Железная дорога сцепления использует сцепление для движения поезда и является наиболее распространенным типом железных дорог в мире. Адгезионная тяга представляет собой трение между ведущими колесами и стальным рельсом. [1] Поскольку подавляющее большинство железных дорог являются железными дорогами сцепления, термин « железная дорога сцепления» используется только тогда, когда необходимо отличить железные дороги сцепления от железных дорог, перемещаемых другими способами, например, с помощью стационарного двигателя, натягивающего трос, прикрепленный к вагонам, или по железным дорогам, которые приводятся в движение шестерней, зацепляющимися с рейкой .
Трение между колесами и рельсами происходит в зоне контакта колеса с рельсом или в пятне контакта. Сила тяги, тормозные силы и центрирующие силы способствуют стабильному ходу. Однако трение при движении увеличивает затраты, поскольку требует более высокого 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 тяговых и тормозных сил.
Тяга или трение уменьшаются, когда верхняя часть рельса мокрая, обледенелая или загрязнена жиром, маслом или разлагающимися листьями , которые уплотняются, образуя твердое скользкое лигниновое покрытие. Загрязнение листьев можно удалить, применяя « Сандит » (смесь геля и песка) из поездов технического обслуживания, используя скрубберы и водяные струи, а также можно уменьшить путем долгосрочного ухода за придорожной растительностью. Локомотивы и трамваи используют песок для улучшения тяги, когда ведущие колеса начинают буксовать.
Адгезия вызывается трением , при этом максимальная касательная сила, создаваемая ведущим колесом перед проскальзыванием, определяется выражением:
[2]
где – коэффициент трения, – вес на колесе.
Обычно сила, необходимая для начала скольжения, больше, чем сила, необходимая для продолжения скольжения. Первый связан со статическим трением (также известным как « прилипание » [3] ) или «ограничивающим трением», тогда как второй представляет собой динамическое трение, также называемое «трением скольжения».
Для стали по стали коэффициент трения в лабораторных условиях может достигать 0,78, но обычно на железных дорогах он составляет от 0,35 до 0,5 [4] , тогда как в экстремальных условиях он может упасть до 0,05. Таким образом, 100-тонный локомотив может иметь тяговое усилие 350 килоньютонов в идеальных условиях (при условии, что двигатель может развивать достаточную силу), а в худших условиях оно падает до 50 килоньютонов.
Паровозы особенно сильно страдают от проблем с сцеплением, поскольку сила тяги на ободе колеса колеблется (особенно в 2- или большинстве 4-цилиндровых двигателях), а на больших локомотивах не все колеса являются ведущими. «Коэффициент сцепления», представляющий собой вес ведомых колес, разделенный на теоретическое пусковое 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 был бы очень склонен к пробуксовке колес, хотя некоторые 3-цилиндровые локомотивы, такие как класс SR V Schools , работали с коэффициентом сцепления ниже 4, поскольку сила тяги на ободе колеса не так сильно колебаться. Другие факторы, влияющие на вероятность пробуксовки колес, включают размер колес, чувствительность регулятора и навыки водителя.
Термин «всепогодное сцепление» обычно используется в Северной Америке и относится к сцеплению, доступному в режиме тяги с надежностью 99% при любых погодных условиях. [5]
Максимальная скорость, с которой поезд может двигаться на повороте, ограничена радиусом поворота, положением центра масс агрегатов, колеей колес и тем, находится ли путь в вираже или под наклоном .
Опрокидывание произойдет, когда опрокидывающий момент, вызванный боковой силой ( центробежное ускорение), достаточен для того, чтобы внутреннее колесо начало отрываться от рельса. Это может привести к потере сцепления, что приведет к замедлению поезда и предотвращению его опрокидывания. Альтернативно, инерции может быть достаточно, чтобы поезд продолжал двигаться со скоростью, вызывая полное опрокидывание транспортного средства.
При колеи колес 1,5 м, без перекоса, высоте центра тяжести 3 м и скорости 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 этого значения, поскольку контакт гребней колеса с рельсом на высокой скорости может привести к значительному повреждению обоих. Для очень высокой скорости снова представляется подходящим минимальный предел сцепления, подразумевающий радиус поворота около 13 км. На практике кривые линии, используемые для высокоскоростного движения, имеют повышенную высоту или наклон, так что предел поворота приближается к 7 км.
В 19 веке широко распространено мнение, что соединение ведущих колес может снизить производительность, и этого не допускали в двигателях, предназначенных для экспресс-пассажирских перевозок. При использовании одной ведущей колесной пары контактное напряжение Герца между колесом и рельсом потребовало установки колес наибольшего диаметра, который можно было разместить. Вес локомотива был ограничен нагрузкой на рельс, и даже при разумных условиях сцепления требовались песочницы.
Можно подумать, что колеса удерживаются на гусеницах за счет бортов. Однако внимательное изучение типичного железнодорожного колеса показывает, что протектор полирован, а бортик — нет — борта редко соприкасаются с рельсом, а когда это происходит, большая часть контакта является скользящим. Трение борта о гусеницу приводит к рассеиванию большого количества энергии, в основном в виде тепла, но также и к шуму, и, если оно будет продолжаться, это приведет к чрезмерному износу колес.
Центрирование фактически осуществляется путем придания формы колесу. Протектор колеса слегка конусный. Когда поезд находится в центре пути, область контакта колес с рельсом образует круг, имеющий одинаковый диаметр для обоих колес. Скорости обоих колес равны, поэтому поезд движется прямолинейно.
Однако если колесная пара смещена в одну сторону, диаметры областей контакта и, следовательно, тангенциальные скорости колес на поверхностях качения различны, и колесная пара стремится повернуть назад к центру. Кроме того, когда поезд входит в поворот без крена , колесная пара слегка смещается вбок, так что колея внешнего колеса линейно ускоряется, а колея внутреннего колеса замедляется, заставляя поезд поворачивать за угол. В некоторых железнодорожных системах используется плоский профиль колес и гусениц, при этом для уменьшения или устранения контакта с фланцами используется только брус .
Понимая, как поезд держится на пути, становится очевидным, почему инженеры локомотивов викторианской эпохи не любили сцеплять колесные пары. Это простое конусное действие возможно только с колесными парами, каждая из которых может иметь некоторую свободу движения вокруг своей вертикальной оси. Если колесные пары жестко соединены друг с другом, это движение ограничено, поэтому можно ожидать, что соединение колес приведет к скольжению, что приведет к увеличению потерь на качение. Эта проблема была в значительной степени решена за счет обеспечения точного соответствия диаметров всех соединенных колес.
При идеальном контакте качения между колесом и рельсом такое конусообразное поведение проявляется в раскачивании поезда из стороны в сторону. На практике раскачивание гасится при скорости ниже критической, но усиливается при движении поезда вперед при скорости выше критической. Это боковое покачивание известно как охотничьи колебания . Явление охоты было известно к концу 19 века, однако причина его не была полностью понята до 1920-х годов, а меры по ее ликвидации не были приняты до конца 1960-х годов. Ограничение максимальной скорости было наложено не из-за грубой мощности, а из-за нестабильности движения.
Кинематическое описание движения конических гусениц по двум рельсам недостаточно, чтобы достаточно хорошо описать охоту и предсказать критическую скорость. Необходимо разобраться с задействованными силами. Есть два явления, которые необходимо принять во внимание. Первый — инерция колесных пар и кузовов транспортных средств, порождающая силы, пропорциональные ускорению; второй — перекос колеса и гусеницы в месте контакта, вызывающий возникновение упругих сил. Кинематическое приближение соответствует случаю, когда преобладают контактные силы.
Анализ кинематики конусного действия дает оценку длины волны бокового колебания: [6]
где d — колея колеса, r — номинальный радиус колеса, k — конусность протектора. Для данной скорости, чем длиннее длина волны и меньше силы инерции, тем больше вероятность того, что колебания будут затухать. Поскольку длина волны увеличивается с уменьшением конусности, увеличение критической скорости требует уменьшения конусности, что подразумевает большой минимальный радиус поворота.
Более полный анализ с учетом действующих сил дает следующий результат для критической скорости колесной пары: [ необходимы пояснения ]
где W — нагрузка на ось колесной пары, a — коэффициент формы, связанный с величиной износа колеса и рельса, C — момент инерции колесной пары, перпендикулярный оси, m — масса колесной пары.
Результат согласуется с кинематическим результатом, поскольку критическая скорость обратно пропорциональна конусности. Это также подразумевает, что вес вращающейся массы должен быть минимизирован по сравнению с весом транспортного средства. Колея колеса появляется как в числителе, так и в знаменателе, подразумевая, что она оказывает влияние только второго порядка на критическую скорость.
Реальная ситуация гораздо сложнее, поскольку необходимо учитывать реакцию подвески автомобиля. Ограничительные пружины, противодействующие рысканью колесной пары, и аналогичные ограничители на тележках могут использоваться для дальнейшего повышения критической скорости. Однако для достижения максимальных скоростей, не сталкиваясь с нестабильностью, необходимо значительное уменьшение конусности колеса. Например, конусность протектора колес Синкансэн была уменьшена до 1:40 (когда Синкансэн впервые запустился) для обеспечения устойчивости на высоких скоростях и производительности на поворотах. [7] Тем не менее, начиная с 1980-х годов, инженеры Синкансэна разработали эффективную конусность 1:16 за счет сужения колеса с несколькими дугами, чтобы колесо могло эффективно работать как на высокой скорости, так и на более крутых поворотах. [7]
Поведение транспортных средств, движущихся по путям сцепления, определяется силами, возникающими между двумя соприкасающимися поверхностями. На первый взгляд это может показаться тривиально простым, но становится чрезвычайно сложным, если изучить его на глубину, необходимую для предсказания полезных результатов.
Первая ошибка, которую следует устранить, — это предположение, что колеса круглые. Взгляд на шины припаркованного автомобиля сразу покажет, что это не так: область контакта с дорогой заметно сплющена, так что колесо и дорога на участке контакта соответствуют друг другу. 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 в зоне контакта происходят такие же деформации. Обычно область контакта имеет эллиптическую форму и имеет поперечник порядка 15 мм. [8]
Деформация колеса и рельса мала и локализована, но возникающие из-за нее силы велики. Помимо деформации из-за веса, как колесо, так и рельс деформируются при приложении сил торможения и ускорения, а также когда транспортное средство подвергается воздействию боковых сил. Эти тангенциальные силы вызывают искажение в области первого контакта, за которым следует область проскальзывания. Конечным результатом является то, что во время тяги колесо продвигается не так далеко, как можно было бы ожидать от контакта качения, но во время торможения оно продвигается дальше. Эта смесь упругой деформации и местного скольжения известна как «ползучесть» (не путать с ползучестью материалов под постоянной нагрузкой). Определение ползучести [9] в этом контексте следующее:
При анализе динамики колесных пар и рельсовых транспортных средств в сборе контактные силы можно рассматривать как линейно зависящие от ползучести [10] ( линейная теория Жуста-Жака Калкера , справедливая для малых ползучести) или можно использовать более продвинутые теории, исходя из фрикционного контакта. механика .
Силы, которые приводят к курсовой устойчивости, движению и торможению, можно отнести к ползучести. Он присутствует в одной колесной паре и компенсирует небольшую кинематическую несовместимость, возникающую при соединении колесных пар вместе, не вызывая при этом серьезного проскальзывания, чего когда-то опасались.
При условии, что радиус поворота достаточно велик (как и следовало ожидать для экспресс-пассажирских перевозок), две или три соединенные колесные пары не должны представлять проблемы. Однако на тяжелых грузовых локомотивах обычно используется 10 ведущих колес (5 основных колесных пар).
Железная дорога сцепления опирается на сочетание трения и веса для запуска поезда. Самые тяжелые поезда требуют самого высокого трения и самого тяжелого локомотива. Трение может сильно различаться, но на ранних железных дорогах было известно, что песок помогает, и он до сих пор используется даже на локомотивах с современными системами контроля тяги. Чтобы запустить самые тяжелые поезда, локомотив должен быть настолько тяжелым, насколько его выдерживают мосты на маршруте и сам путь. Вес локомотива должен равномерно распределяться между ведущими колесами, без переноса веса по мере увеличения пусковой силы. Колеса должны вращаться с постоянной движущей силой на очень маленькой площади контакта (около 1 см 2 ) между каждым колесом и верхней частью рельса. Верхняя часть рельса должна быть сухой, без каких-либо искусственных или погодных загрязнений, таких как масло или дождь. Необходим песок, улучшающий трение, или его эквивалент. Ведущие колеса должны вращаться быстрее, чем движется локомотив (это называется контролем ползучести), чтобы обеспечить максимальный коэффициент трения, а оси должны управляться независимо с помощью собственного контроллера, поскольку разные оси будут работать в разных условиях. Максимально доступное трение возникает, когда колеса скользят/скользят. Если загрязнение неизбежно, колеса должны приводиться в движение с большим проскальзыванием, поскольку, хотя трение снижается при загрязнении, максимум, достижимый в этих условиях, достигается при более высоких значениях ползучести. [11] Диспетчеры должны реагировать на различные условия сцепления на трассе.
Некоторые стартовые требования были проблемой для конструкторов паровозов – «неработающие шлифовальные системы, неудобные в эксплуатации органы управления, смазка, из-за которой масло разбрызгивалось повсюду, стоки, смачивавшие рельсы, и так далее.» [12 ] Другие пришлось ждать современных электротрансмиссий на тепловозах и электровозах.
Сила трения на рельсах и величина проскальзывания колес постепенно уменьшаются по мере того, как поезд набирает скорость.
Ведомое колесо не катится свободно, а вращается быстрее соответствующей скорости локомотива. 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 состоянии «прилипания». Если колесо приводится в движение или тормозится, доля пятна контакта с состоянием «залипания» становится меньше, и постепенно увеличивающаяся доля находится в так называемом «состоянии скольжения». Это уменьшение площади «прилипания» и увеличение площади «проскальзывания» способствует постепенному увеличению тягового или тормозного момента, который может поддерживаться по мере увеличения силы на ободе колеса до тех пор, пока вся область не станет «проскальзывать». [13] Зона скольжения обеспечивает сцепление. Во время перехода от состояния «полного прилипания» без крутящего момента к состоянию «полного проскальзывания» в колесе происходит постепенное увеличение скольжения, также известное как ползучесть и ползучесть. Локомотивы с высоким сцеплением управляют перемещением колес, обеспечивая максимальное усилие при трогании с места и медленном буксировании тяжелого поезда.
Скольжение — это дополнительная скорость, которую имеет колесо, а проскальзывание — это уровень скольжения, разделенный на скорость локомотива. Эти параметры измеряются и поступают в контроллер ползучести. [14]
На железной дороге большинства локомотивов имеется резервуар для хранения песка. На рельс можно насыпать правильно высушенный песок, чтобы улучшить сцепление на скользкой дороге. Песок чаще всего подается с помощью сжатого воздуха через башню, кран, силос или поезд. [15] [16] Когда двигатель буксует, особенно при запуске тяжелого поезда, песок, нанесенный на передние ведущие колеса, значительно способствует увеличению тягового усилия, заставляя поезд «подниматься» или начинать движение, задуманное машинистом. .
Однако шлифование имеет и некоторые негативные последствия. Это может привести к образованию «песчаной пленки», состоящей из измельченного песка, которая сжимается в пленку на гусенице в месте соприкосновения колес. Вместе с некоторым количеством влаги на гусенице, которая действует как легкий клей и удерживает нанесенный песок на гусенице, колеса «запекают» измельченный песок в более твердый слой песка. Поскольку песок наносится на первые колеса локомотива, последующие колеса могут работать, по крайней мере частично и в течение ограниченного времени, на слое песка (песочной пленки). Во время движения это означает, что электровозы могут потерять контакт с землей, в результате чего локомотив будет создавать электромагнитные помехи и токи через муфты. В состоянии покоя, когда локомотив припаркован, рельсовые цепи могут обнаружить пустой путь, поскольку локомотив электрически изолирован от пути. [17]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )