Tažná síla - Tractive force

Jak se používá ve strojírenství , termín tažná síla může odkazovat na celkovou trakci, kterou vozidlo vyvíjí na povrch, nebo na velikost celkové trakce, která je rovnoběžná se směrem pohybu .

V železničním inženýrství se pojem tažná síla často používá jako synonymum tažné síly k popisu tažné nebo tlačné schopnosti lokomotivy . V automobilovém průmyslu jsou tyto výrazy charakteristické: tažná síla je obecně vyšší než tažná síla o přítomný valivý odpor a oba termíny jsou vyšší než množství tažného oje o celkový přítomný odpor (včetně odporu vzduchu a sklonu ). Publikovaná hodnota tažné síly pro jakékoli vozidlo může být teoretická - tj. Vypočtená ze známých nebo předpokládaných mechanických vlastností - nebo získána zkoušením za kontrolovaných podmínek. Diskuse zde zahrnuje použití termínu v mechanických aplikacích, ve kterých je konečnou fází systému přenosu energie jedno nebo více kol ve třecím kontaktu s vozovkou nebo železniční tratí .

Definování tažné síly

Pojem tažná síla se často označuje jako počáteční tažná síla , nepřetržitá tažná síla a maximální tažná síla . Tyto podmínky se vztahují na různé provozní podmínky, ale souvisí s běžnými mechanickými faktory: vstupní točivý moment na hnací kola, průměr kola, koeficient tření ( μ ) mezi hnacími koly a nosnou plochou a hmotnost působící na hnací kola ( m ). Produkt o u Stabilizátory a m je součinitel adheze , která určuje maximální točivý moment, který může být aplikován před nástupem Protáčení nebo prokluzu kol .

• Zahájení tažné síly : Zahájení tažné síly je tažná síla, která může být generována při zastavení. Tento údaj je důležitý na železnici, protože určuje maximální hmotnost vlaku, kterou může lokomotiva uvést do pohybu.
• Maximální tažná síla : Maximální tažná síla je definována jako nejvyšší tažná síla, která může být generována za podmínek, které nepoškodí vozidlo nebo stroj. Ve většině případů se maximální tažná síla vyvíjí při nízké rychlosti a může být stejná jako počáteční tažná síla.
• Trvalá tažná síla : Trvalá tažná síla je tažná síla, kterou lze udržovat po neomezenou dobu, na rozdíl od vyšší tažné síly, kterou lze udržovat po omezenou dobu před přehřátím systému přenosu energie. Kvůli vztahu mezi výkonem ( P ), rychlostí ( v ) a silou ( F ), popsanou jako:

${\ displaystyle P = vF}$ nebo ${\ displaystyle {\ frac {P} {v}} = F}$

Tahová síla se nepřímo mění s rychlostí při jakékoli dané úrovni dostupného výkonu. Kontinuální tažná síla se často zobrazuje ve formě grafu při různých rychlostech jako součást křivky tažné síly .

Vozidla, která mají jako součást systému přenosu energie hydrodynamickou spojku , multiplikátor hydrodynamického točivého momentu nebo elektrický motor , mohou mít také maximální hodnocení nepřetržité tažné síly , což je nejvyšší tažná síla, kterou lze krátkodobě vyprodukovat, aniž by došlo k poškození součásti. Časové období, po které lze bezpečně generovat maximální nepřetržitou tažnou sílu, je obvykle omezeno tepelnými úvahami. jako je nárůst teploty v trakčním motoru .

Křivky tahového úsilí

Specifikace lokomotiv často zahrnují křivky tažného úsilí, ukazující vztah mezi tažným úsilím a rychlostí.

Schéma tažné síly versus rychlosti pro hypotetickou lokomotivu s výkonem na železnici ~ 7000 kW

Tvar grafu je zobrazen vpravo. Linka AB ukazuje provoz při maximální tažné síle, linka BC ukazuje nepřetržitou tažnou sílu, která je nepřímo úměrná rychlosti (konstantní výkon).

Na křivkách tažného úsilí jsou často umístěny grafy valivého odporu - průsečík grafu valivého odporu a grafu tažné síly poskytuje maximální rychlost při nulovém sklonu (když je čistá tažná síla nulová).

Kolejová vozidla

Aby mohl vlak rozjet a zrychlit na danou rychlost, musí lokomotiva vyvinout dostatečnou tažnou sílu k překonání odporu vlaku (odpor k pohybu), což je kombinace setrvačnosti , tření ložiska nápravy , tření kola na kolejích (což je podstatně větší na zakřivené trati než na tečné trati) a gravitační síla, pokud je na svahu . Jakmile je vlak v pohybu, vyvine další odpor, protože zrychluje v důsledku aerodynamických sil , které se zvyšují s druhou mocninou rychlosti. Tah může být také produkován rychlostí kvůli lovu nákladních vozidel (podvozků) , což zvýší valivé tření mezi koly a kolejnicemi. Pokud zrychlení pokračuje, vlak nakonec dosáhne rychlosti, při které dostupná tažná síla lokomotivy bude přesně kompenzovat celkový odpor, což způsobí zastavení zrychlení. Tato nejvyšší rychlost se zvýší při downgradu kvůli gravitaci napomáhající hybné síle a sníží se při upgradu kvůli gravitaci oponující hybné síle.

Trakční úsilí lze teoreticky vypočítat z mechanických charakteristik lokomotivy (např. Tlaku páry, hmotnosti atd.), Nebo skutečným testováním s tažnými senzory oje a vozem dynamometru . Síla na železnici je železniční termín pro dostupnou sílu pro trakci, tj. Sílu, která je k dispozici pro pohon vlaku.

Parní lokomotivy

Odhad tažné síly jednoválcové parní lokomotivy lze získat z tlaku válce, otvoru válce, zdvihu pístu a průměru kola. Točivý moment vyvíjený lineárním pohybem pístu závisí na úhlu, který hnací tyč vytváří s tangensem poloměru na hnacím kole. Pro užitečnější hodnotu se použije průměrná hodnota otáčení kola. Hnací silou je točivý moment dělený poloměrem kola.

Jako aproximaci lze použít následující vzorec (pro dvouválcovou lokomotivu):

${\ displaystyle t = {\ frac {d ^ {2} sp} {w}} \ krát 0,85}$

kde

• t je tažná síla
• d je průměr pístu v palcích ( vrtání )
• s je zdvih pístu v palcích
• p je pracovní tlak v librách na čtvereční palec
• w je průměr hnacích kol v palcích

Konstanta 0,85 byla standardem Asociace amerických železnic (AAR) pro takové výpočty a nadhodnocovala účinnost některých lokomotiv a podcenila účinnost ostatních. Moderní lokomotivy s válečkovými ložisky byly pravděpodobně podceňovány.

Evropští návrháři použili konstantu 0,6 namísto 0,85, takže tyto dva nelze srovnávat bez konverzního faktoru. V Británii hlavní tratě obecně používaly konstantu 0,85, ale stavitelé průmyslových lokomotiv často používali nižší hodnotu, obvykle 0,75.

Konstanta c také závisí na rozměrech válce a době, kdy jsou vstupní ventily páry otevřené; pokud jsou vstupní ventily páry uzavřeny ihned po dosažení plného tlaku ve válci, lze očekávat, že síla pístu klesla na méně než polovinu původní síly. dávat nízkou hodnotu c . Pokud jsou ventily lahví ponechány otevřené déle, hodnota c se zvýší blíže k jedné.

Tři nebo čtyři válce (jednoduché)

Výsledek by měl být vynásoben 1,5 pro tříválcovou lokomotivu a dvěma pro čtyřválcovou lokomotivu.

Alternativně lze tažnou sílu všech „jednoduchých“ (tj. Nesložených) lokomotiv vypočítat takto:

${\ displaystyle t = {\ frac {0,85d ^ {2} nsp} {2w}}}$

kde

• t je tažná síla
• n je počet válců
• d je průměr pístu v palcích
• s je zdvih pístu v palcích
• p je maximální jmenovitý tlak kotle v psi
• w je průměr hnacích kol v palcích

Více válců (směs)

U jiných počtů a kombinací válců, včetně dvojitých a trojitých expanzních motorů, lze tažnou sílu odhadnout sečtením tažné síly způsobené jednotlivými válci při jejich příslušných tlacích a zdvizích.

Hodnoty a srovnání parních lokomotiv

Tahová síla je údaj, který se často uvádí při porovnávání sil parních lokomotiv, ale je zavádějící, protože tažná síla ukazuje schopnost nastartovat vlak, nikoli schopnost jej dopravit. Možná nejvyšší tažná síla kdy Celek byl pro Virginie železniční s 2-8-8-8-4 Triplex lokomotivy, která je v jednoduchém expanzní režimu má vypočtenou výchozí TE 199,560 lbf (887,7 kN) -but kotle není by mohla vést dostatek páry k tažení při rychlostech nad 8 km / h.

Z úspěšnějších parních lokomotiv byly těmi s nejvyšší jmenovitou počáteční tažnou silou Virginian Railway AE-třída 2-10-10-2s , při 173 000 lbf (783 kN) v režimu jednoduché expanze (nebo 162 200 lb, pokud se počítá obvyklým vzorec). The Union Pacific Big Boys měl výchozí TE 135,375 lb f (602 kN); Norfolk a západní s Y5, Y6, Y6a a Y6b třídy 2-8-8-2s měl počáteční TE 152,206 lbf (677 kN) v základním režimu expanzního prostoru (dále upraven tak, aby 170.000 lbf (756 kN), tvrdí některé nadšenci); a nákladní vlak Duplex Q2 železniční společnosti Pennsylvania Railroad dosáhl 114 860 lbf (510,9 kN, včetně posilovače) - nejvyšší pro tuhou lokomotivu s rámem. Pozdější dvouválcové lokomotivy pro cestující byly obvykle 40 000 až 80 000 lbf (170 až 350 kN) TE

Dieselové a elektrické lokomotivy

Pro elektrické lokomotivy nebo dieselelektrické lokomotivy , počínaje tažné síly lze vypočítat z množství hmotnosti na hnací kola (které mohou být menší, než je celková pohybového hmotnosti v některých případech), v kombinaci se pozastavování moment z trakčních motorů se převodový poměr mezi trakčními motory a nápravami a průměr hnacího kola . U naftově-hydraulické lokomotivy je počáteční tažná síla ovlivněna zablokováním točivého momentu měniče točivého momentu , jakož i převodem, průměrem kola a hmotností lokomotivy.

Vztah mezi mocí a tažným úsilím vyjádřil Hay (1978) as

${\ displaystyle t = {\ frac {375PE} {v}}}$

kde

• t je tažná síla v librách (lbf)
• P je výkon v koňských silách (hp)
• E je účinnost s navrhovanou hodnotou 0,82, která zohledňuje ztráty mezi motorem a kolejnicí, a také energii odváděnou do pomocných systémů, jako je osvětlení
• v je rychlost v mílích za hodinu (mph)

Nákladní lokomotivy jsou konstruovány tak, aby vyprodukovaly vyšší maximální tažnou sílu než osobní jednotky se stejným výkonem, což vyžaduje mnohem vyšší hmotnost, která je typická pro nákladní vlak. U moderních lokomotiv je převodovka mezi trakčními motory a nápravami zvolena tak, aby vyhovovala druhu provozu, ve kterém bude jednotka provozována. Jelikož trakční motory mají maximální rychlost, při které se mohou otáčet bez poškození, je převodovka pro vyšší tažnou sílu na úkor nejvyšší rychlosti. Naopak převodovka použitá u osobních lokomotiv upřednostňuje rychlost před maximální tažnou silou.

Elektrické lokomotivy s monomotorovými podvozky jsou někdy vybaveny dvourychlostním převodem. To umožňuje vyšší tažnou sílu pro tahání nákladních vlaků, ale při snížené rychlosti. Mezi příklady patří třídy SNCF BB 8500 a BB 25500 .

Viz také

• Faktor adheze , což je jednoduše hmotnost hnacích kol lokomotivy dělená počáteční tažnou silou
• Traktor tahání , patník tah - články týkající se tažné síly pro jiné formy vozidla
• Přilnavost kolejnice
• Klasifikace síly - schéma klasifikace železnic British Rail a London, Midland a Scottish
• Přetáhněte rovnici

Odkazy a poznámky

Poznámky

Reference

Další čtení

• Jednoduchý průvodce trénováním fyziky
• Tahová síla, zrychlení a brzdění