5.1.1. Что такое коэффициент сцепления колес с рельсами! От чего он зависит?

Коэффициент сцепления Ψ колес с рельсами представляет частное от деления силы сцепления на вертикальную нагрузку от колесной пары на рельсы. Различают коэффициенты сцепления колесных пар при тяге и торможении.

Безъюзовое торможение проверяют по условиям статического равновесия колесной пары. Динамические факторы (переменная под влиянием колебаний вертикальная нагрузка от колесной пары на рельсы, силы инерции вращающихся масс) учитываются в значении Ψ, определяемом экспериментально. Условие безъюзового торможения имеет вид

Принятые расчетные значения коэффициентов сцепления определяют максимальную эффективность тормозной системы. При заниженном значении расчетного коэффициента сцепления колес с рельсами уменьшается вероятность появления тормозных дефектов на поверхности катания колес, однако удлиняется тормозной путь; при более высоких значениях расчетного коэффициента сцепления тормозной путь сокращается ценой большей вероятности повреждения колес наварами, выщербинами, ползунами.

Физический коэффициент сцепления колес с рельсами колеблется в больших пределах (0,04—0,30) и зависит прежде всего от загрязненности рельсов, а также погодных условий, скорости движения, нагрузки от колесной пары на рельсы, износов подвижного состава и пути, динамических свойств рессорного подвешивания и др.

Наиболее неблагоприятные условия сцепления — на участках пути, загрязненных буксовой смазкой, перевозимыми нефтепродуктами, торфяной пылью. Сильно ухудшается сцепление колес с рельсами при появлении на рельсах росы, изморози, при начавшемся дожде, когда рельсы еще не промыты. В этих случаях необходимо так выбирать начало торможения, чтобы ограничиваться только первой ступенью. После полного перевода грузовых вагонов на роликовые подшипники условия сцепления колес с рельсами улучшатся и коэффициент сцепления повысится.

Повышенная тормозная эффективность высокоскоростного подвижного состава реализуется с применением противоюзных устройств. Современные противоюзные устройства с быстродействующими электронными схемами не только предотвращают повреждение колес, но и несколько повышают коэффициент сцепления на загрязненных участках пути за счет вращения колес с повышенным (до 10—15%) проскальзыванием относительно рельсов.

В режимах тяги и электрического торможения расчетные коэффициенты сцепления в 2—2,5 раза выше, чем при фрикционном торможении. Эта разница объясняется тем, что нарушение сцепления колеса с рельсом при фрикционном торможении (без противоюзного устройства) — явление аварийное, в ряде случаев с серьезными последствиями. Поэтому принимаются соответствующие запасы, делающие маловероятным такое явление. При тяге и электрическом торможении может быть допущена большая вероятность нарушения сцепления колес с рельсами. Кроме того, на тяговом подвижном составе более эффективно воздействие песочницы на повышение сцепления колес с рельсами.

5.1.2. Что такое действительная и расчетная силы нажатия чугунных и композиционных тормозных колодок! От чего зависят значения этих сил?

В результате фрикционного торможения между тормозными колодками и поверхностью катания колес или между тормозными накладками и дисками, жестко связанными с осями колесных пар, возникают силы трения. Эффективность действия тормоза при заданной скорости оценивается тормозным путем, который может быть найден расчетом с использованием действительной силы нажатия колодок и действительного коэффициента их трения. В другом способе расчета действительные значения силы нажатия и коэффициента трения заменяют условными, так называемыми расчетными. Несмотря на то что каждый из этих способов имеет свои формулы и определенный порядок расчета, оба они дают одинаковый результат.

В чем же различие между действительными и расчетными силами нажатия колодок? Если силу нажатия колодки подсчитывать по фактическим конструктивным характеристикам вагона или локомотива, то это и будет действительная сила нажатия. Обозначим ее буквой К. Умножая силу К на действительный коэффициент фк определяемый опытным путем, получим значение тормозной силы колодки, равной К_φк– Коэффициент трения тормозных колодок зависит от их материала, скорости υ (км/ч), силы нажатия К на колодку (тс) и определяется по формулам, полученным опытным путем:
       для стандартных чугунных тормозных колодок

Вычисление тормозных сил поезда по действительному нажатию и коэффициенту трения из приведенных формул весьма трудоемко, так как для вагонов на разном режиме торможения (порожнем, среднем, груженом) нужно определять свое значение φ_к по известному К. Чтобы избежать этого, принимают, что у тормозных колодок одного типа (чугунных или композиционных) коэффициент трения равен некоторому расчетному значению φ_кр, полученному по формуле (8) при К=2,7 тс для чугунных и высокофосфористых и по формуле (10) при К=1,6 тс для композиционных колодок, т. е.

для чугунных стандартных и фосфористых колодок

для композиционных колодок

Расчетное нажатие К_Р определяют по действительному К исходя из того, чтобы при принятом φ_кр, отличающемся от φ_к, касательная тормозная сила В_т, определяющая замедление поезда, при любом методе расчета была одинаковая, равная истинному значению, т. е.

Отсюда получают расчетное тормозное нажатие

Подставив значения φ_к и φ_кр, получим: для стандартных чугунных колодок

Переход от действительных к одной системе расчетных нажатий, не зависящих от скорости, возможен для различных фрикционных материалов при условии, если их коэффициенты трения одинаково зависят от скорости. Только в этом случае возможно суммировать расчетные нажатия независимо от скорости. Если в одном поезде используются тормоза с различными типами фрикционных материалов, коэффициенты трения которых по-разному зависят от скорости (например, чугунные и композиционные колодки), для оценки общего расчета тормозного нажатия поезда необходимо привести все нажатия к единой системе с использованием переводных коэффициентов, которые зависят от скорости.

Так, например, на наших железных дорогах в качестве нормативной принята система расчетных нажатий чугунных тормозных колодок, в которой задаются единые наименьшие нормы нажатий на 100 т массы поезда. Нажатие композиционных колодок приводится к нажатию чугунных с использованием переводных коэффициентов: для пассажирских поездов, имеющих максимальную скорость 120 км/ч, этот коэффициент принимается равным единице (с учетом оборудования редукторной оси чугунными колодками), при скорости 120—140 и 140— 160 км/ч — соответственно 1,25 и 1,30.

Для грузовых вагонов, обращающихся со скоростью до 100 км/ч, с композиционными колодками расчетное тормозное нажатие на ось на порожнем режиме такое же, как при чугунных

колодках, при среднем и груженом режимах — соответственно на 15 и 35% больше, чем на груженом режиме при чугунных колодках, т. е. оно составляет в пересчете на чугунные колодки 8,05 тс на среднем и 9,45 тс на груженом режиме. Чтобы упростить расчет нажатий в поездах, нормативами предусмотрено на среднем режиме принимать нажатие композиционных колодок не 8, а 7 тс, одинаково с груженым режимом чугунных колодок. При этом запас тормозной эффективности учтен в том положении, что при наличии в составе 25, 50 и 100% вагонов с композиционными колодками эффективность тормозных средств эквивалентна нажатию 33 тс на 100 т массы состава соответственно при 32, 31 и 30 тс на 100 т массы и не требуется ограничение по тормозам установленной скорости движения.

С учетом этого положения (запас 10%) расчетное нажатие на ось композиционных колодок грузового вагона на груженом режиме в пересчете на чугунные колодки составит 8,5 тс.

5.1.3. Из каких условий принимают максимальное давление в тормозном цилиндре грузового поезда?

Максимальное давление в тормозных цилиндрах грузовых вагонов зависит от их загрузки и режима торможения, который устанавливается вручную, или автоматически. При этом произведение силы нажатия тормозных колодок, определяемой с учетом передаточного числа рычажной передачи, на их коэффициент трения (касательная тормозная сила) во всем диапазоне загрузок не должно превышать силы сцепления колес с рельсами.

Кроме того, значение расчетного максимального давления в тормозных цилиндрах должно при всех загрузках вагона обеспечивать минимальное расчетное нажатие тормозных колодок 33 тс на 100 т массы состава, установленное нормативами по тормозам. При чугунных тормозных колодках расчетное нажатие на 100 т массы изменяется: от 65 при порожнем вагоне до 40 тс при загрузке 3 т/ось на порожнем режиме, от 60 до 45 тс на среднем режиме с увеличением загрузки до 6 т/ось и от 60 до 28 тс на груженом режиме с увеличением загрузки до полной грузоподъемности вагона (25 т/ось).

При ручном переключении режимов максимально допустимое давление в тормозных цилиндрах составляет на порожнем режиме 1,8, на среднем — 3,2 и груженом — 4,5 кгс/см².
Лучшее использование силы сцепления колесных пар с рельсами при всех загрузках вагона достигается применением автоматических грузовых режимов торможения.

5.1.4. Почему расчетное давление в тормозных цилиндрах на груженом режиме принимается только 4 кгс/см² при максимальном давлении в тормозном цилиндре по техническим условиям 3,9—4,5 кгс/см²_?

Значение 4,0 кгс/см² определяется не только по давлению, обеспечиваемому режимными пружинами воздухораспределителя, но и с учетом возможности работы тормоза в хвосте длинносоставного грузового поезда, где зарядное давление может быть 4,7—5,0 кгс/см².

В этих условиях максимальное давление в тормозном цилиндре ограничивается количеством сжатого воздуха в запасном резервуаре.

5.1.5. Имеется пи разница давлений в тормозном цилиндре при ступенях и полном торможении, а также в снижении давления в магистрали для вызова полного торможения пассажирского вагона, оборудованного композиционными или чугунными тормозными колодками?

Давление в тормозном цилиндре пассажирского вагона, оборудованного композиционными колодками, выше, чем при чугунных тормозных колодках, при одинаковых зарядных давлениях, выходах штоков (при полном торможении) и ступенях торможения. Эта разница объясняется тем, что на шток цилиндра вагона с композиционными колодками установлен хомут длиной 70 мм и поршень не доходит на это расстояние в исходное положение, создавая в тормозном цилиндре дополнительный запас атмосферного воздуха около 7 л. Пассажирский воздухораспределитель, действующий по принципу органа двух давлений, при торможении выпускает из запасного резервуара в тормозной цилиндр определенную порцию сжатого воздуха до выравнивания давлений запасного резервуара с магистралью и смещения поршня в положение перекрыши либо при экстренном и полном торможениях сообщает между собой запасный резервуар и тормозной цилиндр с выравниванием в них давлений сжатого воздуха. При этом дополнительные 7 л атмосферного воздуха в тормозном цилиндре увеличивают в нем давление. Так как разрядка тормозной магистрали для получения максимального давления в тормозном цилиндре равна разнице зарядного давления и этого наибольшего давления, то при композиционных колодках требуемая разрядка магистрали несколько меньше, чем при чугунных (при одинаковом максимальном выходе штока тормозного цилиндра). Значение давления в тормозном цилиндре при ступенях торможения можно рассчитать по следующим формулам:

При этом максимальное значение Δр_м, дающее увеличение давления в тормозных цилиндрах, рассчитывается исходя из выравнивания давления в запасном резервуаре и тормозном цилиндре по формулам:

Результаты расчета давления в тормозном цилиндре при ступенях торможения (для композиционных колодок принято h=0,56 дм, для чугунных n =1 дм) получились следующие:

Арм, кгс/см2………	0,4	0,6	0,8
Давление в тормозном цилиндре Рти (избыточное), кгс/см2 при колодках:композиционных…….	1,73	2,6	3,4
чугунных………	1,53	2,4	3,2

5.1.6. В каких случаях и почему тормозное нажатие и масса локомотива не учитываются в единой наименьшей норме нажатия на 100 т массы состава; для каких поездов расчетное тормозное нажатие на 100 т массы состава принимается равным единой наименьшей норме без подсчета?

Расчетное тормозное нажатие на 100 т массы состава (т. е. без учета тормозных средств и массы локомотива) рассчитывается для груженых грузовых и рефрижераторных поездов, обращающихся со скоростями до 90 км/ч включительно. Для таких поездов единое наименьшее расчетное тормозное нажатие в пересчете на чугунные тормозные колодки составляет 33 тс на каждые 100 т массы состава. Все локомотивы при использовании в процессе экстренного торможения вспомогательного тормоза обеспечены более высокими нажатиями на 100 т массы, поэтому подсчет тормозного нажатия только состава обеспечивает безопасность движения, а повышенная эффективность тормозных средств локомотива идет в запас. Одновременно упрощается сам расчет.

При 100% включенных и исправно действующих тормозов допускается принимать расчетное тормозное нажатие 60 тс на 100 т массы поезда на уровне установленной единой наименьшей нормы (без его подсчета) при скорости движения до 120 км/ч электропоездов всех серий, дизель-поездов ДР1, Д, пассажирских поездов с электровозами ВЛ80 всех индексов, ЧС1, ЧС2, ЧС2Т, ЧСЗ, ЧС4, ЧС4Т, имеющих в составе цельнометаллические вагоны (ЦМВ), кроме межобластных, в том числе вагоны габарита РИЦ. В таких поездах установленная норма тормозного нажатия 60 тс на 100 т массы состава обеспечена всегда и его подсчет не имеет практического смысла, так как и локомотивы, и каждый вагон единой наименьшей нормой тормозного нажатия обеспечены.

Подсчет тормозного нажатия для скорости движения до 120 км/ч также не производится для пассажирских поездов, имеющих в своем составе не менее 12 ЦМВ (кроме межобластных), вагонов габарита РИЦ с электровозами ВЛ60п, ВЛ82,

ВЛ82М и тепловозами ТЭП10, ТЭ7, ТЭП60. Эти локомотивы не обеспечены единой наименьшей нормой тормозного нажатия, однако это компенсируется повышенной тормозной эффективностью вагонов при их количестве более 11.

5.1.7. Как учитываются высокофосфористые тормозные колодки при подсчете тормозного нажатия в электропоездах?

В электропоездах, обращающихся с максимальной скоростью до 120 км/ч включительно, расчетное тормозное нажатие не подсчитывается с учетом обеспеченности поезда установленным нормативом тормозного нажатия 60 тс на 100 т массы поезда. При более высоких скоростях движения, а также в случае выключения тормоза в пути следования на отдельном вагоне расчетное тормозное нажатие на ось высокофосфористой колодки (содержание фосфора 0,7—1,4%) принимается на 10% больше стандартной чугунной колодки в связи с более высоким коэффициентом трения.

Наличие фосфора в колодках повышает одновременно с коэффициентом трения и их износостойкость, особенно при высоких скоростях движения. На грузовых вагонах применение фосфористых колодок запрещено из-за возможности их воспламенения при длительном торможении.

5.1.8. Как определить расчетное тормозное нажатие на ось локомотива, если его воздухораспределитель включен на средний режим?

В таблицах расчетных тормозных нажатий на ось локомотивов даны нажатия порожнего и груженого режимов. При включении воздухораспределителя на средний режим (пересылка локомотивов) расчетное тормозное нажатие на ось принимается 70% от нажатия груженого режима.

5.1.9. Почему и в каких случаях в поездах с составом из порожних вагонов нормы единого наименьшего расчетного тормозного нажатия устанавливаются более высокие, чем в грузовых груженых поездах?

Для безопасного следования грузового поезда с максимальной скоростью 90 км/ч на установленных нормативами спусках достаточно единого наименьшего расчетного тормозного нажатия 33 тс на 100 т массы состава. Для поезда из порожних вагонов нормативами требуется 55 тс расчетного тормозного нажатий на 100 т массы состава, что создает большой резерв эффективности тормозов. Это требование связано с обязательным включением автотормозов всех порожних вагонов. Меньшие уровни требуемых нажатий объективно стимулировали бы возможность отправления порожних поездов с частью неисправных и выключенных воздухораспределителей.

5.1.10. В каких случаях на редукторных колесных парах пассажирских вагонов устанавливают чугунные тормозные колодки! Как при этом обеспечено расчетное тормозное нажатие на ось вагона?

На редукторных колесных парах пассажирских вагонов, оборудованных композиционными колодками, устанавливают чугунные тормозные колодки, если скорость движения этих вагонов не превышает 120 км/ч. Этим увеличивается срок службы редукторных колесных пар и исключаются случаи повреждения редукторов при заклинивании колесных пар. Расчетное нормативное тормозное нажатие на ось в среднем для всего вагона обеспечивается за счет повышенной эффективности композиционных колодок.

5.1.11. Какое принимается расчетное тормозное нажатие на ось грузового груженого вагона, оборудованного грузовым авторежимом?

В соответствии с нормативами расчетное тормозное нажатие на ось грузовых вагонов, оборудованных грузовым авторежимом, принимают 3,5 тс/ось при загрузке до 3 т на ось, 5 тс/ось при загрузке 3—6 т на ось, 7 тс/ось — при загрузке более 6 т на ось.