В железнодорожной терминологии удар молота или динамическое усиление — это вертикальная сила [1] , которая попеременно добавляется и вычитается из веса локомотива на колесе. Она передается на рельсы ведущими колесами [2] многих паровозов . Это сила дисбаланса на колесе (известная как перевес [3] ). Это результат компромисса, когда колеса локомотива не сбалансированы для смещения горизонтальных возвратно-поступательных масс, таких как шатуны и поршни , для улучшения езды. Удар молота может привести к повреждению локомотива и пути, если сила колеса/рельса достаточно велика.
Добавление дополнительных грузов на колеса уменьшает неуравновешенные возвратно-поступательные силы, действующие на локомотив, но приводит к его вертикальному дисбалансу, создавая удар молота. [4]
Локомотивы были сбалансированы для каждого отдельного случая, особенно если было построено несколько локомотивов одинаковой конструкции (класс). [4] Каждый представитель класса был сбалансирован для своей нормальной рабочей скорости. [4] От 40% до 50% возвратно-поступательных грузов с каждой стороны были сбалансированы вращающимися грузами в колесах. [1]
В то время как боковые стержни (UK: coupling rods) локомотива могут быть полностью сбалансированы грузами на ведущих колесах , поскольку их движение полностью вращательное, возвратно-поступательные движения поршней, поршневых штоков и клапанного механизма не могут быть полностью сбалансированы таким образом. Главные стержни также не могут быть полностью сбалансированы колесными противовесами, поскольку их движение имеет большее смещение в горизонтальном направлении, чем в вертикальном направлении. Почти все двухцилиндровые локомотивы имеют свои кривошипы «четверть» — установленные под углом 90° друг к другу — так что четыре рабочих хода поршней двойного действия равномерно распределены по всему циклу и нет «мертвых зон» (точек, в которых оба цилиндра находятся в верхней или нижней мертвой точке одновременно).
Четырехцилиндровый локомотив может быть полностью сбалансирован по продольной и вертикальной осям, хотя есть некоторые моменты качания, с которыми можно справиться в подвеске и центрировании локомотива; трехцилиндровый локомотив также может быть лучше сбалансирован, но двухцилиндровый локомотив будет подпрыгивать вперед и назад, если он сбалансирован только для вращения. Дополнительный балансировочный груз — «перевес» — может быть добавлен, чтобы уменьшить это, обычно достаточно, чтобы «усреднить» вибрации, сделав оставшиеся силы и моменты равными в вертикальном и горизонтальном направлениях. Однако вертикальные силы, которые добавляются в результате, известные технически как удар молота, могут быть чрезвычайно разрушительными для пути, и в крайних случаях могут фактически привести к тому, что ведущие колеса полностью сойдут с пути.
Чем тяжелее возвратно-поступательное движение, тем больше эти силы, и тем большей проблемой это становится. За исключением короткого периода в начале двадцатого века, когда были опробованы сбалансированные составные локомотивы, американские железные дороги не были заинтересованы в локомотивах с внутренними цилиндрами, поэтому проблема баланса не могла быть решена путем добавления большего количества цилиндров на каждую сцепленную колесную пару. По мере того, как локомотивы становились больше и мощнее, их возвратно-поступательное движение должно было стать сильнее и, следовательно, тяжелее, и, таким образом, проблемы, вызванные дисбалансом и ударом молота, стали более серьезными. Более высокие скорости также увеличивают неуравновешенные силы, поскольку они растут пропорционально квадрату скорости вращения колеса.
Одним из решений этой проблемы был дуплексный локомотив , который распределял движущую силу по нескольким наборам поршней, тем самым значительно уменьшая удар молота. Менее успешным был триплексный локомотив .
Советский Союз использовал другое решение для удара молотом в конструкции локомотива 2-10-4 (и 2-8-2) . Цилиндры располагались над центральной ведущей осью и, что самое важное, имели оппозитную конфигурацию поршней (два поршня, сфазированные на 180 градусов в одном цилиндре). Таким образом, в отличие от почти всех паровозов, поршни имели стержни на обоих концах, которые передавали мощность на колеса. Идея состояла в том, чтобы уравновесить движущие силы на колесах, позволяя противовесам на колесах быть меньше и уменьшая удар молотом по рельсам.
В Соединенном Королевстве правительственный комитет по напряжению мостов исследовал влияние удара молота на создание напряжений в железнодорожных мостах и необходимость балансировки движений внутренних и внешних цилиндров. Использование внутренних цилиндров (что было редкостью в США) приводит к более устойчивому локомотиву и, таким образом, уменьшению удара молота. Многие европейские танковые паровозы имели внутренние цилиндры, чтобы уменьшить износ на маневровых путях от частого и интенсивного использования. Однако внешние цилиндры легче обслуживать, и, по-видимому, для многих железных дорог США это считалось более важным, чем другие соображения. Расходы на техническое обслуживание, связанные с почти недоступными внутренними цилиндрами на локомотивах Union Pacific 4-12-2 , могли ускорить их вывод из эксплуатации.
Локомотивы на основе парового двигателя имеют меньшие и более многочисленные возвратно-поступательные компоненты, которые требуют гораздо более легких деталей, и их легче хорошо балансировать. Не сообщалось о проблемах, связанных с ударами молотка, в этих конструкциях, но они появились к тому времени, когда железные дороги двигались в сторону дизелизации .
Паротурбинные локомотивы не имеют поршней, клапанного механизма и других возвратно-поступательных компонентов, что позволяет сбалансировать колеса и шатуны для устранения удара молота. Паротурбинные локомотивы были опробованы несколькими компаниями по всему миру в 1930-х и 1940-х годах (например, S2 6-8-6 Пенсильванской железной дороги и Turbomotive LMS ) . Хотя многие из этих турболокомотивов испытывали проблемы в эксплуатации (обычно чрезмерное потребление топлива и/или низкая надежность), они оказались свободны от удара молота и предложили способ достижения высокой выходной мощности и скорости без повреждения пути.