Теория локомотивной тяги и тяговые расчеты

Тяга поездов — прикладная железнодорожная наука, теоретически и практически изучающая весь цикл движения поездов или отдельных транспортных единиц и работу локомотивов на рельсовом транспорте. Тяга поездов включает в себя четыре группы вопросов: теорию тяги (иногда выделяют не только теорию локомотивной тяги, но и теорию электрической тяги с ее специфическими особенностями); практические методы использования положений теории тяги для расчетов, связанных с механикой движения поезда - тяговые расчеты; методологию проведения тяговых или тягово-энергетических испытаний локомотивов и вагонов, на основе которых могут быть получены необходимые для обобщений и разработки нормативов опытные данные; вопросы энергетики движения поездов, связанные с техникой ведения поезда, обеспечивающей рациональное использование энергоресурсов. Теоретической базой тяги поездов служат основные законы классической механики, а ее прикладная часть основана на изучении и обобщении результатов многочисленных испытаний различных типов подвижного состава и опыта его эксплуатации.

Предметами изучения тяги поездов являются основные внешние горизонтальные силы, действующие на поезд при движении, а именно: силы тяги локомотивов, силы сопротивления движения и тормозные силы. Сила тяги локомотива - управляемая машинистом внешняя сила, создаваемая локомотивными энергетическими установками при взаимодействии ведущих колес с рельсами и направленная в сторону движения. Изучается природа и специфика силы тяги различных типов локомотивов, процесс ее образования и реализации, ограничения силы тяги по мощности локомотивов и по условиям контакта (сцепления) ведущих колес с рельсами (ограничение силы тяги по сцеплению). Последнее ограничение, имеющее основополагающее значение для ж.-д. транспорта, иногда называется основным законом локомотивной тяги: величина реализуемой локомотивом силы тяги F не может быть больше определенной части веса Рк, передаваемого на рельсы его ведущими колесами и называемого сцепным весом локомотива: F<ψРк, где ψ - коэффициент сцепления, являющийся аналогом коэффициента трения скольжения в законе Кулона—Амонтона, имеющем аналогичную форму. Наибольшие расчетные и реализуемые в реальных условиях эксплуатации значения ψ лежат в пределах 0,30-0,35.

Силы сопротивления движению, существующие объективно, направленные в сторону, противоположную направлению движения поезда, и препятствующие ему, являются неуправляемыми и не зависят от машиниста локомотива, в наземном транспорте имеют двоякую природу. Силы основного сопротивления вызваны трением, его различными видами: трение в подшипниках букс; трение качения колеса по рельсу и трение скольжения в их контакте, имеющее место из-за упругости металла колеса и рельса и вследствие конусности поверхности катания колес; трение о воздух (аэродинамическое сопротивление), а также и рассеиванием энергии при взаимодействии колес подвижного состава и рельсов из-за деформации верхнего строения пути и ударов на стыках рельсов. Значения составляющих сил основного сопротивления оцениваются в тяговых расчетах их суммой, величина которой принимается в расчетных формулах зависящей от типа подвижного состава, осевых нагрузок и скорости движения. С увеличением скорости силы основного сопротивления растут. Вторая составляющая сил сопротивления движению в наземном, в т. ч. и рельсовом транспорте,- дополнительное сопротивление — связана с продольным профилем и планом ж.-д. пути. Реальный путь отличается от условного, горизонтального и прямолинейного, которому соответствует основное сопротивление движению, наличием на конкретных участках уклонов (подъемов и спусков) различной крутизны и криволинейных участков, характеризуемых радиусом кривизны. Силы дополнительного сопротивления движению для грузовых поездов на крутых подъемах существенно превышают величину основного сопротивления. Поэтому крутизна (уклон, %о) так называемого расчетного подъема служит главным параметром для установления возможного веса (массы) состава грузового поезда.

Тормозные силы — искусственные силы, управляемые машинистом и направленные в сторону, противоположную движению поезда, служат для обеспечения управляемости движения и его безопасности. Величина тормозных сил зависит от типов создающих их поездных тормозных систем. Для наиболее распространенных тормозных систем фрикционного типа, создающих тормозную силу за счет трения скольжения между колесом (или специальным диском на оси колесной пары) и тормозными колодками, величина тормозной силы зависит от произведения силы нажатия на колодку, прижимающей ее к вращающемуся колесу (диску), на коэффициент трения между ними, зависящий от материалов трущихся поверхностей и скорости их относительного перемещения. Его величина уменьшается при увеличении скорости поступательного движения поезда.

Теория локомотивной тяги рассматривает движение поезда, являющегося системой материальных тел (локомотив и состав вагонов), как движение материальной точки, в которой сосредоточена вся масса поезда. Это позволяет принимать в качестве уравнения поступательного движения поезда преобразованную форму второго закона Ньютона: ускорение поступательного движения поезда прямо пропорционально величине равнодействующей сил, действующих на поезд в направлении его движения, и обратно пропорционально его массе.

В тяговых расчетах используют совокупность методов для расчета сил, действующих на поезд, способов решения уравнения движения поезда в конкретных условиях и определения обобщенных, принимаемых за расчетные, нормативных фактических данных о характеристиках различных типов подвижного состава. Для отечественных ж. д. эти методы и данные разрабатываются головной научной организацией ж.-д. транспорта ВНИИЖТ и издаются МПС официально в виде «Правил тяговых расчетов для поездной работы».

Историческая справка. Развитие науки о тяге поездов было вызвано непосредственными потребностями развития ж.-д. транспорта. В 80-е гг. 19 в. развитие ж.-д. сети и значительное увеличение парка локомотивов в стране привели к расширению инженерной деятельности в службах подвижного состава и тяги в управлениях ж. д. Разрабатывались меры и способы повышения эффективности эксплуатации паровозов. Важными сторонами этой работы было экспериментальное определение возможностей эксплуатируемых паровозов в конкретных условиях (созданные в то время паровозы не имели достоверных тяговых и энергетических характеристик, их проектировали на основе практического опыта) и создание научных основ проектирования паровозов. Разработку методов экспериментальных исследований локомотивной тяги одним из первых в стране начал инж. А. П. Бородин. В 1880-1882 гг. в Киевских мастерских Юго-Западных железных дорог он создал стенд, позволявший изучать работу энергетической установки паровоза, испытывая ее под нагрузкой в стационарных условиях. Бородин совместно с инж. Л. М. Леви разработал методику испытаний паровозов на линии; был одним из инициаторов создания первого на ж. д. России динамометрического вагона. В 1873 г. в Технологическом институте в Санкт-Петербурге проф. Н. П. Петров основал кафедру подвижного состава ж. д., на которой создавался научный подход к решению многих вопросов механики движения поездов. Петров впервые провел математический анализ природы сил сопротивления движению («Сопротивление поезда на железных дорогах», 1889 г.) и вопросов эффективности и безопасности движения («О наивыгоднейших скоростях товарных поездов», 1892 г.; «Опасные скорости», 1897 г.).

Одновременно с совершенствованием паровозов на рубеже 19 и 20 вв. систематизировались научные основы их эффективной эксплуатации, создавалась наука о тяге поездов. В первой четверти 20 в. в этом направлении выдающуюся роль сыграл профессор Ю. В. Ломоносов. В 1898-1900 гг. он разработал метод проведения сравнительных испытаний паровозов в эксплуатации. Опытные исследования локомотивов, целью которых стало получение их надежных (паспортных) характеристик, по единой методике, одобренной многими специалистами, в 1908—1912 гг. проводились на Екатерининской, Ташкентской и Николаевской железных дорогах. Инженерный уровень этих испытаний был выше ряда аналогичных исследований на ж. д. Западной Европы и Америки, т. к. ни в одной из зарубежных стран в первой четверти 20 в. опытные исследования паровозов не производились с такой полнотой, как в России. Формированию науки о тяге поездов способствовали уже первые труды Ломоносова в этом направлении: «Наивыгоднейший состав товарных поездов» A904 г.), в которой закладывались основы подхода к расчету веса поезда по тяговым возможностям локомотива - принципа, используемого и в начале 21 в., и «Научные проблемы эксплуатации железных дорог» (1910 г.).

В 1912 г. Министерство путей сообщения официально утвердило «Правила проведения опытов», а в 1914 г. в составе Управления железных дорог министерства была учреждена «Контора опытов над типами паровозов», руководителем которой стал профессор Ломоносов. Испытаниям были подвергнуты почти все типы паровозов рос. ж. д. На них были составлены паспорта, которые давали дорогам возможность определять вес поездов, рассчитывать время хода и т. п. Книга Ломоносова «Тяговые расчеты» была одной из первых попыток систематизации знаний по тяге поездов B-е изд. в 1915 г.). «Контора опытов над типами паровозов», которая была первым научным учреждением ж.-д. транспорта России, существовала самостоятельно до 1918 г., когда была включена в состав вновь создававшегося Экспериментального института путей сообщения — Всероссийского научно-исследовательского института ж.-д. транспорта (ВНИИЖТ). Исследования и испытания паровозов силами научного коллектива «Конторы опытов» существенно продвинули развитие тяговых расчетов в России, усилили их научную основу, обеспечили их достоверными исходными данными. Сотрудник отдела тяговых расчетов «Конторы опытов» инженер А. И. Липец в 1910-1911 гг. разработал и опубликовал метод графического интегрирования уравнения движения поезда, позднее инженер Г. В. Лебедев предложил графический метод определения времени хода поезда. Оба метода вошли в «Правила тяговых расчетов». Труды группы Ломоносова завершили формирование теоретической основы тяговых расчетов, явились систематизацией, обобщением и развитием работ Н. П. Петрова, А. О. Чечотта, Г. Д. Дубелира и других исследователей и способствовали выделению тяги поездов в самостоятельную отрасль прикладной транспортной науки.

В 1917 г. Министерством путей сообщения впервые были утверждены и изданы официально «Временные правила о производстве тяговых расчетов», в дальнейшем этот документ прошел ряд переработок и переизданий (последнее изд. 1985 г.). «Правила расчетов поездной работы» являются одним из основных нормативных документов отечественного ж.-д. транспорта.

Экспериментальная база. Основной проблемой проведения измерений при испытаниях локомотивов в движении является необходимость поддержания установившегося движения поезда, т. е. сохранения неизменными действующих на локомотив и состав вагонов сил, что трудно обеспечить на реальных линиях. Поэтому для проведения испытаний локомотивов использовались т. н. катковые станции, развивавшие предложенную Бородиным идею стационарных испытаний и позволявшие имитировать нагрузки на ведущие колеса при относительной неподвижности самого локомотива. Такая станция была создана специально для испытаний одного из первых тепловозов ЭЭЛ2 в Германии в 1923-1924 гг. Для испытаний подвижного состава создавались специальные опытные полигоны на заводах и в научных организациях. Возможности проведения и масштабы испытаний подвижного состава значительно расширились с постройкой в 1932 г. опытного кольца и экспериментальной базы ВНИИЖТ на ст. Щербинка Московской железной дороги. На замкнутом горизонтальном кольцевом пути обеспечивается неизменность сил сопротивления движению локомотива или поезда, что дает возможность в течение любых необходимых промежутков времени поддерживать постоянными режимы работы локомотива, соответствующие реальным условиям эксплуатации. На экспериментальном кольце ВНИИЖТ проходят полные циклы тягово-энергетических испытаний опытные (предсерийные) образцы всех новых локомотивов, по результатам которых осуществляется доводка их конструкций и принимаются решения о возможности заказа и серийного производства. Экспериментальные полигоны используются для испытаний подвижного состава в ряде стран. Наиболее известен полигон Центра транспортных испытаний Американской ассоциации железных дорог (ААК) в Пуэбло (штат Колорадо, США).