Как образуется тормозная сила


Образование тормозной силы при колесно-колодочном торможении

Страница 2 из 5

При нажатии тормозной колодки силой К (рис. 6) на колесо колесной пары подвижного состава между ними возникает сила трения φкК", где φк — коэффициент трения колодки о колесо. Приложим к центру колеса О две силы φκК, равные по величине силе трения колодки о колес, но противоположно направленные. Эти две силы взаимно уравновешиваются и не могут изменить положение системы (см. рис. 6).
Сила φкК, направленная из центра колеса вверх, будет уравновешиваться реакцией R, возникающей на колодке и передаваемой через элементы тележки на колесо. Одновременно реакция R и сила φκΚ создают дополнительный момент, который разгружает колесо при торможении. Заменим пару сил, отмеченных на рис. 6, с моментом Мт, парой сил В и В1 с моментом Мвв1, равным по величине Мт, т.е.
Μт=МΒΒ1·
Из рис. 6 следует, что В1, приложенная в точке А касания колеса и рельса,  —  это сила, с которой колесо действует на рельс при торможении:
Β1=Β = φκΚ.                                                                                                    (4.2)

Рис. 6. Схема образования тормозной силы при колесно-колодочном торможении

Момент, создаваемый парой сил Мвв1, стремится сдвинуть точку А колеса вправо, но сила сцепления колеса с рельсом, действующая в результате прижатия колеса к рельсу силой П, удерживает колесо (т. А) от скольжения вправо. При отсутствии скольжения по III закону Ньютона в точке А контактной площадки возникает реактивная сила Вт, с которой рельс действует на колесо при торможении, т.е.
Βт = Β = φκΚ.                                                                                                       (4.3)
Сила Βт является внешней по отношению к движущейся системе  —  экипажу, и именно эту силу принято называть тормозной силой. Из формулы (4.3) следует, что величина тормозной силы ВТ зависит от значений К и φκ.
Тормозная сила при колесно-колодочном торможении. Тормозная сила Βт, развиваемая одной тормозной колодкой:
Βт = φκΚ.
Применительно к тормозной оси
В0 = φкКо,                                                               (4.4)
где К0  —  сила нажатия колодок на колеса одной тормозной оси колесной пары, кН.
Для поезда с числом тормозных осей и при К0, кН, тормозная сила, Н:
(4.5)
где 1000  —  коэффициент, зависящий от единиц измерения, переводит «кН» в «Н».
Удельная тормозная сила bТ, Н/кН, при весе поезда P+Q
(4.6)
Рассмотрим факторы, определяющие величины φκ и К0.
Коэффициент трения тормозных колодок о колесо φκ зависит от материала трущихся поверхностей, скорости движения и силы нажатия. На величину φк влияет также форма поверхности колодки, чистота поверхности колеса и температура.
На железных дорогах России применяются три типа колодок: стандартные чугунные, из высокофосфористого чугуна (с содержание фосфорадо 1,4 %) и композиционные марки 8-1 -66. На рис. 7 представлены результаты испытаний по определению зависимости коэффициента трения φк от скорости движения для вышеперечисленных типов колодок. С ростом скорости коэффициент трения уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при увеличении сипы нажатия К колодки на колесо. С увеличением скорости и удельного нажатия колодок количество тепла, выделяемое при трении колодки о колесо, возрастает, повышается температура металла колодки и колеса, поверхностный слой контактируемых поверхностей размягчается и становится более пластичным, что приводит к уменьшению тормозного эффекта.

Рис 4.7. Зависимости коэффициента трения от скорости движения и материала колодок: 1  —  стандартные чугунные; 2 —  из высокофосфористого чугуна; 3  —  композиционные
Коэффициент трения тормозных колодок о колеса рассчитывают по следующим эмпирическим формулам [10]:
для стандартных чугунных колодок
(4.7)
для высокофосфористых чугунных колодок
(4.8)
для композиционных колодок марки 8-1-66
(4.9)
В формулах (4.7-4.9) К — сила нажатия колодки, кН; V —  скорость движения, км/ч. Из приведенных формул и рис. 7 следует, что величина коэффициента трения чугунных колодок существенно (в несколько раз!) снижается при увеличении скорости. При скоростях движения подвижного состава более 120 км/ч, т.е. в диапазоне высокоскоростного движения, когда требуется большая тормозная сила, применение системы колесно-колодочного торможения малоэффективно. К недостаткам стандартных чугунных колодок следует также отнести их интенсивный износ в эксплуатации и загрязнение чугунной пылью балласта верхнего строения пути, которая образуется при торможении от истирания колодок. Эта чугунная пыль, попадая на контакты тяговых электродвигателей, ухудшает их эксплуатационную надежность. Необходимо отметить, что применение чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора до 1,4 % повышает их износостойкость и в целом тормозной эффект (см. рис. 7).
По оценкам специалистов в год на железнодорожном транспорте «истирается в пыль» при торможении до 300 тыс. тонн специального чугуна, из которого изготавливают тормозные колодки, поэтому повышение износостойкости тормозных колодок — одна из приоритетных задач железнодорожного транспорта.
Композиционные колодки марки 8-1-66 изготавливают из асбестокаучукового материала. Они обладают более высоким (в несколько раз по сравнению с чугунными) коэффициентом трения, особенно в зоне высоких скоростей (V> 120 км/ч). Износостойкость композиционных колодок примерно в три раза больше, чем чугунных. Однако применяемые колодки марки 8-1-66 имеют ряд серьезных недостатков: вследствие низкой теплопроводности асбестокаучукового материала возникает высокая температура (до 300 °С) нагрева колесных пар, что может привести к ослаблению бандажа и появлению термических микротрещин; в зимнее время может произойти обледенение поверхностей композиционных колодок и уменьшение значения коэффициента трения, как следствие, тормозной эффект при применении таких колодок резко снижается. При неблагоприятных условиях эксплуатации тормозной путь подвижного состава, оборудованного композиционными колодками, может увеличиться в разы по сравнению с торможением стандартными чугунными колодками. По этим и ряду других причин композиционные колодки на локомотивах не применяют; на грузовых вагонах их используют исключительно на среднем режиме при q0> 60 кН. Широкое распространение колодки марки 8-1 -66 получили на пассажирских вагонах, что позволяет сократить эксплуатационные расходы на их содержание.
Из формул (4.7 — 4.9) по расчету <рк следует, что на величину коэффициента трения колодки о колесо существенное влияние оказывает сила нажатия тормозной колодки К; с увеличением этой силы φк уменьшается. Очевидно, двустороннее нажатие тормозных колодок (рис. 3, б) дает более высокие значения коэффициента трения φк, чем одностороннее (рис. 3, а), так как давление на одну колодку при двустороннем торможении уменьшается в два раза.
Сила нажатия тормозных колодок. Безопасность движения подвижного состава зависит от величины тормозной силы. Основным способом обеспечения больших значений тормозной силы Βт является увеличение суммарной силы нажатия ΣΚ тормозных колодок. Однако силы нажатия ΣΚ и, соответственно, тормозные силы Вт ограничены условиями сцепления колес подвижного состава с рельсами. Для нормального торможения, когда работа тормозов сопровождается перекатыванием колес по рельсам (т.е. wK = 0), тормозная сила Βт в любой момент времени не должна превосходить силу сцепления колеса колесной пары с рельсами ΨΚ2Π. Если тормозная сила Βт превысит силу сцепления колесной пары с рельсами, то колеса колесной пары, заклиненные колодкой, начнут скользить по рельсам и их вращение прекратится,  —  наступит явление ЮЗ. Сила трения скольжения μ2Π колесной пары при юзе меньше силы сцепления колес при качении ΨΚ2Π (рис. 8) вследствие того, что коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя.
Опасность и вредные последствия юза с позиций безопасности движения состоят в увеличении тормозного пути, т.к. уменьшаются значения тормозной силы и сил основного сопротивления (т. к. wбπ= 0; wтк=0). Заклинивание колес также приводит к сильному износу рельсов и кругов катания колес колесной пары с образованием на их поверхности ползунов. В дальнейшем такая колесная пара при качении создает удары по рельсам, что отрицательно сказывается на надежности многих элементов экипажа подвижного состава и верхнего строения пути.
Во избежание явления юза необходимо соблюдать основное условие при торможении поезда, которое можно представить в следующем виде
(4.10)

Рис. 8. Изменение тормозной силы В0 при увеличении суммарной силы нажатия ΣΚ0 колодок на тормозную ось
Основное условие при торможении также можно сформулировать следующим образом: для предотвращения юза и обеспечения безопасности движения тормозная сила Вт колесной пары, создаваемая тормозными средствами, не должна превосходить силу сцепления колес колесной пары с рельсами.
Наибольшая допустимая величина ΣΚmax определяется из равенства
(4.11)
Отношение наибольшей силы нажатия тормозных колодок Σ K0 на колесную пару к статической нагрузке на рельсы 277 называют коэффициентом нажатия тормозных колодок и обозначают 8=ΣΚ0 /2П. Из равенства (4.11) следует, что коэффициент нажатия δ зависит от отношения Ψκ к φк, которые в свою очередь зависят от скорости движения, материала колодок и погодных условий.

Рис. 9. Зависимости коэффициентов сцепления ψκ и трения тормозных колодок φк от скорости движения
Так как коэффициент сцепления Ψκ колес с рельсами зависит от скорости движения V в меньшей степени, чем коэффициент трения φк колодок о колеса колесной пары (рис. 9), наибольшая опасность заклинивания колес (юза) возникает при низких скоростях, особенно при трогании с места и разгоне заторможенного вагона, т.е. при V< VA. Восстановление качения колес колесной пары по рельсам осуществляют с помощью специальных противогазных устройств, предназначенных для автоматического прекращения юза в момент его возникновения.
Так как заклинивание колес вероятнее всего у порожних вагонов, при расчетах принимают: коэффициент нажатия δ=0,6 от тары порожних грузовых вагонов; для пассажирских вагонов, дизель- и электропоездов 0,7 — 0,75, для локомотивов 0,5 — 0,6. При применении на пассажирских вагонах композиционных колодок — δ = 0,3.

В автотормозах большинства грузовых вагонов предусмотрены три режима торможения: груженый, средний, порожний. При применении на грузовых вагонах стандартных чугунных тормозных колодок установлены следующие предельные расчетные значения силы нажатия тормозных колодок на тормозную ось, в зависимости от режима: груженый  —  60 кН, средний  —  50 кН, порожний  —  35 кН.
Для композиционных колодок грузовых вагонов устанавливается два режима: средний  —  70 кН, порожний — 35 кН.
В таблицах 1 и 2 приведены расчетные силы нажатия на одну тормозную колодку и число тормозных колодок в тормозных системах различных серий локомотивов и типах вагонов.
Таблица 1
Расчетные силы нажатия на одну чугунную тормозную колодку локомотивов


Серии локомотивов

Число
тормозных
колодок

Число
тормозных
цилиндров

Сила нажатия на одну колодку, кН

ТЕПЛОВОЗЫ

 

 

 

ТЭ3, 2М62У

24

8

64

ТГ16

16

8

36

2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У

24

8

85

2ТЭ116

48

24

30

ТЭП60,ТЭП70

24

8

30

ТЭМ2

12

8

64

ЧМЭ3

24

8

29

ДИЗЕЛЬ-ПОЕЗДА (все серии)

 

 

 

Моторный вагон

16

8

80

Прицепной вагон

16

8

50

ЭЛЕКТРОВОЗЫ

 

 

 

ВЛ 22м

12

4

76

ВЛ23

12

4

90

ВЛ8

16

8

68

ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ82, ВЛ80 (все индексы)

32

8

41

ВЛ60 (все индексы)

24

4

30

ЭЛЕКТРОПОЕЗДА (все серии)

 

 

 

Моторный вагон

16

1

26

Прицепной вагон

16

1

18

Расчетные силы нажатия на одну тормозную колодку грузовых и пассажирских вагонов


Тип вагона

Тормозные колодки

Сила нажатия на колодку, кН

Материал

Число

Груженый

Средний

Порожний

ГРУЗОВЫЕ

Четырехосные

Чугунные

8

38

23

12,6

полувагоны

Композиционные

8

24

14,8

8,2

Четырехосные

Чугунные

8

38,2

23,4

12,8

платформы, крытые вагоны, цистерны

Композиционные

8

25

15,4

8,5

Шестиосные

Чугунные

12

26

16

9

полувагоны

Композиционные

12

17

10

6

Восьмиосные

Чугунные

16

35

21,8

12,4

полувагоны

Композиционные

16

22

13,5

7,5

Восьмиосные

Чугунные

16

37

23

13

цистерны

Композиционные

16

25

15

8,6

Рефрижираторные

Чугунные

16

21

13

7,5

 

Композиционные

16

11,6

7,4

4,3

ПАССАЖИРСКИЕ

Цельнометаллические весом, кН

 

 

 

 

 

530 — 620

Чугунные

16

23,5

 —

 —

 

Композиционные

16

10,3

 —

 —

480 — 520

Чугунные

16

18,5

 —

 —

 

Композиционные

16

8,8

 —

 —

С дисковым тормозом

Накладки

16

7,5

 —

 —

С регулятором скорости

Чугунные

16

52,0

 —

--

Процесс образования тормозной силы — Студопедия.Нет

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Основные понятия о тормозах………………………………………………... 3

2. Приборы питания……………………………………………………………… 8

2.1 Компрессор У 43102…………………………………………………………. 8

2.2 Регулятор давления усл. № 3РД ……………………………………………. 10

2.3 Предохранительный клапан усл. № Э-216 ………………………………… 12

2.4 Сепаратор – осушитель……………………………………………………… 13

3. Клапана и редуктор…………………………………………………………… 14

3.1 Клапан холостого хода усл.№545…………………………………………... 14

3.2 Клапан максимального давления усл. №3МД………………………………15

3.3 Редуктор усл.№348……………………………………………………………16

3.4 Реле давления усл. №304-002 ………………………………………………. 18

4. Приборы управления тормозами…………………………………………….. 20

4.1 Кран вспомогательного тормоза усл. № 254……………………………..... 20

4.2 Кран машиниста усл. №394………………………………………………… 25

5. Приборы торможения…………………………………………………………. 32

5.1. Воздухораспределитель усл. № 483.000 (483М)…………………………... 32

5.2. Тормозной цилиндр усл. № 188 Б………………………………………….. 44

5.3. Запасной резервуар…………………………………………………………. 45

6. Воздухопровод и арматура…………………………………………………… 47

7. Тормозная рычажная передача………………………………………………. 52

8. Системы безопасности КЛУБ-УП……………………………………………  54

8.1 Назначение и работа составных частей системы КЛУБ-УП……………… 58

8.2 Порядок включения и работы системы КЛУБ-УП………………………… 64

8.3 Порядок действий машиниста ССПС при нарушении нормальной……… 74                работы системы КЛУБ-УП

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТОРМОЗАХ

 

Силы, действующие на поезд

Во время движения на поезд действуют различные силы (Рис.1). Они могут оказывать свое влияние временно или постоянно, достигать различной величины и иметь направление в сторону движения поезда или против.

 

 

 

Основные сопротивления возникают в результате:

· трения шеек осей о подшипники

· трения качения и скольжения колес по рельсам

· сопротивления воздуха движущемуся подвижному составу

 

Дополнительные сопротивления ( W0 ) возникают :

При движении поезда на подъем (Рис.2) в результате действия составляющей W1 от веса поезда возникает дополнительное сопротивление. Если поезд идет по горизонтальному пути, эта составляющая равна нулю и вес поезда не изменяет характер движения. При следовании по спуску сила W1направлена в сторону движения и, следовательно, уменьшает тормозную силу. На подъёме сила W1 направлена против движения поезда и способствует его торможению.

 

 

 

 

Виды торможения

 

 Фрикционное - при котором силы трения создаются непосредственно на поверхности катания колес – колодочный или при специальный дисках, жестко связанных с колесными парами – дисковый тормоз

 

 Реверсивное, осуществляется переключением тяговых электродвигателей на режим генераторов, называемое также электрическим или динамическим. Оно бывает рекуперативнымс возвращением вырабатываемой, электроэнергии в контактную сеть или реостатным, когда ток поглощается специальными резисторами, в которых электрическая энергия превращается в тепловую, а затем рассеивается в окружающей среде.

 

Магнитно-рельсовое,достигаемое воздействием башмаков с электромагнитами на рельс.

Основным видом торможения, применяемым на ССПС и НСПС, является фрикционное при помощи колодочного тормоза.

 

 

Процесс образования тормозной силы

 

 

 

 

Тормозная сила возникает следующим образом (Рис.3).

При нажатии тормозной колодки на колесо с силой К возникает сила трения Т = К f , где f – коэффициент трения между колодкой и колесом. Сила трения передается в точку контакта колеса с рельсом. Поэтому колесо с силой В, численно равной силе Т, толкает рельс в сторону движения. Так как рельс закреплен, то в точке контакта колеса с рельсом возникает сила Вт, равная по значению силе В, но имеющая противоположное направление.

Сила Вт и есть тормозная сила, с которой путь воздействует на колесо.

Тормозная сила поезда является суммой тормозных сил, действующих на каждое колесо. При одностороннем нажатии тормозной колодки на колесо сила Вт численно равна силе трения колодки по колесу.

Тормозное нажатие – это нажатие от колодок на колесо для автоматического тормоза. Оно устанавливается единым нормативами МПС (для ССПС инструкция ЦТ-ЦП-797).

Для грузовых поездов оно составляет 33 т на 100 т веса поезда.

Для пассажирских поездов в зависимости от скорости движения – 60, 78 или 80 т на 100 т веса поезда.

Для машины ВПР-02 тормозное нажатие составляет примерно 50 т на 100 т веса машины (вес машины 56 т, а суммарное тормозное нажатие составляет 25,5 т).

Тормозной путь – это расстояние, проходимое поездом (ССПС) с момента постановки ручки крана машиниста в тормозное положение до полной остановки.

Он состоит из пути подготовки и действительного тормозного пути и вычисляется по формуле:

S = Sп + Sд  , где

Sп – путь подготовки,

Sд –действительный тормозной путь

Путь подготовки Sп = 0,278 Vн Tп  , где

Vн – скорость в начале торможения,

Тп – время подготовки, берется из справочника и составляет для пассажирских поездов с ЭПТ – 2 сек, для пассажирских поездов без ЭПТ – 4 сек, для грузовых поездов в зависимости от длины состава – 8-10 сек.

Действительный тормозной путь подсчитывается как сумма путей, проходимых поездом за определенные интервалы изменения скоростей ( Sд = ∑ Sтп ).

 

 

Тормозные процессы

В тормозной магистрали возникают три волны:

1. Воздушная – она появляется при снижении давления в тормозной магистрали краном машиниста. Она направлена от хвоста к голове поезда, скорость ее такая же, как скорость звука 330м/сек.

2. Тормозная – это последовательное срабатывание воздухораспределителей от головы к хвосту поезда, ее скорость для ВР 483 составляет 300 м/сек и подсчитывается по формуле:

Vтв = L / Тхв , где L – длина поезда, Тхв – время с момента постановки ручки крана в тормозное положение до срабатывания воздухораспределителя хвостового вагона.

3. Отпускная – она появляется при повышении давления в тормозной магистрали и направлена с головы к хвосту поезда.

 

 

                                           

 

 

 

 

ПРИБОРЫ ПИТАНИЯ ТОРМОЗОВ

Образование тормозной силы — Студопедия

Время наполнения и опорожнения тормозных цилиндров в зависимости от типа тормозов

Классификация тормозов.

Тормоза классифицируются по способу создания тормозной силы. свойствам системы управления и по назначению.

По способу созданиятормозной силы различают фрикционные тормоза (колодочные и дисковые) и динамические (электродинамические, гидродинамические и реверсивные).

По свойствам системы управленияразличаю тормоза автоматические (прямо действующие и непрямодействующие) и неавтоматические (прямодействующие).

Автоматические тормоза должны автоматически приходить в действие (затормаживать) при определенном темпе снижения давления в тормозной магистрали.

Прямодействие или непрямодействие автоматического тормоза определяется конструкцией воздухораспределителя. Прямодействующий автоматический тормоз - это тормоз грузовых вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл.№ 483, который способен поддерживать.

Таблица 1.1.

Тип тормоза Время наполнения ТЦ, сек. Время опорожнения ТЦ, сек.
Грузовые 20 … 45 до 60
Пассажирские 6 … 9 9 … 12
Скоростные 1 … 2 2 … 3

установленное давление в тормозном цилиндре независимо от плотности последнего.


Непрямодействующий автоматический - это тормоз пассажирских вагонов, оборудованный воздухораспределителем усл.№ 292, который не восполняет утечки сжатого воздуха из тормозного цилиндра.

Примером прямодействующего неавтоматического тормоза служит вспомогательный локомотивный тормоз. В случае приведения его в действие воздух из главных резервуаров поступает в тормозные цилиндры.

По назначению тормоза бывают грузовые, пассажирские и скоростные. В этом случае за характеристику их работы принимают время наполнения и опорожнения тормозного цилиндра.

Для торможения подвижного состава к нему должны быть приложены внешние силы от неподвижных рельсов. Действие этих сил должно быть направлено против направления движения поезда. Рассмотрим кинематику катящейся колесной пары. Она совершает сложное движение, состоящее из двух простых (рис. 1.1): прямолинейное движение вдоль пути вместе со всем поездом со скоростью V км/ч и вращательного вокруг собственной оси О. Вращательное движение обусловлено сцеплением колес с рельсами в точках их контактов О1 . Это сцепление происходит под действием вертикальной нагрузки q. Окружная скорость вращения колеса на поверхности качения равна поступательной скорости поезда, т.е. V км/ч. В точке колеса О2, находящейся в данное мгновение в самом верхнем положении, поступательное и вращательное движения направлены в одну и ту же сторону - вперед (по ходу движения поезда), поэтому скорости поступательного и вращательного движения складываются, и мгновенная абсолютная скорость колеса в этой точке оказывается V + V = 2V, т. е. вдвое больше скорости поезда. Нижняя точка О1, находящаяся в сцеплении с рельсом, в каждый момент времени качения колеса оказывается неподвижной (- V + V = 0). В течение этого мгновения колесо как бы поворачивается вокруг точки сцепления О1, которая в механике называется «мгновенный центр поворота».


Таким образом, колесо в точке его сцепления с рельсом катится по нему вперед и с такой же скоростью вращается обратно. Это означает, что в точке О1 сила трения отсутствует, а действует только сила сцепления, которая образуется за счет взаимодействия микроскопических неровностей на поверхностях колеса и рельса, а также за счет сил молекулярного притяжения, возникающих под действием нагрузки q, значение которой достигает 15 кгс/см2.Теперь рассмотрим силовые процессы, происходящие после прижатия колодки к катящемуся колесу (рис 1.2). Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Т между колодкой и колесом, которая действует от колодки на колесо против его вращения, т. е. стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Т не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду - колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним.

Однако под действием внутренней силы Т колесо начинает «цепляться» за рельс в точке контакта О1. Возникает сила сцепления колеса с рельсом В, равная по величине силе Т. Сила В стремится утащить рельс за собой (сдвинуть его по ходу движения поезда). Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным (в путевом хозяйстве хорошо известно явление угона рельсов под действием сил сцепления В). Особенно интенсивно угон рельсов происходит в местах, где обычно производится служебное торможение поездов. В свою очередь, неподвижный рельс тормозит катящееся по нему колесо с силой Вт, являющейся реакцией рельса на силу В. Сила Вт является внешней силой по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой.

Тормозная сила выполняет еще одну важную функцию: являясь реакцией рельса на силу Т и направленная по направлению вращения катящегося колеса, она уравновешивает эту силу трения Т, заставляя колесо продолжать вращение, препятствуя переходу колесной пары на юз.

Итак, колодки прижимаются к колесам для того, чтобы возникшая сила трения Т вызывала появление равной ей внешней силы Вт, которая, будучи направленной по вращению колеса, препятствует переходу его на юз и в то же время, имея направление против движения поезда, тормозит его. Чтобы облегчить представление этой картины, достаточно мысленно приподнять тормозимые колесные пары над рельсами, и тогда станет ясно, что колесные пары, потеряв сцепление с рельсами, под действием сил трения Т сразу прекратят вращение, но сам поезд будет продолжать движение вперед. Точно так же торможение самолетов колесами их шасси возможно только после приземления на посадочную полосу.

Основы теории торможения

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОРМОЖЕНИЯ

Образование тормозной силы

Рассмотрим силовые процессы, происходящие после прижатия колодки к катящемуся колесу. Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Т между колодкой и колесом, которая действует от колодки на колесо против его вращения, т. е. стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Т не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду - колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним.

Однако под действием внутренней силы Т колесо начинает «цепляться» за рельс в точке контакта О1. Возникает сила сцепления колеса с рельсом В, равная по величине силе Т. Сила В стремится утащить рельс за собой (сдвинуть его по ходу движения поезда). Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным (в путевом хозяйстве хорошо известно явление угона рельсов под действием сил сцепления В). Особенно интенсивно угон рельсов происходит в местах, где обычно производится служебное торможение поездов. В свою очередь, неподвижный рельс тормозит катящееся по нему колесо с силой Вт, являющейся реакцией рельса на силу В. Сила Вт является внешней силой по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой.
Тормозная сила выполняет еще одну важную функцию: являясь реакцией рельса на силу Т и направленная по направлению вращения катящегося колеса, она уравновешивает эту силу трения Т, заставляя колесо продолжать вращение, препятствуя переходу колесной пары на юз.
Итак, колодки прижимаются к колесам для того, чтобы возникшая сила трения Т вызывала появление равной ей внешней силы Вт, которая, будучи направленной по вращению колеса, препятствует переходу его на юз и в то же время, имея направление против движения поезда, тормозит его. Чтобы облегчить представление этой картины, достаточно мысленно приподнять тормозимые колесные пары над рельсами, и тогда станет ясно, что колесные пары, потеряв сцепление с рельсами, под действием сил трения Т сразу прекратят вращение, но сам поезд будет продолжать движение вперед. Точно так же торможение самолетов колесами их шасси возможно только после приземления на посадочную полосу.

Коэффициент трения тормозных колодок

Сила трения Т между колесом и колодкой оказывается в несколько раз меньше силы К нажатия колодки на колесо. Отношение φк в механике называется «коэффициент трения» и обозначается в тормозных расчетах φк.
Если известна величина коэффициента трения, то сила трения определяется из равенства Т = φк, а тормозная сила Вт одиночного колеса (без учета влияния инерции вращающихся масс) численно равна силе трения, то есть В =Т.
Величины коэффициентов трения определяют опытным путем на специальных стендах или посредством торможения составов из нескольких одинаковых вагонов. Этот сцеп разгоняется локомотивом-толкачом до максимальной скорости, после чего толкач отстает, а поезд тормозится с определенной силой нажатия колодок. Следующий такой опыт проводят с другой силой нажатия колодок и т. д. По записям, полученным на специальной скоростемерной ленте, рассчитывают тормозные силы в интервалах скоростей по 10 или 5 км/ч.
На основании опытов составляют графики зависимости коэффициентов трения от скорости движения для различных сил нажатия колодок.

Зависимость действиетльного коэффициента трения
колодок от действительного нажатия на колодку и скорости движения

Затем по полученным результатам выводят эмпирическую (опытную) формулу. Эти формулы утверждены МПС для дальнейшего использования при всех практических расчетах. Например, формула (1.1) применяется для расчета действительных коэффициентов трения композиционных колодок, а формула (1.2) - для чугунных.

Основными факторами, влияющими на величину коэффициентов трения, являются скорость движения, удельная сила нажатия колодки на колесо и материал колодки. Из графикаи приведенных выше формул видно, что с уменьшением скорости коэффициент трения увеличивается. Машинистам это хорошо известно практически: по мере уменьшения скорости ощущается усиление тормозного эффекта (замедление поезда), особенно при чугунных колодках. С увеличением силы нажатия К коэффициент трения снижается, но это не значит, что с ростом К сила трения Т уменьшается - она увеличивается, но не пропорционально К.
Поясним на примере. При скорости V=70 км/ч и нажатии К = 1 тс коэффициент трения чугунной колодки φк = 0.146. Значит, сила трения колодки Т= φкК = 0.146 тс. При увеличении силы нажатия в два раза. т. е. К=2 тс. при той же скорости 70 км/ч коэффициент трения оказывается меньше: φк =0.115. Сила же трения составит Т= 0.230 тс., т. е. увеличилась, но не в два раза, а только в 1,57 раз. При увеличении силы нажатия в пять раз (К=5тс) коэффициент трения при той же скорости V=70 км/ч оказывается всего φк = 0.09. а сила трения Т = 0.450 тс., т. е. увеличивается, но всего в 3 раза.
Из сравнения графиков коэффициентов трения чугунных и композиционных колодок видно, что у последних значения φк выше, а сами графики более пологие, т. е. интенсивность снижения коэффициента трения при увеличении скорости значительно меньше.

Коэффициент сцепления

Качение колеса по рельсу без проскальзывания происходит за счет силы сцепления Вс , действующей со стороны рельса на колесо в точке их контакта.

Сцепление колес с рельсами представляет сложный процесс, при котором происходит преодоление механического зацепления микронеровностей поверхностей колеса и рельса и их молекулярного притяжения.
Коэффициент сцепления зависит в основном от осевой нагрузки. состояния поверхностей колеса и рельса, скорости движения, площади контакта, типа тягового привода и может изменяться в широких пределах (0.04 - 0.30). Наиболее неблагоприятное сцепление имеет место при моросящем дожде, образовании на рельсах инея или при загрязнении рельсов перевозимыми нефтепродуктами, смазкой, торфяной пылью. Простым и эффективным способом повышения коэффициента сцепления является подача песка под колесные пары.

Условие безъюзового торможения

Явление, когда колесо прекращает свое вращение и начинает скользить по рельсу при продолжающемся движении поезда, называется заклиниванием или юзом.
Как правило, заклинивание колесной пары не происходит мгновенно. Предварительно колесная пара начинает проскальзывать, скорость ее становится меньше поступательной скорости подвижного состава. Это приводит к увеличению тормозной силы Вт за счет повышения коэффициента трения φк . В точке к контакта колеса с рельсом кинетическая энергия превращается в тепловую, что может привести к сдвигу металла на поверхности катания колеса при проскальзывании (образование навара) или образованию овальной площадки (ползуна) при скольжении. Поэтому максимальная величина тормозной силы ограничивается условиями сцепления колес с рельсами. Следовательно, во избежание юза максимальное тормозное нажатие принимают таким, чтобы тормозная сила не превышала силу сцепления колеса с рельсом. Для этого должно выполняться правило:

где:

  • φк - коэффициент трения;
  • К - сила нажатия колодок на ось;
  • Ψк - коэффициент сцепления колеса с рельсом;
  • q - осевая нагрузка.

В этом случае максимальное нажатие колодок на ось равно:

Отношение φк / Ψк = δ называют коэффициентом нажатия тормозной колодки. При заданной осевой нагрузке допустимые значения коэффициента нажатия будут зависеть от значении Ψк и φк, которые в свою очередь зависят от скорости движения и материала колодок. При расчетах значения 6 для локомотивов принимают в пределах 0.5-0.6.

На рисунке показана зависимость коэффициентов трения чугунной тормозной колодки и сцепления колеса с рельсом при различных скоростях движения. Из приведенных графиков видно, что при снижении скорости в процессе торможения значения φк становятся больше Ψк., следовательно, вероятность заклинивания колесных пар выше при низких скоростях движения; при высоких скоростях значения Ψк больше φк, и значит, опасность юза практически исключается, а силу нажатия колодки на колесо можно увеличить для реализации большей тормозной силы.

Способы регулирования величины тормозной силы

Важной характеристикой тормоза является его способность максимально использовать коэффициент сцепления колес с рельсами. Неполное использование сцепления имеет место в процессе наполнения тормозных цилиндров, то есть когда тормозная сила еще не достигла максимальной величины. Поэтому при допустимых условиях по величинам продольных динамических усилий в поезде и заклиниванию колесных пар стремятся к минимальному времени наполнения тормозных цилиндров.
Коэффициент сцепления уменьшается с ростом скорости движения, что вызывает необходимость изменения тормозной силы (в первую очередь для подвижного состава, оборудованного чугунными тормозными колодками). Для грузовых тормозов большое значение в использовании сцепления имеет соответствие между величиной тормозной силы и весом вагона, поскольку сила сцепления зависит от нагрузки от колесной пары на рельс. Поэтому с целью исключения заклинивания колесных пар применяется весовое и скоростное регулирование величины тормозной силы.

Весовое регулирование. Соответствие между величиной тормозной силы и весом вагона в тормозах грузового типа достигается ручным переключением режимов торможения или применением на грузовых вагонах авторежимов, которые автоматически регулируют тормозное нажатие в зависимости от загрузки вагона. Воздухораспределитель грузового типа имеет три режима торможения: порожний, средний и груженный. Переключение режимов выполняется вручную в зависимости от загрузки вагона, приходящейся на ось.Каждому режиму торможения соответствует определенное давление в тормозном цилиндре.
Автоматический регулятор режимов торможения (авторежим) позволяет избежать ошибки при установке требуемого режима торможения.Корпус авторежима крепится к подрессоренной хребтовой балке вагона, а упор соприкасается с плитой, укрепленной на необрессоренной части тележки. По мере загрузки вагона расстояние между корпусом авторежима и опорной плитой уменьшается вследствие прогиба рессор вагона. Колебания кузова вагона не сказываются на давлении в тормозном цилиндре, так как демпфирующие пружины и дроссельное отверстие гасят колебания подвижной части авторежима.
Загрузку вагона можно оценить по положению клина амортизатора относительно фрикционной планки рессорного подвешивания вагона. Вагон считается порожним, если верхняя плоскость клина амортизатора находится выше фрикционной планки.

Скоростное регулирование тормозной силы. Изменение тормозной силы при уменьшении коэффициента сцепления при высоких скоростях движения сводится к увеличению нажатия на колодку за счет повышения давления в тормозном цилиндре.

В процессе уменьшения скорости при торможении переключение с высокого нажатия (К2) на пониженное (К1) выполняется автоматически специальными скоростными регуляторами при достижении конкретной скорости перехода (например, при V=50 км/ч). Регулятор устанавливается на буксе колесной пары тележки. Регулирование тормозной силы осуществляется в случае применения полного торможения. При полных торможениях и малых скоростях движения величина тормозной силы может превысить значение силы может превысить значение силы сцепления Вс колеса с рельсом, что резко повышает вероятность заклинивания колесных пар.Наличие в составе поезда разнотипных вагонов с различными значениями К делает расчет тормозной сипы с использованием формул 1.1. и 1.2. для определения коэффициентов трения весьма трудоемким. Для упрощения тормозных расчетов пользуются методом приведения, при котором действительные значения К и φк заменяются расчетными значениями К и φкр, а коэффициент трения определяется при одном, условно выбранном тормозном нажатии Ку, но при этом обеспечивалось бы равенство:

Значения Ку принимают: для чугунных колодок - 2.7 тс. для композиционных колодок - 1.6 тс. Подставляя значения Ку в формулы 1.1. и 1.2. получим значения расчетных коэффициентов трения соответственно для чугунных и композиционных колодок:

 

После подстановки значений φк и φкр в выражение 1.6. получим формулы для определения расчетных сил нажатия чугунных и композиционных колодок:

 

Если в поезде используются тормоза с разными типами тормозных колодок (например, чугунными и композиционными), то необходимо привести расчетное нажатие к одной системе нажатий. Это приведение выполняют умножением величины нажатия на соответствующий коэффициент эффективности, которые зависят от скорости движения. Коэффициенты эффективности определяют исходя из равенства длины тормозного пути при действии колодок разного типа. На железных дорогах России за основную принята система расчетных значений нажатий чугунных тормозных колодок, для которых установлены все тормозные нормативы и действующие номограммы и таблицы зависимости тормозных путей от скорости начала торможения, удельных расчетных нажатий и крутизны уклонов.

Расчет тормозного пути

В настоящее время существует три метода тормозных расчетов:

  • аналитический метод Правил тяговых расчетов;
  • метод численного интегрирования уравнения движения поезда по интервалам времени;
  • графический способ.

С помощью аналитического метода ПТР решают задачи, в которых реализуется полная тормозная сила:

  • при определении расстояния ограждения мест препятствий движению поезда – экстренное торможение;
  • при выборе расстояния между постоянными сигналами - полное служебное торможение;
  • при проверке расчета выбора расстояния между постоянными сигналами – автостопное торможение.

Тормозной путь при полном служебном торможении рассчитывается так же как при экстренном торможении, но значение тормозного коэффициента принимается равным 0.8 от его полного значения.В практике часто возникает необходимость точного расчета тормозного пути или скорости движения поезда при ступенчатых торможениях, во время безостановочного следования по переломному не спрямляемому профилю пути и при других разнообразных условиях торможения. В таких случаях тормозные задачи решают численным интегрированием уравнения движения поезда не по интервалам скорости, а по интервалам времени.

Расчет тормозного пути методом ПТР

Полный тормозной путь , проходимый поездом от начала торможения до остановки, принимается равным сумме пути подготовки тормозов к действию Sп и действительного пути торможения

где:

  • Vнт - скорость поезда в момент начала торможения, км/ч;
  • tп - время подготовки тормозов поезда к действию, с;
  • 3.6 – переводной коэффициент. 

Время подготовки тормозов к действию определяется из условия замены медленного, реального процесса наполнения тормозного цилиндра среднего вагона, мгновенным наполнением до полной величины, при условии равенства тормозных путей, проходимых поездом при реальном и условном наполнении тормозных цилиндров.

В зависимости от рода подвижного состава и его длины время подготовки тормозов к действию определяется по формуле 

Величины коэффициентов а и б зависят от рода движения, вида управления тормозами в пассажирском поезде, от длины поезда в осях и принимаются по таблице

Условия выбора величины коэффициента

а

б

Пассажирский поезд :    
С пневматическими тормозами

4

5

С электропневматическими тормозами

2

3

Грузовой поезд длиной :
до 200 осей

7

10

до 300 осей

10

15

до 400 осей

12

18

до 400 осей, если все ВР усл. № 483

6

8

Величина действительного пути торможения определяется суммированием величин пути торможения в выбираемых интервалах скорости при условии постоянства величин удельных сил, действующих на поезд в этом интервале, по формуле 1.14 

 

Удельная тормозная сила определяется по формуле

Расчетный тормозной коэффициент поезда с учетом веса и нажатия локомотива вычисляется по формуле 

Сумма расчетных сил нажатия тормозных колодок поезда подсчитывается по формуле или берется из справки формы ВУ-45 

При определении тормозного коэффициента грузового груженого поезда на спусках до 20 ‰ вес локомотива и нажатие его колодок не учитываются.
Основное удельное сопротивление движению поезда при холостом ходе локомотива может быть подсчитано по формуле жатие его колодок

 

Действительный тормозной путь при автостопном торможении определяют так же, как при экстренном торможении, а время подготовки тормозов к действию рассчитывают с учетом дополнительных 12 с, необходимых для срабатывания электропневматического клапана (ЭПК) автостопа.
По результатам расчетов тормозных путей при экстренном торможении строят специальные графики (номограммы) или таблицы, в которых указываются длины тормозных путей в зависимости от расчетного нажатия колодок на 100 тс веса состава или поезда (или в зависимости от расчетного тормозного коэффициента) для различных начальных скоростей и уклонов.Эти номограммы и таблицы приведены соответственно в Правилах тяговых расчетов и в Инструкции по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог.

Анимация (мультик) по схемам прямодействующего, непрямодействующего тормоза и ЭПТ. Для скачивания проги кликните по картинке

Отличное пособие по новому воздухораспределителю пассажирских вагонов № 242.
С анимацией и дикторским сопровождением. Для скачивания PDF кликните по картике

Образование тормозной силы — Мегаобучалка

Для торможения подвижного состава к нему должны быть приложены внешние силы от неподвижных рельсов. Действие этих сил должно быть направлено против направления движения поезда. Рассмотрим кинематику катящейся колесной пары. Она совершает сложное движение, состоящее из двух простых (рис. 1.1): прямолинейное движение вдоль пути вместе со всем поездом со скоростью V км/ч и вращательного вокруг собственной оси О. Вращательное движение обусловлено сцеплением колес с рельсами в точках их контактов О1 . Это сцепление происходит под действием вертикальной нагрузки q. Окружная скорость вращения колеса на поверхности качения равна поступательной скорости поезда, т.е. V км/ч. В точке колеса О2, находящейся в данное мгновение в самом верхнем положении, поступательное и вращательное движения направлены в одну и ту же сторону - вперед (по ходу движения поезда), поэтому скорости поступательного и вращательного движения складываются, и мгновенная абсолютная скорость колеса в этой точке оказывается V + V = 2V, т. е. вдвое больше скорости поезда. Нижняя точка О1, находящаяся в сцеплении с рельсом, в каждый момент времени качения колеса оказывается неподвижной (- V + V = 0). В течение этого мгновения колесо как бы поворачивается вокруг точки сцепления О1, которая в механике называется «мгновенный центр поворота».

Таким образом, колесо в точке его сцепления с рельсом катится по нему вперед и с такой же скоростью вращается обратно. Это означает, что в точке О1 сила трения отсутствует, а действует только сила сцепления, которая образуется за счет взаимодействия микроскопических неровностей на поверхностях колеса и рельса, а также за счет сил молекулярного притяжения, возникающих под действием нагрузки q, значение которой достигает 15 кгс/см2.

Теперь рассмотрим силовые процессы, происходящие после прижатия колодки к катящемуся колесу (рис 1.2). Нажатие на вращающееся колесо колодки с силой К вызывает появление силы трения Т между колодкой и колесом, которая действует от колодки на колесо против его вращения, т. е. стремится остановить это вращение. Тормозить поступательное движение поезда сила трения Т не может, так как это внутренняя сила по отношению к поезду - колодка является частью самого поезда и движется вместе с ним.



Однако под действием внутренней силы Т колесо начинает «цепляться» за рельс в точке контакта О1. Возникает сила сцепления колеса с рельсом В, равная по величине силе Т. Сила В стремится утащить рельс за собой (сдвинуть его по ходу движения поезда). Так как рельс прикреплен к шпалам, то он остается неподвижным (в путевом хозяйстве хорошо известно явление угона рельсов под действием сил сцепления В). Особенно интенсивно угон рельсов происходит в местах, где обычно производится служебное торможение поездов. В свою очередь, неподвижный рельс тормозит катящееся по нему колесо с силой Вт, являющейся реакцией рельса на силу В. Сила Вт является внешней силой по отношению к поезду и направлена против направления его движения, поэтому она является тормозной силой.

Тормозная сила выполняет еще одну важную функцию: являясь реакцией рельса на силу Т и направленная по направлению вращения катящегося колеса, она уравновешивает эту силу трения Т, заставляя колесо продолжать вращение, препятствуя переходу колесной пары на юз.

Итак, колодки прижимаются к колесам для того, чтобы возникшая сила трения Т вызывала появление равной ей внешней силы Вт, которая, будучи направленной по вращению колеса, препятствует переходу его на юз и в то же время, имея направление против движения поезда, тормозит его. Чтобы облегчить представление этой картины, достаточно мысленно приподнять тормозимые колесные пары над рельсами, и тогда станет ясно, что колесные пары, потеряв сцепление с рельсами, под действием сил трения Т сразу прекратят вращение, но сам поезд будет продолжать движение вперед. Точно так же торможение самолетов колесами их шасси возможно только после приземления на посадочную полосу.

 

7.2. Образование тормозной силы при механическом торможении и ее ограничение

Сила нажатия колодок на колесные пары при механическвм торможении образуется за счет давления сжатого воздуха в тормозных цилиндрах. Под действием силы, развиваемой сжатым воздухом, поршень тормозного цилиндра со штоком смещается. Через механическую рычажную передачу, состоящую из тяг и рычагов, он передает силу на каждую колодку. Если каждая колодка прижимается к вращающемуся колесу (рис. 7.1) с силой Klt то в месте контакта возникает

Сила трения фк, противодействующая вращению колеса (фк — коэффициент трения колодки о колесо).

Эта сила передается в точку С контакта колеса и рельса. Обе силы являются внутренними относительно поезда и не могут повлиять на характер его движения. Если колесо будет прижато к рельсу с силой Q0, то в результате сцепления колеса с рельсом сила j фк, приложенная от колеса к рельсу и стремящаяся сдвинуть рельс по направлению движения, вызовет реакцию рельса В, равную силе и противоположно направленную. Эта сила является внешней по отношению к поезду и называется Тормозной силой. Она действует против движения и создает необходимый колесу упор. Тормозная сила, развиваемая колесной парой, Н:

Где К — суммарная сила нажатия колодок на колесную пару, кН.

Сила К зависит от диаметра тормозного цилиндра, давления сжатого воздуха в нем, силы оттормаживающей пружины, передаточного отношения рычажной передачи и ее КПД. Для каждого локомотива и вагона сила К может быть определена по этим данным.

Коэффициент трения колодок о колеса зависит в основном от материала колодок, скорости движения и удельных сил нажатия колодок на колеса. На железных дорогах применяют три типа колодок: стандартные чугунные, чугунные с повышенным содержанием фосфора (до 1,0...1,4 %) и композиционные. С увеличением скорости движения и удельного нажатия колодок (нажатия на единицу площади контакта) коэффициент трения снижается. Это объясняется большим количеством тепла, выделяемым при трении колодки о бандаж. За счет тепла на рабочей поверхности колодки металл размягчается, что вызывает снижение коэффициента трения. Чтобы коэффициент трения получить более высоким, применяют двустороннее нажатие колодок на каждое колесо, при котором уменьшается удельная сила нажатия колодок.

У стандартных чугунных колодок коэффициент трения резко снижается с увеличением скорости движения. Их недостатком является сравнительно большой износ. Чугунные колодки с повышенным содержанием фосфора имеют несколько больший коэффициент трения и меньше изнашиваются при работе. Композиционные колодки обладают более высоким коэффициентом трения, особенно в зоне высоких скоростей, и малым износом.

Коэффициент трения тормозных колодок о колеса рассчитывают по следующим эмпирическим формулам:

В этих формулах К — действительная сила нажатия колодок на одну колесную пару, кН. В табл. 7.1 приведены значения фк для различных типов колодок при разных скоростях движения и нажатии 24,5 кН.

На рис. 7.2 приведены графики фк(а) при разных силах К. Из этих кривых видна разница в значениях фк разных типов колодок. Коэффи-

Циент трения композиционных колодок снижается с увеличением скорости значительно меньше, чем чугунных. В зоне высоких скоростей движения он превышает в два с лишним раза коэффициенты тренйя чугунных колодок. Сравнивая сплошные и штриховые линии, видно, что <рк имеет меньшее значение при больших силах нажатия колодок.

Для получения повышения тормозного эффекта в поезде и повышения безопасности движения необходимо иметь возможно большие тормозные силы. Однако они ограничиваются сцеплением колес подвижного состава с рельсами. Если тормозная сила колесной пары превысит силы сцепления колес, то начнется проскальзывание колес относительно рельсов. Колесная пара может перестать вращаться — заклиниться тормозными колодками и перейти к скольжению по рельсу. Возникнет так называемый юз. В результате этого на поверхностях катания колес образуются местные износы — выбоины. В дальнейшем при качении такой колесной пары слышны удары при каждом обороте колеса.

Чтобы исключить юз колесных пар, тормозная сила должна быть меньше или в пределе равна силе сцепления колес с рельсами:

'"К'*ТК — тчо>V*

Где \|f — коэффициент сцепления колесной пары с рельсами; Q0 — Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН.

Отношение силы нажатия колодок на колесную пару к нагрузке от колесной пары на рельсы называют Коэффициентом нажатия колодок:

Обычно при расчетах принимают следующие значения коэффициента нажатия колодок: чугунные колодки — для локомотивов 8= 0,5...0,6; для грузовых вагонов 8 = 0,6...0,7; для пассажирских вагонов 8 = 0,7...0,9. При композиционных колодках 8 = 0,3.

При разработке тормозных средств подвижного состава по заданному значению 8 из выражения (7.6) находят наибольшие силы нажатия колодок на колесную пару для каждой нагрузки от колесной пары на рельсы Q0. Из формул (7.5) и (7.6) видно, что при меньших значениях коэффициента трения фк можно допускать большие нажатия колодок на колесные пары. Поэтому при использовании композиционных колодок с большим фк создают меньшие силы нажатия колодок за счет изменения передаточного - отношения рычажной тормозной передачи или уменьшения давления в тормозных цилиндрах.

На грузовых вагонах Q0 значительно изменяется в зависимости от загрузки кузова. Чтобы получить меньшие значения коэффициента нажатия колодок 8, используют три режима работы воздухораспределителей. Когда масса груза мен

Как работает рекуперативное торможение | HowStuffWorks

Каждый раз, когда вы нажимаете на тормоз автомобиля, вы тратите энергию. Физика говорит нам, что энергию нельзя уничтожить. Поэтому, когда ваш автомобиль замедляется, кинетическая энергия, которая толкала его вперед, должна куда-то уйти. Большая его часть просто рассеивается в виде тепла и становится бесполезной. Та энергия, которую можно было бы использовать для работы, по сути тратится впустую.

Объявление

Есть ли что-нибудь, что вы, водитель, можете сделать, чтобы перестать тратить эту энергию зря? На самом деле, нет.В большинстве автомобилей это неизбежный побочный продукт торможения, и вы не сможете водить машину, не нажимая при этом тормоза. Но автомобильные инженеры много думали над этой проблемой и придумали своего рода тормозную систему, которая может возвращать большую часть кинетической энергии автомобиля и преобразовывать ее в электричество, чтобы ее можно было использовать для подзарядки автомобильных аккумуляторов. Эта система называется рекуперативным торможением.

В настоящее время такие тормоза в основном используются в гибридных автомобилях, таких как Toyota Prius, и в полностью электрических автомобилях, таких как Tesla Roadster.В таких транспортных средствах очень важно поддерживать заряд аккумулятора. Тем не менее, эта технология была впервые использована в троллейбусах и впоследствии нашла свое применение в таких маловероятных местах, как электрические велосипеды и даже гоночные автомобили Формулы-1.

В традиционной тормозной системе тормозные колодки создают трение с роторами тормозов, замедляя или останавливая автомобиль. Дополнительное трение возникает между тормозящимися колесами и поверхностью дороги. Это трение превращает кинетическую энергию автомобиля в тепло.С другой стороны, с рекуперативными тормозами система, которая приводит в движение автомобиль, выполняет большую часть торможения. Когда водитель нажимает на педаль тормоза электрического или гибридного транспортного средства, эти типы тормозов переводят электродвигатель транспортного средства в режим заднего хода, заставляя его вращаться назад, тем самым замедляя колеса автомобиля. При движении назад двигатель также действует как электрический генератор, вырабатывая электричество, которое затем подается в аккумуляторные батареи автомобиля. Эти типы тормозов работают лучше на определенных скоростях, чем на других.Фактически, они наиболее эффективны в ситуациях, когда за рулем постоянно возникают остановки. Однако гибриды и полностью электрические автомобили также имеют фрикционные тормоза, как своего рода резервную систему в ситуациях, когда рекуперативное торможение просто не обеспечивает достаточной тормозной мощности. В этих случаях водителям важно осознавать тот факт, что педаль тормоза может по-разному реагировать на давление. Иногда педаль нажимается дальше к полу, чем обычно, и это ощущение может вызвать мгновенную панику у водителей.

На следующих страницах мы более подробно рассмотрим, как работает система рекуперативного торможения, и обсудим причины, по которым рекуперативное торможение более эффективно, чем обычная система фрикционного тормоза.

.

Торможение - образование в области энергетики

Тепловая энергия, генерируемая при фрикционном торможении, может быть замечена в этой установке фрикционного тормоза / ротора во время нагрузочных испытаний. [1]

Торможение - это процесс управления скоростью объекта путем запрета его движения. Движущийся объект обладает кинетической энергией и чтобы остановить объект, необходимо удалить эту кинетическую энергию. Удаление кинетической энергии может быть достигнуто путем рассеивания энергии в атмосфере через трение или путем преобразования ее в другую форму энергии.Самый распространенный тип торможения - это механический тормоз, который препятствует движению через фрикционные тормозные колодки. Механический тормоз применяет силу трения для преобразования кинетической энергии транспортного средства в тепловую энергию, которая затем рассеивается в атмосфере. [2] Тормозные системы, в которых не используется трение, называются системами рекуперативного торможения (RBS). В RBS кинетическая энергия преобразуется в другие формы полезной энергии, которая может храниться для дальнейшего использования, повышая эффективность использования топлива.2)} {2} [/ math] где,

• [math] m [/ math] - масса объекта в килограммах (кг).

• [math] v [/ math] - скорость объекта в метрах в секунду (м / с).

• [math] E_ {kinetic} [/ math] - кинетическая энергия в джоулях (Дж).


Из этого уравнения и при условии, что масса объекта постоянна, ясно, что для того, чтобы удалить кинетическую энергию из системы, скорость должна быть сведена к нулю.

Торможение трением

Торможение трением - это наиболее часто используемый метод торможения в современных транспортных средствах.Он включает в себя преобразование кинетической энергии в тепловую путем приложения трения к движущимся частям системы. Сила трения сопротивляется движению и, в свою очередь, выделяет тепло, в конечном итоге доводя скорость до нуля. Энергия, взятая из системы, определяется следующим уравнением:

[math] E_ {Thermal} = F_f \ times d [/ math] где,

• [math] F_f [/ math] - сила трения в ньютонах (Н).

• [math] d [/ math] - тормозной путь в метрах (м).

• [math] E_ {Thermal} [/ math] - это тепловая энергия, производимая тормозами, в Джоулях.2)} {2d} [/ математика]


Из этого уравнения видно, что увеличение скорости или массы объекта означает, что приложенная сила трения должна быть увеличена, чтобы остановить объект на том же расстоянии.

Торможение в автотранспортных средствах

Механическое торможение

Самый распространенный метод торможения в автотранспортных средствах - механическое или фрикционное торможение. В этом методе некоторые или все колеса транспортных средств оснащены тормозными колодками, которые создают силу трения, которая препятствует движению колес.Торможение трением приводит к преобразованию кинетической энергии, полученной от расхода топлива, в тепловую энергию. Эта тепловая энергия затем рассеивается в атмосферу в виде отработанного тепла.

Могут потребоваться большие силы трения, чтобы препятствовать движению транспортного средства, особенно в больших машинах и грузовиках, которые имеют большую массу и, следовательно, высокую кинетическую энергию. Тормозные колодки, отвечающие за приложение силы трения, изнашиваются в течение всего срока службы из-за этой силы трения.Износ тормозных колодок снижает эффективность тормозов в течение срока их службы и требует регулярной замены.

Рекуперативное торможение

основная статья

Система рекуперативного торможения включает удаление кинетической энергии движущегося объекта путем преобразования ее в другую форму полезной энергии, такую ​​как электрическая, пневматическая или накопленная кинетическая энергия. Использование рекуперативного торможения может повысить общую эффективность автомобиля за счет сохранения некоторой его кинетической энергии, которую затем можно использовать для восстановления скорости автомобиля.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

.

Разгон и торможение

2D модель твердого тела

Рассмотрим автомобиль, стоящий на земле, как показано на рисунке. ниже. Мы возьмем всю машину с колесами как одиночное твердое тело. Ясно, что это неточно (колеса не может повернуться), но он все еще полезно.

Начнем с неподвижной машины, сидящей на Дорога. Гравитация действует вниз через центр масс, в то время как на колеса действуют силы реакции вверх и соответствующие равные и противоположные силы направлены вниз на земля.Поскольку машина не ускоряется, общая силы на машине уравновешены, как мы видим на свободное тело диаграмма.

Когда водитель нажимает на газ педали, это приводит к тому, что автомобиль толкает назад дорога, создавая чистую поступательную силу на ведущие колеса ( задние колеса для нашей машины), и машина разгоняется до крейсерская скорость. Здесь мы включаем воздух сопротивление, но пренебрежение качением сопротивление, а при движении с постоянной скоростью движущая сила точно уравновешивает силу сопротивления воздуха сопротивление.Когда водитель нажимает на педаль тормоза, машина толкает дорогу, чтобы замедлить вниз, давая обратные силы на оба колеса и вызывая автомобиль замедлить до остановки.

ускоряться тормозить диаграмма свободного тела составные части анимация

Повторите ускорение / торможение выполнить цикл несколько раз, показывая свободное тело диаграмма. Обратите внимание на горизонтальные и вертикальные силы. дороги на колесах автомобиля.Также просмотрите силы как в вектор компоненты и как векторы полной силы.

Вертикальные силы дороги на автомобиль всегда должны уравновесить гравитационную силу, но мы видим, что распределение между передними и задними колесами изменяется по мере изменения автомобиль ускоряется и замедляется. Это потому, что горизонтальные движущие силы и тормозные силы ниже центра массы и произвести момент.Автомобиль не вращается, так что этому моменту надо противодействовать землей силы. Направление силы означает, что задние колеса принимают больший вес при разгоне, в то время как передние колеса принимают больший вес при торможении.

.

Как работает рекуперативное торможение> ENGINEERING.com

Вращающаяся волна магнитного потока.

Другой способ визуализировать это - представить колесо с четырьмя магнитами, равномерно расположенными вокруг него, и противоположными магнитами, имеющими один и тот же полюс, направленный к центру. Изменив скорость вращения колеса, изменится скорость вращения магнитов. Волна магнитного потока на двигателе работает аналогичным образом, но вместо вращения статора скорость волны магнитного потока изменяется путем изменения частоты подачи электричества.

Как работает рекуперативное торможение в асинхронных двигателях переменного тока

Когда асинхронный двигатель переменного тока работает как двигатель, бегущая магнитная волна на статоре движется быстрее, чем на роторе. Следовательно, электрическая энергия теряется в двигателе, поэтому энергия берется из источника питания.

Рекуперативное торможение работает с точностью до наоборот. Когда транспортное средство, движущееся вперед, хочет замедлиться, волна магнитного потока должна вращаться медленнее, чем ротор. Для этого частота питания статора уменьшается, поэтому магнитная волна вращается медленнее, чем ротор.Когда магнитная волна движется медленнее, чем ротор, двигатель работает с отрицательным скольжением. Поскольку во время регенерации ротор движется быстрее магнитной волны, относительные силы на роторе и статоре меняются местами. Если крутящие моменты меняются, силы меняются. Мотор начинает генерировать. Но как это может быть?

Электродвижущая сила (ЭДС) в цепи - это толкающая сила на электроны, интегрированные по всей цепи. При нормальной работе эта движущая сила исходит от источника питания.Электроэнергия используется двигателем, и на нем присутствует напряжение. Во время генерации двигатель толкает электроны и увеличивает ЭДС цепи. Эта дополнительная энергия должна быть потеряна, и она теряется в батарее. Аккумулятор набирает энергию и заряжается. В качестве альтернативы, если нет батареи, она будет потеряна в других частях цепи.

Важно понимать, что асинхронный двигатель переменного тока требует источника энергии для регенерации, потому что магнитное поле должно быть наведено на проводники ротора для создания силы.

Рекуперативное торможение в электромобилях

Tesla Model S может вернуть около 60 кВт электроэнергии в аккумуляторную батарею при торможении. Это электронный предел, вероятно, чтобы предотвратить деградацию батареи, поскольку двигатели теоретически могут возвращать больше.

Основы физики говорят нам, что кинетическая энергия транспортного средства увеличивается пропорционально квадрату скорости - удвоение скорости увеличивает кинетическую энергию в четыре раза. Следовательно, если максимальная регенеративная работа, которую может выполнить Tesla, составляет 60 кВт, максимальное замедление транспортного средства будет уменьшаться с увеличением скорости.

График ниже показывает, как скорость замедления Tesla от рекуперативного тормоза может изменяться в зависимости от скорости. Чтобы дать представление о том, что означают цифры, в среднем 1 г (9,81 м / с²) замедления замедлит транспортное средство с 60 миль в час за 2,73 секунды. Эти числа являются теоретическими замедлениями при постоянной работе 60 кВт. Реальный мир отличается, потому что Tesla, как и другие производители, электронным способом ограничивает скорость замедления своих автомобилей, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора.

Пиковое замедление экспоненциально уменьшается со скоростью.Интересно отметить, что когда автомобиль обладает наибольшей кинетической энергией, когда он движется быстро, максимальное замедление от рекуперативных тормозов минимально. Таким образом, вероятно, что значительное количество энергии будет потеряно во фрикционных тормозах при торможении транспортного средства с высокой скорости. Если большую часть времени кто-то водил в условиях медленно движущегося транспорта или в городах, эта проблема решается.

Регенеративное торможение - не волшебная пуля. Ограничения рекуперативного торможения являются следствием неэффективности трансмиссии.Самый эффективный способ вождения - минимизировать использование двигателя и тормозов. Это достигается за счет прогнозирования трафика, а не реакции на него. Audi недавно добавила уведомление на приборную панель для своих более модных автомобилей, которое сообщает вам, когда светофор собирается сменить, если вы находитесь в городе, который делится этой информацией. Эта система может быть адаптирована для повышения эффективности транспортного средства. При приближении к светофору скорость автомобиля можно регулировать, чтобы избежать торможения. Это может помешать вам ускориться к смене света.В качестве альтернативы это может замедлить транспортное средство, поэтому к тому времени, когда вы подъедете к фарам, они будут заменены, сохраняя импульс и снижая потребление энергии.

Где рекуперативное торможение Isn т Б / у

Поезда могут многое получить от восстановления кинетической энергии, но обычно этого не происходит, даже если у них есть магнитные тормоза. Вместо этого тормозная цепь рассеивает энергию в группе резисторов над каретками. Эта энергия теряется в виде тепла в атмосферу при прохождении тока через резисторы.Для хранения энергии поездам потребуются конденсаторы или батареи. В большинстве случаев было решено, что их добавление будет слишком дорогостоящим и сложным. Когда поезда напрямую подключаются к сети через воздушные кабели или третий рельс, они часто возвращают восстановленную мощность в сеть.

Зачем использовать магнитные тормоза, если энергия не восстанавливается? Ответ прост: магнитные тормоза практически не изнашиваются. Для обычных тормозов требуются тормозные колодки, а для электромагнитных - нет.Энергия тратится зря, но затраты сокращаются за счет того, что материал не стирается, а тормозные колодки заменяются.

Есть еще один тип магнитного тормоза, используемый поездами, работающими на вихревых токах. В них электромагниты расположены чуть выше рельса. Когда поезд хочет замедлить ход, их заводят. Это создает магнитное поле, которое течет в рельс. Поскольку магнитное поле движется, оно индуцирует ЭДС в рельсе, а ЭДС возбуждает вихревые токи, которые представляют собой небольшие циркуляции тока внутри рельса.Они создают магнитные поля, которые взаимодействуют с полем электромагнита. Поле магнита и рельса не склонно разделяться, вызывая своего рода вязкую силу сопротивления. Это нагревает рельс и рассеивает кинетическую энергию поезда. Опять же, это небольшая хитрость для уменьшения механического износа, но на этот раз нет способа восстановить энергию.

Если вы хотите узнать больше о двигателях, мы предлагаем «Электродвигатели и приводы« Основы, типы и применение » Остина Хьюга и Билла Друри.

.

Что такое рекуперативное торможение? (с иллюстрациями)

Регенеративное торможение используется на автомобилях для возмещения части энергии, которая теряется при остановке транспортного средства. Эта технология используется в гибридных транспортных средствах, которые используют как газ, так и электричество в качестве источников энергии. Энергия, которая возвращается во время торможения, сохраняется в аккумуляторной батарее и позже используется для питания двигателя всякий раз, когда транспортное средство использует свой источник электроэнергии.

Обычные тормоза.
Обычные тормозные системы

В тормозных системах обычных транспортных средств трение используется для противодействия инерции движущегося транспортного средства. Поскольку тормозные колодки трутся о колеса или диск, соединенный с осями, создается чрезмерная тепловая энергия.Эта тепловая энергия рассеивается в воздухе, расходуя до 30 процентов энергии, вырабатываемой автомобилем. Со временем этот цикл трения и потери тепловой энергии снижает топливную эффективность автомобиля. От двигателя требуется больше энергии для восполнения энергии, потерянной при торможении.

Подключаемый гибридный автомобиль с системой рекуперативного торможения.
Системы рекуперативного торможения

В гибридных газовых / электрических автомобилях используется совершенно другой метод торможения на более низких скоростях. Гибридные автомобили по-прежнему используют обычные тормозные колодки на скоростях шоссе, но электродвигатели помогают автомобилю тормозить во время движения с остановками и движения на более низких скоростях.Когда водитель нажимает на обычную педаль тормоза, электродвигатели меняют направление вращения. Крутящий момент, создаваемый этим реверсированием, противодействует движению вперед и в конечном итоге останавливает автомобиль.

Вырабатывает электроэнергию

Однако рекуперативное торможение не просто останавливает автомобиль.Электродвигатели и электрические генераторы, такие как автомобильный генератор переменного тока, по сути, являются двумя сторонами одной и той же технологии; оба используют магнитные поля и спиральные провода, но в разных конфигурациях. Системы рекуперативного торможения используют эту двойственность. Когда электродвигатель гибридного автомобиля начинает менять направление движения, он становится электрическим генератором. Вырабатываемая электроэнергия поступает в химическую аккумуляторную батарею и позже используется для приведения в действие транспортного средства на городских скоростях.

Некоторая потеря энергии

Технология, применяемая при рекуперативном торможении, использует энергию, которая обычно теряется во время торможения, и превращает ее в полезную энергию.Однако гибридный автомобиль не является разновидностью вечного двигателя. Энергия по-прежнему теряется из-за трения о поверхность дороги и других стоков в системе. Энергия, собранная во время торможения, не восстанавливает всю энергию, потерянную во время движения. Однако он повышает энергоэффективность и помогает главному генератору переменного тока.

Когда водитель тормозит, система рекуперативного торможения заставляет электродвигатели двигаться в обратном направлении, противодействуя движению вперед..

Сил на транспортных средствах Понять термины "движущая сила" и "тормозная сила". Уметь объяснить, как ведущие колеса могут создавать движущую силу. Объясните.

Презентация на тему: «Силы на транспортных средствах. Поймите термины« движущая сила »и« тормозная сила ». Уметь объяснить, как ведущие колеса могут создавать движущую силу. Объяснить.»

1 Силы на транспортных средствах Понять термины «движущая сила» и «тормозная сила».Уметь объяснить, как ведущие колеса могут создавать движущую силу. Объясните важность трения при разгоне и торможении. Знайте, что тормозной путь транспортных средств зависит от сил трения и скорости. Умейте интерпретировать графики расстояния / времени.

2 Основы - напоминание Вы помните Третий закон Ньютона?
В нем говорится: «На каждое действие есть равная и противоположная реакция»

3 Пример Этот автобус стоит на земле.
На него действуют две силы… что они такое? 1. Его вес действует вниз. 2. Пол поднимается вверх. Поскольку тренер не движется, эти два элемента должны быть равны и противоположны.

4 Что, если бы они не были равны?
Если пол не давил на тренер или не давил на него достаточно, тренер провалился в землю. Если бы он поднялся слишком сильно, тренер взлетел бы в воздух.Это происходит не только при вертикальном расположении - это происходит, если вы на что-то опираетесь. На самом деле это происходит всегда и везде!

5 Движущая сила «Мотив» происходит от слова «движение».
Итак, это сила, которая вызывает движение. Давайте представим машину: откуда берется движущая сила?


6 Motive Force Двигатель передает крутящий момент на ведущие колеса.
Однако движущая сила не в этом. Движущая сила возникает в колесах. Вращающиеся колеса толкают дорогу назад. Согласно третьему закону Ньютона, дорога должна толкать колесо вперед, например: Дорога движется вперед Колесо толкает назад

7 Движущая сила. Это означает, что цель двигателя - обеспечить крутящий момент колесам, чтобы они толкали назад дорогу. Это дорога, которая затем толкает машину вперед.

8 Тормозное усилие Автомобиль движется - поэтому колеса вращаются - обычно с высокой скоростью. Тормозное усилие обеспечивается тормозными колодками, удерживающими колесо. Тормоза создают крутящий момент, противоположный крутящему моменту, вращающему колеса. Это снижает усилие колес на дороге и, следовательно, давление дороги на автомобиль.

10 Еще одно напоминание - трение
Трение возникает, когда вещи трутся друг о друга.Это вызвано крошечными дефектами запирающих и отпирающих поверхностей. В результате выделяется тепло, и вещи изнашиваются. Трение можно уменьшить, смазывая поверхности: покрывая их жидкостью, которая позволяет поверхностям скользить друг по другу.

11 Почему трение так важно?
Давайте сначала посмотрим на движущую силу: если трение отсутствует, дорога не сможет оттолкнуть колесо.В результате колесо будет вращаться - сцепления не будет. Это иногда случается, когда люди ускоряются слишком резко - движущая сила превышает силу трения, и мы получаем пробуксовку колес.

.

Смотрите также