浙江湘潭电机车改造气制动时轮轨的粘着分析
地面制动力不是随着制动器输出的制动力增大而一直增大的,其要受限于轮轨间粘着作用,一旦制动器输出的制动力大于轮轨间的粘着极限力,轮轨间的粘着就被破坏,车轮被抱死而打滑,此时电机车制动力急剧下降,因此有必要了解轮轨的粘着特性以及影响粘着特性的因素。
1)粘着机理
在轴重载荷的作用下,车轮与钢轨的接触部分紧紧压在一起。轮轨间切向力使车轮与钢轨的接触点有向左的运动趋势,车轮作用于钢轨的力与切向力相同,此时接触点向左的运动趋势必然会引起钢轨与车轮向右的摩擦力,即钢轨对车轮的反作用力,其大小与车轮作用于钢轨的力相等,方向相反。因此,轮轨接触点相对保持静止不会产生滑动,车轮在切向力的作用下只作纯滚动。这种车轮与钢轨接触处相对静止的现象就称为“粘着”。我们将粘着状态下的轮轨纵向水平切向力的更大值称为极限粘着力,粘着系数可以表示成轮轨接触的极限粘着力与轴重的比值。机车制动时,制动器的制动力开始时随着凸轮驱动力变大而变大,此时地面制动力等于制动器的制动力;而当凸轮驱动力达到一定值时地面制动力恰好等于粘着极限力;当凸轮驱动力继续增加时,车轮被完全抱死,电机车产生滑行,粘着被破坏,此时地面制动力等于轮轨间的滑动摩擦力,电机车的制动力下降,易引起制动距离增加。实践证明,电机车完全抱死滑行时制动力下降为粘着状态下更大制动力的0.5%。另外,电机车滑行不仅会增大制动距离,而且长时间滑行会加剧车轮踏面的磨损,缩短车轮的寿命,影响煤碳运输的效率。因此,合理地控制制动器的制动力对缩短制动距离至关重要,制动力过小,制动效果达不到,制动距离变大;而当制动力过大,车轮被抱死滑行,制动距离超限。尽量保证制动力在更大粘着力附近,制动效果更好。
2)影响粘着系数的因素
从上面分析可知,要想获得更大的制动力,就要提高轮轨之间的极限粘着力,而极限粘着力又由粘着系数决定,故有必要探讨影响轮轨粘着系数的因素,对提高制动力有重大意义。目前对粘着系数研究主要是依靠实验,经专家分析轮轨表面条件、线路曲线、车辆速度以及轴重等对制动粘着系数的影响比较大
(1)轮轨的表面条件
轮轨表面的干湿和污染程度对粘着系数影响很大,如当轮轨表面附有煤泥等潮湿的污染物时,减少了轮轨间实际接触面积,相当于在接触点处发生微观变形减少,导致粘着系数会变低,经实验验证当轮轨间带有水和煤泥状态时,粘着系数降低很多。相反,轮轨表面干燥清洁时,粘着系数较大。另外,在轨面上适当地撒以干燥清洁的沙子可以提高粘着系数,电机车一般通过撒沙的方式来提高轮轨粘着系数来减少车轮“空转”和“打滑”。
(2)速度
根据相关实验证明,制动粘着系数在轨面条件不变的情况下随着速度提高而降低尤其是在轮轨表面被煤泥等污染时,粘着系数会随着速度的增加而急剧下降,这是因为车轮高速旋转使得轮轨间形成薄膜,即轮轨实际接触面积减少,导致粘着系数下降。
(3)线路曲线
在轨道的弯曲区段,电机车在曲线轨道上行驶时,轮轨间存在纵向和横向蠕滑现象。当电机车转弯时,其运行方向与轨道的切线方向形成冲角,导致车轮产生横向蠕滑,使得粘着系数变小。
(4)轴重和轮径
在轴载荷和轨面半径相同的条件下,轮径越大粘着系数越大,因为轮径越大,轮轨间接触面积越大,能够传递的切向力越大。
综上所述,轮轨间的粘着系数容易受到许多因素的影响,对环境因素比较敏感。矿用电机车的运行速度一般很小,且轴重和半径都不是很大,同时井下环境恶劣,因此井下轮轨间的粘着主要受到轮轨表面的影响。电机车制动时,良好的粘着条件对于其缩短制动距离至关重要。
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