Адгезия железной дороги

Колесо парного локомотива

Адгезионная железная дорога опирается на тягу адгезии, чтобы перемещать поезд, и является наиболее распространенным и распространенным типом железной дороги в мире. Адгезионная тяга - это трение между приводными колесами и стальным рельсом. Поскольку подавляющее большинство железных дорог представляют собой железные дороги адгезии, термин адгезионная железная дорога используется только тогда, когда необходимо отличить железные дороги адгезии от железных дорог, перемещенных другими средствами, например, стационарным двигателем, тянущим на кабеле, прикрепленном к автомобилям или шестерней Сетка со стойкой .

Трение между колесами и рельсами происходит на границе интерфейса колеса или контакта. Тяговая сила, тормозные силы и центрирующие силы - все это способствует стабильному бегу. Тем не менее, бег на трение увеличивает затраты из -за более высокого расхода топлива и увеличения технического обслуживания, необходимого для устранения устойчивости и износа на рельсах, а также на колесах колеса и движения рельса от тяги и тормозных сил.

Вариация коэффициента трения

Торгин или трение уменьшается, когда вершина рельса влажная или морозная или загрязненная жиром, маслом или разлагающимися листьями , которые уплотняют в твердое скользкое покрытие лигнина . Загрязнение листьев может быть удалено путем применения « песчаного » (гель-санд-смесь) из технических поездов, используя скрубберы и водные струи, и может быть уменьшено с помощью долгосрочного управления растительностью железнодорожного пособия. Локомотивы и трамваи используют песок, чтобы улучшить тягу, когда начнут проскальзывать вождение колеса.

Влияние пределов адгезии

См. Также: тяга (инженерия)

Адгезия вызвана трением , с максимальной тангенциальной силой, полученной при вождении, перед тем, как проскальзывать дано:

$F_{\mathrm {max} }=\mu W,$

где $\mu$ является коэффициентом трения и $W$ вес на колесе.

Обычно сила, необходимая для начала скольжения, больше, чем нужно для продолжения скольжения. Первый занимается статическим трением (также известным как « жалкая » ) или «ограничение трения», в то время как последнее - это динамическое трение, также называемое «скользящим трением».

Для стали на стали коэффициент трения может достигать 0,78, в лабораторных условиях, но обычно на железных дорогах он составляет от 0,35 до 0,5, в то время как в экстремальных условиях он может упасть до 0,05. Таким образом, 100-тонный локомотив может иметь тяжелые усилия в 350 килонвтонов, в идеальных условиях (при условии, что двигатель может быть получена достаточная сила), падая до 50 килонвов в худших условиях.

Паровые локомотивы особенно сильно страдают от проблем с адгезией, потому что сила тяги у обода руля колеблется (особенно в 2 или большинстве 4-цилиндровых двигателей), и, на больших локомотивах, не все колеса приводятся. «Коэффициент адгезии», являющийся весом на управляемых колесах, деленных на теоретические начальные тяжелые усилия, обычно предназначался для того, чтобы иметь значение 4 или немного выше, что отражает типичный коэффициент трения колеса в 0,25. Локомотив с коэффициентом адгезии, намного ниже, чем 4, был бы сильно подвержен колесам, хотя некоторые 3-цилиндровые локомотивы, такие как SR V School класс не колеблется так сильно. Другие факторы, влияющие на вероятность колеса, включают размер колеса, чувствительность регулятора и навык водителя.

Всепогодная адгезия

Термин всепогодного адгезии обычно используется в Северной Америке и относится к адгезии, доступной в режиме тяги с надежностью 99% в любых погодных условиях.

Условия свержения

Максимальная скорость, с которой поезд может проходить вокруг поворота, ограничена радиусом поворота, положением центра масс единиц, колеса колеса и является ли дорожка сверхэлеальной или наклоненной .

Предел свержения на радиус жесткого поворота

Довержение свертывания, когда переигрывающий момент из -за боковой силы ( центробежное ускорение) достаточно, чтобы заставить внутреннее колесо начать снимать с рельса. Это может привести к потере адгезии - что приводит к замедлению поезда, предотвращая свержение. В качестве альтернативы, инерции может быть достаточно, чтобы поезд продолжал двигаться с скоростью, заставляя вагоны полностью свернуться.

Для манометра колеса 1,5 м (4,9 фута) без кантины, центра тяжести высоты 3 м (9,8 фута) и скорости 30 м/с (110 км/ч; 67 миль в час), минимальный радиус кривизны составляет 360 м (1180 футов). Для современного, исключительно высокоскоростного поезда со скоростью 80 м/с (290 км/ч; 180 миль в час) минимальный радиус будет около 2,5 км (1,6 мили). На практике минимальный радиус поворота намного больше, чем этот, так как контакт между колесными фланцами и рельсом на высокой скорости может нанести значительный ущерб обоим. Для очень высоких скоростей минимальный предел адгезии снова кажется подходящим, подразумевая радиус поворота около 13 км (8,1 миль). На практике изогнутые дорожки, используемые для высокоскоростного движения, являются сверхэлеаленными или наклоненными , так что минимальный радиус кривизны ближе к 7 км (4,3 мили).

В течение 19 -го века было широко распространено мнение, что сочетание приводных колес поставит под угрозу производительность, и это было избежано на двигателях, предназначенных для экспресс -пассажирских услуг. С одной приводной колесной, контактное напряжение Герцзиана между колесом и рельсом потребовало колеса наибольшего диаметром, которые можно было бы размещено. Вес локомотивов был ограничен напряжением на рельсе, и песочницы были необходимы, даже в разумных условиях адгезии.

Стабильность направления и нестабильность охоты

Колеса в центральной позиции

Влияние бокового смещения

Можно считать, что колеса хранятся на трассах фланцами. Тем не менее, тщательное изучение типичного железнодорожного колеса показывает, что протектор полирован, но фланце не так - фланцы редко вступают в контакт с рельсом и, когда они это делают, большая часть контакта скользит. Потигание фланца на трассе рассеивает большое количество энергии, в основном как тепло, но также включая шум и, в случае выдержания, приведет к чрезмерному износу колеса.

Центрирование фактически достигается с помощью формы колеса. Протектор колеса слегка конус. Когда поезд находится в центре пути, область колес в контакте с рельсовыми прослеживаниями прослеживает круг, который имеет одинаковый диаметр для обоих колес. Скорости двух колес равны, поэтому поезд движется по прямой линии.

Однако, если колеса смещена на одну сторону, диаметры областей контакта, и, следовательно, тангенциальные скорости колес на бегущих поверхностях различны, и колеса имеет тенденцию двигаться обратно к центру. Кроме того, когда поезд сталкивается с небанкованным поворотом , колесная набоя слегка вытесняет сбоку, так что протектор внешнего колеса линейно поднимается, а внутренний проход колеса замедляется, в результате чего поезд поворачивает за угол. Некоторые железнодорожные системы используют профиль плоского колеса и дорожки, полагаясь на CANT в одиночку, чтобы уменьшить или устранить контакт фланца.

Понимая, как поезд остается на трассе, становится очевидным, почему викторианские инженеры локомотива были склонны к сочетаниям колес. Это простое действие конуса возможна только с колесами, где каждый может иметь некоторое свободное движение о вертикальной оси. Если колесные накладки строго связаны вместе, это движение ограничено, так что можно ожидать, что соединение колес приведет к увеличению потерь на категории. Эта проблема была в значительной степени облегчена, гарантируя, что диаметры всех связанных колеса были очень тесно.

С идеальным контактом между колесом и рельсом, это поведение конуса проявляется как покачивание поезда из стороны в сторону. На практике раскачивание демпфируется ниже критической скорости, но усиливается прямым движением поезда выше критической скорости. Это боковое раскачивание известно как колебание охоты . Охотниковые колебания были известны к концу 19 -го века, хотя причина не была полностью понята до 1920 -х годов, и меры по устранению его не были приняты до конца 1960 -х годов. Максимальная скорость была ограничена не сырой мощностью, а возможной нестабильностью в движении.

Кинематическое описание движения конических протекторов на двух рельсах недостаточно для описания охоты достаточно хорошо, чтобы предсказать критическую скорость. Необходимо справиться с вовлеченными силами. Есть две функции, которые необходимо учитывать:

1. инерция колес и тел транспортных средств, вызывая силы, пропорциональные ускорению;
2. искажение колеса и дорожки в точке контакта, приводящих к упругим силам.

Кинематическое приближение соответствует случаю, в котором преобладают контактные силы.

Анализ кинематики действий конуса дает оценку длины волны бокового колебания:

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

Где D - колесо колеса, r - номинальный радиус колеса, а k - конус, конус, протекторов. Для данной скорости, чем дольше длина волны и тем ниже инерционные силы, поэтому, тем больше вероятность того, что колебание будет ослаблено. Поскольку длина волны увеличивается с уменьшением конуса, увеличение критической скорости требует уменьшения конуса, что подразумевает большой минимальный радиус поворота.

Более полный анализ, учитывая действующие силы, дает следующий результат для критической скорости колеса:

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

Если W - нагрузка оси для колеса, A - это коэффициент формы, связанный с количеством износа на колесе и рельсе, C - момент инерции колеса, перпендикулярной оси, M - масса колеса.

Результат согласуется с кинематическим результатом в том, что критическая скорость обратно зависит от конуса. Это также подразумевает, что вес вращающейся массы должен быть сведен к минимуму по сравнению с весом транспортного средства. Значение колеса появляется как в числителе, так и в знаменателе, подразумевая, что он оказывает только эффект второго порядка на критическую скорость.

Истинная ситуация гораздо сложнее, так как ответ на подвеску транспортного средства должна быть принята во внимание. Переживающие пружины, выступая против движения на колесах, и аналогичные ограничения на болоты могут использоваться для дальнейшего повышения критической скорости. Однако для достижения самых высоких скоростей без столкновения с нестабильностью необходимо значительное снижение конуса колеса. Например, конусная на шагах на колесах Shinkansen была уменьшена до 1:40 (когда Shinkansen впервые запустился) для обоих стабильности на высоких скоростях и производительности на кривых. Тем не менее, начиная с 1980 -х годов инженеры Shinkansen разработали эффективный конус 1:16, сужая колесо с несколькими дугами, так что колесо может эффективно работать как на высокой скорости, так и на более высоких кривых.

Силы на колесах, ползучесть

Поведение транспортных средств, перемещающихся на адгезионных железных дорогах, определяется силами , возникающими между двумя поверхностями в контакте. Это может показаться тривиально простым с поверхностного взгляда, но он становится чрезвычайно сложным при изучении глубины, необходимой для прогнозирования полезных результатов.

Первая ошибка для адреса - это предположение, что колеса круглые. Взгляд на шины припаркованного автомобиля сразу же покажет, что это не так: регион, контактирующая с дорогой, заметно сплющена, так что колесо и дорога соответствуют друг другу в области контакта. Если бы это было не так, то контактное напряжение от нагрузки, передаваемой через контакт линии, было бы бесконечным. Рельсы и железнодорожные колеса намного жестче, чем пневматические шины и асфальт, но то же искажение происходит в области контакта. Как правило, площадь контакта является эллиптической, порядок 15 мм в поперечнике.

Крутящий момент $M$ нанесенный на ось вызывает ползуп: разница между прямой скоростью $V$ и скорость окружности $\omega R$, с результирующей силой $F_{w}$.

Искажение в колесе и рельсе небольшие и локализованные, но силы, которые возникают из него, являются большими. В дополнение к искажению из -за веса, как колесо, так и рельс, искажаются при применении торможения и ускоряющихся сил и когда транспортное средство подвергается боковым силам. Эти тангенциальные силы вызывают искажение в регионе, где они впервые вступают в контакт, за которым следует область проскальзывания. Чистый результат состоит в том, что во время тяги колеса не продвигается не так, как можно было бы ожидать от контакта, но во время торможения оно продвигается дальше. Эта смесь упругого искажения и локального проскальзывания известна как «ползучесть» (не путать с ползучести материалов при постоянной нагрузке). Определение ползучести В этом контексте:

${\mbox{creep}}={\frac {({\mbox{actual displacement}}-{\mbox{rolling displacement}})}{({\mbox{rolling displacement}})}}\,$

При анализе динамики колес и полных железнодорожных транспортных средств, контактные силы могут рассматриваться как линейно -зависимые от ползучести ( Линейная теория Джуста Жака Калкера , действительная для небольших ползуп) или более продвинутые теории могут использоваться из механики контакта с трениями .

Силы, которые приводят к устойчивости направления, движению и торможению, все могут быть прослежены до ползучести. Он присутствует в одной колесной колесе и будет приспособиться к небольшой кинематической несовместимости, введенной в связи с соединением колес вместе, не вызывая грубого проскальзывания, как когда -то опасалось.

При условии, что радиус поворота достаточно велик (как и следовало ожидать для экспресс -пассажирских услуг), два или три связанных колесных набоя не должны представлять проблему. Тем не менее, 10 дисков (5 основных колес) обычно связаны с тяжелыми грузовыми локомотивами.

Переезжать на поезд

Адгезионная железная дорога опирается на сочетание трения и веса, чтобы начать поезд. Самые тяжелые поезда требуют самого высокого трения и самых тяжелых локомотива. Трение может сильно различаться, но на ранних железных дорогах было известно, что песок помог, и он все еще используется сегодня, даже на локомотивах с современным контролем тяги. Чтобы начать самые тяжелые поезда, локомотив должен быть таким же тяжелым, насколько это может переноситься мостами вдоль маршрута и самой дорожки. Вес локомотива должен быть одинаково распределен на колесах, которые приводятся в движение, без передачи веса, поскольку стартовая сила строит. Колеса должны повернуться с устойчивой движущей силой на очень маленькой области контакта около 1 см. ² между каждым колесом и вершиной рельса. Верхняя часть рельса должна быть сухой, без искусственного или погодного загрязнения, такого как масло или дождь. Необходим песок для повышения трения или эквивалент. Приводные колеса должны поворачиваться быстрее, чем движущийся локомотив (известный как контроль полей), чтобы генерировать максимальный коэффициент трения, а оси должны быть приведены независимо со своим собственным контроллером, потому что разные оси увидят разные условия. Максимальное доступное трение происходит, когда колеса скользят/ползут. Если загрязнение неизбежно, колеса должны быть приведены с большим количеством ползучести, потому что, хотя трение снижается с загрязнением, максимально доступное при этих условиях происходит при больших значениях ползучести. Контроллеры должны реагировать на различные условия трения вдоль трассы.

Некоторые из стартовых требований были проблемой для дизайнеров парового локомотива - «Шесколетные системы, которые не работали, контроли, которые были неудобными для работы, смазывание, которое извергало нефть повсюду, сливает, которые смачивали рельсы, и т. Д.» Другие должны были ждать современных электрических передач на дизельных и электрических локомотивах.

Сила трения на рельсах и количество проскальзывания колеса постоянно, когда поезд поднимает скорость.

Приводное колесо не катится свободно, но становится быстрее, чем соответствующая локомотивная скорость. Разница между ними известна как «скорость скольжения». «Слип» - это «скорость скольжения» по сравнению с «скоростью транспортного средства». Когда колесо свободно катится вдоль рельса, контактный патч находится в том, что известно как «палочка». Если колесо приводится в движение или занижено долю контактного пластыря с условием «палки» становится меньше, а постепенно увеличивающаяся доля находится в так называемом «условие скольжения». Эта область уменьшения «палки» и увеличение «скольжения» поддерживает постепенное увеличение тяги или крутящего момента торможения, которые могут быть поддержаны, когда сила на ободе руля увеличивается до тех пор, пока вся область не будет «скользкой». Область «скольжения» обеспечивает тягу. Во время перехода от условия «все-шалма» к состоянию «все скользя» колесо было постепенно увеличение скольжения, также известное как ползучесть и ползучий. Высокая адгезионная локомотива, управляя рулем, чтобы приложить максимальное усилие при запуске и медленном поезде.

Слип - это дополнительная скорость, которую имеет колесо, и ползучесть - это уровень скольжения, разделенный на локомотивную скорость. Эти параметры измеряются и которые попадают в контроллер ползучести.

${\mbox{creep}}={\frac {({\mbox{wheel speed}}-{\mbox{locomotive speed}})}{({\mbox{locomotive speed}})}}\,$

Шлифование

На адгезионной железной дороге большинство локомотивов будут иметь сосуд с содержанием песка. Правильно высушенный песок можно сбросить на рельс, чтобы улучшить тягу в скользких условиях. Песок чаще всего применяется с помощью сжатого воздуха через башню, крана, силос или поезда. Когда двигатель проскальзывает, особенно при запуске тяжелого поезда, песок, нанесенный на передней части колесных колес, сильно помогает в тяжелых усилиях, в результате чего поезд «поднимает» или начинает движение, предназначенное водителем двигателя.

Шлифование, однако, также имеет некоторые негативные последствия. Это может вызвать «песчаную поля», которая состоит из измельченного песка, который сжимается к пленке на трассе, где колеса вступают в контакт. Вместе с некоторой влажностью на трассе, которая действует как легкий клей и держит нанесенный песок на трассе, колеса «испечь» измельченный песок в более твердый слой песка. Поскольку песок применяется к первым колесам на локомотиве, следующие колеса могут работать, по крайней мере частично и в течение ограниченного времени, на слое песка (песчаная построение). Во время путешествия это означает, что электрические локомотивы могут потерять контакт с дорожкой, в результате чего локомотив создает электромагнитные помехи и токи через муфты. В условиях, когда локомотив припаркован, трассы могут обнаружить пустую дорожку, потому что локомотив электрически изолирован от трассы.

Смотрите также

• Бустер двигатель
• Кривая сопротивление
• Трение
• Механика контакта трения
• Охота на колебание
• Список самых крутых градиентов на адгезионных железных дорогах
• Железнодорожный визг
• Железнодорожная шина
• Сопротивление катания
• Песочница (локомотив)
• Скользкий рельс
• Тяга
• Трибология
• Колеса
• Wheelskate

Источники

• Картер, FW (25 июля 1928 г.). О стабильности управления локомотивами . Прокурор Королевское общество.
• Инглис, сэр Чарльз (1951). Прикладная математика для инженеров . Издательство Кембриджского университета. С. 194–195.
• Wickens, AH (1965–1966). «Динамика железнодорожных транспортных средств на прямой дорожке: фундаментальные соображения боковой стабильности». Прокурор Институт Мех Англ. : 29.
• Викенс, ах; Гилкрист, Ао; Хоббс, Эе (1969–1970). Дизайн подвески для высокопроизводительных двухосных грузовых транспортных средств . Прокурор Институт Мех Англ. п. 22. от AH Wickens
• Wickens, AH (1 января 2003 г.). Основы динамики железнодорожных транспортных средств: руководство и стабильность . Swets & Zeitlinger.