Sürükleyici kuvvet

Sürükleyici kuvvet, makine mühendisliğinde iki anlam ifade eder; bir aracın bir cismin yüzeyine uyguladığı toplam çekiş kuvveti veya hareket yönüne paralel olan toplam çekiş kuvvetine denir.

Sürükleyiş gücü; demiryolu mühendisliğinde genellikle sürükleyici kuvvet ile eş anlamlı kullanılır ve bu tanım ile lokomotiflerin itiş ve çekiş kuvveti ifade edilir.

Otomobil mühendisliğinde ise bu iki terimin daha özgün anlamları vardır. Çekiş gücü, dönme direncinden kaynaklanan sürükleme kuvvetinden genellikle daha büyüktür ve bu iki terim var olan toplam direnç kuvvetlerinden (hava direnci) daha büyüktürler.

Herhangi bir araç için bulunan sürükleyiş kuvveti teoride bulunmuş bir değerdir. Yani bilinen ya da uygulanmış mekanik özelliklerle veya testler sonucunda elde edilmiş veriler ile hesaplanır. Mekanik yöntemlerle hesaplanan çekiş kuvvetinin bağlı olduğu etkenler, sistemdeki cismin kaç adet tekerinin yüzey ile (karayolu-demir yolu) etki halinde olmasıdır.

Sürükleyici kuvvetin tanımı

Sürükleyiş gücü genellikle şu şekilde sıralanır; başlangıç sürükleyiş gücü, sürekli sürükleyiş gücü, maksimum sürükleyiş gücü. Bu terimler farklı kontrol durumlarını etkiler ancak hepsi benzer mekanik faktörlere bağlıdır. Bunlar: tekerlere etki eden tork, teker çapı, yüzeyle tekerler arasındaki sürtünme katsayısı (μ) ve tekerlere etki eden ağırlıktır (m). Sürtünme katsayısı ve ağırlığın çarpımı, adhezyon faktörüne eşittir bu faktör tekerlerin kaymasından (patinaj) önce uygulanabilecek maksimum torku ifade eder.

Başlangıç sürükleyiş gücü: Durma halinde üretilen çekiş kuvvetine denir. Bu güç demir-yollarındaki araçlar için önemlidir çünkü bir lokomotifin hareket ettirebileceği ağırlığı limitler.

Maksimum sürükleyiş gücü: Herhangi bir durumda üretilebilen ve üretildiği araca veya makineye zararsız olan en yüksek sürükleyiş kuvvetine denir. Maksimum sürükleyiş gücü genellikle düşük hızlarda üretilir ve başlangıç sürükleyiş gücüne eşit olabilir.

Sürekli sürükleyiş gücü: Güç aktarma sisteminin fazla ısınmasına kadarki zaman dilimi içerisinde üretilebilen yüksek sürükleyiş gücünün aksine, sürekli sürükleyiş gücü; herhangi bir zaman diliminde elde edilebilen bir sürükleyiş kuvvetidir. Güç (P), hız (v) ve kuvvet (F) arasındaki bağlantı sebebi ile

P = vF veya P/v = F

Sürükleyiş gücü, verilen herhangi bir miktar gücün varlığında hız ile ters orantılıdır. Sürekli sürükleyiş gücü genellikle hız grafiklerinde, sürükleyiş güç eğrisiyle ifade edilir.

Hidrodinamik kavrama, hidrodinamik tork çarpıcısı veya elektrik motoru barındıran güç aktarma sistemlerine sahip araçların bazen maksimum sürekli sürükleyiş güçleri olabilir ki bu güç sistemdeki hiçbir parçaya zarar vermeden kısa bir süre içerisinde üretilebilen en büyük sürükleyiş kuvvetidir. Maksimum sürekli sürükleyiş gücünün zararsız bir şekilde elde edildiği kısa zaman aralığı sıcaklık gibi faktörlere bağlıdır. Örneğin sürükleyiş motorundaki sıcaklık artışı.

Sürükleyici gücün eğimleri

Lokomotiflerin tanımı genellikle sürükleyici gücün eğimleriyle ifade edilir ve sürükleyici güç ile hız arasındaki bağıntıyı gösterir.

Bu sürükleyici güç-hız grafiğinde gücü ~7000 kW olan bir lokomotif gösterilmiştir. AB bölümü maksimum sürükleyici gücü ifade ederken BC bölümü sürekli(devamlı) sürükleyici gücü gösterir (hız ile ters orantılı).

Sürükleyici güç eğimlerine genellikle dönüş sürüklenimi eklenir ve sürükleyici güç grafiği maksimum hızı verir. (sürükleyici güç sıfır iken)

Demiryolu araçları

Duran bir treni harekete geçirip istenilen ivmelenmeyi sağlamak için trene etki eden sürüklenim kuvvetinden (eylemsizlik, aks sürtünmeleri, tekerlere etki eden sürtünme kuvveti, yer çekimi) daha büyük bir sürükleyici kuvvet uygulanmalıdır. Tren hareket halinde iken yeni sürüklenim kuvvetleri oluşturur, aerodinamik kuvvet bunlardan biridir ve trenin hızının karesiyle doğru orantılıdır. Hıza bağlı olarak rayların titreşimi sebebiylede bir sürüklenim kuvveti açığa çıkabilir. Bu titreşim sürtünme kuvvetini arttırır. Tren ivmelenmeye devam ettiğinde sonunda ulaşacağı hız var olan sürükleyici kuvvetin toplam sürüklenime eşit olmasına bu da ivmelenmenin azalmasına sebep olur.

Hız yerçekiminin etkisiyle itici gücü desteklerse azalarak artar. Yerçekimi etkisinde itici güce karşı olursa artarak azalır.

Sürükleyici güç teorik olarak bir lokomotifin mekanik özelliklerinden (buhar basıncı, ağırlık vs.) bulunabilir veya gerilim sensörleri ve dinamometre araçları ile ölçülebilir. Raydaki güç terimi var olan sürükleyici güç için kullanılır, trenin itilmesini sağlayan güce denir.

Buharlı lokomotifler

Tek silindirli buhar lokomotiflerinin sürükleyici güçleri, silindir basınçlarına bakarak tahmin edilebilir. Silindir basıncı, silindir alanına ve silindir vuruşuna ve teker çapına bağlıdır. Pistonun lineer hareket ile yarattığı tork; yön kolunun, tekerin yarıçapının teğetine olan açısına bağlıdır. Daha tutarlı hesaplamalar yapabilmek için tekerin dönüşünün ortalama bir değeri alınır. Sürüş kuvveti; torkun tekerin yarıçapına bölünmesi ile elde edilir. 2 silindirli bir lokomotif için bu formül kullanılabilir:

t={\frac {cPd^{2}s}{D}}

• t = çekiş gücü

• c = basınç ve sürtünme sonucu kaybedilen sabit değer (yaklaşık 0.85)

• P = kazan basıncı

• d = piston çapı

• s = piston vuruşu

• D = yön tekeri

0.85 sabiti Amerikan Demiryolu Derneğinin standartlarına uygun olan sayıdır, bu sayı bazı lokomotifler için fazla bazıları için az alınmıştır. Makaralı düzenekleri bulunan modern lokomotiflerde bu değer daha az kabul edilebilir.

Avrupa’da mühendisler bu sabiti 0.6 olarak almışlardır bu sebeple iki değer arasında değişim yapabilmek için değişim faktörü bulunmalıdır. İngiliz temel hatlarında ise bu değer 0.85, endüstri lokomotiflerinde ise daha düşük 0.75 kullanılır.

c sabiti; silindir ölçülerine ve hangi zaman diliminde hangi buhar vanasının açık olduğuna bağlıdır. Eğer buhar vanaları, en yüksek silindir basıncı elde edilir edilmez kapatılır ise, piston kuvvetinin başlangıç kuvvetine göre yarısından daha azına indiği görülür bu da c sabitini azalması demektir. Eğer vanalar açık bırakılırsa, açık bırakıldığı süre kadar c sabitinin değeri artarak 1’e yaklaşır.

Basit üç ve dört silindirli lokomotiflerde; sonucun üç silindirli için 1.5 ile, dört silindirli lokomotif için 2 ile çarpılması gerekir.

Çoklu karmaşık silindirli lokomotiflerde; (çift ve üçlü motor genişlemeleri dahil) çekiş gücü, her bir silindirin sahip olduğu vuruş ve basınç değerlerine eklenilerek bulunur.

Buharlı lokomotiflerin kıyaslanması

Buharlı lokomotiflerin güçleri kıyaslanırken genellikle çekiş güçlerine bakılır. Ancak bu kıyaslama çok doğru bir kıyaslama değildir, çünkü sürükleyici güç; treni harekete geçiren güçtür, önemli olan trenin hareketine devam etmesini sağlayan güçtür. Virginia Tren yolunun iddia ettiği 2-8-8-8-4 Triplex lokomotifi büyük ihtimalle en fazla sürükleyici güce sahip lokomotifti. Sürükleyici gücü yaklaşık 199,560 lbf (887,7 kN) dı, ancak ısıtıcısı lokomotifin hareketini devam ettirmesi için bu kadar buhar üretemiyordu (5mp/h,8 km/h)

Daha başarılı buhar lokomotiflerine örnek olarak tekrar Virginia Tren yolun ürettiği AE sınıfının 2-10-10-2s modelini sürükleyici gücü 176,000 lbf (783 kN). Union Pacicif Big Boys lokomotiflerinin sürükleyici gücü 135,375 lbf (60s kN), Norfolk & Western firmasının Y5,Y6,Y6a ve Y6b serilerinin sürükleyici gücü 170,000 lbf (756 kN) ve son olarak Pennsylvania Demir yollarının Duplex Q2 modeli 114,860 lbf (510,9 kN) güç üretebiliyordu. İki silindirli yolcu lokomotifleri genellikle 40,000-80,000 lbf (170-350 kN) sürükleyici güce sahiptiler.

Dizel ve Elektrik lokomotifleri

Elektrik ve dizel-elektrik lokomotiflerin sürükleyici güçleri, sürüş tekerlerine binen yük(bazen toplam lokomotif yükünden daha az olabilir), durma torku, çekiş motoru, akslar ve sürükleyici motor arasındaki viteslerin oranı ve sürüş tekerlerinin çaplarına bağlıdır. Dizel-hidrolik lokomotiflerde sürükleyici güç, döndürücü kuvvet (tork) çeviricisinin sebep olduğu durma torkuna, viteslere, teker çapına ve lokomotifin ağırlığına bağlıdır.

Yük lokomotifleri dizayn edilirken genellikle yolcu lokomotiflerine kıyasla daha fazla sürükleyici güce sahip olmaları istenir bunun sebebi daha ağır olmalarıdır. Modern lokomotiflerde, sürükleyici motor ve akslar arasındaki dişliler lokomotifin kullanılacağı alana göre değişebilme özelliğine sahiptir.

Sürükleyici motoru zarar görmeden yön değiştirebilmek için maksimum hıza ulaşırlar, bu noktada daha güçlü sürükleyici kuvvet elde edebilmek zordur. Bu olayın benzeri yolcu lokomotiflerinde gözlenir; bu trenlerdeki arzu edilen hız maksimum sürükleyici güçten daha fazla olmalıdır.

Tek bujili motorlara sahip elektrik lokomotiflerinde iki-hız dişlisi bulunur. Bu dişliler daha yüksek hareket sürükleyici gücü sağlar ancak düşük hızlarda kullanılabilir. Örnek olarak SNCF BB8500 sınıfı ve SNCF BB 25500 sınıfı verilebilir.