Cálculos de tracción

Los cálculos de tracción  son una parte aplicada de la teoría de la tracción del tren , que considera las condiciones del movimiento del tren y resuelve problemas relacionados con la determinación de las fuerzas que actúan sobre el tren y las leyes del movimiento del tren bajo la influencia de estas fuerzas.

Historia de los cálculos de tracción

En 1814, en Inglaterra, William Gedley y Timothy Gakward realizaron los primeros experimentos sobre la evaluación experimental de las fuerzas de adherencia de las ruedas de una locomotora de vapor con rieles . En 1818, George Stephenson realizó los primeros experimentos para determinar las fuerzas de resistencia al movimiento de los vagones . En 1825-1830. El ingeniero checo Frantisek Antonin Gerstner, quien construyó un ferrocarril tirado por caballos en Austria-Hungría, determinó que un caballo puede transportar siete veces más carga sobre rieles que sobre un camino de tierra.

En 1858, el profesor del Instituto del Cuerpo de Ingenieros Ferroviarios A.G. Dobronravov publicó su obra "La teoría general de los motores de vapor y la teoría de las locomotoras de vapor", donde dio la ecuación del movimiento del tren y consideró en detalle los elementos de las fuerzas. de resistencia al movimiento. En 1869, el profesor M. F. Okatov realizó experimentos "sobre deslizamiento", es decir, determinó la magnitud de la fuerza de tracción por adherencia. En 1877-1879. el diseñador de locomotoras de vapor, el ingeniero V. I. Lopushinsky, realizó experimentos en varios caminos para medir la resistencia al movimiento de una locomotora de vapor y vagones utilizando dinamómetros.

En 1877, el profesor L. A. Ermakov, en su trabajo "Determinación del consumo de combustible de las locomotoras de vapor", desarrolló científicamente los conceptos básicos de los cálculos de tracción para determinar el peso del tren, el tiempo de viaje, la velocidad permitida de los trenes por los frenos, el consumo de combustible y agua. En 1883, L. A. Ermakov consideró la naturaleza de la resistencia al movimiento en una vía horizontal y recta, en pendientes y en secciones curvas de la vía.

En 1880, el ingeniero A.P. Borodin creó un stand para probar locomotoras de vapor en los talleres ferroviarios de Kyiv. El juego de ruedas motrices de una locomotora de vapor 1-2-0 se separó del emparejado y se elevó por encima de los rieles, uno de los vendajes se colocó debajo de la polea de transmisión por correa. El equipo de máquinas de los talleres sirvió como carga para la locomotora de vapor. La desventaja del soporte era el límite de carga: 65-70 kW a 100 rpm de las ruedas motrices, lo que correspondía a una velocidad de 30 km / h.

En 1889, se publicó el trabajo del profesor del Instituto de Tecnología de San Petersburgo N.P. Petrov "Resistencia de los trenes en los ferrocarriles", en el que se determinaron los componentes de las fuerzas de resistencia al movimiento del tren y la influencia de varios factores en su magnitud. considerado teóricamente. En 1892 propuso fórmulas de cálculo para determinar la resistencia al movimiento del material rodante.

En 1903-1904. Se construyó una estación de prueba de pista de patinaje en la planta de Putilov en San Petersburgo. Cada eje motriz de la locomotora estaba montado sobre un rodillo, cuya llanta tenía el perfil de una cabeza de riel, la guía y los juegos de ruedas de apoyo descansaban sobre los rieles. La locomotora se acopló a través de un dinamómetro a una cremallera masiva. Al frenar los rodillos, se creaba la carga constante requerida de la locomotora.

En 1898, el ingeniero Yu. V. Lomonosov comenzó a realizar pruebas operativas de locomotoras de vapor como parte de trenes en nombre del servicio de tracción del ferrocarril Kharkov-Nikolaev. Desde 1908, en todos los ferrocarriles, las pruebas de ingeniería de tracción y calor de las locomotoras de vapor se llevaron a cabo de acuerdo con el método propuesto por él. En 1912, bajo el Ministerio de Ferrocarriles, se creó la "Oficina de Experimentos sobre Tipos de Locomotoras de Vapor", encabezada por Yu. V. Lomonosov. El Ministerio de Ferrocarriles aprobó las "Reglas para la producción de experimentos comparativos sobre tipos de locomotoras de vapor", que son obligatorias para probar locomotoras de vapor en ferrocarriles estatales. Sobre la base de las pruebas realizadas, se crearon pasaportes técnicos para locomotoras de vapor de casi todas las series que operan en los ferrocarriles rusos. En 1917, el Ministerio de Ferrocarriles aprobó las "Reglas Provisionales para la Producción de Cálculos de Tracción", creadas sobre la base del trabajo de la "Oficina Experimental".

En 1932, cerca de la estación de Butovo, se construyó un "anillo ferroviario experimental" con un diámetro de 1912 m, destinado a probar el material rodante. En 1935 se electrificó el anillo, lo que permitió probar las primeras locomotoras eléctricas de las series VL19 y S11. Todos los nuevos tipos de locomotoras se prueban en el anillo para determinar sus características de tracción.

Cálculos de tracción

Se utilizan cálculos de tracción:

Simplificaciones utilizadas en los cálculos

Si el camino no consta de tramos rectos, se recurre al enderezado del perfil del camino.

Enderezar el perfil de la pista y determinar el ascenso estimado de alta velocidad y el descenso máximo

Para mejorar la precisión de los resultados de los cálculos de tracción, así como reducir su volumen y tiempo para su implementación, es necesario enderezar el perfil de la ruta de una sección determinada.

El enderezado del perfil de vía se basa en la igualdad de trabajo mecánico sobre un perfil enderezado y sobre un perfil real.

El enderezado del perfil consiste en sustituir dos o más elementos adyacentes del recorrido longitudinal por un elemento cuya longitud s c  es igual a la suma de las longitudes de los elementos enderezados ( s 1 , s 2 , . . . . , s n ) es decir.

s С \u003d s 1 + s 2 + .... + s n,

la pendiente i” c  se calcula mediante la fórmula


Para que los cálculos de la velocidad y el tiempo de movimiento del tren a lo largo de la sección sean lo suficientemente precisos, es necesario verificar la posibilidad de enderezar

grupos de elementos de perfil según la fórmula:

donde s i es la longitud de la sección enderezada, m;

Δi es el valor absoluto de la diferencia entre la pendiente de la sección enderezada y la pendiente del elemento que se está comprobando, 0 / 00 ,

Cada elemento del grupo rectificable está sujeto a esta verificación. Cuanto más cortos sean los elementos del grupo rectificado y cuanto más cerca estén en inclinación, más probable es que su prueba de satisfacción de la condición sea positiva.

Las curvas en la sección enderezada se reemplazan por una pendiente ficticia, cuya inclinación está determinada por la fórmula

donde S kri  y R i son la longitud y el radio de la curva dentro de la sección enderezada, m.

La inclinación del tramo enderezado, teniendo en cuenta la subida ficticia desde la curva.

Tomamos los valores i ' c  positivos para el movimiento allí, y los valores del movimiento inverso i ' c negativos, es decir el ascenso se convierte en descenso.

No puede enderezar los siguientes elementos: ascenso estimado, ascenso empinado, descenso más empinado. Tampoco podrán incluirse en el enderezado andenes en el tramo entre elementos de diferente signo. Un perfil enderezado debe conservar todas las características de un perfil real en cuanto a la posición relativa de los puntos de subida y bajada.
Después de enderezar el perfil de la vía, lo analizamos para identificar el ascenso calculado, el ascenso a alta velocidad y el descenso más pronunciado.

El ascensor de diseño se denomina ascensor de este tipo, en el que se establece la velocidad de diseño, este ascensor es la sección más difícil. yo calculo = 8.0 ‰.

Una subida corta con una pendiente superior a la calculada es aquella en la que i calc <i cr, pero su longitud es inferior a la calculada y por tanto el tren la supera con bastante facilidad i cr = 8,0 ‰.

Un descenso pronunciado es el descenso más pronunciado, en el que el tren debe cambiar a ralentí y al mismo tiempo utilizar el freno i cpu = -6,8 ‰

Cálculo de la masa de la composición

Calculamos la masa según la fórmula:

donde F cr es la fuerza de tracción calculada de la locomotora, kgf;

el valor de la velocidad calculada es igual a V p

i p - la inclinación del aumento calculado,

P es la masa estimada de la locomotora, m

w, 0 - resistividad básica de la locomotora, kgf/t

Depende de la velocidad y está determinada por la fórmula:

w,, 0 - la resistividad principal de la composición en kgf / t, calculamos, respectivamente, también para la velocidad de diseño según la fórmula

donde alfa, betta y gamma son, respectivamente, las cuotas de los coches de 4, 6 y 8 ejes en la composición en peso dada

Comprobación de la masa de la composición

Tenemos en cuenta que antes de superar un tramo empinado, la composición está precedida por elementos de perfil ligero. En este caso, el camino, cuya inclinación es igual a 8.0 0 / 00 , pasó por el tren, teniendo en cuenta la energía cinética

donde V n es la velocidad al comienzo del ascensor que se está comprobando, es decir esta es la velocidad que se desarrolló en el elemento anterior

V to - velocidad al final del ascenso comprobado

(f k - w k ) cf - fuerza específica, calculamos para el valor medio de la velocidad

El valor de la velocidad media es:

Comprobación de la masa del tren a lo largo de las vías de recepción y salida de la estación

Para verificar la masa del tren a lo largo de las vías de recepción y salida, primero debe determinar la cantidad de vagones en el tren y la longitud del tren.

Número de vagones en el tren:

4 ejes:

8 ejes:

Encuentra la longitud total del tren usando la fórmula:

donde Ll es la longitud de la locomotora

Cálculo y construcción de curvas de fuerzas de aceleración y deceleración

El cálculo del diagrama de las fuerzas resultantes específicas se realiza para tres modos de conducción de un tren a lo largo de una sección horizontal:

1) para el modo de tracción

2) para ralentí

3) para el modo de frenado:

durante el frenado de servicio

durante el frenado de emergencia

El cálculo se realiza con respecto a las velocidades desde 0 hasta el diseño, así como para las velocidades calculadas y la velocidad de alcanzar la característica automática

Fuerzas que actúan sobre un tren Fuerza de tracción

La fuerza de tracción de la locomotora en función de la velocidad está determinada por las características de tracción, que se construyen para neumáticos nuevos de acuerdo con las características de los motores de tracción tomados en el banco o durante las pruebas operativas. La fuerza de tracción de la locomotora no puede exceder las fuerzas de adherencia de las ruedas motrices de la locomotora con los rieles.

,

donde F K  es la fuerza de empuje;
P es el peso de "acoplamiento" de la locomotora (la suma de las cargas sobre los rieles de todas las ruedas motrices);
ψ es el coeficiente de adherencia.

El coeficiente de fricción de la rueda con el riel es máximo en el estacionamiento y disminuye a medida que aumenta la velocidad de la locomotora. Dado que el coeficiente de adherencia real depende de factores aleatorios como el estado de la pista y las condiciones atmosféricas, se reemplaza por el coeficiente de fricción calculado ψ K , cuyo valor se determina mediante fórmulas empíricas basadas en los resultados de numerosos experimentos en la vida real. operación. En el caso más simple, para locomotoras:

,

donde v es la velocidad de movimiento, km/h.

Resistencia al movimiento

Se denomina resistencia al movimiento del tren a la fuerza aplicada en los puntos de contacto de las ruedas con los rieles, para vencerla se gasta el mismo trabajo que para vencer todas las fuerzas incontroladas que impiden el movimiento. La resistividad es la fuerza de resistencia de cada unidad de peso del tren.

,

donde w es la resistividad;
W es la resistencia total, N;
P es el peso de la locomotora, kN;
Q es el peso de los vagones de tren, kN.

La resistencia principal se llama las fuerzas que impiden el movimiento del material rodante a lo largo de un camino horizontal recto en un área abierta en condiciones climáticas normales a cualquier velocidad permitida. La resistencia principal está formada por:

  • resistencia por fricción en cojinetes de ejes;
  • resistencia por fricción de rodadura de ruedas sobre rieles;
  • resistencia por fricción deslizante de ruedas sobre rieles;
  • disipación de energía durante la interacción de las ruedas con los rieles (pérdida de energía en juntas e irregularidades de la vía, deformación elástica de rieles y traviesas);
  • resistencia del aire;
  • disipación de energía en el medio ambiente durante las oscilaciones verticales de las partes suspendidas del material rodante y las sacudidas a lo largo del tren.

Debido a la influencia de numerosos factores, es prácticamente imposible establecer dependencias analíticas para el cálculo de la resistividad principal, su valor se obtiene exclusivamente de forma experimental. Como resultado del procesamiento de datos experimentales, se obtienen fórmulas o gráficos empíricos. Por ejemplo, para un carro de cuatro ejes sobre rodamientos de rodillos que se mueve a lo largo de una vía de enlace

,

donde q 0  es la carga del juego de ruedas sobre los rieles.

Las resistencias adicionales se denominan fuerzas temporales que surgen en condiciones de funcionamiento específicas del material rodante:

  • de la pendiente del perfil de la vía;
  • de la curvatura del camino;
  • del viento;
  • de baja temperatura;
  • de túneles;
  • de los generadores del tren de rodaje de los turismos.

La resistencia específica adicional al movimiento de la pendiente se toma igual al valor de la pendiente en ppm.

.

La resistencia específica adicional al movimiento en secciones curvas de la vía surge por las siguientes razones:

  • las ruedas del mismo juego de ruedas recorren un camino diferente a lo largo de los rieles exterior e interior (la forma cónica de los neumáticos reduce esta diferencia), lo que conduce a un aumento del deslizamiento de las ruedas;
  • debido a la acción de la fuerza centrífuga, los rebordes de las ruedas se presionan contra la cara lateral interna del riel externo, lo que aumenta la fuerza de fricción por deslizamiento;
  • Los bogies de material rodante giran en relación con el eje del cuerpo, como resultado de lo cual surgen fuerzas de fricción por deslizamiento en los soportes, dispositivos de pivote y cajas de grasa.

La resistencia específica adicional al movimiento de la curva se calcula mediante fórmulas empíricas, cuando la longitud del tren es más larga que la longitud de la curva.

,

donde R es el radio de la curva;
s KP  es la longitud de la curva;
l P  es la longitud del tren.

Cuando la longitud del tren es menor o igual a la longitud de la curva

.

Al realizar cálculos que requieren una mayor precisión, también se tienen en cuenta la velocidad del tren y la elevación del riel exterior.

La resistencia específica adicional al movimiento causada por la acción de un viento frontal o lateral se determina en fracciones de la resistencia específica principal utilizando el coeficiente K B .

.

El coeficiente K B se determina a partir de tablas o nomogramas y depende de la velocidad del viento, la velocidad del material rodante y la densidad del aire. La lista de sitios para los que se utiliza la corrección por viento y velocidad del viento para cada período se establece en base a los resultados de las observaciones meteorológicas a largo plazo.

A bajas temperaturas del aire exterior, aumenta su densidad, aumentando la resistencia aerodinámica al movimiento, aumenta la viscosidad del lubricante en los cojinetes del eje y motor-axial, aumentando las fuerzas de fricción en ellos. A temperaturas por debajo de -25 °C se tiene en cuenta la resistencia de conducción específica adicional debido a la baja temperatura exterior utilizando el coeficiente K HT

.

El coeficiente K HT se determina a partir de las tablas en función de la velocidad del tren y de la temperatura exterior.

La resistencia específica adicional del movimiento en los túneles surge debido al aumento de la resistencia, el efecto de rarefacción en la sección de cola del tren y la aparición de turbulencias entre las paredes del túnel y el tren.

.

El coeficiente K T depende de la velocidad del tren y del número de vías en el túnel. En un túnel de doble vía, la resistencia al movimiento del aire es mucho menor que en un túnel de vía única.

La resistencia adicional de los generadores del tren de rodaje de los turismos se tiene en cuenta a velocidades de 20 km/h y superiores.

,

donde P' es la potencia nominal media del generador del tren de aterrizaje.

No hay generadores de tren de aterrizaje en los trenes de alta velocidad que tienen un suministro de energía centralizado desde una locomotora o un vagón de la central eléctrica.

El proceso de alejamiento del lugar del material rodante después de largas paradas (20 minutos o más) se produce en condiciones de fricción seca y semiseca. Durante el tiempo de estacionamiento, la cuña de aceite entre las partes de fricción del cojinete del eje se destruye, la temperatura disminuye y la viscosidad del lubricante aumenta. El estacionamiento va acompañado de un aplastamiento significativo del metal en el área del área de contacto, lo que aumenta las pérdidas por fricción de rodadura a lo largo de los rieles. Resistencia de arranque adicional para material rodante sobre rodamientos

. Fuerza de frenado

La fuerza de frenado del tren se define como la suma de los productos de las fuerzas de presión reales de las pastillas de freno K y los coeficientes de fricción reales de las pastillas φ K o como el producto de la suma de las fuerzas de presión calculadas (reducidas) K P y el coeficiente de fricción calculado de las pastillas φ KP .

.

Con un aumento en la velocidad y la presión específica de las pastillas, aumenta la cantidad de calor generado durante la fricción de la pastilla contra la rueda, aumenta la temperatura del metal de la rueda y la pastilla, la capa superficial se vuelve más plástica, como resultado de los cuales el coeficiente de fricción disminuye. El coeficiente de fricción se calcula utilizando fórmulas empíricas, por ejemplo, para pastillas de freno de hierro fundido estándar.

.

La fuerza de presión real está determinada por la presión de aire en el cilindro de freno (los cilindros de freno tienen orificios para conectar un manómetro), el área del pistón, la fuerza del resorte de liberación, la relación de palanca del freno, el número de pastillas que funcionan desde un cilindro, la eficiencia del cilindro y aprovechar. Para simplificar los cálculos, se utilizan la fuerza de presión calculada y el coeficiente de fricción calculado. La fórmula para determinar el coeficiente de fricción calculado para las pastillas de hierro fundido es

.

Las fuerzas de prensado calculadas se determinan según las normas establecidas para cada tipo de locomotora, vagón y su carga. Para evitar el derrape, la fuerza de frenado generada por los medios de frenado de cada par de ruedas no debe exceder la fuerza de adherencia del par de ruedas a los rieles.

El coeficiente de frenado calculado es la relación entre la suma de las fuerzas de presión calculadas y el peso del tren.

.

En los cálculos en los que se tiene en cuenta el uso del frenado de emergencia, el coeficiente de frenado calculado se toma igual a su valor total; cuando se aplica el frenado de servicio completo, el coeficiente de frenado calculado se toma igual a 0,8 de su valor total. Para el frenado de control, el valor del coeficiente de frenado calculado, dependiendo de la etapa de frenado, se determina a partir de las tablas.

Cálculo del peso de la composición

El peso del tren y la velocidad del tren se determinan a partir de la condición de pleno uso de la potencia de la locomotora y la energía cinética del tren. El peso del tren se determina en función de la condición de movimiento a lo largo del ascenso calculado (guiado) a una velocidad uniforme y a lo largo del ascenso más difícil a una velocidad desigual utilizando la energía cinética del tren. El peso del tren bajo la condición de movimiento a una velocidad uniforme en el ascenso calculado se determina a partir de la condición de igualdad de las fuerzas de tracción y resistencia al movimiento del tren según la fórmula

,

donde w' 0  es la resistividad principal de la locomotora;
w'' 0  es la resistividad principal de los vagones.

El peso de la composición para el paso de la escalada más difícil utilizando energía cinética está determinado por el método de selección. Para ello, se determina el peso de la composición para el ascensor calculado y se comprueba la posibilidad de pasar el ascensor más difícil. Si la velocidad al final del elemento comprobado es inferior a la calculada (mínimo permitido), se reduce el peso de la composición y se repite el cálculo.

También se comprueba el peso del tren para la condición de arranque en ascenso, mientras que la fuerza de aceleración resultante debe ser mayor que cero.

Solución de problemas de frenado

Las tareas de frenado son las tareas de determinación de los medios de frenado que proporcionan una reducción de la velocidad o una parada completa del tren a la distancia requerida y las tareas de determinación de la distancia a la que un tren con medios de frenado conocidos puede detenerse o reducir la velocidad a un valor dado. Debido a la inercia del sistema de frenos, el aumento de la fuerza de frenado en diferentes autos no ocurre simultáneamente. Para simplificar los cálculos, se supone que la fuerza de frenado aumenta instantáneamente hasta un valor constante después de un cierto período de tiempo t p , que se denomina tiempo de preparación de los frenos para la acción. El tiempo de preparación de los frenos para la acción aumenta con el aumento de la longitud de la composición, y en los cálculos también se utilizan correcciones por la pendiente y la magnitud de la fuerza de frenado.

La distancia de frenado es igual a la suma de la distancia de frenado preparatoria (la distancia recorrida durante la preparación de los frenos) y la distancia de frenado real. El valor de la distancia de frenado real generalmente se determina mediante la integración numérica de la ecuación de movimiento sobre los intervalos de velocidad.

Determinación de la velocidad máxima admisible en función de la presión de frenado calculada, en función de la magnitud de la pendiente

La búsqueda se realiza para el descenso más pronunciado con los medios de frenado dados y la distancia de frenado total aceptada igual a . El método de solución es gráfico-analítico. La distancia total de frenado es:

donde S p es la ruta de preparación de los frenos para la acción, durante la cual los frenos del tren se consideran condicionalmente inactivos (desde el momento en que el mango de la grúa del conductor se coloca en la posición de freno hasta que se activan los frenos del tren).

S d es la distancia de frenado real sobre la cual se mueve el tren con los frenos en plena fuerza

Cálculo del tiempo de viaje por el método de Degtyarev

Para la construcción, es necesario hacer una plantilla en forma de triángulo isósceles. Para nuestra escala, las dimensiones del triángulo son las siguientes: la base es de 60 mm, la altura es de 180 mm. Después de hacer la plantilla, comenzamos la construcción. Cuando el tren comienza a moverse desde la estación “A”, su velocidad aumenta en consecuencia, la curva de tiempo debe aumentar, aplicamos la base de la plantilla para que el ángulo de uno de sus lados y la base descanse en el inicio de la estación “A” , dibuje una línea a lo largo de la plantilla desde cero hasta el punto de intersección con la velocidad . Desde el punto recibido dibujamos una línea a lo largo del otro lado isósceles hasta la base. A continuación, construimos el mismo triángulo, que también limitamos a la curva de velocidad ya construida.

A continuación, continuamos construyendo triángulos uno al lado del otro. Como resultado, obtenemos que cuanto mayor sea la velocidad, mayor será el triángulo, y un triángulo es igual a un minuto. Estos triángulos los contamos construyendo una curva de tiempo, para ello proyectamos la abscisa en la que el triángulo equivale a un minuto termina a la abscisa, que corresponde al valor de 1 minuto, y conectamos el punto que corresponde a este minuto con el siguiente. minuto. Así, obtenemos una curva con intervalos de un minuto a otro minuto, es decir desde el final de un triángulo hasta el final de otro triángulo. Hay que tener en cuenta que la curva de tiempo es creciente, por lo tanto, cuando la ordenada es igual a 10 minutos, cortamos la curva y movemos el punto de quiebre hacia abajo. Así, la curva se corta cada 10 min. En nuestro caso, según la escala, un triángulo equivale a 0,1 minutos.

Trazado de una curva de velocidad

La curva de velocidad es un gráfico de la dependencia de la velocidad de un tren con la distancia recorrida. Debajo del eje de abscisas, el perfil de la ruta se representa condicionalmente. Por lo general, se construye una curva de velocidad de viaje para la composición del peso calculado al determinar el tiempo de viaje más corto para un tren en una sección determinada. El cálculo se realiza mediante un método gráfico, utilizando diagramas de fuerzas de aceleración y desaceleración, o integrando la ecuación de movimiento del tren. El resultado del cálculo se utiliza en la preparación del horario del tren.

Literatura

  • Astakhov P. N. "Resistencia al movimiento del material rodante ferroviario" Actas del Instituto Central de Investigación del Ministerio de Ferrocarriles. Número 311. - Moscú: Transporte, 1966. - 178 p.
  • Deev V. V., Ilyin G. A., Afonin G. S. Libro de texto "Tracción de trenes". - Moscú: Transporte, 1987. - 264 p.
  • Reglas de cálculo de tracción para el trabajo del tren. — M.: Transporte, 1985. 287 p.