Сущность электрического торможения.

При электрическом торможении тяговые электродвигатели переходят в генераторный режим. Их якоря получают вращение через зубчатую передачу от вращения колесных пар за счет запасенной кинетической энергии поезда или при движении поезда под уклон. На проводники обмотки якоря каждого электродвигателя будет действовать выталкивающая сила, направленная против вращения якоря, затормаживающая вращение якоря, а через зубчатую передачу затормаживающая вращение колесной пары.

В случае подключения к обмотке якоря резистора электроэнергия, вырабатываемая электродвигателем, будет гаситься на резисторе – выделяется в виде тепла. За счет изменения величины сопротивления резистора можно регулировать величину тормозной силы. Такой способ электрического торможения называется реостатным.

В случае передачи электроэнергии от электродвигателя в контактную сеть электрическое торможение называется рекуперативным. Рекуперативное торможение возможно в случае превышения вырабатываемой электродвигателем Э.Д.С. напряжения контактной сети. Это невозможно при последовательном возбуждении тяговых двигателей, которые используются в режиме тяги. При переходе в режим рекуперативного торможения, тяговые двигатели переключают на независимое возбуждение.

На электровозах переменного тока с тяговыми двигателями постоянного тока применение рекуперативного торможения затруднено, т.к. тяговые двигатели вырабатывают постоянное напряжение, которое при передаче в контактную сеть необходимо преобразовать (инвертировать) в переменное напряжение. Это стало возможным с применением управляемых вентилей – тиристоров, которые при рекуперативном торможении переключаются с частотой переменного тока. На электровозах переменного тока сейчас устанавливают выпрямительные установки, собираемые на тиристорах. В режиме тяги установка исполняет роль выпрямителя, а в режиме рекуперативного торможения – роль инвертора.

Преимущества электрического торможения: экономия тормозных колодок, простота управления на спусках, а при рекуперативном торможении и экономия электроэнергии.

На некоторых тепловозах применяется реостатное торможение.

Образование силы тяги.

При подаче U на обмотки тягового двигателя, по обмоткам тягового двигателя течет ток, образуется вращающий момент, якорь тягового двигателя вращается и через зубчатую передачу вращающий момент передается на колесную пару М_к. Колесо колесной пары прижато к рельсу с силой Р₀. Вращающий момент М_к можно заменить парой сил F₁ и F₂. Сила F₁ приложена к центру колеса О, а сила F₂ – к ободу колеса в точке А касания его с рельсом. Рельс закреплен! Под действием сил F₂ и Р₀ возникнут равные им и противоположно направленные реакции со стороны рельса, выраженные силами F_к и R, которые являются внешними силами. Сила R направлена вертикально и не влияет характер движения. Сила реакции рельса F_к и является силой тяги. За счет сцепления колеса с рельсом возникает необходимый упор. При этом силы F₂ и F_к уравновешиваются. Под действием силы F₁ колесо поворачивается относительно точки А, как мгновенного центра вращения. Так как мгновенный центра вращения при этом перемещается по поверхности головки рельса слева направо, то и центр колеса (точка О) поступательно движется в том же направлении.

Сумма сил F_к всех движущих колесных пар локомотива называется силой тяги локомотива.

Сила тяги F_к не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом. F_к ≤ F_{к сцеп}. В противном случае колесо теряет упор и начнется проскальзывание - боксование. Сила сцепления определяется произведением силы Р₀ на коэффициент сцепления колеса с рельсом – F_сцеп = P₀ x ψ.

Для локомотива F_сцеп = m_л x g x ψ, где m_л - масса локомотива, g – 9,81 м/с² – ускорение свободного падения, ψ – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от материала рельса и колес, состояния их поверхностей, от скорости движения.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей на поверхностях колеса и рельса. При таком рассуждении можно считать, что при наличии отшлифованных поверхностей сила сцепления меньше. Однако, практика доказывает, что при чистых и хорошо обработанных поверхностях сила сцепления выше. Сцепление колес с рельсами объясняется молекулярным сцеплением. Для увеличения сцепления колес с рельсами используют сухой кварцевый песок, который разрушает поверхностные пленки и твердые частицы внедряются в контактируемые поверхности.

Расчетный коэффициент сцепления локомотива ψ_к определяют по эмпирическим формулам для различных типов локомотивов и отдельно в кривых малого радиуса R менее 500 м; например для электровозов переменного тока

Под каждое колесо электровоза нужно подавать песка 400-700 г/мин летом и 900-1500 г/мин зимой.

Склонность колесных пар к боксованию возрастает с увеличением проката бандажей свыше 3÷4 мм и износа рельсов вследствие изменения формы и размеров площадки, по которой соприкасаются колесо и рельс.

Вращающий момент, действующий на колесо М_к = М х μ x η_n, где М – вращающий момент на валу якоря тягового двигателя, μ - передаточное отношение зубчатой передачи, η_n – к.п.д. зубчатой передачи и моторно-осевых подшипников, который принимается равным 0,975.

Сила F₁ действующая на буксу, и по III закону Ньютона букса на колесе действует с силой F₃. Пара сил F₃ и F_к определяют момент. Для условия равновесия колеса F_к х D_к / 2 = М_к, отсюда F_к = 2 М_к / D_к, или

Как видно из формулы силу тяги локомотива можно изменить конструктивно изменением передаточного отношения зубчатой передачи или изменением диаметра колеса D_к.

При увеличении передаточного отношения зубчатой передачи сила тяги увеличивается, а при увеличении диаметра колеса D_к – уменьшается; при этом скорость движения будет изменяться наоборот. Поэтому, для пассажирских локомотивов не так важна сила тяги, как скорость, то =1,5 3,0, а для грузовых локомотивов не так важна скорость, как сила тяги, то =3,5 5,0.

Передаточное отношение - это отношение числа зубьев зубчатого колеса, расположенного на колесной паре, к числу зубьев шестерни, расположенной на валу якоря электродвигателя и показывает, во сколько раз медленнее вращается колесная пара по отношению к вращению якоря тягового электродвигателя.