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1、牵引力,制动力的粘着力浅析D一第14卷第a期1995年g月兰州铁道学院JOURNALOFLANZHOURAILWAYIHSTITVo】.14No.3pt.1995牵引力,制动力和粘着力浅析吴禄保(南京铁路运输学校,南京g10037)20/f),摘要本文根据力学原理分析了牵引力和制动力产生的机理以及两者与粘着力.的关_亲,得出牵引力和制动力的相同与不同之处,并提出应试验研究”计算最大制动力的粘着系数吡霹套式”?U27035赫譬分类号.u机车牵引力,列车翩动力在铁路技术中常会遇到.如研究机车的牵引重量,就必定要涉及到机车牵引力;研究列车的制动距离也要涉及到列车制动力.虽然从我们主观愿望上希望机车牵
2、引力大,列车翩动力大,但客观上又不可能无限制地增大,它们叉都受粘着力的限制.因此,这牵引力和触动力的大小究竟决定于那些条件?又为什么都受到粘着力的限制?牵引力,制动力和粘着力这三者究竟是什么关系?本文试从力学原理对这些问题作肤浅的分析研究.1牵引力和粘着力无论是蒸气,内燃和电力机车,在牵引运行时,都是由动力装置施加给动轮一个转动力矩,这个转矩使得动轮产生转动.因动轮有重量压于钢轨,轮轨之间又有摩擦状态,因而动轮的转动便与钢轨产生摩擦作用,动轮和钢轨的接触点之间便出现摩擦力.如图1所示,动轮在转矩村作用下,与钢轨接触点的A,欲产生向右的滑动趋势.动轮作用于钢轨的摩擦力是,和,是一对作用力和反作用
3、力.这时动轮和钢轨处于相对静止状态,属于静摩擦作用.动轮得到钢轨给予的摩擦力,也就是动轮得到钢轨给予的支持点.因而动轮在转矩的作用下,欲轮轨接触向前滚动.如果没有这个静摩擦力f,则动轮只能向前运行一由此可知,锕轨给予动轮的静摩擦力f,就是使机车前进的牵引力.又因为轮轨接触点始终处于相对静止状态,同时接触点又时刻在改变,所以动轮处于动态下的瞬时静摩擦状态,其轮轨间的摩擦力为瞬摩擦力.由上面分析可知,机车牵引力是属于静摩擦力.也就是说,这时钢轨给予动轮的静摩擦力起牵引力纳作用.但如在另一种情况下,轮轨之间的静摩擦力则起阻力作用.田3动轮向前壤动示意图4牵引力作用下车轮滑动趋势示意以车辆的车轮为倒,
4、如图4所示.机车的牵引力JF通过车钩转向架作用于车轴.这时车轮在F力作用下有向左的滑动(是平移不是转动)趋势,车轮作用于钢轨的摩擦力,锕轨作用于车轮的摩擦力,和,仍是一对静摩擦力.车轮在静摩擦力,和牵引力JF作用下,不断改变接触点而向前滚动.如轮轨间没有摩擦力,则车轮在牵引力F作用下,只能作无摩擦的向前滑动,车轮不会滚动.显然,车辆的车轮往前滚动需要有两个条件,一个是牵引力,一个是静摩擦力.这个静摩擦力,与牵引力方向相反,起阻力作用.因此,欲使机车动轮获得牵引力,需要有三个条件:(1)动轮需要有转动力矩的作用井产生旋转运动;(2)动轮需要有压于钢轨的重量Q,即正压力,或轴重;(3)动轮与钢轨之
5、间需要有摩擦系数三个条件缺一不可.由于有后两个条件,动轮的旋转运动方能使轮轨间产生摩擦力.机车在牵引运行时,动轮处于绕瞬时中心转动的平衡状态,如不考虑其他因素(轴和轴承间的摩擦等),同时机车作等速运动,则可列出动轮的动态平衡式:F?R或f=M/R,式中R为动轮半径.转矩M的大小决定于机车功率.当动轮直径确定后,欲提高机车牵引力就是增加机车功率.增加机车的功率时必须有一个条件,就是动轮和钢轨之间不得有滑动,要始终维持瞬时静摩擦状态t即动轮必须是纯滚动.又因为牵引力是静摩擦力,而静摩擦力有一个极限值,即最大静摩擦力(),_叫=Q-如果机车功率过大,使得动轮转矩产生的力,超过钢轨所能给出的最大静摩擦
6、力,即,(=M/R)>(Q?),则动轮和钢轨之间的静摩擦作用受到破坏,动轮不再是纯滚动而产生滑动摩擦,即动轮空转.这时尽管机车功率很大,但得不到相应的牵gI力,反而造成动轮和钢轨的摩擦伤.由此可见,机车牵引力决定于机车功率,功率大动轮得到的转矩大,牵引力也大.但为了保证动轮的纯滚动,牵引力有一个限制值,即牵引力不会超过轮轨闯的最大静摩擦力.或者说,机兰州铁道学院第14卷车的功率和它所能发出的最大牵引力,受静摩擦条件的限制.上述情况完全是根据力学原理分析的.然而机车动轮在钢轨上实际运行情况,与力学原理中理想的静摩擦状态是不相同的:(1)动轮在钢轨上的滚动,是在不断改变接触点状态下的瞬时静摩
7、擦,也就是动态下的瞬时静摩擦.(2)动轮在钢轨上也不是纯滚动.因受线路状态等影响,动轮在滚动的同时,必定会有纵向和横向的滑动.所以动轮和钢轨之间并不是理想的静摩擦状态,它既有滚动又有滑动,实际上是一种极其复杂的摩擦状态.为此,在铁路技术中,把轮轨之问的实际摩擦状态称为粘着.(3)机车在运行中,动轮对钢轨的正压力(即轴重)并不是始终不变.由于受线路,速度,振动以及机车结构等影响,运行中会使轴重增加或减步.但为了简便计算,一般又把轴重Q作为不变值,井称它为粘着重,而把轴重变化因素归结为轮轨间摩擦系数的变化因素.(4)轮轨之间的摩擦系数产,显然它已不是静摩擦系数,它比理想状态下的静摩擦系数要小,而且
8、是一个受许多因素影响的变化值,称它为粘着系数.粘着系数只能通过试验得出计算公式.列车牵引计算规程制定的计算粘着系数公式中,将各种变化因素都归结在速度的变化上.根据前面的分析,把轮轨之问实际能产生的最大摩擦力称之为粘着力,牯着力等于牯着重乘粘着系数.如果是牵引状态,粘着力也称为牯着牵引力.这样,机车的最大牵引力就是受粘着条件的限制.要提高机?是外力,它可以改变车轮的运动状图5列车铆动时车轮受力及壤动示意图态.但对机车或车辆来说,K?成对是存在的内力,内力当然改变不了列车的运动状态.由于轮轨之间存在摩擦,作用于车轮的摩擦力矩()力图使车轮产生相反的转动,车轮在与钢轨接触点处产生向左的滑动趋势.由于
9、车轮有重量压于钢轨,轮轨之间又有摩擦,因此车轮相反方向的转动趋势,必然使车轮有一摩擦力B作用于钢轨,钢轨也有一摩擦力B作用于车轮,两者为作用力和反作用力.于是轮与轨的接触点处于静止状态B和B都是静摩擦力.这样,力矩M欲使车轮以点为瞬时中心,产生相反方向的滚动(圈5中虚线所示).这个滚动方向正好和车轮向前滚动的方向相反,使车轮愈滚禽慢,最后停止滚动.如果没有钢轨作IL一第3斯吴禄保:牵f力,翩动力和粘着力浅桁用于车轮的力B,则车轮不可能产生向后的滚动趋势;有了力才能使车轮产生向后的滚动趋势.这个力B就是机车或车辆的制动力.列车在制动状态时,作用在车轮上的是两个力矩:一个是摩擦力对轮心的力矩(?R
10、),另一个是制动力对轮C,-的力矩(B?尺).如不考虑其他因素,则两个力矩应是瞬时平衡状态,即K?R=B?R,于是得到制动力BK?.由于制动力B是钢轨给予车轮的静摩擦力,它也应有一个限制值最大静摩擦力,即B(一K-)Q?这和前面分析牵引力时的情况是相同的,即制动力的最大值不会超过粘着力.为提高制动力,一般应增加闸瓦压力.但如果闸瓦压力过大,致使K?>Q?,即车轮得不到钢轨足够的反作用力,便破坏了轮轨间的粘着状态,车轮被闸瓦抱死在钢轨上滑行.这时轮轨间的措动摩擦力便成为制动力.这样,不仅擦伤了车轮.而且制动力要比牯着力小得多,国轮轨问的滑动摩擦系数永远小于轮轨问的粘着系数.固此,过大的提高
11、闸瓦压力反而会降低制动力.3结论由前面分析可知,列车制动力和机车牵引力.从力学原理来分析都是静摩擦力,因此叉都受最大静摩擦力粘着力的限制,所不同的是:(1)机车牵引时,机车动轮从电动机(或蒸汽机)得到力矩.由于牵引力的作用,力矩使动轮向前滚动.机车向前运行.列车制动时.是由于列车的惯性使得车轮往前滚动.同时有闸瓦压于车轮,方使车轮获得摩擦力矩.和机车牵引力相比较.由于力矩的动力来源不同,因而力矩的转向相反.在制动力作用下,闸瓦摩擦力矩欲使车轮向后滚动.产生制动作用(2)正因为动轮(或车轮)获得力矩的动力来源不同.所以牵引运行时只有机车动轮产生牵引力#而制动时.列车中只要有闸瓦,同时又产生闸瓦压
12、力车轮都能产生制动力.(3)牵引力和制动力的限制值虽然部是粘着力.但限制牵引力的粘着力和限制制动力的牯着力是不同的,因为牵引状态和制动状态时+影响粘着系数和粘着重量的因素不同.列车制动时速度的变化要比牵引时速度变化太,固而轴重转移的情况比较严重;制动时列车间冲击得比牵引时严重,因而车轮的滑行现象也将严重;牵引时牵引力朝前动轮向前滚动,而制动时动轮朝前滚动但制动力向后.因此动轮的受力状态和运动状态不相同;另外,牵引时仅机车有牵引力,而制动时垒列车有制动力.因此在计算最大牵引力和最大制动力时粘着系数理论上也应不相同,制动时的粘着系数(可称它为制动粘着系数)应比牵引时的牯着系数(可称它为牵引粘着系数)小,速度愈大其差值也将会愈大.目前列车牵f计算规程中只有牵引粘着系数计算公式.似应通过试验研究,制定出制动粘着系数计算公式,这将有助于高速列车制动技术的研究.参考文献1吴豫僳.怎棒分析机车轮周牵导f力内燃机车-i983一(7)2粱昆套力学.北京:人民教育出版社.1979.