Тяговая сила

В машиностроении термин « тяговое усилие» может относиться либо к общему сцеплению транспортного средства с поверхностью, либо к величине общего тягового усилия, параллельного направлению движения . ^[1]

В железнодорожном машиностроении термин тяговое усилие часто используется как синоним тягового усилия для описания тяговых или толкающих способностей локомотива . В автомобилестроении используются различные термины: тяговое усилие, как правило, превышает тяговое усилие на величину имеющегося сопротивления качению , и оба показателя превышают величину тягового усилия дышла на общее имеющееся сопротивление (включая сопротивление воздуха и уклон.). Опубликованное значение тягового усилия для любого транспортного средства может быть теоретическим, то есть рассчитанным на основе известных или подразумеваемых механических свойств, или полученным путем испытаний в контролируемых условиях. Обсуждение здесь охватывает использование термина в механических приложениях, в которых конечной ступенью системы передачи энергии является одно или несколько колес, находящихся в фрикционном контакте с проезжей частью или железнодорожным полотном .

Определение тягового усилия [ править ]

Термин тяговое усилие часто определяется как начальное тяговое усилие , постоянное тяговое усилие и максимальное тяговое усилие . Эти термины относятся к различным условиям эксплуатации, но связаны общими механическими факторами: входной крутящий момент на ведущие колеса, диаметр колеса, коэффициент трения ( ц ) между ведущими колесами и опорной поверхностью, а вес наносят на ведущие колеса ( м ). Продукт из ц и т является фактором адгезии, который определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен до начала пробуксовки или пробуксовки колес .

Стартовое тяговое усилие : Стартовое тяговое усилие - это тяговое усилие, которое может быть создано в состоянии покоя. Этот показатель важен на железных дорогах, потому что он определяет максимальный вес поезда, который локомотив может привести в движение.
Максимальное тяговое усилие : максимальное тяговое усилие определяется как максимальное тяговое усилие, которое может быть создано при любых условиях, не причиняющих вред транспортному средству или машине. В большинстве случаев максимальное тяговое усилие создается на низкой скорости и может быть таким же, как стартовое тяговое усилие.
Непрерывное тяговое усилие : Непрерывное тяговое усилие - это тяговое усилие, которое может поддерживаться бесконечно, в отличие от более высокого тягового усилия, которое может поддерживаться в течение ограниченного периода времени до того, как система передачи мощности перегреется. Из-за взаимосвязи между мощностью ( P ), скоростью ( v ) и силой ( F ), описываемой как:

P=vF

или же

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

Тяговое усилие обратно пропорционально скорости при любом заданном уровне доступной мощности. Непрерывное тяговое усилие часто отображается в виде графика в диапазоне скоростей как часть кривой тягового усилия . ^[2]

Транспортные средства, имеющие гидродинамическую муфту , гидродинамический мультипликатор крутящего момента или электродвигатель как часть системы передачи мощности, также могут иметь максимальное постоянное тяговое усилие , которое является наивысшим тяговым усилием, которое может быть создано в течение короткого периода времени без повреждения компонентов. Период времени, в течение которого может быть безопасно создано максимальное непрерывное тяговое усилие, обычно ограничивается тепловыми соображениями. например, повышение температуры в тяговом двигателе .

Кривые тягового усилия [ править ]

Спецификации локомотивов часто включают кривые тягового усилия ^[3]^[4]^[5]^[6], показывающие взаимосвязь между тяговым усилием и скоростью.

График зависимости тягового усилия от скорости для гипотетического локомотива с мощностью на рельсе ~ 7000 кВт

Форма графика показана справа. Линия AB показывает работу с максимальным тяговым усилием, линия BC показывает постоянное тяговое усилие, которое обратно пропорционально скорости (постоянная мощность). ^[7]

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

Железнодорожный транспорт [ править ]

Чтобы запустить поезд и разогнать его до заданной скорости, локомотив (ы) должен развивать достаточное тяговое усилие, чтобы преодолевать сопротивление поезда (сопротивление движению), которое представляет собой комбинацию инерции , трения в подшипниках оси и трения движения. колеса на рельсах (что значительно больше на криволинейной дороге, чем на касательной), и сила тяжести на уклоне . Находясь в движении, поезд будет развивать дополнительное сопротивление по мере ускорения за счет аэродинамических сил , которые увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Драг также может возникать на скорости из-за охоты на грузовик (тележку). , что увеличит трение качения между колесами и рельсами. Если ускорение продолжится, поезд в конечном итоге достигнет скорости, при которой доступная тяговая сила локомотива (-ов) точно компенсирует общее сопротивление, в результате чего ускорение прекратится. Эта максимальная скорость будет увеличиваться при понижении из-за силы тяжести, помогающей движущей силе, и будет уменьшаться при обновлении из-за силы тяжести, противодействующей движущей силе.

Тяговое усилие можно теоретически рассчитать на основе механических характеристик локомотива (например, давления пара, веса и т. Д.) Или путем реальных испытаний с помощью датчиков деформации дышла и динамометрического вагона . Мощность на железной дороге - это железнодорожный термин, обозначающий доступную мощность тяги, то есть мощность, которая доступна для движения поезда.

Паровозы [ править ]

Оценка тягового усилия одноцилиндрового паровоза может быть получена из давления в цилиндре, диаметра цилиндра, хода поршня ^{[примечание 2]} и диаметра колеса. Крутящий момент, развиваемый при поступательном движении поршня, зависит от угла, который ведущий шток образует с касательной к радиусу на ведущем колесе. ^{[примечание 3]} Для более полезного значения используется среднее значение по обороту колеса. Движущая сила - это крутящий момент, деленный на радиус колеса.

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

t={\frac {d^{2}sp}{w}}\times 0.85

^[8]

куда

т это тяговое усилие
d - диаметр поршня в дюймах ( внутренний диаметр )
s - ход поршня в дюймах
p - рабочее давление в фунтах на квадратный дюйм
w - диаметр ведущих колес в дюймах

Константа 0,85 была стандартом Ассоциации американских железных дорог (AAR) для таких расчетов и переоценивала эффективность одних локомотивов и занижала эффективность других. Наверное, недооценивали современные локомотивы с роликоподшипниками.

Европейские дизайнеры использовали константу 0,6 вместо 0,85, поэтому их нельзя сравнивать без коэффициента преобразования. В Великобритании на магистральных железных дорогах обычно используется постоянная 0,85, но производители промышленных локомотивов часто используют меньшее значение, обычно 0,75.

Константа c также зависит от размеров цилиндра и времени, в которое впускные клапаны пара открыты; если впускные клапаны пара закрываются сразу после достижения полного давления в цилиндре, можно ожидать, что сила поршня упадет до менее половины первоначальной силы. ^{[примечание 5], что} дает низкое значение c . Если клапаны баллона остаются открытыми дольше, значение c возрастает ближе к единице.

Три или четыре цилиндра (простой)

Результат следует умножить на 1,5 для локомотива с тремя цилиндрами и на два для локомотива с четырьмя цилиндрами. ^[9]

В качестве альтернативы тяговое усилие всех «простых» (то есть несоставных) локомотивов можно рассчитать следующим образом:

$t={\frac {0.85d^{2}nsp}{2w}}$ ^[10]

куда

т это тяговое усилие
n - количество цилиндров
d - диаметр поршня в дюймах
s - ход поршня в дюймах
p - максимальное номинальное давление котла в фунтах на кв. дюйм.
w - диаметр ведущих колес в дюймах

Множественные цилиндры (составные)

Для других количеств и комбинаций цилиндров, включая двигатели с двойным и тройным расширением, тяговое усилие может быть оценено путем сложения тягового усилия, создаваемого отдельными цилиндрами при их соответствующих давлениях и ходах цилиндров. ^{[примечание 6]}

Ценности и сравнения для паровозов [ править ]

Тяговое усилие - это цифра, которую часто называют при сравнении мощностей паровозов, но она вводит в заблуждение, потому что тяговое усилие показывает способность трогать поезд, а не способность тянуть его. Возможно , самое высокое тяговое усилие когда - либо утверждало , было для Virginian Railway «s 2-8-8-8-4 триплекса локомотива, который в простом расширительном режиме был вычисленным начиная TE от 199,560 фунта - силы (887,7 кНо) бут котел не может производить достаточно пара, чтобы буксировать со скоростью более 5 миль в час (8 км / ч).

Из более успешных паровозов с самым высоким начальным тяговым усилием были Вирджинские железные дороги класса AE 2-10-10-2 , при 176000 фунтов-сил (783 кН) в режиме простого расширения (или 162 200 фунтов, если рассчитывать по обычному методу). формула). У Union Pacific Big Boys было начальное TE 135 375 фунтов силы (602 кН); модели Y5, Y6, Y6a и Y6b от Norfolk & Western класса 2-8-8-2 имели начальное значение TE 152206 фунтов-силы (677 кН) в режиме простого расширения (позже модифицированное до 170 000 фунтов-силы (756 кН), утверждают некоторые энтузиасты); и грузовой дуплекс Пенсильванской железной дороги Q2 достигла 114 860 фунтов силы (510,9 кН, включая усилитель) - самого высокого значения для локомотива с жесткой рамой. Более поздние двухцилиндровые пассажирские локомотивы обычно имели от 40 000 до 80 000 фунтов силы (170 - 350 кН) TE.

Дизельные и электровозы [ править ]

Для электрического локомотива или дизель-электрического локомотива , начиная тяговое усилие может быть рассчитан из количества веса на ведущих колесах (которое может быть меньше , чем общая локомотивой веса в некоторых случаях), комбинированный удерживающий момент из тяговых двигателей , то передаточное число между тяговыми двигателями и осями и диаметр ведущего колеса . Для дизель-гидравлического локомотива на пусковое тяговое усилие влияет крутящий момент гидротрансформатора , а также зубчатая передача, диаметр колеса и вес локомотива.

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

t={\frac {375PE}{v}}

^[11]

куда

t - тяговое усилие, фунт-сила (фунт-сила)
P - мощность в лошадиных силах (л.с.)
E - КПД, предлагаемое значение 0,82 для учета потерь между двигателем и рельсом, а также мощности, отводимой на вспомогательные системы, такие как освещение.
v - скорость в милях в час (миль / ч)

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

Электровозы с мономоторными тележками иногда оснащаются двухскоростным редуктором. Это позволяет увеличить тяговое усилие при буксировке грузовых поездов, но с меньшей скоростью. Примеры включают классы SNCF BB 8500 и BB 25500 .

См. Также [ править ]

Коэффициент сцепления , который представляет собой просто вес ведущих колес локомотива, деленный на стартовое тяговое усилие.
Тяговое усилие трактора , тяга к столбику - статьи, касающиеся тягового усилия для других видов транспортных средств
Адгезия к рельсам
Классификация мощности - Британские железные дороги и схема классификации железных дорог Лондона, Мидленда и Шотландии
Уравнение перетаскивания

Ссылки и примечания [ править ]

Заметки [ править ]

^ Графики обычно показывают сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса на уровне или на подъеме.
^ Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты ведущей тяги до центра ведомого колеса.
^ Соотношение следующее: Крутящий момент = Усилие_поршня x R (радиальное расстояние до точки соединения ведущей штанги) x cos ( A ), где A - угол, который ведущая штанга образует с касательной к радиусу от центра колеса до крепление ведущей тяги
^ Как и в любой физической формуле, единицы измерения должны быть согласованы: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунт-силах, а давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.
^ См.Объяснение в газовых законах .
^ Значение константы c для баллона низкого давления принимается равным 0,80, когда значение для баллона высокого давления принимается равным 0,85.

Ссылки [ править ]

^ SAE J2047, Tire Technology Performance от февраля 1998 года.
^ Саймон Ивницки, изд. (2006). Справочник по динамике железнодорожного подвижного состава . Бока-Ратон: CRC Press: Тейлор и Фрэнсис. п. 256. ISBN 978-0-8493-3321-7.
^ XPT: Доставка, тестовые и демонстрационные запуски railpage.au.org см. График
^ Гравита Локомотив Семья voithturbo.de (страница 2) архивации 2009-03-18 в Wayback Machine
^ Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (стр. 2)
^ Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические платформенные локомотивы для Европы siemens.dk (стр. 3)
^ Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумейстер; Али Садех, ред. (2006). Marks Standard Handbook for Engine Engineers (11-е изд.). Макгроу-Хилл. п. 166. ISBN. 978-0-07-142867-5.
^ Аллан, Ян (1957). Общий объем локомотивов British Railways . Ян Аллан Лтд.
Перейти ↑ Ian Allan ABC of British Railways Locomotive , зима 1960/61, издание, часть 1, стр. 3
Перейти ↑ Phillipson, EA (1936). Конструкция паровоза: данные и формулы . Издательская компания "Локомотив".
^ Хэй, Уильям (1978). Железнодорожное машиностроение . Вили, Нью-Йорк. п. 100.

Дальнейшее чтение [ править ]

Простое руководство по обучению физике
Тяговое усилие, ускорение и торможение

[8] Графики обычно показывают сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса на уровне или на подъеме.

[9] Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты ведущей тяги до центра ведомого колеса.

[10] Соотношение следующее: Крутящий момент = Усилие_поршня x R (радиальное расстояние до точки соединения ведущей штанги) x cos ( A ), где A - угол, который ведущая штанга образует с касательной к радиусу от центра колеса до крепление ведущей тяги

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

[13] См.Объяснение в газовых законах .

[16] Значение константы c для баллона низкого давления принимается равным 0,80, когда значение для баллона высокого давления принимается равным 0,85.

[1] SAE J2047, Tire Technology Performance от февраля 1998 года.

[dynamics-2] Саймон Ивницки, изд. (2006). Справочник по динамике железнодорожного подвижного состава . Бока-Ратон: CRC Press: Тейлор и Фрэнсис. п. 256. ISBN 978-0-8493-3321-7.

[railpage-3] XPT: Доставка, тестовые и демонстрационные запуски railpage.au.org см. График

[voith-4] Гравита Локомотив Семья voithturbo.de (страница 2) архивации 2009-03-18 в Wayback Machine

[vossloh-5] Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (стр. 2)

[siemens-6] Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические платформенные локомотивы для Европы siemens.dk (стр. 3)

[marks-7] Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумейстер; Али Садех, ред. (2006). Marks Standard Handbook for Engine Engineers (11-е изд.). Макгроу-Хилл. п. 166. ISBN. 978-0-07-142867-5.

[12] Аллан, Ян (1957). Общий объем локомотивов British Railways . Ян Аллан Лтд.

[14] Перейти ↑ Ian Allan ABC of British Railways Locomotive , зима 1960/61, издание, часть 1, стр. 3

[15] Перейти ↑ Phillipson, EA (1936). Конструкция паровоза: данные и формулы . Издательская компания "Локомотив".

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

[1]