Тяговая сила - Tractive force

Как используется в машиностроение, период, термин сила тяги может относиться к общему тяга автомобиль воздействует на поверхность, или величина общего сцепления, параллельная направлению движения движение.^[1]

В железнодорожном машиностроении термин тяговое усилие часто используется синонимично с тяговым усилием, чтобы описать тяговую или толкающую способность локомотив. В автомобилестроении различают термины: тяговое усилие обычно превышает тяговое усилие на величину сопротивление качению присутствует, и оба условия больше, чем сумма тяга дышла по общему присутствующему сопротивлению (включая сопротивление воздуха и оценка ). Опубликованное значение тягового усилия для любого транспортного средства может быть теоретическим, то есть рассчитанным на основе известных или подразумеваемых механических свойств, или полученным путем испытаний в контролируемых условиях. Обсуждение в данном документе охватывает использование этого термина в механических приложениях, в которых последней ступенью системы передачи энергии является один или несколько колеса в фрикционный связаться с проезжая часть или же железнодорожные пути.

Определение тягового усилия

Период, термин тяговое усилие часто квалифицируется как пусковое тяговое усилие, постоянное тяговое усилие и максимальное тяговое усилие. Эти условия применяются к различным условиям эксплуатации, но связаны общими механическими факторами: входной крутящий момент на ведущие колеса, диаметр колеса, коэффициент трения (μ) Между ведущими колесами и опорной поверхностью, и весом наносимого на ведущих колеса (м). В товар из μ и м это фактор адгезии, который определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен до начала пробуксовка или же проскальзывание.

• Пусковое тяговое усилие: Стартовое тяговое усилие - это тяговое усилие, которое может быть создано в состоянии покоя. Этот показатель важен для железных дорог, поскольку он определяет максимальный вес поезда, который локомотив может привести в движение.
• Максимальное тяговое усилие: Максимальное тяговое усилие определяется как максимальное тяговое усилие, которое может быть создано при любых условиях, не причиняющих вред транспортному средству или машине. В большинстве случаев максимальное тяговое усилие развивается на низкой скорости и может быть таким же, как стартовое тяговое усилие.
• Непрерывное тяговое усилие: Непрерывное тяговое усилие - это тяговое усилие, которое может поддерживаться неограниченно долго, в отличие от более высокого тягового усилия, которое может поддерживаться в течение ограниченного периода времени до того, как система передачи энергии перегреется. Из-за связи между мощность (п), скорость (v) и сила (F), описан как:

${\displaystyle P=vF}$ или же ${\displaystyle {\frac {P}{v}}=F}$

Тяговое усилие обратно пропорционально скорости при любом заданном уровне доступной мощности. Непрерывное тяговое усилие часто отображается в виде графика в диапазоне скоростей как часть кривая тягового усилия.^[2]

Транспортные средства, имеющие гидродинамическая муфта, множитель гидродинамического момента или же электрический двигатель в составе системы передачи электроэнергии может также иметь максимальное продолжительное тяговое усилие рейтинг, который представляет собой наивысшее тяговое усилие, которое может быть создано в течение короткого периода времени без повреждения компонентов. Период времени, в течение которого можно безопасно создать максимальное непрерывное тяговое усилие, обычно ограничивается тепловыми соображениями. например, повышение температуры в тяговый двигатель.

Кривые тягового усилия

Технические характеристики локомотивов часто включают кривые тягового усилия,^[3][4][5][6] показывая взаимосвязь между тяговым усилием и скоростью.

График зависимости тягового усилия от скорости для гипотетического локомотива с мощностью на рельсе ~ 7000 кВт

Форма графика показана справа. Линия AB показывает работу с максимальным тяговым усилием, линия BC показывает постоянное тяговое усилие, которое обратно пропорционально скорости (постоянная мощность).^[7]

Кривые тягового усилия часто имеют графики сопротивление качению на них накладывается - пересечение графика сопротивления качению^{[примечание 1]} а график тягового усилия показывает максимальную скорость (когда чистое тяговое усилие равно нулю).

Железнодорожный транспорт

Чтобы запустить поезд и разогнать его до заданной скорости, локомотив (ы) должен развивать достаточное тяговое усилие, чтобы преодолевать сопротивление поезда (сопротивление движению), которое представляет собой комбинацию инерция, ось несущий трение, трение колес о рельсы (которое значительно больше на криволинейной дорожке, чем на касательной), а сила сила тяжести если на оценка. Находясь в движении, поезд будет развивать дополнительное сопротивление при ускорении из-за аэродинамические силы, которые увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Перетаскивание также может производиться на высокой скорости из-за грузовик (тележка) охота, что увеличит трение качения между колесами и рельсами. Если ускорение продолжается, поезд в конечном итоге достигнет скорости, при которой доступная тяговая сила локомотива (-ов) точно компенсирует общее сопротивление, вызывая прекращение ускорения. Эта максимальная скорость будет увеличиваться при понижении уровня из-за силы тяжести, способствующей движущей силе, и будет уменьшаться при обновлении из-за силы тяжести, противодействующей движущей силе.

Тяговое усилие можно теоретически рассчитать исходя из механических характеристик локомотива (например, давления пара, веса и т. Д.) Или путем реальных испытаний с дышло тензодатчики и динамометр. Мощность на железной дороге - это железнодорожный термин, обозначающий доступную мощность тяги, то есть мощность, которая доступна для движения поезда.

Паровозы

Расчетное тяговое усилие одноцилиндрового паровоза может быть получено из давления в цилиндре, диаметра цилиндра, Инсульт поршня^{[заметка 2]} и диаметр колеса. Крутящий момент, развиваемый при поступательном движении поршня, зависит от угла, который ведущий шток образует с касательной к радиусу на ведущем колесе.^{[заметка 3]} Для более полезного значения используется среднее значение по обороту колеса. Движущая сила - это крутящий момент, деленный на радиус колеса.

В качестве приближения можно использовать следующую формулу (для двухцилиндрового локомотива):^{[примечание 4]}

${\displaystyle t={\frac {d^{2}sp}{w}}\times 0.85}$ ^[8]

куда

• т тяговое усилие
• d это поршень диаметр в дюймах (сверлить )
• s это ход поршня в дюймах
• п рабочее давление в фунтов на квадратный дюйм
• ш диаметр ведущих колес в дюймах

Константа 0,85 была Ассоциация американских железных дорог (AAR) стандарт для таких расчетов, и переоценил эффективность одних локомотивов и недооценил эффективность других. Наверное, недооценивали современные локомотивы с роликоподшипниками.

Европейские дизайнеры использовали константу 0,6 вместо 0,85, поэтому их нельзя сравнивать без коэффициента преобразования. В Великобритании на магистральных железных дорогах обычно используется константа 0,85, но производители промышленных локомотивов часто используют меньшее значение, обычно 0,75.

Постоянная c также зависит от размеров цилиндра и времени открытия клапанов на впуске пара; если впускные клапаны пара закрываются сразу после достижения полного давления в цилиндре, можно ожидать, что сила поршня упадет до менее чем половины первоначальной силы.^{[примечание 5]} давая низкий c ценить. Если клапаны баллона остаются открытыми дольше, значение c встанет ближе к одному.

Три или четыре цилиндра (простой)

Результат следует умножить на 1,5 для локомотива с тремя цилиндрами и на два для локомотива с четырьмя цилиндрами.^[9]

В качестве альтернативы тяговое усилие всех «простых» (т.е. несоставных) локомотивов можно рассчитать следующим образом:

${\displaystyle t={\frac {0.85d^{2}nsp}{2w}}}$ ^[10]

куда

• т тяговое усилие
• п это количество цилиндров
• d диаметр поршня в дюймах
• s это ход поршня в дюймах
• п максимальное номинальное давление котла в фунтах на кв. дюйм
• ш диаметр ведущих колес в дюймах

Несколько цилиндров (составные)

Для других количеств и комбинаций цилиндров, включая двигатели с двойным и тройным расширением, тяговое усилие можно оценить, добавив тяговые усилия, создаваемые отдельными цилиндрами при их соответствующем давлении и ходе цилиндра.^{[примечание 6]}

Ценности и сравнения для паровозов

Тяговое усилие - это цифра, которую часто называют при сравнении мощностей паровозов, но она вводит в заблуждение, потому что тяговое усилие показывает способность трогать поезд, а не способность тянуть его. Возможно, самое высокое тяговое усилие, которое когда-либо требовалось, приходилось на Виргинская железная дорога с 2-8-8-8-4 Триплекс локомотив, который в простое расширение режим имел расчетную пусковую Т. 199 560 фунтов-силы (887,7 кН) - но котел не мог производить достаточно пара для буксировки на скорости более 5 миль в час (8 км / ч).

Из более успешных паровозов с самым высоким начальным тяговым усилием были Вирджинские железные дороги класса AE. 2-10-10-2с, при 176 000 фунтов-сил (783 кН) в режиме простого расширения (или 162 200 фунтов при расчете по обычной формуле). В Union Pacific Большие мальчики был начальный T.E. 135 375 фунтов силы (602 кН); то Норфолк и вестерн классы Y5, Y6, Y6a и Y6b 2-8-8-2с был начальный T.E. 152 206 фунтов силы (677 кН) в режиме простого расширения (позже модифицированный до 170 000 фунтов силы (756 кН), утверждают некоторые энтузиасты); и Пенсильванская железная дорога фрахт Дуплекс 2 квартал достигла 114 860 фунтов силы (510,9 кН, включая усилитель) - самого высокого значения для локомотива с жесткой рамой. Более поздние двухцилиндровые пассажирские локомотивы обычно имели от 40 000 до 80 000 фунтов силы (от 170 до 350 кН) T.E.

Дизельные и электровозы

Для электровоз или тепловоз, стартовое тяговое усилие можно рассчитать исходя из веса на ведущие колеса (который в некоторых случаях может быть меньше, чем общий вес локомотива), вместе взятых. Пусковой момент из тяговые двигатели, то передаточное число между тяговыми двигателями и осями, и ведущим колесом диаметр. Для дизель-гидравлический локомотив, на пусковое тяговое усилие влияет крутящий момент гидротрансформатор, а также зацепление, диаметр колеса и вес локомотива.

Взаимосвязь между мощностью и тяговым усилием была выражена Хэем (1978) как

${\displaystyle t={\frac {375PE}{v}}}$ ^[11]

куда

• т тяговое усилие, в фунт-сила (фунт-сила)
• п сила в Лошадиные силы (л.с.)
• E - это КПД с предлагаемым значением 0,82 для учета потерь между двигателем и рельсом, а также мощности, отводимой на вспомогательные системы, такие как освещение.
• v скорость в миль в час (миль / ч)

Грузовые локомотивы спроектированы так, чтобы обеспечивать более высокое максимальное тяговое усилие, чем пассажирские единицы эквивалентной мощности, что обусловлено гораздо большим весом, типичным для грузового поезда. В современных локомотивах передача между тяговыми двигателями и осями выбирается в соответствии с типом службы, в которой будет эксплуатироваться установка. Поскольку тяговые двигатели имеют максимальную скорость, с которой они могут вращаться без повреждений, передача более высокого тягового усилия осуществляется за счет максимальной скорости. И наоборот, зубчатая передача, используемая в пассажирских локомотивах, способствует скорости, а не максимальному тяговому усилию.

Электровозы с мономотор тележки иногда оснащаются двухскоростной передачей. Это позволяет увеличить тяговое усилие при буксировке грузовых поездов, но с меньшей скоростью. Примеры включают классы SNCF BB 8500 и BB 25500.

Смотрите также

• Фактор прилипания, который представляет собой просто вес на ведущих колесах локомотива, деленный на стартовое тяговое усилие
• Тягач трактор, тяговое усилие - статьи о тяговом усилии для других видов транспортных средств
• Адгезия к рельсам
• Классификация мощности – Британские железные дороги и Лондон, Мидленд и Шотландская железная дорога схема классификации
• Уравнение перетаскивания

Ссылки и примечания

Примечания

1. Графики обычно показывают сопротивление качению для поездов стандартной длины или веса на уровне или на подъеме.
2. Половина расстояния хода примерно равна радиальному расстоянию от муфты ведущей тяги до центра ведомого колеса.
3. Соотношение: крутящий момент = сила._{поршень} Икс р (радиальное расстояние до точки соединения ведущей тяги) x cos (А), куда А - угол, под которым ведущая штанга образует касательную к радиусу от центра колеса до крепления ведущей штанги
4. Как и любая физическая формула, меры измерения должны быть последовательными: давление в фунтах на квадратный дюйм и длина в дюймах дают тяговое усилие в фунтах-силах, тогда как давление в Па и длина в метрах дают тяговое усилие в Н.
5. Видеть Газовые законы для объяснения.
6. Значение постоянной c для баллона низкого давления принимается равным 0,80, когда значение для баллона высокого давления принимается равным 0,85

Рекомендации

1. SAE J2047, Tire Performance Technology, февраль 1998 г.
2. Саймон Ивницки, изд. (2006). Справочник по динамике железнодорожного подвижного состава. Бока-Ратон: CRC Press: Тейлор и Фрэнсис. п. 256. ISBN  978-0-8493-3321-7.
3. XPT: доставка, тестовые и демонстрационные запуски railpage.au.org см. график
4. Семейство локомотивов Gravita voithturbo.de (страница 2) В архиве 2009-03-18 на Wayback Machine
5. Грузовые дизель-электрические локомотивы EURO 4000 vossloh-espana.com (страница 2)
6. Eurorunner ER20 BF и ER20 BU, Дизель-электрические платформенные локомотивы для Европы siemens.dk (стр. 3)
7. Юджин А. Аваллоне; Теодор Баумейстер; Али Садех, ред. (2006). Стандартное руководство Marks для инженеров-механиков (11-е изд.). Макгроу-Хилл. п. 166. ISBN  978-0-07-142867-5.
8. Аллан, Ян (1957). Общий объем локомотивов British Railways. Ян Аллан Лтд.
9. Ян Аллан ABC из British Railways Locomotive, издание зима 1960/61, часть 1, с. 3
10. Филлипсон, Э.А. (1936). Конструкция паровоза: данные и формулы. Издательская компания "Локомотив".
11. Хэй, Уильям (1978). Железнодорожное машиностроение. Вили, Нью-Йорк. п. 100.

дальнейшее чтение

• Простое руководство по обучению физике
• Тяговое усилие, ускорение и торможение