Адгезионная железная дорога

Ведущее колесо паровоза

Адгезия железнодорожные зависит от сцепления тяги для перемещения поезда. Адгезионная тяга - это трение между ведущими колесами и стальным рельсом. ^[1] Термин «железная дорога сцепления» используется только тогда, когда необходимо отличить железные дороги сцепления от железных дорог, перемещаемых другими средствами, такими как стационарный двигатель, тянущий за трос, прикрепленный к вагонам, или железные дороги, которые перемещаются с помощью шестерни. сцепление со стойкой .

Эта статья посвящена техническим деталям того, что происходит в результате трения между колесами и рельсами в так называемом стыке колеса с рельсом или пятне контакта. Есть хорошие силы, такие как сила тяги, силы торможения и центрирующие силы, которые способствуют стабильной работе. Существуют отрицательные силы, которые увеличивают затраты из-за увеличения расхода топлива и увеличения объема технического обслуживания, необходимого для устранения усталостных (материальных) повреждений, износа головок рельсов и ободов колес, а также движения рельсов из-за сил тяги и торможения.

Взаимодействие между колесом и рельсом - это специальный предмет, который постоянно исследуется.

Вариация коэффициента трения [ править ]

Тяга или трение уменьшаются, когда верхняя часть рельса мокрая или обледеневшая или загрязнена жиром, маслом или разлагающимися листьями, которые уплотняются в твердое скользкое покрытие из лигнина . Загрязнение листьев можно удалить, применяя « Сандит » (смесь геля и песка) из ремонтных поездов, используя скрубберы и водяные струи, и его можно уменьшить с помощью долгосрочного ухода за растительностью вдоль железных дорог. В локомотивах и трамваях / трамваях используется песок для улучшения тяги, когда ведущие колеса начинают буксовать.

Влияние пределов адгезии [ править ]

Адгезия вызывается трением с максимальной тангенциальной силой, создаваемой ведущим колесом перед проскальзыванием, обусловленной:

F _max = коэффициент трения × вес колеса ^[2]

Обычно сила, необходимая для начала скольжения, больше, чем сила, необходимая для продолжения скольжения. Бывший касается статического трения (также известный как « клейкости » ^[3] ) или «предельного трения», в то время как последний является динамическое трение, также называемый «трения скольжения».

Для стали по стали коэффициент трения может достигать 0,78 в лабораторных условиях, но обычно на железных дорогах он составляет от 0,35 до 0,5 ^{[4], в} то время как в экстремальных условиях он может упасть до 0,05. Таким образом, 100-тонный локомотив может иметь тяговое усилие в 350 килоньютон в идеальных условиях (при условии, что двигатель может создавать достаточную силу), а в худших - до 50 килоньютон.

Паровозы особенно сильно страдают от проблем с адгезией, потому что сила тяги на ободе колеса колеблется (особенно в 2- или большинстве 4-цилиндровых двигателей), а на больших локомотивах приводятся не все колеса. «Коэффициент сцепления», представляющий собой вес ведущих колес, разделенный на теоретическое начальное тяговое усилие, обычно рассчитывался равным 4 или немного выше, что отражает типичный коэффициент трения колеса о рельс 0,25. Локомотив с коэффициентом сцепления намного ниже 4 будет очень подвержен пробуксовке колес, хотя некоторые трехцилиндровые локомотивы, такие как класс SR V Schools, работала с коэффициентом сцепления ниже 4, поскольку сила тяги на ободе колеса не так сильно колеблется. Другие факторы, влияющие на вероятность пробуксовки, включают размер колеса и чувствительность регулятора / навыки водителя.

Всепогодная адгезия [ править ]

Термин « всепогодная адгезия» обычно используется в Северной Америке и относится к адгезии, доступной в режиме тяги с 99% надежностью при любых погодных условиях. ^[5]

Условия опрокидывания [ править ]

Максимальная скорость, с которой поезд может двигаться вокруг поворота, ограничивается радиусом поворота, положением центра масс единиц, шириной колеи и тем, является ли путь виражом или наклонен .

Предел опрокидывания при малом радиусе поворота

Падение произойдет, когда опрокидывающий момент из-за боковой силы ( центробежное ускорение) будет достаточным, чтобы внутреннее колесо начало отрываться от рельса. Это может привести к потере сцепления, что приведет к замедлению поезда и предотвращению опрокидывания. В качестве альтернативы инерции может быть достаточно, чтобы поезд продолжил движение со скоростью, вызывающей полное опрокидывание транспортного средства.

При колее 1,5 м, без перекоса, с высотой центра тяжести 3 м и скоростью 30 м / с (108 км / ч) радиус поворота составляет 360 м. Для современного высокоскоростного поезда со скоростью 80 м / с предел опрокидывания составит около 2,5 км. На практике минимальный радиус поворота намного больше, поскольку контакт между гребнем колеса и рельсом на высокой скорости может нанести значительный ущерб обоим. Для очень высокой скорости снова оказывается приемлемым минимальный предел сцепления, подразумевающий радиус поворота около 13 км. На практике изогнутые линии, используемые для движения на высоких скоростях, имеют вираж или наклон, так что предел поворота приближается к 7 км.

В 19 веке было широко распространено мнение, что соединение ведущих колес ухудшит характеристики, и этого избегали в двигателях, предназначенных для экспресс-обслуживания пассажиров. С одной ведущей колесной парой контактное напряжение Герца между колесом и рельсом требовало колес самого большого диаметра, которые могли быть размещены. Вес локомотива ограничивался нагрузкой на рельс, поэтому требовались песочницы даже при разумных условиях сцепления.

Направленная устойчивость и неустойчивость охоты [ править ]

Можно подумать, что колеса удерживаются на гусеницах фланцами. Однако внимательное изучение типичного железнодорожного колеса показывает, что протектор воронен, а фланец - нет - фланцы редко соприкасаются с рельсом, а когда это происходит, большая часть контакта скользит. Трение фланца о гусеницу рассеивает большое количество энергии, в основном в виде тепла, но также включая шум, и, если оно продолжительное, может привести к чрезмерному износу колес.

Центрирование фактически достигается за счет придания формы колесу. Протектор колеса слегка заострен. Когда поезд находится в центре пути, область соприкосновения колес с рельсом образует окружность, имеющую одинаковый диаметр для обоих колес. Скорости двух колес равны, поэтому поезд движется по прямой.

Однако, если колесная пара смещается в одну сторону, диаметры областей контакта и, следовательно, тангенциальные скорости колес на рабочих поверхностях будут разными, и колесная пара имеет тенденцию отклоняться назад к центру. Кроме того, когда поезд встречает поворот без крена , колесная пара слегка смещается в сторону, так что протектор внешнего колеса линейно ускоряется, а протектор внутреннего колеса замедляется, заставляя поезд повернуть за угол. Некоторые железнодорожные системы используют плоское колесо и профиль пути, полагаясь только на скос для уменьшения или устранения контакта фланца.

Понимая, как поезд остается на рельсах, становится очевидным, почему викторианские локомотивы не хотели соединять колесные пары. Это простое действие конуса возможно только с колесными парами, каждая из которых может иметь некоторое свободное движение вокруг своей вертикальной оси. Если колесные пары жестко соединены друг с другом, это движение ограничено, так что можно ожидать, что сцепление колес приведет к скольжению, что приведет к увеличению потерь при качении. Эта проблема была решена в значительной степени за счет того, что диаметр всех сцепленных колес был очень точно подобран.

При идеальном контакте качения между колесом и рельсом это конусообразное поведение проявляется как раскачивание поезда из стороны в сторону. На практике раскачивание гасится ниже критической скорости, но усиливается поступательным движением поезда со скоростью выше критической. Это боковое покачивание известно как охотничье колебание . Явление охоты было известно к концу XIX века, хотя причина не была полностью изучена до 1920-х годов, а меры по его устранению не принимались до конца 1960-х годов. Ограничение максимальной скорости было наложено не из-за чистой мощности, а из-за нестабильности движения.

Кинематического описания движения конических ступеней на двух рельсах недостаточно, чтобы описать рывок достаточно хорошо, чтобы предсказать критическую скорость. Надо разбираться с задействованными силами. Необходимо принять во внимание два явления. Первая - это инерция колесных пар и кузовов транспортных средств, вызывающая силы, пропорциональные ускорению; второй - деформация колеса и гусеницы в точке контакта, вызывающая упругие силы. Кинематическое приближение соответствует случаю, когда преобладают контактные силы.

Анализ кинематики действия конуса дает оценку длины волны боковых колебаний: ^[6]

${\ displaystyle \ lambda = {2 \ pi} {\ sqrt {\ frac {rd} {2k}}},}$

где d - ширина колеи, r - номинальный радиус колеса, а k - конусность ступеней. Для заданной скорости чем больше длина волны и тем ниже будут силы инерции, тем более вероятно, что колебания будут затухать. Поскольку длина волны увеличивается с уменьшением конуса, увеличение критической скорости требует уменьшения конуса, что подразумевает большой минимальный радиус поворота.

Более полный анализ, учитывающий действующие силы, дает следующий результат для критической скорости колесной пары: ^{[ требуется пояснение ]}

${\ displaystyle V ^ {2} = {\ frac {Wrad ^ {2}} {k \ left (4C + md ^ {2} \ right)}},}$

где W - осевая нагрузка колесной пары, a - коэффициент формы, связанный с степенью износа колеса и рельса, C - момент инерции колесной пары перпендикулярно оси, m - масса колесной пары.

Результат согласуется с кинематическим результатом в том, что критическая скорость обратно пропорциональна конусности. Это также означает, что вес вращающейся массы должен быть минимизирован по сравнению с весом транспортного средства. Колесная колея фигурирует как в числителе, так и в знаменателе, что означает, что она оказывает влияние на критическую скорость только второго порядка.

Реальная ситуация намного сложнее, так как необходимо учитывать реакцию подвески автомобиля. Сдерживающие пружины, препятствующие рысканию колесной пары, и аналогичные ограничения на тележках могут использоваться для дальнейшего повышения критической скорости. Однако для достижения самых высоких скоростей без возникновения нестабильности необходимо значительное уменьшение конуса колеса. Например, конусность протекторов колес Синкансэн была уменьшена до 1:40 (когда Синкансэн впервые проехал) как для устойчивости на высоких скоростях, так и для эффективности на поворотах. ^[7] Тем не менее, с 1980-х годов инженеры Shinkansen разработали эффективную конусность 1:16, сужая колесо с множеством дуг, чтобы колесо могло эффективно работать как на высокой скорости, так и на более крутых поворотах.^[7]

Силы на колесах, ползучесть [ править ]

Поведение транспортных средств, движущихся по сцепным железным дорогам, определяется силами, возникающими между двумя контактирующими поверхностями. Это может показаться тривиально простым на первый взгляд, но становится чрезвычайно сложным, если изучить его до глубины, необходимой для предсказания полезных результатов.

Первая ошибка, которую необходимо устранить, - это предположение, что колеса круглые. Взгляд на шины припаркованного автомобиля сразу показывает, что это не так: область контакта с дорогой заметно сплющена, так что колесо и дорога совпадают друг с другом в области контакта. Если бы это было не так, контактное напряжение нагрузки, передаваемой через линейный контакт, было бы бесконечным. Рельсы и железнодорожные колеса намного жестче, чем пневматические шины и асфальт, но такое же искажение имеет место в области контакта. Как правило, контактная площадка имеет эллиптическую форму диаметром порядка 15 мм. ^[8]

Крутящий момент, приложенный к оси, вызывает утечку: разницу между скоростью поступательного движения и окружной скоростью , в результате чего возникает сила скольжения .${\ displaystyle M}$${\ displaystyle V}$${\ displaystyle \ omega R}$${\ displaystyle F_ {w}}$

Деформация колеса и рельса небольшая и локализованная, но возникающие из-за нее силы велики. Помимо деформации из-за веса, колесо и рельс деформируются при приложении тормозных и ускоряющих сил, а также при воздействии на транспортное средство боковых сил. Эти тангенциальные силы вызывают искажение в области, где они впервые соприкасаются, а затем и в области проскальзывания. Конечный результат состоит в том, что во время тяги колесо не продвигается так далеко, как можно было бы ожидать от контакта качения, а во время торможения оно продвигается дальше. Это сочетание упругой деформации и местного скольжения известно как «ползучесть» (не путать с ползучестью материалов при постоянной нагрузке). Определение ползучести ^[9] в этом контексте:

${\ displaystyle {\ mbox {creep}} = {\ frac {({\ mbox {фактическое смещение}} - {\ mbox {подвижное смещение}})} {({\ mbox {подвижное смещение}})}} \, }$

При анализе динамики колесных пар и целых рельсовых транспортных средств контактные силы можно рассматривать как линейно зависящие от ползучести ^[10] ( линейная теория Йоста Жака Калкера , справедливая для малой утечки) или более продвинутые теории могут использоваться на основе фрикционного контакта. механика .

Силы, которые приводят к курсовой устойчивости, движению и торможению, можно отнести к ползучести. Он присутствует в одной колесной паре и будет компенсировать небольшую кинематическую несовместимость, возникающую при соединении колесных пар вместе, не вызывая большого проскальзывания, как когда-то опасались.

При достаточно большом радиусе поворота (как и следовало ожидать от экспресс-пассажирских перевозок) две или три соединенных между собой колесных пары не должны представлять проблемы. Однако 10 ведущих колес (5 основных колесных пар) обычно связаны с тяжелыми грузовыми локомотивами.

Как поезд движется [ править ]

Железная дорога сцепления основана на сочетании трения и веса, чтобы запустить поезд. Для самых тяжелых поездов требуется максимальное трение и самый тяжелый локомотив. Трение может сильно варьироваться, но на ранних железных дорогах было известно, что песок помогал, и он все еще используется сегодня, даже на локомотивах с современными системами контроля тяги. Чтобы запустить самые тяжелые поезда, локомотив должен быть настолько тяжелым, насколько его могут выдержать мосты на маршруте и сама колея, а весь вес локомотива должен равномерно распределяться на приводимые колеса без веса. перенос по мере увеличения стартового усилия. Колеса должны вращаться с максимально устойчивой движущей силой на очень маленькой контактной поверхности около 1 см ^2.между каждым колесом и верхом рельса. Верхняя часть рельса должна быть сухой, без антропогенных или погодных загрязнений, таких как масло или дождь. Тем не менее, необходим улучшающий трение песок или его аналог. Все ведущие колеса должны вращаться быстрее, чем движется локомотив (так называемое управление проскальзыванием), чтобы использовать максимальный доступный коэффициент трения, и все оси должны управляться независимо с их собственным контроллером, потому что разные оси будут видеть разные условия. Максимально возможное трение возникает, когда колеса буксуют / скользят. Если загрязнения неизбежно, колеса должны приводиться в движение с большей проскальзыванием, потому что, хотя трение снижается с загрязнением, максимум, достигаемый в этих условиях, достигается при более высоких значениях ползучести. ^[11] Контроллеры должны реагировать на различные условия трения на трассе.

Некоторые из приведенных выше требований были проблемой для паровых локомотивов дизайнеров - «Полировальные системы , которые не работают, элементы управления , которые были неудобны в эксплуатации, смазки , которые изрыгают масло везде, водостоки , что соприкасающиеся с рельсов, и так далее ..» ^[12] Другие пришлось ждать современных электрических трансмиссий на тепловозах и электровозах.

Вышеупомянутые требования исчезают по мере того, как поезд набирает определенную скорость, потому что необходимое фрикционное усилие на рельсах постоянно падает с увеличением скорости, а характер пятна контакта колеса с рельсом изменяется, как описано ниже.

Ведущее колесо не катится, а фактически вращается быстрее, чем соответствующее движение локомотива, и разница между ними известна как «скорость скольжения». «Скольжение» - это «скорость скольжения» по сравнению со «скоростью транспортного средства». Когда колесо свободно катится по рельсу, пятно контакта находится в так называемом «заедании». Если колесо приводится в движение или тормозится, доля пятна контакта с состоянием «заедания» становится меньше, и постепенно увеличивающаяся доля находится в так называемом «состоянии проскальзывания». Эта уменьшающаяся зона «залипания» и увеличивающаяся зона «скольжения» поддерживает постепенное увеличение тягового или тормозного момента, которое может поддерживаться по мере увеличения силы на ободе колеса до тех пор, пока вся зона не «проскочит».^[13]Зона «скольжения» обеспечивает сцепление с дорогой. Во время перехода от режима без крутящего момента «all-stick» к состоянию «all-slip» колесо постепенно увеличивало скольжение, также известное как проскальзывание и проскальзывание. Локомотивы с высоким сцеплением управляют проскальзыванием колес, чтобы прикладывать максимальное усилие при запуске и медленном тяге тяжелого поезда.

Скольжение - это дополнительная скорость колеса, а проскальзывание - это уровень проскальзывания, деленный на скорость локомотива. Это те параметры, которые измеряются и которые входят в контроллер медленного передвижения. ^[14]

${\ displaystyle {\ mbox {creep}} = {\ frac {({\ mbox {скорость колеса}} - {\ mbox {скорость локомотива}})} {({\ mbox {скорость локомотива}})}} \, }$

Шлифовка [ править ]

На сцепных железных дорогах большинство локомотивов будет иметь резервуар для удержания песка. Правильно высушенный песок можно бросить на рельс для улучшения сцепления на скользкой дороге. Чаще всего песок применяется сжатым воздухом через башню, кран, силосную башню или поезд. ^{[15] [16]} Когда двигатель пробуксовывает, особенно при запуске тяжелого поезда, песок, нанесенный перед ведущими колесами, значительно увеличивает тяговое усилие, заставляя поезд «подняться» или начать движение, задуманное машинистом. .

Однако шлифовка также имеет некоторые негативные последствия. Это может привести к образованию «песчаной пленки», состоящей из измельченного песка, которая сжимается до пленки на гусенице, где колеса соприкасаются. Вместе с небольшим количеством влаги на дорожке, которая действует как легкий клей и удерживает нанесенный песок на дорожке, колеса «запекают» измельченный песок в более твердый слой песка. Поскольку песок наносится на первые колеса локомотива, следующие колеса могут двигаться, по меньшей мере частично, в течение ограниченного времени по слою песка (песчаной пленке). Во время движения это означает, что электровозы могут потерять контакт с дорогой и землей, в результате чего локомотив будет создавать электромагнитные помехи и токи через сцепки. В состоянии покоя, когда локомотив стоит на стоянке, рельсовые цепиможет обнаружить пустой путь, потому что локомотив электрически изолирован от пути. ^[17]

См. Также [ править ]

Сноски [ править ]

Источники [ править ]