Hiện nay ngành đường sắt thế giới sử dụng các loại sức kéo: điện, điêzen, hơi nước, khí.
Hiệu suất của đầu máy điện 18 ÷ 25%, điêzen 24 ÷ 28%, hơi nước 6
÷8%.
Đối với mỗi đầu máy người ta tìm ra vận tốc tính toán Vp và lực kéo tính toán Fkp mà ứng với chúng đầu máy được sử dụng hợp lý nhất. Những trị số này được đưa ra trong quy trình tính sức kéo.
2.4.2. Sự thể hiện lực kéo của đầu máy.
a. Đối với đầu máy hơi nước.
A M
F 1 F 2 F
P i
V
Hình 2- . Hình thành lực kéo F đầu máy hơi nước.
áp lực hơi nước Pi hình thành trong xi lanh được đun sôi làm cho pít tông chuyển động và thông qua hệ thống cần biên làm cho bánh xe quay với mô men M. Thay M bằng ngẫu lực FF1.
F - lực kéo của đầu máy tại tâm quay của bánh xe.
F1 - lực đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và ray (điểm A) tác dụng từ bánh xe xuống ray có hướng ngược chiều chuyển động.
Tại A có phản lực F2 tác dụng từ ray vào bánh xe và đây là ngoại lực gây ra chuyển động của đoàn tàu.
b. Đối với đầu máy điện và đầu máy điêzen.
Trục động cơ quay sinh ra mô men M1, khi đó bánh xe quay sinh ra mô men M2
M2 = àM1η Trong đó:
à =
1 2
r
r - hệ số truyền đạt
η - hệ số xét đến tổn thất trong quá trình truyền đạt
Thay mô men M2 bằng ngẫu lực như đầu máy hơi nước để phân tích lực.
r1
M 1
1 A
F F2
F M 2
r2
Hình 2- . Lực kéo F của đầu máy điêzen 2.4.3. Phân biệt ba khái niệm về lực kéo đầu máy.
a. Lực kéo chỉ thị Fi.
Là lực kéo tác dụng lên vành bánh hoàn toàn tương ứng với công do hơi nước tác dụng lên pít tông hoặc tương ứng với công do động cơ điện sinh ra trong đầu máy điện và điêzen mà không xét đến sự hao hụt do lực cản của các bộ phận máy móc của đầu máy.
b. Lực kéo bám Fk.
Là lực kéo đặt lên vành bánh, nó được xác định bằng lực kéo chỉ thị với lực cản của các bộ phận máy móc của đầu máy.
Fk = Fi - Pg.∆w'0 (N) (2- 0)
Trong đó Pg.∆w'0 - lực cản của các bộ phận máy móc của đầu máy.
c. Lực kéo có ích Fc.
Là lực kéo ở móc nối của đầu máy với toa xe đầu tiên.
Fc = Fk - Pg(w'0 + w'i + w'r) (N) (2- 0) lực này dùng để thắng lực cản của đoàn tàu.
Chú ý: Khi tính sức kéo người ta sử dụng Fk mà không sử dụng Fi vì chuyển động trên đường phức tạp do các yếu tố dốc và đường cong.
2.4.4. Hạn chế lực kéo theo điều kiện bám.
F là lực bên trong do người điều khiển, F tăng thì F2 tăng nhưng F chỉ tăng đến một giới hạn tối đa nào đó. Lực tối đa này không vượt quá lực bám giữa bánh xe và ray.
Fk ≤ 1000ψΣPg (N) (2- 0)
Trong đó:
ψ - hệ số ma sát bám lăn giữa bánh xe và ray.
ΣP - khối lượng của các bánh xe chủ động đè lên ray, ΣP =P; P- khối lượng bám của đầu máy.
Giải thích: Vì khi Fk > 1000ψg thì sức bám giữa bánh xe và ray sẽ mất đi dẫn đến bánh xe không thể lăn mà bắt đầu trượt tăng nhanh chuyển động trũn theo tõm trục dẫn đến bỏnh xe đỏnh vừng tại chỗ. Muốn trỏnh hiện tượng đó phải giảm bớt lực kéo hoặc rải cát lên ray tăng thêm sức bám.
Hệ số ma sát bám lăn ψ giữa bánh xe và ray phụ thuộc vào cấu tạo của các bộ phận chạy của đầu máy, vào trạng thái mặt ray và vành bánh, vào nhiều yếu tố khác. Vì vậy ψ được xác định bằng thực nghiệm.
+ Đối với đầu máy hơi nước:
ψ = 100+V A Trong đó:
V - tốc độ tàu chạy
A - hệ số thực nghiệm; A=22÷28 tuỳ đầu máy; A=30 với đầu máy hiện đại
+ Đối với đầu máy điện và điêzen:
ψ = B +
DV + C
A
Trong đó: B, C, D - hệ số thực nghiệm ψ = 0,20 +
V 12 + 100
10 với đầu máy điêzen khổ đường 1000 mm
ψ = 0,25 +
V 20 + 100
8 với đầu máy điêzen khổ đường 1435 mm + Khi tàu chạy trên đường cong có R ≤ 400m và trong hầm thì ψ giảm xuống.
+ Thường ψ = 0,4 với ray sạch có rải lớp bột thạch anh mịn ψ = 0,15 ray ẩm ướt.
2.4.5. Các khái niệm về khối lượng đầu máy.
Khối lượng bám của đầu máy: là khối lượng của các bánh xe chủ động đè lên ray
Khối lượng tính toán của đầu máy: là khối lượng của đầu máy cộng với tăng đe than nước và 2/3 số than nước.
ở đầu máy điện và đầu máy điêzen khối lượng bám bằng khối lượng tính toán vì nó không có bánh dẫn hướng và tăng đe than nước.
2.4.6. Tổng số lực kéo của nhiều đầu máy.
Để nâng cao khối lượng và vượt qua những dốc lớn người ta tăng cường lực kéo bằng cách dùng hai hoặc ba đầu máy. Đầu máy phụ thêm có thể lắp ở đầu (kéo) hay ở cuối (đẩy). Nếu lực kéo quá lớn dễ xẩy ra đứt móc, nếu lực đẩy quá lớn thì vào đường cong toa xe có nguy cơ bị lật ra ngoài. Do đó người tài xế phải phối hợp cho ăn khớp.
2.5. Phương trình vi phân chuyển động của đoàn tàu