К   ЧЕМУ   СТРЕМЯТСЯ КОНСТРУКТОРЫ?

Вспомним, как приводится в движение обыкновенный велосипед. Нажимая ногами на педали, велосипедист создает момент силы, или вращающий момент, под действием которого про­исходит вращение колеса. Вращающий момент передается заднему колесу с помощью замкнутой (бесконечной) цепи. Просто и надежно! Большая сила нажатия на педаль необходима при трогании с места. Естественно, что ее величина по мере увеличения скорости существенно из­меняется. Следовательно, для различных условий (режимов) езды велосипедист обычно меняет силу нажатия на педаль и создает, таким образом, на заднем колесе вращающий момент различной величины.
Обратимся теперь к локомотиву. Слово «локомотив» происходит от сочетания латинских слов loco и moveo — сдвигаю с места и буквально переводится как движущий, «тянущий по месту» (по рельсам) или тягач. Подобно велосипеду локомотив должен быть устроен так, чтобы сила тяги его изменялась по мере регулирования   скорости в соответствии  с изменением профиля пути, изменением массы (веса) прицепляемых к локомотиву составов и т. п.
Нетрудно представить, что при трогании с места любой локомотив для быстрого разгона поезда обычно должен развивать большую силу тяги, чтобы преодолеть силу инерции массы поезда, повышенное трение шеек осей колесных пар в буксовых подшипниках и т. п. Но что значит большую, где предел ее роста? Сила тяги локомотива возникает в результате отталкивания движущих колес от поверхности рельсов, или, как принято говорить, в результате сцепления колес с рельсами. А оно (сцепление) имеет предел. Стоит силе тяги чуть превысить наибольшую силу сцепления — колеса начинают проскальзывать по рельсам (боксовать). При этом величина сцепления колес с рельсами резко уменьшается и скорость поступательного движения снижается, а это на тяжелом (крутом и длинном) подъеме может привести даже к остановке поезда. Значит, сила тяги может возрастать только до тех пор, пока не будет нарушено сцепление колес с рельсами..
Но нельзя допустить, чтобы и скорость локомотива оказалась выше его конструкционной скорости, т. е. скорости, на которую рассчитана конструкция локомотива. Иначе (например, при входе в кривую) возможны сход поезда с рельсов или повреждение отдельных частей локомотива.

Пусть наибольшей возможной силой тяги будет Fнаиб (рис. 1), а наибольшей возможной скоростью Vнаиб.
Известно, что мощность любой транспортной машины пропорциональна произведению силы тяги на скорость движения этой машины. Допустим, при разгоне поезда до скорости V1 тепловоз достиг своей наибольшей мощности в точке А, соответствую­щей силе тяги Fнаиб. Естественно, кон­трукторы стремятся к тому, чтобы мощность локомотива использовалась наиболее полно во всем диапазоне скоростей движения поезда, т. е. от скорости V1 до конструкционной скорости Vнаиб. Ведь тогда можно больше и быстрее перевезти грузов по железным дорогам. Как этого добиться?
Из школьного курса математики известна особенность формы одной замечательной кривой (гиперболы): в каждой ее точке произведение абсциссы точки на ее ординату есть величина постоянная. Кривой, соединяющей точки А и Б (точка Б соответствует наибольшей скорости Vнаиб), конструкторы тепловозов и стараются придать форму гиперболы, так как в любой ее точке произведение силы тяги F на скорость v локомотива, т. е. его мощность, будет величиной постоянной. Все точки, лежащие выше этой кривой, соответствуют мощности, которую локомотив развивать не в состоянии, а точки, лежащие ниже, соответствуют мощности меньше максимальной, и только точки на самой кривой соответствуют наибольшей мощности локомотива, при любых значениях скорости (от V1 до Vнаиб). Таким образом, именно гипербола соответствует наивыгоднейшему характеру изменения силы тяги F в зависимости от скорости V тепловоза. Эта зависимость F=f(v) называется тяговой  характеристикой  тепловоза.
Движению поезда всегда противостоят силы, сопротивляющиеся движению, или сокращенно силы сопротивления, которые тоже зависят от скорости; при ее повышении они возрастают. Силы сопротивления движению поезда возрастают также с увеличением его массы или крутизны подъема железнодорожного пути. Если в системе координат (сопротивление W — скорость V) изобразить силы сопротивления движению поезда какой-то определенной массы в зависимости от скорости (на подъемах разной крутизны, на горизонтальном пути и спуске), то получится группа кривых, смещенных относительно друг друга по вертикали (рис. 2, нижняя кривая для случая, когда основное сопротивление  превышает крутизну уклона).
Совместим теперь на одном графике (рис. 3) тяговую характеристику тепловоза с кривыми сопротивлений. Координаты точек пересечения тяговой характеристики с кривыми сопротивлений показывают те значения скоростей и те значения силы тяги тепловоза, которые будут иметь место при движении поезда на данном участке (подъеме, площадке, спуске). При этих значениях скоростей сила  тяги тепловоза  и  силы  сопротивления оказываются равными. Поэтому поезд по данному участку будет двигаться с установившейся, т.е: равномерной (равновесной), скоростью. Например, пусть локомотив с составом движется по прямому и равнинному (горизонтальному) участку пути. Требуется определить силу тяги F и скорость V равномерного движения при наибольшей мощности локомотива. Они определяются точкой Б пересечения гиперболы с кривой сопротивления. Когда локомотив с составом попадает на участок подъема (едет в гору), то режим его движения изменяется: скорость падает, а сила тяги возрастает (см. например, точки В и Г). Если состав с локомотивом переходит на участок пути с небольшим спуском, то скорость возрастает, а сила тяги падает (в пределах тяговой характеристики наибольшая мощность остается постоянной).
А что если поезд перейдет на участок пути с длинным и крутым спуском?  (На   рисунке  он  не  показан.) Тогда машинисту придется не только отключить тягу, но и применить тормоза, чтобы не превышать конструкционную скорость на данном участке.
Итак, конструкторы локомотивов стремятся приблизить тяговую характеристику тепловоза к гиперболической. Однако достигнуть этого далеко не так просто.

--------------------------------- Дальше