3 V kg mQ
6.5. TÍNH LỰC CẢN VẬN HÀNH CỦA GOÒNG VÀ TOA XE.
6.5.1 Độ dốc của đường
Vận tải bằng đường sắt rất hạn chế bởi độ dốc của đường, để dễ tính tốn người ta thường lấy đơn vị % có các loại độ dốc của đường như sau:
- Độ dốc đẳng trở: Wnặng = Wnhẹ
Là độ dốc mà xe có tải chạy xuống dốc và xe khơng tải chạy lên dốc phát sinh lực cản bằng nhau.
- Độ dốc cân bằng: V = const
Là độ dốc mà khi xe chạy xuống dốc có vận tốc là khơng đổi, khơng cần lực kéo - Độ dốc hạn chế:
- Độ dốc có hại: Là độ dốc có trị số độ dốc lớn hơn độ dốc cân bằng. Trên qng đường đó thì xe xuống dốc người ta phải dùng phanh để hạn chế tốc độ.
- Độ dốc trung bình:
Trong tính tốn được dùng rộng rãi nhất.
Trong đó: H1, H2 : Là độ cao đầu và độ cao cuối của đường L : chiều dài của đường
Nếu trên quãng đường đó có nhiều độ dốc khác nhau thì ta tính
Trong đó: i1.... in trị số độ dốc của đoạn đường có chiều dài L1....Ln. 6.5.2. Lực cản vận hành.
Lực cản vận hành của goòng và toa xe xuất hiện do sự ma sát giữa bánh xe vào đường ray và ma sát ở ổ trục. Ngồi ra trong q trình vận hành goòng và toa xe còn phải khắc phục lực cản khi lên dốc, khi khởi động, khi đi vào đường vong...
6.5.2.1. Lực cản chính.
Là loại lực cản ln phát sinh trong quá trình xe chuyển động, lực này chủ yếu do ma sát gây nên kí hiệu là W0.
Trong đó:
G : Trọng tải của gng (KN) G0 : Trọng lực của goòng (KN) 0 : Hệ số lực cản của ma sát.
Qua thực nghiệm ta có thể lấy 0 theo bảng sau: Trọng tải của
gng (KG)
Có tải Khơng tải
Vận hành Khởi động Vận hành Khởi động
1000 0,007 0,009 0,009 0,011
2000 0,006 0,008 0,008 0,010
6.5.2.2. Lực cản phụ.
Phát sinh khi goòng và toa xe chuyển động trong những trường hợp (điều kiện) đặc biệt như khi lên dốc, khi đi vào đường vịng, khi khởi động...nó bao gồm.
- Lực cản lên dốc: phát sinh khi xe chạy lên dốc
i: độ dốc của đường tính theo ‰
dấu (+) khi lên dốc, dấu (-) khi xuống dốc.
- Lực cản quán tính: sinh ra trong chuyển động của gng có gia tốc.
kn: hệ số tính đến quán tính quay của bánh xe kn = 1,08 a: gia tốc (m/s)
Dấu (+) khi tăng tốc, dấu (-) khi giảm tốc
- Lực cản khi đi vào đường vòng: Phát sinh khi goòng và toa xe đi vào đường vịng có độ siêu cao h.
R: bán kính đường vịng (m) 0,035: hệ số thực nghiệm
- Lực cản tổng cộng khi vận hành:
Nếu xe chạy trên đường bằng thì Wtổng = W0 Nếu xe chạy trên đường dốc thì Wtổng = W0 + Wi
Nếu xe chạy trên đường vịng mà có độ dốc thì Wtổng = W0 + Wi + Wv Nếu xe khởi động có độ dốc thì Wtổng = W0 + Wi + Wa
6.5.3.Tính lực cản vận hành của gng và toa xe:
Hệ số lực cản vận hành của goòng và toa xe được xác định nhờ một đường có độ dốc xác định trước với góc dốc là õ. Hoặc người ta đắp một đoạn đường mẫu sau đó gng tự chạy ở độ cao là h, chạy qua đoạn đường dốc là L1 và đoạn thẳng là L2 rồi dừng lại.
phương trình chuyển động:
hay
W: hệ số lực cản vận hành của goòng và toa xe.
Với thí nghiệm này sử dụng để kiểm tra hệ số ma sát của goòng và toa xe trước khi đưa vào vận hành.
Người ta lấy toa xe có chuẩn làm mẫu, sau đó thả từ độ cao xuống xe dừng lại ở điểm nào trên đường bằng thì lấy điểm đó làm cữ. Như vậy đoạn đường đó là đoạn đường chính để thử các loại xe trước khi cho xe vận hành. Xe nào dừng lại trước cữ chứng tỏ lực cản cần bảo dưỡng, xe nào chạy đến cữ thì cho vào vận hành.
6.6. ĐẦU TẦU.
6.6.1. Khái niệm và phân loại.
Đầu tầu sử dụng trong mỏ do điều kiện địa hình cho nên kết cấu thường không được ổn định, chắc chắn, đường sắt lại bị thay đổi thường xuyên theo tiến độ khai thác. Mạng lưới đường trong Mỏ phức tạp, đan chéo, trong điều kiện có chấn động va đập, ẩm ướt thậm chí có khí nổ. Vì vậy đầu tầu sử dụng trong mỏ phải: Chắc chắn chịu được chấn động va đập, dễ điều khiển, trọng lượng nhẹ, cơ cấu truyền động chắc chắn dễ tháo lắp.
Hiện nay chúng ta có những loại đầu tầu: tầu điện, tầu cần vẹt, tầu ắc quy, tầu diêzen, tầu dùng năng lượng khí nén.
Với tầu dùng năng nượng khí nén sử dụng động cơ khí nén do đó năng suất và hiệu suất thấp, giá thành vận tải cao so với đầu tầu điện. Tuy vậy loại này có thể sử dụng ở những mỏ có nồng độ khí cháy nổ ở cấp cao.
h L2 L2
Tầu diêzen về kinh tế ngang với sử dụng tầu điện, nhưng quá trình làm việc đơn giản hơn vì khơng cần trạm đổi điện và dây dẫn điện như tầu điện. Tuy vậy nhược điểm chính của tầu là cấu tạo phức tạp, địi hỏi người tài xế phải có trình độ kỹ thuật cao, q trình làm việc gây ơ nhiễm khơng khí.
Tầu sử dụng năng lượng điện gồm 2 loại: Tầu ắc quy nguồn điện là các bình ắc quy được xếp trong một hịm và mắc nối tiếp nhau. Mỗi bình có mức điện áp từ 12 ữ 14V. Loại này thường được sử dụng ở những mỏ có năng suất thấp, quãng đường vận chuyển ngắn hoặc sử dụng trong công tác điều phối goòng hay ở những điểm dỡ, chất tải. Tầu cần vẹt nguồn điện được lấy từ trạm đổi điện qua hệ thống dây trần qua cần lấy điện ở đầu tầu để cung cấp cho động cơ kéo, với loại này thường sử dụng điện áp một chiều có mức điện áp bằng 250V.
Hiện nay còn sử dụng tầu điện với điện áp xoay chiều tần số cao, loại này cho vận tốc chuyển động của tầu rất lớn. Tuy nhiên nhược điểm chính của nó là đốt nóng sợi dây cáp dẫn điện
6.6.2. Cấu tạo của đầu tầu.
- Khung: Yêu cầu có trọng lượng lớn, cấu tạo nhỏ gọn, vững chắc trên khung tầu được lắp hệ thống di chuyển, hệ thống điều khiển và cabin.
- Trục: Để lắp bánh goòng và nhận truyền động từ động cơ truyền tới. Vì vậy trên trục người ta lắp một bánh răng để ăn khớp với bánh răng trong hộp giảm tốc.
Hình dáng chung của tầu điện ắc quy
1. khung 2. phần di chuyển 3. bộ giảm xóc 4. thiết bị hãm 5. hệ thống rắc cát 6. thiết bị móc, tăm bơng 7. bộ truyền động 8. nắp ổ trục 9. ổ trục
- Hệ thống giảm xóc: Để đỡ toàn bộ trọng lượng của đầu tầu đè lên trục thông qua hệ thống giảm xóc. Giảm xóc thường là lị xo đứng nhưng cũng có loại trọng lượng nhỏ thì hệ thống giảm xóc bằng nhíp.
- Móc, Tam pơng, Thùng rắc cát:
Tam pơng là chi tiết để nối, móc với đầu tầu khác hoặc gng và toa xe. Vì vậy Tam pơng phải có cấu tạo vững chắc và đủ lớn. Ngồi ra trên nó cịn có hệ thống giảm xóc để giảm lực va đập. Có hai loại đang được vận hành là Tam pơng cứng (khơng có giảm xóc) loại này chỉ sử dụng cho tầu có cơng suất nhỏ. Loại Tam pông đàn hồi, loại này được sử dụng ở tầu có cơng suất lớn.
Hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray rất nhỏ vì vậy khi khởi động cần phải tăng hệ sô ma sát xe mới không bị trượt. Cho nên người ta sử dụng thùng rắc cát, thùng rắc cát được lắp về cả hai hướng chuyển động để dù tầu có chuyển động về phía nào cũng được rắc cát phía trước.
- Hệ thống truyền động: gồm động cơ điện và hệ thống dẫn động.
Động cơ điện là loại động cơ một chiều kích thích nối tiếp, vì so với động cơ điện một chiều hoặc động cơ phi đồng bộ nó có đăc điểm: Với điều kiện công tác cường độ dịng điện như nhau thì có mơ men quay lớn hơn, do đó khi tải thay đổi thì cơng suất động cơ ổn định hơn. Có mơ men khởi động lớn, khả năng vượt tải lớn. Khi điện áp đường dây thay đổi thì ít ảnh hưởng tới chế độ làm việc của động cơ, vì khi đó tốc độ động cơ thay đổi nhưng sức tải khơng thay đổi.
Bộ truyền có nhiệm vụ truyền chuyển động, truyền mô men xoắn từ động cơ tới trục chủ động. Thông qua hộp giảm tốc để giảm tốc và tăng mô men xoắn. Hộp giảm tốc có thể là 1 hoặc 2 cấp tỉ số truyền, mỗi trục của đầu tầu do 1 động cơ 1 hộp giảm tốc truyền động. Hai bộ truyền này hoàn toàn cân đối nhau, tuỳ theo cơ cấu treo của hệ thống mà động cơ có thể bố trí vng góc với trục hoặc song song với trục.
Bộ truyền động của đầu tầu
6.6.3. Lý luận chuyển động của đầu tầu. 6.6.3.1. Phương trình chuyển động.
Khi đồn tầu bắt đầu chuyển động từ vị trí có vận tốc v = 0 tới vđịnh mức Như vậy có sự thay đổi vận tốc là do lực kéo tác động lên đồn tầu gây ra, có hai lực tác động:
Lực tác động có xu hướng cùng chiều với chiều chuyển động đó là lực có ích, lực này do động cơ sinh ra ta gọi là lực kéo.
Lực tác động không đồng hướng với chiều chuyển động gọi là lực cản, lực này do trọng lượng của đồn tầu, độ dốc, tình trạng của ray sinh ra.
Người ta dựa vào định lý về động năng lập ra được phương trình chuyển động của tầu điện. Giả sử đồn tầu có khối lượng là m, chuyển động với gia tốc j, lực kéo là F, tổng lực cản là W ta lập được phương trình chuyển động như sau:
: hệ số tính đến các chất điểm quay và các chất điểm chuyển động tương đối, hệ số này sẽ được cho với từng loại đầu máy.
6.6.3.2. Ba trạng thái chuyển động.
Khi tầu chuyển động sảy ra 3 trạng thái chuyển đọng như sau:
- Lực kéo chuyển động do động cơ biến điện năng thành cơ năng để khắc phục mọi lực cản làm cho đoang tầu chuyển động.
- Lực hãm: Làm tăng lực cản để đồn tầu dừng lại, lực hãm càng lớn thì quãng đường hãm càng ngắn a. Lực kéo. D1 D2 P0 F F Fk T M1 M2
Bánh răng D1 nằm trong hộp giảm tốc, bánh răng D2 cố định với trục bánh xe. Giả sử bánh răng D1 nhận được mô men M1 của động cơ thì:
T: lực tiếp tuyến làm bánh răng D2 quay với mô men
tỉ số truyền
Vậy nếu cơng suất động cơ khơng đổi thì mơ men của trục bị dẫn bằng i lần mô men của trục dẫn.
Mô men M2 làm bánh răng D2 quay, ta có thể biểu diễn chúng bằng lực F -F dặt vào vành bánh xe. Ta thấy F - F chỉ là nội lực đối với đầu tầu, lực này không thể làm cho bánh xe chuyển động tịnh tiến được. Để cho xe chuyển động tịnh tiến được cần phải có điểm tựa bên ngồi đó chính là đường ray. Nếu khi xe đứng trên ray thì đầu tầu đã đặt nên nó một áp lực tạo nên sự bám dính giữa bánh xe và ray. Khi bánh xe quay dưới tác dụng của ngắn lực F - F sinh ra một phản lực nằm ngang Fk bằng lực F, hai lực này triệt tiêu nhau. Lúc đó dưới tác dụng của lực F đặt ở tâm bánh xe đầu tầu chuyển động. Vì vậy lực F trở thành động lực khi nào có phản lực Fk, cho nên người ta còn gọi Fk là lực kéo tiếp tuyến hay lực kéo trên vành bánh xe.
Khi tăng lực kéo đến giới hạn xác định bánh xe lăn trên đường ray, lúc đó có thể cả điểm A là tâm quay tức thời của bánh xe. sự chuyển động bình thường sẽ bị phá huỷ khi điểm A bắt đầu chuyển động trượt tương đối với ray nghĩa là:
P0: Trọng lượng bám dính của đầu tầu dặt lên trục chủ động (KN) ử: hệ số bám dính.
Vì vậy để đầu máy chuyển động bình thường ta phải có quan hệ:
Z: Lực bám dính nó phụ thuộc vào trọng lượng đè lên trục chủ chính và tình trạng tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray.
Khi đó bánh xe trên vành của nó sẽ trạo ra tâm quay tức thời bánh xe lăn chứ khơng trượt.
b.Lực qn tính.
Theo cơng thức cơ bản của lực qn tính ta có:
mhv: trọng khối của cả đoàn tầu
J: gia tốc nếu tăng tốc (+), giảm tốc (-)
P: trọng lượng của đầu máy (tấn) Q: trọng lượng của các toa (tấn)
(1+) thường lấy trong phạm vi 1,075 ÷ 1,085
c. Lực hãm.
Trong quá trình đồn tầu chuyển động có những lúc phải hạn chế tốc độ hoặc dừng tầu theo quy định tín hiệu, hoặc sự cố bất thường xảy ra. Lực tác dụng để đoàn tầu chậm lại hay dừng hẳn ta gọi là lực hãm.
Khi dừng động cơ đoàn tầu vẫn chuyển động theo lực qn tính, thực tế ta thấy đồn tầu chuyển động thêm một đoạn nữa mới dừng hẳn, điều đó có nghĩa lực qn tính khơng cịn nữa. Nhưng ta phải dừng tầu đúng điểm quy định, nếu chỉ ngắt điện động cơ thì khơng thực hiện được điều đó, cho nên ta phải dùng phanh hãm.
Sơ đồ tác dụng của lực phanh
Thông qua cơ cấu phanh tác dụng lên má phanh 1 lực hãm pháp tuyến Nh. Vì giữa phanh và má phanh có hệ số ma sát tương đối lớn nó sinh ra một lực ma sát ngược chiều với chiều quay của bánh xe, lực đó chính là lực hãm Bh, lực này để triệt tiêu lực qn tính của đồn tầu. Nhưng nếu Bh lớn quá thì bánh xe dừng lại đột ngột bị ảnh hưởng về cơ học. Vì vậy lực Bh có độ lớn sao cho đoàn tầu dừng lại một cách nhanh chóng nhưng khơng bị kẹt cứng. Người ta quy định Bh bao giờ cũng là Bh < Z
vì vậy: Bh = Nhϕ ϕ: Hệ số ma sát giữa má phanh và bánh xe
Từ công thức trên ta quy định lực pháp tuyến tác dụng vào phanh là:
: gọi là áp lực phanh đơn vị
Để đoàn tầu dừng lại từ từ, nếu là chở người thì quãng đường hãm Lh = 20m, khi chở hàng Lh = 40m.