Сцепная железная дорога использует сцепление для перемещения поезда и является наиболее распространенным и обычным типом железной дороги в мире. Сцепление — это трение между ведущими колесами и стальным рельсом. [1] Поскольку подавляющее большинство железных дорог являются сцеплением, термин сцепление используется только тогда, когда необходимо отличить сцепление от железных дорог, движущихся другими способами, например, неподвижным двигателем, тянущим трос, прикрепленный к вагонам, или шестерней , зацепляющейся с зубчатой рейкой .
Трение между колесами и рельсами происходит в интерфейсе колесо-рельс или пятне контакта. Тяговая сила, тормозные силы и центрирующие силы способствуют стабильному ходу. Однако трение при движении увеличивает расходы из-за более высокого расхода топлива и более частого обслуживания, необходимого для устранения усталостных повреждений и износа головок рельсов и ободов колес, а также движения рельса от тяговых и тормозных сил.
Сцепление или трение уменьшаются, когда верхняя часть рельса мокрая или замерзшая или загрязнена смазкой, маслом или разлагающимися листьями , которые уплотняются в твердое скользкое лигниновое покрытие. Загрязнение листьями можно удалить, применяя « Сандит » (смесь геля и песка) из обслуживаемых поездов, используя скрубберы и струи воды, и его можно уменьшить с помощью долгосрочного управления растительностью вдоль рельсов. Локомотивы и трамваи используют песок для улучшения сцепления, когда ведущие колеса начинают пробуксовывать.
Сцепление вызывается трением , при этом максимальная тангенциальная сила, создаваемая ведущим колесом перед проскальзыванием, определяется по формуле:
[2]
где - коэффициент трения, - вес на колесе.
Обычно сила, необходимая для начала скольжения, больше, чем та, которая необходима для продолжения скольжения. Первое касается статического трения (также известного как « прилипание » [3] ) или «ограничительного трения», тогда как последнее — динамического трения, также называемого «трением 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 350 килоньютон в идеальных условиях (при условии, что двигатель может создать достаточную силу), падающее до 50 килоньютон в наихудших условиях.
Паровозы особенно сильно страдают от проблем со сцеплением, поскольку сила тяги на ободе колеса колеблется (особенно в 2- или большинстве 4-цилиндровых двигателей), а на больших локомотивах не все колеса являются ведущими. «Фактор сцепления», представляющий собой вес на ведущих колесах, деленный на теоретическое пусковое тяговое усилие, обычно проектировался так, чтобы иметь значение 4 или немного выше, что отражает типичный коэффициент трения колеса о рельс 0,25. Локомотив с фактором сцепления намного ниже 4 будет сильно склонен к пробуксовке колес, хотя некоторые 3-цилиндровые локомотивы, такие как класс SR V Schools , работали с фактором сцепления ниже 4, поскольку сила тяги на ободе колеса не колеблется так сильно. Другие факторы, влияющие на вероятность пробуксовки колес, включают размер колеса, чувствительность регулятора и мастерство машиниста.
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 по повороту, ограничивается радиусом поворота, положением центра масс единиц, шириной колеи и тем, является ли путь приподнятым или наклонным .
Опрокидывание 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, инерция может быть достаточной, чтобы заставить поезд продолжать движение на скорости, что приведет к полному опрокидыванию вагонов.
Для ширины колеи 1,5 м (4,9 фута) без наклона, высоты центра тяжести 3 м (9,8 фута) и скорости 30 м/с (110 км/ч; 67 миль/ч) минимальный радиус кривизны составляет 360 м (1180 футов). Для современного, исключительно высокоскоростного поезда со скоростью 80 м/с (290 км/ч; 180 миль/ч) минимальный радиус будет около 2,5 км (1,6 мили). На практике минимальный радиус поворота намного больше, так как контакт между ребордами колес и рельсом на высокой скорости может привести к значительному повреждению обоих. Для очень высоких скоростей минимальный предел сцепления снова кажется подходящим, [ необходимо разъяснение ] подразумевая радиус поворота около 13 км (8,1 мили). На практике криволинейные пути, используемые для высокоскоростного движения, приподняты или наклонены , так что минимальный радиус кривизны приближается к 7 км (4,3 мили).
В 19 веке широко распространено мнение, что сцепление ведущих колес ухудшит производительность, и этого избегали в локомотивах, предназначенных для экспресс-пассажирских перевозок. При наличии одной ведущей колесной пары контактное напряжение Герца между колесом и рельсом требовало колес наибольшего диаметра, который только можно было разместить. Вес локомотивов ограничивался напряжением на рельсе, и требовались ящики для песка даже при разумных условиях сцепления.
Можно подумать, что колеса удерживаются на рельсах ребордами. Однако при внимательном рассмотрении типичного железнодорожного колеса обнаруживается, что протектор отполирован, а реборд — нет — реборды редко соприкасаются с рельсом, а когда соприкасаются, большая часть контакта скользящая. Трение реборды о рельс рассеивает большое количество энергии, в основном в виде тепла, но также и шума, и, если оно продолжается, может привести к чрезмерному износу колеса.
Центрирование фактически достигается посредством формовки колеса. Протектор колеса слегка сужен. Когда поезд находится в центре пути, область соприкосновения колес с рельсом описывает окружность, имеющую одинаковый диаметр для обоих колес. Скорости двух колес равны, поэтому поезд движется по прямой линии.
Однако если колесная пара смещена в одну сторону, диаметры областей контакта, а следовательно, и тангенциальные скорости колес на поверхностях качения, различны, и колесная пара стремится повернуть назад к центру. Кроме того, когда поезд сталкивается с неуклонным поворотом , колесная пара слегка смещается вбок, так что внешняя поверхность катания колеса линейно ускоряется, а внутренняя поверхность катания замедляется, заставляя поезд поворачивать на угол. Некоторые железнодорожные системы используют плоский профиль колеса и пути, полагаясь только на наклон , чтобы уменьшить или устранить контакт гребня.
Понимая, как поезд держится на рельсах, становится очевидным, почему инженеры-локомотивщики Виктории были против сцепления колесных пар. Это простое действие конусообразования возможно только с колесными парами, где каждая может иметь некоторое свободное движение вокруг своей вертикальной оси. Если колесные пары жестко соединены вместе, это движение ограничено, так что сцепление колес, как ожидается, приведет к скольжению, что приведет к увеличению потерь на качении. Эта проблема была в значительной степени смягчена за счет того, что диаметры всех соединенных колес были очень близко подобраны.
При идеальном контакте качения между колесом и рельсом это конусообразное поведение проявляется как раскачивание поезда из стороны в сторону. На практике раскачивание затухает ниже критической скорости, но усиливается поступательным движением поезда выше критической скорости. Это боковое раскачивание известно как хантинг-осцилляция . Хантинг-осцилляция была известна к концу 19 века, хотя причина не была полностью понята до 1920-х годов, и меры по ее устранению не были приняты до конца 1960-х годов. Максимальная скорость ограничивалась не грубой силой, а возможной нестабильностью движения.
Кинематическое описание движения конических протекторов на двух рельсах недостаточно для описания рысканья достаточно хорошо, чтобы предсказать критическую скорость. Необходимо иметь дело с вовлеченными силами. Есть две особенности, которые следует учитывать:
Кинематическое приближение соответствует случаю, в котором преобладают контактные силы.
Анализ кинематики конусообразного действия дает оценку длины волны бокового колебания: [6]
где d — ширина колеи, r — номинальный радиус колеса, а k — конусность протекторов. Для заданной скорости, чем больше длина волны и чем 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, учитывающий фактически действующие силы, дает следующий результат для критической скорости колесной пары: [ необходимо разъяснение ]
где W — осевая нагрузка колесной пары, a — коэффициент формы, зависящий от степени износа колеса и рельса, C — момент инерции колесной пары, перпендикулярный оси, m — масса колесной пары.
Результат согласуется с кинематическим результатом, в котором критическая скорость обратно пропорциональна конусности. Это также подразумевает, что вес вращающейся массы должен быть минимизирован по сравнению с весом транспортного средства. Ширина колеи колеса появляется как в числителе, так и в знаменателе, что подразумевает, что она имеет только второй порядок влияния на критическую скорость.
Реальная ситуация гораздо сложнее, поскольку необходимо учитывать реакцию подвески транспортного средства. Ограничительные пружины, противодействующие рысканию колесной пары, и аналогичные ограничения на тележках могут использоваться для дальнейшего повышения критической скорости. Однако для достижения наивысших скоростей без возникновения неустойчивости необходимо значительное уменьшение конусности колеса. Например, конусность на протекторах колес Shinkansen была уменьшена до 1:40 (когда Shinkansen впервые запустили) как для устойчивости на высоких скоростях, так и для производительности на поворотах. [7] Тем не менее, начиная с 1980-х годов, инженеры Shinkansen разработали эффективную конусность 1:16, сужая колесо несколькими дугами, так что колесо могло эффективно работать как на высокой скорости, так и на более крутых поворотах. [7 ]
Поведение транспортных средств, движущихся по рельсам сцепления, определяется силами, возникающими между двумя соприкасающимися поверхностями. Это может показаться тривиально простым на первый взгляд, но становится чрезвычайно сложным, если изучить его до глубины, необходимой для прогнозирования 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 соответствуют друг другу 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 в области контакта происходит та же самая деформация. Обычно область контакта имеет эллиптическую форму, порядка 15 мм в поперечнике. [8]
Искажение колеса и рельса небольшое и локализованное, но силы, которые возникают из-за него, велики. В дополнение к искажению из-за веса, как колесо, так и рельс деформируются при приложении тормозных и ускоряющих сил, а также когда транспортное средство подвергается воздействию боковых сил. Эти тангенциальные силы вызывают искажение в области, где они впервые вступают в контакт, за которым следует область проскальзывания. Конечный результат заключается в том, что во время тяги колесо не продвигается так далеко, как можно было бы ожидать от контакта качения, но во время торможения оно продвигается дальше. Эта смесь упругой деформации и локального проскальзывания известна как «ползучесть» (не путать с ползучестью материалов под постоянной нагрузкой). Определение ползучести [9] в этом контексте следующее:
При анализе динамики колесных пар и целых рельсовых транспортных средств контактные силы можно рассматривать как линейно зависящие от проскальзывания [10] ( линейная теория Йоста Жака Калькера , справедливая для малого проскальзывания) или можно использовать более сложные теории из механики фрикционного контакта .
Силы, которые приводят к курсовой устойчивости, движению и торможению, можно отнести к ползучести. Она присутствует в одной колесной паре и компенсирует небольшую кинематическую несовместимость, вызванную соединением колесных пар вместе, не вызывая при этом сильного проскальзывания, как когда-то опасались.
При условии, что радиус поворота достаточно велик (как и следует ожидать для экспресс-пассажирских перевозок), две или три соединенные колесные пары не должны представлять проблемы. Однако 10 ведущих колес (5 основных колесных пар) обычно ассоциируются с тяжелыми грузовыми локомотивами.
Сцепление железной дороги зависит от комбинации 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 все еще используется сегодня, даже на локомотивах с современными системами управления тягой. Чтобы запустить самые тяжелые поезда, локомотив должен быть настолько тяжелым, насколько это могут выдержать мосты вдоль маршрута и сам путь. Вес локомотива должен быть разделен поровну между ведущими колесами, без переноса веса по мере нарастания силы запуска. Колеса должны вращаться с постоянной движущей силой на очень маленькой площади контакта около 1 см2 между каждым колесом и верхней частью рельса. Верхняя часть рельса должна быть сухой, без искусственных или погодных загрязнений, таких как масло или дождь. Необходим песок, усиливающий трение, или его эквивалент. Ведущие колеса должны вращаться быстрее, чем движется локомотив (это известно как управление проскальзыванием), чтобы создать максимальный коэффициент трения, а оси должны управляться независимо с помощью собственного контроллера, поскольку разные оси будут видеть разные условия. Максимально возможное трение возникает, когда колеса проскальзывают/ползут. Если загрязнение неизбежно, колеса должны управляться с большим проскальзыванием, поскольку, хотя трение снижается при загрязнении, максимально достижимый в этих условиях максимум достигается при больших значениях проскальзывания. [11] Контроллеры должны реагировать на различные условия трения вдоль пути.
Некоторые из начальных требований представляли собой проблему для конструкторов паровозов – «системы шлифования, которые не работали, органы управления, которые были неудобны в эксплуатации, смазка, из которой масло разливалось во все стороны, сливы, которые смачивали рельсы, и т. д.» [12]. Другим пришлось ждать появления современных электрических трансмиссий на дизельных и электрических локомотивах.
Сила трения на рельсах и величина пробуксовки колес неуклонно снижаются по мере того, как поезд набирает скорость.
Ведомое колесо не катится свободно, а вращается быстрее, чем соответствующая скорость 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 состоянии, известном как «прилипание». Если колесо приводится в движение или тормозится, доля пятна контакта с состоянием «прилипания» уменьшается, а постепенно увеличивающаяся доля находится в состоянии, известном как «прилипание». Эта уменьшающаяся область «прилипания» и увеличивающаяся область «скольжения» поддерживают постепенное увеличение тягового или тормозного момента, который может поддерживаться по мере увеличения силы на ободе колеса до тех пор, пока вся область не станет «прилипать». [13] Область «скольжения» обеспечивает тягу. Во время перехода от состояния «полного прилипания» без крутящего момента к состоянию «полного скольжения» колесо постепенно увеличивает скольжение, также известное как проскальзывание и ползучесть. Локомотивы с высоким сцеплением контролируют проскальзывание колеса, чтобы приложить максимальное усилие при запуске и медленной тяге тяжелого поезда.
Проскальзывание — это дополнительная скорость, которую имеет колесо, а проскальзывание — это уровень проскальзывания, деленный на скорость локомотива. Эти параметры измеряются и поступают в контроллер проскальзывания. [14]
На сцепной железной дороге большинство локомотивов будут иметь емкость для хранения песка. Правильно высушенный песок можно сбрасывать на рельсы для улучшения сцепления в скользких условиях. Песок чаще всего наносится с помощью сжатого воздуха через башню, кран, силос или поезд. [15] [16] Когда двигатель пробуксовывает, особенно при запуске тяжелого поезда, песок, нанесенный спереди ведущих колес, значительно помогает тяговому усилию, заставляя поезд «подниматься» или начинать движение, задуманное машинистом.
Однако шлифовка песком также имеет некоторые негативные последствия. Она может вызвать «песчаную пленку», которая состоит из измельченного песка, который спрессовывается в пленку на пути, где колеса соприкасаются. Вместе с некоторой влажностью на пути, которая действует как легкий клей и удерживает нанесенный песок на пути, колеса «запекают» измельченный песок в более прочный слой песка. Поскольку песок нанесен на первые колеса локомотива, следующие колеса могут работать, по крайней мере частично и в течение ограниченного времени, по слою песка (песчаной пленке). Во время движения это означает, что электровозы могут потерять контакт с грунтом пути, в результате чего локомотив будет создавать электромагнитные помехи и токи через сцепки. В состоянии покоя, когда локомотив припаркован, рельсовые цепи могут обнаружить пустой путь, поскольку локомотив электрически изолирован от пути. [17]
