Большую роль в успешном решении стоящих перед коксохимической промышленностью металлургической отрасли задач играют машины и оборудование, обеспечивающие высокую эффективность технологических процессов.

Технология производства кокса включает загрузку камер коксования, коксование, выдачу кокса, тушение и сортировку.

Тушильный вагон предназначен для приема выдаваемого из печи раскаленного кокса, транспортирования его в тушильную башню и к коксовой рампе. Передвигается он электровозом по рельсовому пути, уложенному вдоль фронта батареи с коксовой стороны. Во время приема кокса тушильный вагон необходимо передвигать со скоростью, обеспечивающей равномерное распределение его по всей поверхности кузова. После приема кокса в тушильный вагон для сокращения времени сгорания кокса и перегрева металлоконструкции кузова необходимо перемещать вагон к тушильной башне на предельно допустимой скорости.

Электровоз предназначен для передвижения коксотушильных вагонов вдоль фронта коксовых батарей.

Повышение тяговых свойств электровоза требует реализации предельных по условию сцепления тяговых усилий. Реализация сил тяги в точке контакта колеса и рельса для рельсового транспорта ограничена специфическими факторами. К основным факторам можно отнести следующие: низкий коэффициент сцепления колес с рельсами, зависящий в реальных условиях от характера и степени загрязненности дорожек катания рельсов коксовой пылью, повышенная влажность, химическая активность окружающей среды, несовершенство ходовой части электровозов (наличие зазоров в буксах и звеньях привода), сложность профиля и криволинейность рельсового полотна и т.д. Все это приводит к тому, что коксотушильный электровоз в основном работает в переходных режимах с частым боксованием колес. Режим боксования является аварийным режимом работы, при котором более чем в 2,5-3 раза возрастает динамическая нагруженность элементов привода, резко повышается износ колесных пар и рельсов, снижается тяговое усилие электровоза. Все это в совокупности приводит к существенному росту удельных энергетических и эксплуатационных затрат. Поэтому весьма важную роль в повышении технологических качеств электровоза играет эффективность систем, предотвращающих боксование колес.

Для увеличения эффективности и повышения силы тяги проектировщики прибегали к увеличению веса самого электровоза. Однако дальнейшее повышение массогабаритных показателей для обеспечения необходимой силы прижатия колес локомотивов к рельсам увеличивает бесполезно перевозимую неподрессоренную массу, которая снижает динамические свойства привода и ухудшает воздействие на рельсовый путь. Поэтому сейчас актуальной является задача использования резервов по повышению силы тяги без увеличения сцепной массы электровоза.

Работы различных исследователей [1, с. 2] показывают, что максимальное использование тяговых свойств электровозов возможно, если научиться активно, с максимальной эффективностью, управлять силами сцепления колес с рельсовым полотном, и поэтому разработка таких систем является сегодня актуальной задачей.

Движение тела с некоторой скоростью или изменение этой скорости, согласно законам физики, возможно только под действием внешней силы. На электровозе, где происходит передача вращающих или тормозных моментов от тяговых электродвигателей или тормозных устройств на колеса, образование движущей силы тяги или тормозной силы как внешних сил происходит через сцепление колес с поверхностью рельса. При этом возникают силы сцепления.

Внешняя по отношению к колесу сила сцепления F_СЦ, направленная по движению, является силой тяги. Она численно равна силе F_K, обусловленной вращающим моментом тягового двигателя. Можно представить, что за счет сцепления колеса и поверхности дороги возникает необходимый упор, отталкиваясь от которого, колесо начинает движение.

При отсутствии трения в подшипниках и передаче и при вращении колеса с постоянной угловой скоростью [2, с. 50]

,

где F – сила тяги двигателя, Н.

где     М_Д – момент, развиваемый тяговым двигателем на валу, Н·м;

I – передаточное число движущего механизма;

    r – радиус колеса, м.

Сила В_СЦ – внешняя по отношению к колесу и направленная против его движения – называется тормозной силой. Сила В_К‘, равная В_СЦ, передается на раму тележки или кузов через крепление тормозных колодок при механическом торможении или через крепление тяговых двигателей при электрическом торможении.

Чтобы увеличить касательную силу тяги F_СЦ, нужно создавать больший вращающий момент на колесной паре, а следовательно, и большую силу F_К. Однако силу F_К можно увеличивать только до предельного значения силы сцепления F_СЦ.ПР. Если F_К превысит F_СЦ.ПР, то произойдет потеря сцепления, и колесо начнет проскальзывать относительно поверхности дороги. Такое явление называется боксованием. Предельное значение силы сцепления:

где     Р – сила нормального давления колеса, Н;

    Ψ_К – коэффициент сцепления колеса с поверхностью.

Во избежание боксования сила F_К не должна превышать предельную силу сцепления, т. е. должно выполняться следующее условие:

Если при торможении сила В_К превысит максимально возможную силу сцепления В_СЦ.ПР, то произойдет заклинивание колес, и колеса начнут скользить относительно пути. Это явление называется юзом.

Предельная сила сцепления, как и в режиме тяги, определяется силой нажатия Р и коэффициентом сцепления Ψ_К:

Во избежание юза необходимо, чтобы наибольшая тормозная сила не превосходила предельного значения по сцеплению, т. е.

Очень большое значение в процессе взаимодействия колеса и рельса имеет коэффициент сцепления Ψ_К. Он является одним из основных факторов, влияющих на эксплуатационные и технико-экономические показатели электрического транспорта. Величина коэффициента сцепления определяет максимально допустимые силы тяги и торможения электровоза, которые могут быть реализованы по условию сцепления.

Физический коэффициент сцепления зависит от трех групп факторов: от конструкции локомотива и состояния его колесных пар и от атмосферных условий. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Коэффициент сцепления зависит также от состояния пути (чем больше деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Коэффициент сцепления зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала несколько увеличивается, затем падает. Коэффициент сцепления не рассчитывается, а выбирается из наиболее вероятных значений и наряду с минимально и максимально возможными потенциальными коэффициентами характеризует сцепление на определенной железной дороге для определенного средства тяги. Он может в несколько раз отличаться от реального, который в зависимости от состояния пути, экипажа и режима движения может изменяться от 0,04 до 0,46. Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз.

На основании опытных данных в правилах тяговых расчетов приведены зависимости расчетного коэффициента Ψ от скорости для электровозов постоянного тока [2, с. 57]:

где v – скорость электровоза, км/ч.

    Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.

Созданы и разрабатываются различные способы борьбы с боксованием, в первую очередь для электровозов постоянного тока.

Развившееся боксование часто не прекращается при подсыпке песка, применение которого увеличивает коэффициент сцепления. Прекратить боксование можно, уменьшив силу тяги, развиваемую тяговыми двигателями, так, чтобы она стала ниже силы трения скольжения бандажей по рельсам. Но тогда снижается сила тяги двигателей всех колесных пар, а не только боксующих, т. е. прекращение боксования таким способом обычно сопровождается снижением скорости. Поэтому для прекращения боксования целесообразно предусмотреть автоматическое снижение силы тяги, а следовательно, и момента только у боксующего двигателя

    Задача согласования тягового усилия заключается в том, чтобы заставить боксующую колесную пару, у которой мгновенный коэффициент сцепления Ψ имеет более низкое значение, вращаться с такой же угловой скоростью что и колесная пара с лучшими условиями сцепления и более высоким коэффициентом сцепления. Таким образом, подверженная боксованию колесная пара, может реализовывать тяговое усилие, пусть и более низкое. Но при этом электровоз в целом будет иметь суммарную силу тяги выше, нежели аналогичный электровоз без системы согласованиия тягового усилия и находящийся в тех же условиях сцепления.

1. Процив В. В., Твердохлеб А. М. Алгоритм работы системы регулирования тягового усилия шахтного локомотива. http://knu.edu.ua/Files/32_2012/60.pdf
2. Основы электрического транспорта. Учебник. / Под ред. Слепцова М. А. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 464 с.
3. Сидоров Н. И., Сидорова Н. Н. Как устроен и работает электровоз. – М.: Транспорт, 1988. – 233 с.

Все статьи автора «Ольга Владимировна Вересова»