Розглянемо, яку роль виконує тертя в освіті сили тяги локомотивів. Колісна вісь електровоза з'єднана зубчастої передачею з тяговим електродвигуном, який і повідомляє їй обертальний рух. Колеса будь-якої осі електровоза спираються на рейки. Бандажі (ободи) коліс стикаються з верхніми гранями головок рейок. І поверхню бандажів коліс, що стикається з рейками, і поверхня рейок, що стикається з колесами електровоза, хоча зовні і здаються гладкими, проте мають непомітні для очей шорсткості. Внаслідок шорсткості, а також і тісного контакту між колесами і рейками виникає тертя.
Припустимо (рис. 3), що колесо електровоза наводиться двигуном в обертання за годинниковою стрілкою. Якби тертя між колесом і рейкою не було, тоді колесо оберталося б на місці, вісь електровоза не переміщує вздовж залізничної дороги, електровоз не рухався, а буксував на місці. Буксування відбувалося б і в тому випадку, коли сила, яка прагне зрушити колесо щодо рейки, була б більше сили тертя між колесами і рейкою. Сила, з якою під дією двигуна колесо прагне зміститися щодо рейки, буде направлена в даному випадку справа наліво, т. Е. В сторону, протилежну напрямку руху тепловоза, а сила тертя, що перешкоджає буксування колеса, - в напрямку руху електровоза.
Якщо ж сила тертя не менш, а дорівнює силі, яка прагне повернути колесо, то воно буде повертатися навколо нерухомої осі - контакту з рейкою - і рухати тепловоз вперед, т. Е. Зліва направо.
Сила тертя рушійних коліс локомотива з рейками обумовлює і одночасно обмежує сили, з якою локомотив може тягнути склад, і називається силою тяги локомотива по зчепленню. Ця сила є однією з найважливіших характеристик локомотива і поряд з іншими характеристиками задається при його проектуванні.
На зорі створення локомотивів у конструкторів були сумніви в тому, що колеса з гладкими ободами при русі по гладких рейках будуть мати достатню силу тяги по зчепленню. Деякі з них пропонували встановлювати на паровозах зубчасті колеса, з'єднані з паровими машинами, а між гладкими рейками укладати зубчастий рейок, зчіплюючись з яким паровоз міг би рухатися і тягнути за собою склад.
Як уже зазначалося, сила тяги локомотива по зчепленню обмежує вага поїзда, який може вести локомотив. Але невпинний ріст вантажообігу залізниць призводить до зростання ваги вантажних поїздів. Тому конструктори електровозів і тепловозів прагнуть
ж вона залежить? І наука і практика дають на це чітку відповідь: сила тяги локомотива по зчепленню прямо пропорційна коефіцієнту зчеплення і зчіпному вазі локомотива.
Коефіцієнтом зчеплення Ψ в техніці залізничного транспорту називається коефіцієнт тертя коліс рушійних осей локомотива про рейки, а зчіпним вагою Рс локомотива - вага його, що припадає на колеса рушійних осей, т. Е. Вага, випробовуваний рейками від тиску на них коліс рушійних осей локомотива. Рушійними осями локомотива називаються осі, через які двигуни приводять локомотив в рух.
У електровозів і тепловозів останніх років випуску рушійними є все осі локомотивів.
Якщо силу тяги локомотива по зчепленню позначити через Fc, коефіцієнт зчеплення Ψ і зчіпний вагу локомотива Рс, то зв'язок між ними виявиться наступною формулою:
Природно, що і Fc і Рс слід висловлювати в одних і тих же одиницях, наприклад в кН.
З викладеного ясні і шляхи збільшення сили тяги локомотивів по зчепленню: слід збільшувати кожен із співмножників правій частині формули.
Перш за все, якийсь рід тертя характеризується коефіцієнтом зчеплення Ψ? В ідеальному випадку, коли локомотив веде поїзд, між колесами його рушійних осей і рейками має мати місце тертя спокою. Однак практично майже завжди виникає деякий прослизання колеса відносно рейки і шлях, прохідний локомотивом за один оборот колеса, виявляється дещо меншим, ніж довжина кола колеса. Різниця в звичайних умовах складає міліметри.
Для підвищення коефіцієнта зчеплення рейки в необхідних випадках - при рушанні з місця великовагового поїзда або при русі по крутих затяжних підйомів - посипають тонким шаром дрібного, сухого і чистого піску, який подається з локомотива на рейки пневматично, т. Е. Стисненим повітрям.
Практично в транспортної техніки Ψ обчислюється для електровозів і тепловозів при русі по сухим чистим рейках за такою емпіричною формулою, де V - числове значення швидкості, вираженої в кілометрах в годину.
З формули видно, що при рушанні поїзда з місця по чистим рейках коефіцієнт зчеплення для електровозів і тепловозів Ψ = 0,33 і він убуває з ростом швидкості руху поїзда. Природно, що Ψ як відношення двох сил є абстрактною величиною, яка не має назви.
Як відомо, для підвищення сили тяги по зчепленню істотне значення має і зчіпний вагу локомотива. Він росте внаслідок зростання потужності локомотивів, так як постановка на них більш потужних двигунів, природно, збільшує вагу локомотивів. Але як же полотно залізниці витримує всі зростаюче навантаження від все більш важких локомотивів? Про це розказано раніше, де йшлося про організацію високошвидкісного руху поїздів на залізницях. Перераховані там заходи дозволили збільшити навантаження на рейки з 16-18 до 23 т на вісь, або, як кажуть на транспорті, на колісну пару локомотива.
І ще: магістральні локомотиви конструюють з великим числом рушійних осей, наприклад від 6 осей у електровозів серій ВЛ-23 або ЧС-2 до 8 осей у електровозів серій ВЛ-80 і ВЛ-80т і до 12 осей у тепловозів серій 2ТЕ-109, 2ТЕ-116 та інших. Зчіпний вагу останніх серій магістральних тепловозів досягає 252-256 т, а сила тяги по зчепленню при рушанні з місця до 77500 кгс, або 739,5 кН.
Може виникнути питання: як же локомотив масою 250 т (2450 кН) може рухати складу масою 4000 - 5000 т і більше, адже тертя створює опір руху вагонів?
Так, але справа тут в наступному. Сила тяги локомотива по зчепленню дорівнює, як ми вже знаємо, добутку коефіцієнта зчеплення, що доходить до 0,33, на зчіпний вагу локомотива Рс. Сила опору руху складу при рівномірному русі поїзда дорівнює силі тяги локомотива, т. Е.
де f-коефіцієнт опору руху складу і Р-сила тиску складу на рейки, рівна на горизонтальній ділянці шляху ваги поїзда.
Практикою експлуатації рухомого складу залізниць встановлено, що коефіцієнт опору руху поїзда, обладнаного осьовими Роликопідшипники, становить від 0,0025 до 0,003. Звідси ясно, що вага складу поїзда може перевищувати вагу локомотива більш ніж в 50 разів.