Куда девается энергия 220-тонного самосвала на длинном спуске? Меняй уклон, скорость и ретардер и смотри, успеют ли перегреться рабочие тормоза.
Груженый самосвал массой 220 т, спускаясь в карьер на 180 м, должен куда-то деть столько энергии, сколько выделяется при сжигании 8–9 литров дизельного топлива. Если двигаться с постоянной скоростью, вся она уходит в тепло. Рабочие тормоза у карьерных машин масляные многодисковые: пакеты стальных и фрикционных дисков в закрытом корпусе, их непрерывно омывает и охлаждает масло. Они хороши для остановки, но длительно отдавать сотни киловатт не могут. Поэтому на спуске скорость держит ретардер: у механической трансмиссии гидродинамический (лопаточное колесо гонит масло, и оно нагревается), у дизель-электрической электрический (тяговые двигатели работают генераторами, ток уходит на решетки резисторов, их обдувает вентилятор).
Энергия и мощность считаются по законам механики (тема «Работа, энергия и мощность», в работе), а как тепло уходит из тормоза в масло и дальше в радиатор, разобрано в теме «Теплопередача». Числа под формулами берутся из опыта.
Сколько энергии надо погасить на всем спуске?
Высота спуска h = L · i, потенциальная энергия m · g · h. Колеса сами тормозят машину с силой качения m · g · f, это вычитаем. Остаток должен уйти в тепло.
Сколько каждую секунду?
Та же энергия, деленная на время спуска. Вдвое быстрее едешь, вдвое больше мощность. Поэтому скорость на спуске ограничивают по силе ретардера.
До какой температуры дойдут тормоза?
Тормоза греются, пока охлаждение не начнет уносить столько же тепла, сколько приходит. Если эта температура выше 120 °C, спуск должен быть короче, чем время прогрева τ, иначе перегрев.
Тормоза с маслом вместе весят несколько тонн. Каждую секунду в них приходит Pт киловатт, а радиатор уносит k · (T − Tокр). Пока тормоза холодные, уносится мало, и температура растет быстро. Чем горячее, тем больше уносится, рост замедляется и кривая выходит на полку Tуст. Как быстро она к ней подходит, задает τ: за время τ проходится около двух третей пути.
Если без ретардера полка лежит выше 200 °C, длинный спуск обязательно перегреет масло. Масло окисляется, накладки дисков обугливаются, коэффициент трения падает, и тормоза перестают держать. Это называют фейдингом. Поэтому правило на карьере простое: скорость на спуске выбирают так, чтобы почти всю мощность забрал ретардер, а рабочие тормоза оставались холодными для экстренной остановки.
В кабине висит график производителя: для каждого уклона и массы указана передача и скорость, на которой ретардер справляется сам. Водитель держит машину в этом поле.
Современные самосвалы сами держат заданную скорость на спуске: электроника включает ретардер и при нужде подтормаживает рабочими тормозами, следя за температурой масла.
У дизель-электрических машин ретардер мощнее двигателя: тяговые двигатели становятся генераторами, а решетки резисторов с вентилятором рассеивают 2–4 МВт. Отказ вентилятора решеток недопустим.
Тест удержания: машина на передаче и газе должна стоять на рабочих тормозах. Износ дисков меряют по ходу поршня. Масло тормозов отправляют на анализ: рост меди и частиц накладок говорит об износе.
На длинных спусках карьеров делают аварийные улавливающие валы и тупики с рыхлым грунтом. Это последняя защита на случай, если тормоза все же перегрелись.
Водитель грузовика на перевале тормозит двигателем и моторным тормозом, а не педалью. Тот же расчет: тормозные колодки за 10 км спуска не успели бы остыть.
Скорость на спуске постоянная, сопротивление воздуха не учтено, f = 0,02. Рабочие тормоза и их масло считаются одним телом с теплоемкостью 2500 кДж/°C, охлаждение пропорционально разнице с воздухом (20 °C), k = 3 кВт/°C, масло в начале спуска 60 °C. Гидравлический ретардер дает до 750 кВт на скорости от 20 км/ч, ниже его мощность падает пропорционально квадрату скорости, потому что лопатки гонят масло медленнее. Электрический дает до 2400 кВт выше 10 км/ч. Реальные цифры у каждой машины свои и есть в руководстве по эксплуатации.