подсчёт нажатия тормозных колодок относится к операции, достаточно условной для характеристики поезда. Самым информативным признаком является тормозная сила подвижного состава в статическом состоянии Во, которая определяется с помощью предлагаемого метода на основе известной формулы, например, для чугунных колодок:


BТ = , (1)
где m – число колодок на вагоне с нажатием К.

Где один из сомножителей определяет тормозную силу вагона в статическом состоянии В0, а второй – функцию скорости

Тогда тормозная сила состава поезда при одинаковых колодках
ВТ =В0 φ(V). (2)
Подсчет тормозной силы состава удобно производить для различных видов торможения – дисковый тормоз, электрический тормоз и т.п. Не приводить же их действие, к нажатию колодок.

Применяемые Правила тормозных расчётов советуют выбирать расчётный коэффициент силы нажатия тормозных колодок из условия надёжного сцепления колёс с рельсами. Слишком неопределенная рекомендация. Но по В.Г. Иноземцему: «в результате обработки экспериментальных данных с учётом естественного загрязнения поверхности рельсов на наших железных дорогах» следует применять эмпирическую формулу для расчетного значения сцепления колесной пары с рельсами при проектировании


(3)
где 2П – нагрузка от колёсной пары на рельсы, тс.

Рекомендованная формула идентична выражению для расчётного коэффициента трения тормозной колодки по колесу, поэтому для четырёхосного вагона с целью проверки надёжного сцепления колёсной пары с рельсами можно также записать


(4)
(5)
(6)
Вот теперь надёжную реализацию сцепления в тормозном режиме можно проверять по выполнению известного соотношения для любой скорости
. (7)
Только вот относительно функции скорости для коэффициента сцепления крупные специалисты по тормозам не смогли выработать правильного решения, и рекомендуемые справочником и результатами исследования автотормозов зависимости имеют существенное различие, а в последней редакции Правил тормозных расчётов (2004 г.) приводятся раздельные функции скорости по типам тележек и “уточнённая” формула
(8)
что противоречит логике и поэтому невозможно принимать всерьёз. Тормозные расчёты дают приближённый результат, и для подтверждения этого факта достаточно вспомнить изменение сцепления в зависимости от состояния контактных поверхностей колеса и рельса, а также диапазон давления в тормозном цилиндре, который составляет 0,4 – 0,5 кгс/см2 (15 % от норматива среднего режима), поэтому присутствие единицы в формуле не может служить свидетельством творческого подхода.

Расчёт по “уточнённой“ формуле почти не отличается от результатов, получаемых по ранее применяемым формулам, которые были разработаны ещё в эпоху подшипников скольжения, буксосмазочного хозяйства и загрязнённости поверхности рельсов. После перевода подвижного состава на подшипники качения фрикционные качества контактных поверхностей колеса и рельса резко возросли, и железнодорожный транспорт несёт потери от применения устаревших расчётных нормативов в области сцепления.

В действующих Правилах тормозных расчётов определяют нажатие на колодку К, а затем величину коэффициента трения в зависимости от нажатия на колодку К и скорости движения V. Для тех, кто вынужден выполнять тормозные расчёты, формула для коэффициента трения может представлять только теоретический интерес потому, что для дальнейших расчётов требуется тормозная сила без отдельного поиска величины .

Все силовые воздействия пневматического тормоза (нажатие на колодку, тормозная сила), определяются величиной давления в тормозном цилиндре, поэтому основой для Правил тормозных расчётов должна служить зависимость тормозной силы вагона Во от давления в тормозном цилиндре, что позволит определять параметры движения при различной ступени торможения.

Решение тормозных задач базируется на использовании основной формулы для расчёта тормозного пути
ST = SП + SД, (9)
где SП – путь подготовки тормозов;

SД – действительный путь торможения.

Величина пути подготовки в настоящее время определяется начальной скоростью торможения V0 и временем tП подготовки тормозов к действию, которая просто представляется символической формулой


SП = . (10)
И этой формулой пользуются несколько десятков лет, не обращая внимания на удивительную странность выбранного подхода. Для расчёта подготовительного тормозного пути производят специальные расчёты времени подготовки тормозов к действию на основе вычисления тормозного пути при постепенном нарастании тормозной силы, т.е. на основе действительного пути подготовки тормозов. Странным оказывается и метод расчёта без учета фактической индикаторной диаграммы тормозного цилиндра, но с учетом влияния уклона на время подготовки тормозов к действию.

На рисунке 1 представлена основа расчета подготовительного пути – индикаторная диаграмма тормозных цилиндров вагонов в поезде с разделением процесса торможения поезда на отдельные фазы и учётом различия в грузовых режимах воздухораспределителей. Особенность диаграммы заключается в наличии первоначального скачка давления в тормозном цилиндре, вызванном дополнительной разрядкой тормозной магистрали. Величина скачка давления составляет 1,2 кгс/см2 для гружёного режима и 0,8 кгс/см2 для среднего и порожнего режимов; при этом наполнение при скачке можно принять мгновенным, а распространение скачка по длине поезда происходит со скоростью тормозной волны wВ за время tВ распространения волны в поезде при его длине L=14 N , где N – число условных вагонов в поезде.

Действующие Правила тормозных расчетов искусственно разделяют процесс постепенного нарастания тормозной силы в поезде на участок полного отсутствия тормозной силы в начале торможения и мгновенного возникновения тормозной силы поезда. Но целью расчётов является определение тормозного пути при неустановившемся торможении, который предлагается рассчитать по формуле при начальной скорости торможения VН
SП = 0,28VН (tЦ +tВ), (11)
где tЦ – время наполнения тормозного цилиндра.

Скорость VН, при которой тормозной процесс в поезде переходит в четвертую фазу полного торможения и с которой начинается расчет действительного тормозного пути, определяется из выражения


VН = V0 9(f(V0) + i) (tЦ + tВ ), (12)

Представленный метод расчета подготовительного пути не только определяет начальную скорость для расчета действительного тормозного пути, но дает возможность определить проходимый поездом путь в ситуации, когда поезд останавливается ранее, чем произойдет полное наполнение тормозных цилиндров всех вагонов.

Расчёты подготовительного пути удобно проводить для однородных поездов (порожних или полностью загруженных) и с вагонами, оборудованными авторежимами. В таком случае используются параметры одного вагона; при неоднородном поезде производится суммирование тормозных сил по всему поезду и учитывается его вес. Расчетные нормативы тормозной силы вагонов:

– порожний режим тормоза (тара вагона 24 тс) – В0 = 2,9 тс; B0 / Q = 0,12;

– средний режим тормоза (вес вагона 70 тс) – В0 = 5,5 тс; B0 / Q = 0,08;

– гружёный режим тормоза (вес вагона 90 тс) – B0 = 7,0 тс; B0 /Q = 0,08.

При этом величина удельной тормозной силы скачка дополняется значением удельного сопротивления движению. Применение факторного анализа для тормозных расчётов позволяет, в отличие от применяемых Правил, учитывать длину поезда, скорость тормозной волны, характер индикаторной диаграммы тормозного цилиндра и режим тормоза, а также действительную начальную скорость для расчета пути действия тормозов поезда.

Действительный тормозной путь вычисляют методом суммирования отрезков тормозных путей, определяемых по интервалам скорости. При условии постоянства удельной тормозной силы, удельного сопротивления движению и уклона в принятом интервале скоростей



SД = 4,17, (13)

где VН , VК – начальная и конечная скорость поезда в принятом интервале скоростей;



bT, wOX – удельная тормозная сила и удельное сопротивление движению при средней скорости в каждом интервале;

i – величина уклона.

Чтобы определить величину тормозного пути SД, задаются интервалом скоростей 10 км/ч, вычисляют квадрат начальной и конечной скорости, среднюю скорость в расчётном интервале, для средней скорости определяют значения удельной тормозной силы и сопротивления движению, а затем суммируют полученные отрезки тормозного пути.

Этот процесс применяется с использованием формулы в её первозданном виде с незапамятных времён. Разработчики так и не смогли представить точность расчётов и объём работы с формулой, когда приходиться вычислять квадраты скоростей, находить их разность и среднее значение скорости для каждого интервала, рассчитывать удельную тормозную силу… Но ведь под применяемую методику численного интегрирования формулу можно преобразовать с помощью простого логического приёма
SД = 4,17 ; (14)
Очевидно, что (VнVk) = V представляет собой выбранный интервал скорости, а (Vн + Vк) = 2Vср; после такого преобразования формула принимает следующий вид
SД = 4,17, (15)

что значительно упрощает вычисления и существенно повышает точность расчётов. Например, если принять интервал скорости V = 2 км/ч, то несколько преобразованная формула определения пути действия тормозов методом интервального суммирования для тормоза с композиционными колодками


SД = , (16)
где VНрасчётная скорость;

В0 – суммарная тормозная сила поезда в статическом состоянии, тс;

(Q + P) – суммарный вес поезда (вагонов и локомотива), тс;

i – величина уклона, 0/00.

B0, (Q+P), i определяются расчётными данными, а величина удельного сопротивления движению для современного подвижного состава можно принять постоянной и равной 1,0 кгс/тс. Для выбранного укороченного интервала можно не вычислять среднюю скорость, а проводить расчёты для скорости VН в каждом интервале. На рисунке 2 приводится исходный материал для расчетов пути действия тормозов в виде зависимостей функции скорости и значения числителя от расчетной скорости.

Инструкция по эксплуатации тормозов (редакция 2008 г.) учитывает опасную ситуацию, связанную с остановкой поезда на перегоне в случае неисправности автотормозов (п. 8.3), предусматривает действия машиниста при вынужденной остановке поезда на перегоне (п. 16) и рекомендует применять в качестве средств удержания ручные тормозные башмаки и стояночные тормоза вагонов. Однако в Правилах тормозных расчетов нет материала ни по тормозным башмакам, ни по стояночным тормозам. Но самое серьезное упущение связано с игнорированием такого эффективного средства, как вспомогательный тормоз локомотива. Достоинством вспомогательного тормоза является наполнение тормозных цилиндров непосредственно из главных резервуаров, быстродействие и взаимодействие с ручным тормозом, который сохранит максимальную эффективность, если его привести в действие после полного торможения краном вспомогательного тормоза.

Тормозная эффективность локомотива определяется числом колодок и давлением в тормозном цилиндре, а при остановке поезда локомотив в статическом режиме реализует максимальное значение коэффициента сцепления. Например, для электровоза ВЛ11 тормозная сила B0 = 27 тс, вес электровоза составляет P = 184 тс, удельная тормозная сила b0 = 150 кгс/тс, что соответствует реализуемому коэффициенту сцепления = 0,15. Тогда условие удержания состава весом Q на уклоне i с помощью вспомогательного тормоза при давлении в тормозных цилиндрах 4,0 кгс/см2 и сопротивлении движению w0X = 1,0 кгс/тс
(17)
На рисунке 3 приведена зависимость удерживающей способности электровоза ВЛ11 от величины уклона (линия 1).

После остановки на подъеме весовая норма состава при взятии с места определяется тяговыми характеристиками локомотива, и в зоне начальной скорости сила тяги имеет ограничение по сцеплению. Для основных типов магистральных локомотивов можно принять расчетное значение коэффициента сцепления = 0,3; тогда условие взятия состава с места определится отношением


(18)

На рисунке 3 приведена также зависимость отношения Q/P для взятия состава с места в зависимости от величины подъема i при полном использовании сцепления локомотивом (линия 2). Взятие состава с места требует выполнения операций в определенной последовательности. Для остановки в поезде были приведены в действие автоматические тормоза, и поезд удерживался на уклоне собственной суммарной тормозной силой. Перед включением тяги необходимо отпустить автотормоза, при этом вагоны приходят в свободное состояние. В соответствие с требованиями Инструкции (п. 10.1.13) после остановки поезда с применением полного служебного торможения необходимо выждать время после перевода ручки крана машиниста в положение отпуска до приведения локомотива в движение не менее 2 мин. Значит, в течение указанного неограниченного по максимуму периоду времени состав поезда будет находиться без тормозов и подвергаться действию составляющих от уклона сил. Создаётся опасная ситуация, при которой поезд может покатиться в обратную сторону. И возможность противодействия скатыванию определяется только тормозной силой локомотива.

Сравнение полученных результатов силового воздействия на систему локомотив-состав для случая вынужденной остановки на подъёме показывает, что удерживающая тормозная сила локомотива значительно уступает силе тяги и является определяющей при оценке ограничения веса поезда. И это объясняется тем, что тормозная система рассчитана на реализацию пониженного значения коэффициента сцепления. В рассматриваемом случае условия сцепления колес с рельсами в статическом состоянии одинаковы для тягового и тормозного режимов. Наиболее удобным вариантом надо признать сближение характеристик локомотива по взятию с места и удержанию состава на подъеме. Для этого следует увеличить тормозную силу за счет повышения нажатия тормозных колодок, что можно достигнуть увеличением давления в тормозных цилиндрах с помощью крана вспомогательного тормоза. Источником повышенного давления может служить сжатый воздух в главных резервуарах локомотива, давление в которых поддерживается в пределах 7,5 – 9,0 кгс/см2.

На рисунке 3 приведена зависимость удерживающей силы от действия вспомогательного тормоза при питательном давлении 7,0 кгс/см2 в тормозных цилиндрах (линия 3). Пользоваться научными результатами, приведенными в виде графиков, в эксплуатации затруднительно, поэтому для приблизительной оценки возможностей локомотива целесообразно использовать упрощённые выражения:



Q = 300 P / i – для взятия состава с места на подъёме;

Q = 200 P / i – для удержания состава прямодействующим тормозом (при повышенном давлении) на уклоне.

Можно использовать при остановке на подъеме единый ориентировочный норматив удержания поезда тормозными средствами, что создает некоторый запас безопасности по взятию состава с места. Если возможны условия закрепления поезда на подъеме с помощью вспомогательного тормоза, то его следует применять в качестве средства закрепления поезда не любом профиле, уклон которого не превосходит расчетной величины. В таком случае, после остановки поезда приводят в действие вспомогательный тормоз локомотива и отпускают автоматические тормоза. Теперь для приведения поезда в движение не потребуется выжидать времени отпуска автотормозов, предусмотренного п.10.1.13 Инструкции, что сократит простой подвижного состава в ожидании отправления.

Тормозная эффективность вспомогательного тормоза играет особую роль при выполнении маневровых работ с составом, у которого автотормоза всех вагонов находятся в нерабочем состоянии. В этом случае определяющим фактором также остается тормозная сила локомотива от действия вспомогательного тормоза, только здесь управление тормозом приводится с ориентированием на основные параметры – скорость движения и тормозной путь.

Время подготовки оказывает существенное влияние на результаты действия автоматических тормозов в грузовом поезде, но при управлении вспомогательным тормозом время подготовки тормозов к действию можно в расчет не принимать, что значительно упрощает расчеты. При расчете тормозного пути следует ориентироваться на остановочное торможение и незначительную скорость движения; тогда для маневрового поезда при скорости движения до 20 км/ч и величине удельного сопротивления движению wOX = 0,8 кгс/тс расчет тормозного пути можно проводить по формуле


(19)
На рисунке 4 представлена графическая зависимость тормозного пути от веса маневрового состава с маневровым тепловозом ТЭМ18Д для нескольких значений начальной скорости. Тормозная сила маневрового тепловоза ТЭМ7 в полтора раза превышает тормозную силу тепловоза ТЭМ18Д, поэтому расчетные тормозные пути для тех же условий будут в полтора раза короче.

Представление о тормозной эффективности маневрового поезда повысит безопасность маневровых работ, поэтому можно считать полезным размещение подобных графиков в памятке машинисту маневрового локомотива.

Проведенные исследования взаимодействия тормозной человеко-машинной системы свидетельствуют о необходимости придания тормозным расчетам логический характер. С этой целью следует оперировать действительными нажатиями; исключить метод приведения расчетных нажатий к чугунным колодкам; разделить формулу для подсчета тормозной силы на два сомножителя – статическую тормозную силу и функцию скорости; тормозную эффективность поезда определяет не суммарным нажатием, а суммой тормозных сил вагонов в статическом состоянии; преобразовать расчетную формулу пути подготовки тормозов с учетом реальных тормозных процессов и формулу действительного пути для возможности автоматизации тормозных расчетов; дополнить материал расчетами тормозной эффективности от применения крана машиниста на маневровых работах и при вынужденной остановке поезда на подъеме; применить общую единицу измерения удельных сил в промилле.

В общем, Правила тормозных расчетов нуждаются в полном обновлении на приведенной логической основе.



Авторы

– Глушко Марат Иванович, д.т.н.



– Фёдоров Евгений Валерьевич, аспирант
18.04.2011


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница