Коэффициент сцепления, проблемы и решения.
При движении локомотива с поездом по перегону происходит качение стального колеса по поверхности стальной рельсы. Мало того, что локомотив движется по перегону, он увлекает за собой поезд с большим количеством груженых вагонов, и профиль, по которому движется состав, далеко не идеален. Часто локомотиву с тяжелыми поездами приходится преодолевать довольно крутые подъёмы на пределе своих конструкционных возможностей.
Как же избегает проскальзывания идеально ровная поверхность бандажа (я имею в виду в районе контакта) колесной пары локомотива, двигаясь по практически ровной поверхности железнодорожного полотна в месте контакта?
Оказывается, площадь в зоне контакта колеса локомотива с рельсом, составляющая приблизительно 13 х 13 мм, испытывает давление 1,2–1,5 ГПа. Мне, как и многим из вас, эта цифра ни о чем не говорит, так что всё познается в сравнении. Давление каблука-шпильки на полу составляет 0,01 ГПа, давление в шине передней оси грузовика составляет 0,0009 ГПа, давление в Марианской впадине составляет 0,11 ГПа.
Ключевая причина такого огромного давления колеса на рельс — малая площадь контакта. В зоне контакта происходит механическое вдавливание и молекулярное притяжение контактируемых поверхностей. Процесс преодоления этих факторов как раз и называется сцеплением колеса с рельсом, и коэффициент сцепления играет при этом совсем не последнюю роль.
Коэффициент сцепления зависит от состояния контактируемых поверхностей, от нагрузки колеса на рельс, меняющейся в процессе движения из-за неровностей профиля, от скорости движения. Например, коэффициент сцепления колеса с рельсом у грузового вагона, движущегося со скоростями от 20 до 120 км/час, изменяется от 0,13 до 0,07.
При моросящем дожде, инее, загрязненных рельсах коэффициент сцепления резко падает. Даже наличие тумана или выпадание росы уменьшают коэффициент до 0,04, и, как ни странно, при сильном дожде, когда поверхность рельс идеально чистая, коэффициент сцепления остается таким же, как и на сухих рельсах.
Подача песка в место контакта колесной пары и рельса повышает коэффициент до 0,2. Такие цифры заставляют задуматься о целесообразности искусственной подачи песка в место контакта.
К подаче песка довольно часто прибегают как при движении на подъём в ненастье, трогании с места на подъёме с тяжёлым поездом, так и при резком торможении, когда сила давления колодок на поверхность катания бандажа и сила инерции могут превысить силу сцепления колеса с рельсом, создавая угрозу юза и довольно серьёзного повреждения колеса, называемого ползуном.
2. Элементы песочной системы, назначение и устройство.
Песочный бункер.
При экипировке локомотива в депо песок засыпается на пескосушильной станции через прорезиненные рукава в песочные бункера локомотива. На тепловозе два передних (левый и правый) и два задних бункера имеют объёмы примерно по 250 кг каждый.
Бункера сварены из листовой стали и усилены перегородками. В донном листе бункера вварены два штуцера, в которые вкручиваются форсунки.
Форсунка.
В корпус форсунки вкручивается штуцер для подсоединения воздушного трубопровода от воздухораспределителя и штуцер для подсоединения форсунки к песочному бункеру.
Песок самотеком попадает в полость форсунки, называемую смесительной камерой. Конус регулировочного винта приоткрывает проход в полость сопла Б, имеющего наклонный канал в смесительную камеру и прямой канал для подачи основного потока воздуха к штуцеру трубопровода, ведущего к песочной трубе.
Смотровую крышку можно открыть для прочистки форсунки при необходимости. Изношенное сопло Б можно заменить, открутив пробку.
Из воздухораспределителя поток воздуха устремляется по штуцеру, заполняя полость А. Малая часть потока проходит через зазор, выставленный регулировочным винтом, в полость Б и камеру смешивания воздуха с песком, куда самотеком засыпается песок из бункера. Песок, взрыхляемый потоком воздуха, устремляется через штуцер к трубе подачи песка под колесо, увлекаемый основной частью потока воздуха, проходящего через сопло Б.
Между соплом Б и корпусом форсунки умышленно выполнен зазор, по которому воздух устремляется из полости сопла А, также усиливая поток воздуха к трубе подачи песка, а заодно осушая сопло Б, которое постоянно покрывается конденсатом из-за охлаждения воздухом.
Воздухораспределитель.
Воздухораспределитель подает воздух из питательной магистрали к форсунке. Конструкция и принцип работы воздухораспределителей на различных локомотивах не имеет принципиального отличия. Единственным отличием являются корпуса сдвоенного типа, как на 2ТЭ116 на передний и задний ход, и индивидуальные, как на ТЭП70.
В чугунном корпусе установлен поршень с резиновой манжетой. Шток поршня упирается в клапан, прижимаемый к своему седлу пружиной. Резиновая манжета клапана прикручивается к направляющей винтом. Между направляющей клапана и корпусом зазор для прохода воздуха.
В корпус воздухораспределителя сбоку вкручивается штуцер для подсоединения трубопровода питательной магистрали.
При нажатии кнопки (педали) подачи песка питание получает катушка электропневматического вентиля. Магнитный поток катушки поднимает впускной клапан, открывая проход воздуха из воздушной магистрали управления давлением 5,5–6 кг/см2.
Под давлением воздуха поршень поднимается, своим штоком заставляя клапан отойти от седла, преодолевая давление возвратной пружины.
Воздух из питательной магистрали давлением 8,5–9 кг/см2 устремляется через открывшийся проход к песочной форсунке.
Из-за износа уплотнительных манжет поршня и клапана возможны утечки воздуха в полость над поршнем. Чтобы предупредить появление воздушного клина, препятствующего подъёму поршня, в корпусе предусмотрен канал, связывающий полость над поршнем с атмосферой.
Электропневматический вентиль.
Электропневматический вентиль — катушка с медным проводом, двумя выводами и полым сердечником, внутри которого стержень с впускным клапаном на конце и возвратной пружиной. Над стержнем с одной стороны свободно закреплена стальная пластина в форме лепестка, называемая якорем.
При подаче тока в катушку вентиля вокруг каждого витка возникает магнитное поле, которое сконцентрируется в сердечнике (магнитная проводимость металла на порядок выше воздуха). По сути, катушка превратится в электромагнит* и притянет ближайшую к ней металлическую деталь — якорь.
Якорь утопит стержень, на конце которого впускной клапан. Преодолев сопротивление возвратной пружины, впускной клапан отойдет от седла и откроет путь воздуху к поршню воздухораспределителя.
Чтобы прекратить подачу песка, достаточно прервать нажатие кнопки подачи песка или педали. Электропневматический вентиль обесточивается, якорь не давит на стержень впускного клапана, возвратная пружина возвращает впускной клапан на свое седло, одновременно открывая выпускную полость.
Вентиль выпускает воздух из полости под поршнем воздухораспределителя в атмосферу. Проход воздуха из питательной магистрали к форсунке прекращается.
Песочная система.
Подачей песка под колёсную пару управляет машинист нажатием кнопки на пульте КПП (на электрической схеме «кнопка подачи песка») или нажатием педали КН. При нажатии кнопки песок подается только под первую колесную пару, в большинстве случаев этого хватает, чтобы предупредить или прекратить начинающееся боксование.
Для того чтобы кнопка КПП сработала, необходимо выполнение ряда условий: включены автомат «Управление общее*» и блокировочное устройство № 367*; реверсивная рукоятка* стояла в положении «Вперед» или «Назад», контроллер* в одной из позиций* с 1 по 15.
При нажатии кнопки «Вперед» получает питание электропневматический вентиль «ЭПВ вперед», открывая проход воздуха из магистрали управления (на схеме стрелки красного цвета) к переднему воздухораспределителю.
Воздушная волна магистрали управления, воздействуя на поршень и клапан в переднем воздухораспределителе, открывает путь воздуху из питательной магистрали (на схеме стрелки синего цвета) в форсунку. Перемешиваясь с песком, попадающим самотеком из бункера (на схеме стрелки оранжевого цвета), воздух увлекает песок по трубопроводу под первую колесную пару.
При нажатии педали запитываются одновременно два электропневматических вентиля на передней и задней тележках на передний ход, песок подается под первую и четвертую колесные пары.
Подача песка под четвертую колесную пару идет по горизонтальной трубе, протянутой на длину задней тележки. Чтобы исключить слеживание песка и образование пробок, в трех местах под углом тридцать градусов к оси трубы привариваются переходники для подвода воздуха. Диаметр воздушного трубопровода на выходе умышленно заужен до 2,5 мм, а в местах стыка воздушного трубопровода с песочным составляет 4 мм.
При постановке реверсивной рукоятки в положение назад, при нажатии педали КН, питание получают электропневматические вентили для движения назад. Воздух управления устремляется в воздухораспределители заднего хода, активируя проход воздуха с питательной магистрали в форсунки заднего хода под третью и шестую колесные пары.
Аналогично песочная система на задний ход работает и при нажатии кнопки КПП. Разница лишь в том, что активируется задний вентиль первой тележки, подавая песок только под третью колесную пару.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале «Михаил Михайлович о локомотивах» https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» «Михаил Михайлович о локомотивах» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!