견인력

Tractive force
"Continuous traction"(연속 트랙션)이 여기로 리디렉션됩니다.차량 추진 시스템에 대해서는 연속 트랙을 참조한다.
이 기사는 차량 내 응용 프로그램에 관한 것입니다.일반적인 개념은 트랙션(engineering)을 참조합니다.

기계 공학에서 사용되는 견인력이라는 용어는 차량이 표면에 작용하는 총 견인력 또는 운동 방향과 평행한 총 견인력의 양을 나타낼 수 있습니다.[1]철도 공학에서 견인력(tractive effort)이라는 용어는 기관차의 당김 또는 밀어내는 능력을 나타내는 견인력(tractive force)과 동의어로 사용되는 경우가 많습니다.자동차 공학에서 트랙션 힘은 일반적으로 존재하는 롤링 저항의 양에 의해 트랙션 힘보다 더 높으며, 두 항 모두 존재하는 총 저항(공기 저항 및 등급 포함)에 의한 견인력보다 더 높습니다.모든 차량에 대해 공개된 견인력 값은 이론적이거나, 알려진 또는 암시된 기계적 특성으로부터 계산될 수 있으며, 통제된 조건에서 시험을 통해 얻을 수 있습니다.여기서의 논의는 동력 전달 시스템의 최종 단계가 도로 또는 철도 선로와 마찰 접촉하는 하나 이상의 바퀴인 기계적 응용에서의 용어의 사용을 포함합니다.

트랙티브 작업 정의

트랙티브 노력(tractive effort)이라는 용어는 종종 트랙티브 노력, 지속적인 트랙티브 노력 및 최대 트랙티브 노력을 시작하는 것으로 자격이 부여됩니다.이 용어는 다양한 작동 조건에 적용되지만, 공통적인 기계적 요인에 의해 연관됩니다: 구동 휠에 대한 입력 토크, 휠 직경, 구동 휠과 지지 표면 사이의 마찰 계수(μ) 및 구동 휠에 가해지는 무게(mg).μ와 mg의 곱은 접착력의 계수로, 휠스핀이나 휠슬립이 시작되기 전에 적용할 수 있는 최대 토크를 결정합니다.

전략적 노력 시작
트랙션 노력을 시작하는 것은 정지 상태에서 발생할 수 있는 견인력입니다.이 수치는 기관차가 운행할 수 있는 최대 열차 중량을 결정하기 때문에 철도에서 중요합니다.
최대 견인력
최대 견인력은 차량이나 기계에 손상을 주지 않는 조건에서 발생할 수 있는 최대 견인력으로 정의됩니다.대부분의 경우 최대 트랙션 노력은 저속으로 개발되며 트랙션 노력을 시작하는 것과 동일할 수 있습니다.
지속적인 노력
지속적인 트랙션 힘은 동력 전달 시스템이 과열되기 전에 제한된 시간 동안 유지될 수 있는 높은 트랙션 힘과 구별되는 무한히 유지될 수 있는 트랙션 힘입니다.힘(P), 속도(V) 및 힘(F) 사이의 관계로 인해 다음과 같이 설명됩니다.
= P=vF} 또는PV = {\displaystyle {\frac {P}v}}=F.}

트랙킹 노력은 임의의 주어진 전력 수준에서 속도에 따라 반대로 달라집니다.지속적인 트랙킹 노력은 트랙킹 노력 곡선의 일부로 속도 범위에서 그래프 형태로 나타나는 경우가 많습니다.[2]

또한, 동력 전달 시스템의 일부로서 유체역학적 커플링, 유체역학적 토크 곱셈기 또는 전기 모터를 구비하는 차량은 부품의 손상을 야기하지 않으면서 단기간 동안 생성될 수 있는 가장 높은 트랙션 힘인 최대 연속 트랙션 힘 등급을 가질 수 있습니다.최대 지속적인 트랙션 노력이 안전하게 발생될 수 있는 기간은 일반적으로 열 고려에 의해 제한됩니다.예를 들어 트랙션 모터의 온도 상승 등이 있습니다.

트랙릭 노력 곡선

기관차의 사양에는 종종 견인력과 속도 사이의 관계를 [3][4][5][6]보여주는 견인력 곡선이 포함됩니다.

~7000 kW의 출력을 가진 가상의 기관차에 대한 궤도력과 속도의 도표

그래프의 모양은 오른쪽에 나와 있습니다.선 AB는 최대 트랙션 노력에서의 작동을 나타내고, 선 BC는 속도(일정한 힘)에 반비례하는 연속 트랙션 노력을 나타냅니다.[7]

트랙킹 노력 곡선에는 롤링 저항 그래프가 겹쳐져 있는 경우가 많습니다. 롤링 저항[note 1] 그래프와 트랙킹 노력 그래프의 교차점은 0등급에서 최대 속도를 제공합니다(순 트랙킹 노력이 0일 때).

철도차량

열차를 출발시키고 주어진 속도로 가속하기 위해서, 기관차는 열차의 항력을 충분히 극복할 수 있는 견인력을 개발해야 하는데, 이는 축 베어링 마찰, 레일 위 바퀴의 마찰(접선 선로보다 곡선 선로에서 훨씬 더 크다), 그리고 등급의 경우 중력의 힘의 조합입니다.주행이 시작되면 열차는 속도의 제곱에 따라 증가하는 공기역학적 힘에 의해 가속되면서 추가적인 항력이 발생합니다.또한 트럭(보기) 사냥으로 인해 드래그가 속도로 발생할 수 있으며, 이는 휠과 레일 사이의 롤링 마찰을 증가시킵니다.가속이 계속되면 결국 열차는 기관차의 가용 견인력이 총 항력을 정확히 상쇄하는 속도에 도달하여 가속이 중단됩니다.이 최고 속도는 동력을 보조하는 중력으로 인해 다운그레이드 시 증가하고, 동력에 반대하는 중력으로 인해 업그레이드 시 감소합니다.

견인력은 이론적으로 기관차의 기계적 특성(예: 증기 압력, 무게 등)으로부터 계산하거나, 견인봉 변형 센서 및 동력계 자동차를 이용한 실제 시험을 통해 계산할 수 있습니다.철도에서의 동력(power at rail)은 트랙션(traction)을 위해 사용 가능한 동력, 즉 열차를 추진시키기 위해 사용 가능한 동력을 의미하는 철도 용어입니다.

증기기관차

단일 실린더 증기 기관차의 견인력에 대한 추정치는 실린더 압력, 실린더 보어, 피스톤[note 2] 행정 및 휠 직경에서 구할 수 있습니다.피스톤의 직선 운동에 의해 발생하는 토크는 구동 로드가 구동 휠의 반경의 접선과 이루는 각도에 따라 달라집니다.[note 3]보다 유용한 값의 경우 휠 회전에 대한 평균값을 사용합니다.구동력은 토크를 휠 반경으로 나눈 값입니다.

근사식으로 다음 공식을 사용할 수 있습니다(2기통 기관차의 경우).[note 4]

[8]

어디에

  • 매력적인 노력
  • d는 피스톤 직경(인치)(bore)입니다.
  • s는 피스톤 스트로크(인치)입니다.
  • p는 제곱인치당 파운드 단위의 작동 압력입니다.
  • w는 구동 바퀴의 직경(인치)입니다.

상수 0.85는 그러한 계산을 위한 AAR(Association of American Railways) 표준이었고, 일부 기관차의 효율을 과대평가하고 다른 기관차의 효율을 과소평가했습니다.롤러 베어링이 장착된 현대식 기관차는 과소평가되었을 것입니다.

유럽 설계자들은 0.85가 아닌 0.6의 상수를 사용하므로 변환 계수가 없으면 이 둘을 비교할 수 없습니다.영국의 간선 철도는 일반적으로 0.85의 상수를 사용했지만, 산업용 기관차의 제작자들은 일반적으로 0.75의 낮은 수치를 사용했습니다.

상수 c는 실린더 치수와 증기 유입 밸브가 열리는 시간에도 따라 달라집니다. 증기 유입 밸브가 실린더 압력을 최대로 얻은 후 즉시 닫히면 피스톤 힘이 초기 힘의 절반 이하로 떨어졌을 것으로 예상할 수 있습니다.[note 5]낮은 c 값을 주는.실린더 밸브를 더 오랫동안 열어 두면 c 값이 1에 가까워집니다.

실린더 3개 또는 4개(단순)

결과는 3기통 기관차의 경우 1.5를 곱하고 4기통 기관차의 경우 2를 곱해야 합니다.[9]

또는 모든 '단순'(즉, 비복합) 기관차의 견인력을 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

[10]

어디에

  • 매력적인 노력
  • n은 실린더의 개수입니다.
  • d는 피스톤 직경(인치)입니다.
  • s는 피스톤 스트로크(인치)입니다.
  • p는 최대 정격 보일러 압력(psi)입니다.
  • w는 구동 바퀴의 직경(인치)입니다.


다중 실린더(복합체)

이중 및 삼중 팽창 엔진을 포함한 기타 실린더 수 및 조합의 경우 개별 실린더가 각각의 압력 및 실린더 스트로크에서 기인하는 트랙션 힘을 더하면 트랙션 힘을 추정할 수 있습니다.[note 6]

증기기관차의 값 및 비교

견인력은 증기기관차의 동력을 비교할 때 자주 인용되는 수치이지만 견인력이 아니라 견인력을 보여주기 때문에 오해의 소지가 있습니다.아마도 지금까지 주장된 가장 높은 견인력은 버지니아 철도의 2-8-8-8-4 Triplex 기관차였을 것입니다. 간단한 확장 모드에서 199,560 lbf(887.7 kN)의 시작 T.E.를 계산했지만 보일러는 5 mph(8 km/h) 이상의 속도로 끌어낼 수 있는 충분한 증기를 생산할 수 없었습니다.

더 성공적인 증기 기관차 중에서, 가장 높은 등급의 출발 트랙션 노력을 보인 것은 버지니아 철도 AE-클래스 2-10-10-2s로, 단순 확장 모드에서 176,000 lbf (783 kN) (일반적인 공식으로 계산할 경우 162,200 lb)였습니다.Union Pacific Big Boys는 135,375 lbf(602 kN)의 시작 T.E.를 기록했고, 노퍽 & 웨스턴의 Y5, Y6, Y6a 및 Y6b 클래스 2-8-8-2는 간단한 확장 모드에서 152,206 lbf(677 kN)의 시작 T.E.를 기록했습니다(이후 170,000 lbf(756 kN). 그리고 펜실베니아 철도의 화물 듀플렉스 Q2는 114,860 lbf(510.9 kN,booster 포함)—강체골조 기관차에서 가장 높음.이후의 2기통 여객 기관차는 일반적으로 40,000~80,000 lbf(170~350 kN)의 T.E.

디젤 및 전기 기관차

전기 기관차 또는 디젤 전기 기관차의 경우, 출발 트랙션 힘은 구동 휠의 중량, (일부 경우 총 기관차 중량보다 작을 수 있음) 트랙션 모터의 복합 스톨 토크, 트랙션 모터와 차축 사이의 기어비 및 구동 휠 직경으로부터 계산될 수 있습니다.디젤-유압 기관차의 경우, 출발 트랙션 힘은 기어, 휠 직경 및 기관차 중량뿐만 아니라 토크 컨버터의 스톨 토크에 영향을 받습니다.

Hay(1978)는 힘과 견인력의 관계를 다음과 같이 표현했습니다.

[11]

어디에

  • 매력적인 노력, newtons (N)
  • P는 와트(W) 단위의 전력입니다.
  • E는 효율이며, 모터와 레일 사이의 손실 및 조명과 같은 보조 시스템으로 전환되는 전력을 고려하기 위해 제안된 값 0.82입니다.
  • v는 초당 미터 단위의 속도(m/s)입니다.

화물 기관차는 화물 열차의 전형적인 무게로 인해 필요한 동등한 동력의 승객 단위보다 더 높은 최대 견인력을 생산하도록 설계되었습니다.현대식 기관차에서는 트랙션 모터와 액슬 사이의 기어 장치가 장치가 작동할 서비스 유형에 적합하도록 선택됩니다.트랙션 모터는 손상 없이 회전할 수 있는 최대 속도를 가지고 있기 때문에 높은 트랙션 힘을 얻기 위한 기어는 최고 속도를 희생시킵니다.반대로, 객차에 사용되는 기어장치는 최대 견인력보다 속도를 선호합니다.

모노 모터 대차가 장착된 전기 기관차에는 2단 기어가 장착되는 경우가 있습니다.이것은 화물열차를 끌고 갈 때 더 높은 견인력을 발휘할 수 있지만 속도는 줄어듭니다.예를 들어, SNCF 클래스 BB 8500과 BB 25500이 있습니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 그래프는 일반적으로 레벨 또는 오르막 경사에서 표준 열차 길이 또는 중량에 대한 롤링 저항을 보여줍니다.
  2. ^ 스트로크 거리의 절반은 구동 로드의 결합에서 피동 휠의 중심까지의 반경 거리와 거의 같습니다.
  3. ^ 관계는 다음과 같습니다.토크 = 힘 x R(구동 로드의 연결 지점까지의 반경 거리) x cos(A), 여기서 A는 구동 로드가 휠 중심에서 구동 로드 부착까지의 반경과 접하여 만드는 각도입니다.
  4. ^ 다른 물리 공식과 마찬가지로 측정 단위는 일관되어야 합니다. psi 단위의 압력과 인치 단위의 길이는 lbf 단위의 견인력을 제공하는 반면, Pa 단위의 압력과 미터 단위의 길이는 N 단위의 견인력을 제공합니다.
  5. ^ 설명은 가스 법칙을 참고하세요.
  6. ^ 고압 실린더의 값이 0.85가 될 때 저압 실린더의 상수 c의 값은 0.80이 됩니다.

참고문헌

  1. ^ SAE J2047, 타이어 성능 기술, 1998년 2월.
  2. ^ Simon Iwnicki, ed. (2006). Handbook of railway vehicle dynamics. Boca Raton: CRC Press: Taylor & Francis. p. 256. ISBN 978-0-8493-3321-7.
  3. ^ XPT: 전달, 테스트 실행 및 시연 실행 railpage.au.org 그래프 참조
  4. ^ Gravita 기관차 패밀리 voithturbo.de (2페이지) Wayback 기계에서 2009-03-18 보관
  5. ^ EURO 4000 화물 디젤-전기 기관차 vossloh-espana.com (2페이지)
  6. ^ 유로러너 ER20 BF 및 ER20 BU, 유럽용 디젤 전기 플랫폼 기관차 siemens.dk (3페이지)
  7. ^ Eugene A. Avallone; Theodore Baumeister; Ali Sadegh, eds. (2006). Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers (11th ed.). McGraw-Hill. p. 166. ISBN 978-0-07-142867-5.
  8. ^ Allan, Ian (1957). British Railways Locomotives Combined Volume. Ian Allan Ltd.
  9. ^ 영국 철도 기관차의 이언 앨런 ABC, 1960/61년 겨울판, part 1, p. 3
  10. ^ Phillipson, E.A. (1936). Steam Locomotive Design: Data and Formulae. The Locomotive Publishing Company.
  11. ^ Hay, William (1978). Railroad Engineering. Wiley, New York. p. 100.

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