Kolej przyczepna - Adhesion railway

Koło napędowe lokomotywy parowej

Przyczepność kolejowa opiera się na przyczepności trakcji, aby przesunąć pociąg. Przyczepność to tarcie między kołami napędowymi a szyną stalową. Termin „kolej adhezyjna” jest używany tylko wtedy, gdy konieczne jest odróżnienie kolei adhezyjnych od kolei poruszanych w inny sposób, na przykład przez stacjonarny silnik ciągnący linę przymocowaną do wagonów lub przez tory poruszane przez zębnik zazębiony z stojak .

Tarcie między kołami a szynami występuje na styku koło-szyna lub na styku. Siła trakcji, siły hamowania i siły centrujące przyczyniają się do stabilnej jazdy. Jednak tarcie podczas jazdy zwiększa koszty, wymagając wyższego zużycia paliwa i zwiększając konserwację potrzebną do usunięcia uszkodzeń zmęczeniowych (materiału) , zużycia główki szyn i obręczy kół oraz ruchu szyny spowodowanego siłami trakcyjnymi i hamującymi.

Zmiana współczynnika tarcia

Przyczepność lub tarcie zmniejszają się, gdy górna część szyny jest mokra, oszroniona lub zanieczyszczona smarem, olejem lub rozkładającymi się liśćmi, które zbijają się w twardą, śliską powłokę ligninową . Zanieczyszczenia liści można usunąć przez nałożenie „ Sandytu ” (mieszanka żelowo -piaskowa) z pociągów konserwacyjnych, przy użyciu płuczek i dysz wodnych, a także można je ograniczyć poprzez długoterminowe zarządzanie roślinnością przytorową. Lokomotywy i tramwaje/tramwaje wykorzystują piasek, aby poprawić przyczepność, gdy koła napędowe zaczynają się ślizgać.

Wpływ granic przyczepności

Przyczepność jest spowodowana tarciem , przy czym maksymalna siła styczna wytwarzana przez koło napędowe przed poślizgiem wynika z:

F _max = współczynnik tarcia × ciężar na kole

Zwykle siła potrzebna do rozpoczęcia przesuwania jest większa niż siła potrzebna do dalszego przesuwania. Pierwsze dotyczy tarcia statycznego (znanego również jako „ tarcie styczne ”) lub „tarcie ograniczające”, podczas gdy drugie dotyczy tarcia dynamicznego, zwanego również „tarciem ślizgowym”.

W przypadku stali o stal współczynnik tarcia może wynosić nawet 0,78 w warunkach laboratoryjnych, ale zazwyczaj na kolei wynosi od 0,35 do 0,5, podczas gdy w ekstremalnych warunkach może spaść do 0,05. Tak więc 100-tonowa lokomotywa mogłaby w idealnych warunkach (przy założeniu, że silnik może wytworzyć wystarczającą siłę wytworzyć wystarczającą siłę trakcyjną 350 kN), spadać do 50 kN w najgorszych warunkach.

Lokomotywy parowe szczególnie cierpią z powodu problemów z przyczepnością, ponieważ siła pociągowa na obręczy koła zmienia się (szczególnie w silnikach 2- lub 4-cylindrowych), aw dużych lokomotywach nie wszystkie koła są napędzane. „Współczynnik przyczepności”, będący ciężarem na kołach napędzanych podzielonym przez teoretyczną startową siłę pociągową, został ogólnie zaprojektowany jako wartość 4 lub nieco wyższa, odzwierciedlająca typowy współczynnik tarcia koło-szyna równy 0,25. Lokomotywa o współczynniku przyczepności znacznie niższym niż 4 byłaby bardzo podatna na poślizg, chociaż niektóre lokomotywy 3-cylindrowe, takie jak klasa SR V Schools , działały ze współczynnikiem przyczepności poniżej 4, ponieważ siła trakcyjna na obręczy koła nie wahać się tak bardzo. Inne czynniki wpływające na prawdopodobieństwo poślizgu kół to rozmiar koła i czułość regulatora/umiejętności kierowcy.

Przyczepność na każdą pogodę

Termin przyczepność na każdą pogodę jest zwykle używany w Ameryce Północnej i odnosi się do przyczepności dostępnej w trybie trakcji z 99% niezawodnością w każdych warunkach pogodowych.

Warunki przewracania

Maksymalna prędkość pociągu może przebiegać wokół obrót jest ograniczony przez promień obrotu, położenia środka ciężkości w urządzeniach, wówczas miernik koła i czy tor jest superelevated lub ukośnej .

Limit przewrócenia przy małym promieniu skrętu

Przewrócenie nastąpi, gdy moment wywracający spowodowany siłą boczną ( przyspieszenie odśrodkowe ) jest wystarczający, aby spowodować, że koło wewnętrzne zacznie unosić się z szyny. Może to spowodować utratę przyczepności – powodując spowolnienie pociągu, zapobiegając przewróceniu. Alternatywnie, bezwładność może być wystarczająca, aby pociąg nadal poruszał się z dużą prędkością, powodując całkowite przewrócenie się pojazdu.

Dla rozstawu kół 1,5 m, bez przechyłów, wysokości środka ciężkości 3 mi prędkości 30 m/s (108 km/h) promień skrętu wynosi 360 m. W przypadku nowoczesnego pociągu dużych prędkości z prędkością 80 m/s granica przewrócenia wynosiłaby około 2,5 km. W praktyce minimalny promień skrętu jest znacznie większy, ponieważ kontakt między obrzeżami koła a szyną przy dużej prędkości może spowodować znaczne uszkodzenie obu. W przypadku bardzo dużych prędkości ponownie wydaje się odpowiednia granica przyczepności, co oznacza promień skrętu wynoszący około 13 km. W praktyce, zakrzywione linie wykorzystywane do podróży z dużą prędkością są superelevated lub pochylona tak, że limit kolej jest bliżej do 7 km.

W XIX wieku powszechnie wierzono, że sprzęganie kół napędowych pogorszy osiągi i unikano tego w silnikach przeznaczonych do ekspresowych przewozów pasażerskich. W przypadku pojedynczego zestawu kołowego napędowego naprężenie styku Hertza między kołem a szyną wymagało zastosowania kół o największej średnicy, które można było pomieścić. Ciężar lokomotywy był ograniczony przez naprężenia na szynie i wymagane były piaskownice, nawet w rozsądnych warunkach przyczepności.

Stabilność kierunkowa i niestabilność polowania

Zestaw kołowy w pozycji centralnej

Efekt przemieszczenia bocznego

Można sądzić, że koła są utrzymywane na torach za pomocą kołnierzy. Jednak dokładne badanie typowego koła kolejowego ujawnia, że ​​bieżnik jest polerowany, ale kołnierz nie jest – kołnierze rzadko stykają się z szyną, a kiedy tak się dzieje, większość kontaktu jest ślizgająca. Tarcie obrzeża o bieżnię rozprasza duże ilości energii, głównie w postaci ciepła, ale także hałasu, a jeśli się utrzymuje, może prowadzić do nadmiernego zużycia koła.

Centrowanie jest faktycznie realizowane poprzez kształtowanie koła. Bieżnik koła jest lekko zwężony. Gdy pociąg znajduje się w środku toru, obszar kół stykających się z szyną tworzy okrąg, który ma taką samą średnicę dla obu kół. Prędkości obu kół są równe, więc pociąg porusza się po linii prostej.

Jeżeli jednak zestaw kołowy jest przesunięty na jedną stronę, średnice obszarów styku, a tym samym prędkości styczne kół na powierzchniach tocznych, są różne i zestaw kołowy ma tendencję do skręcania się z powrotem w kierunku środka. Ponadto, gdy pociąg napotyka zakręt bez przechyłu , zestaw kołowy przesuwa się nieznacznie w bok, tak że zewnętrzny bieżnik koła przyspiesza liniowo, a wewnętrzny bieżnik koła zwalnia, powodując skręcanie pociągu. Niektóre systemy kolejowe wykorzystują płaski profil koła i toru, opierając się na samej przechyłce w celu zmniejszenia lub wyeliminowania kontaktu kołnierza.

Rozumiejąc, jak pociąg utrzymuje się na torze, staje się oczywiste, dlaczego inżynierowie wiktoriańskich lokomotyw byli niechętni sprzęganiu zestawów kołowych. To proste działanie stożkowe jest możliwe tylko w zestawach kołowych, w których każdy może mieć pewien swobodny ruch wokół swojej osi pionowej. Jeżeli zestawy kołowe są ze sobą sztywno sprzężone, ruch ten jest ograniczony, tak że można oczekiwać, że sprzęganie kół spowoduje poślizg, co spowoduje zwiększone straty toczenia. Ten problem został w dużym stopniu złagodzony poprzez zapewnienie bardzo ścisłego dopasowania średnicy wszystkich sprzężonych kół.

Przy doskonałym kontakcie tocznym między kołem a szyną, to zachowanie stożka objawia się kołysaniem się pociągu na boki. W praktyce kołysanie jest tłumione poniżej prędkości krytycznej, ale jest wzmacniane przez ruch do przodu pociągu powyżej prędkości krytycznej. To boczne kołysanie jest znane jako oscylacja łowiecka . Zjawisko polowania było znane pod koniec XIX wieku, choć dopiero w latach 20. XX w. poznano jego przyczynę, a środki mające na celu jego wyeliminowanie podjęto dopiero pod koniec lat 60. XX wieku. Ograniczenie maksymalnej prędkości zostało narzucone nie przez czystą moc, ale przez napotkanie niestabilności w ruchu.

Kinematyczny opis ruchu stożkowych bieżników na dwóch szynach jest niewystarczający, aby opisać ruchy na tyle dobrze, aby przewidzieć prędkość krytyczną. Konieczne jest radzenie sobie z zaangażowanymi siłami. Należy wziąć pod uwagę dwa zjawiska. Pierwszym z nich jest bezwładność zestawów kołowych i karoserii pojazdów, powodująca powstanie sił proporcjonalnych do przyspieszenia; drugi to odkształcenie koła i toru w punkcie styku, powodujące powstanie sił sprężystych. Przybliżenie kinematyczne odpowiada przypadkowi, w którym dominują siły kontaktowe.

Analiza kinematyki oddziaływania stożkowego daje oszacowanie długości fali oscylacji bocznej:

${\ Displaystyle \ lambda = {2 \ pi} {\ sqrt {\ Frac {rd} {2k}}}}$

gdzie d jest rozstawem kół, r jest nominalnym promieniem koła, a k jest stożkiem bieżników. Dla danej prędkości im dłuższa długość fali i mniejsze siły bezwładności, tym większe prawdopodobieństwo, że oscylacja zostanie wytłumiona. Ponieważ długość fali wzrasta wraz ze stożkiem zmniejszania, zwiększenie prędkości krytycznej wymaga zmniejszenia stożka, co implikuje duży minimalny promień skrętu.

Pełniejsza analiza, uwzględniająca rzeczywiste działające siły, daje następujący wynik dla krytycznej prędkości zestawu kołowego:

${\ Displaystyle V ^ {2} = {\ Frac {Wrad ^ {2}} {k \ lewo (4C + MD ^ {2} \ prawej)}}}$

gdzie W jest obciążeniem osi zestawu kołowego, a jest współczynnikiem kształtu związanym ze stopniem zużycia koła i szyny, C jest momentem bezwładności zestawu kołowego prostopadle do osi, m jest masą zestawu.

Wynik jest zgodny z wynikiem kinematycznym, ponieważ prędkość krytyczna zależy odwrotnie od stożka. Oznacza to również, że ciężar masy wirującej powinien być zminimalizowany w porównaniu z ciężarem pojazdu. Rozstaw kół pojawia się zarówno w liczniku, jak i mianowniku, co oznacza, że ​​ma jedynie wpływ drugiego rzędu na prędkość krytyczną.

Rzeczywista sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana, ponieważ należy wziąć pod uwagę reakcję zawieszenia pojazdu. Sprężyny ograniczające, przeciwstawne ruchowi odchylającemu zestawu kołowego i podobne ograniczenia na wózkach, mogą być użyte do dalszego zwiększenia prędkości krytycznej. Jednak aby osiągnąć najwyższe prędkości bez napotkania niestabilności, konieczne jest znaczne zmniejszenie stożka koła. Na przykład, zbieżność bieżników kół Shinkansen została zmniejszona do 1:40 (kiedy Shinkansen po raz pierwszy jeździł), zarówno dla stabilności przy dużych prędkościach, jak i osiągów na zakrętach. To powiedziawszy, od lat 80. inżynierowie Shinkansen opracowali efektywny stożek 1:16, zwężając koło wieloma łukami, aby koło mogło pracować wydajnie zarówno przy dużych prędkościach, jak i na ostrzejszych zakrętach.

Siły na kołach, pełzanie

Zachowanie pojazdów poruszających się po torach adhezyjnych jest determinowane przez siły powstające pomiędzy dwiema stykającymi się powierzchniami. Może się to wydawać trywialnie proste z powierzchownego spojrzenia, ale staje się niezwykle złożone, gdy zbada się je dogłębnie, aby przewidzieć użyteczne wyniki.

Pierwszym błędem do rozwiązania jest założenie, że koła są okrągłe. Rzut oka na opony zaparkowanego samochodu natychmiast pokaże, że to nieprawda: obszar styku z drogą jest wyraźnie spłaszczony, tak że koło i droga dopasowują się do siebie w obszarze kontaktu. Gdyby tak nie było, naprężenie kontaktowe obciążenia przenoszonego przez styk liniowy byłoby nieskończone. Szyny i koła kolejowe są znacznie sztywniejsze niż opony pneumatyczne i asfalt, ale to samo odkształcenie ma miejsce w obszarze styku. Zazwyczaj powierzchnia styku jest eliptyczna, o średnicy rzędu 15 mm.

Moment obrotowy przyłożony do osi powoduje pełzanie : różnica między prędkością do przodu a prędkością obwodową , z wynikającą z tego siłą pełzania .${\ Displaystyle M}$${\ Displaystyle V}$${\ Displaystyle \ omega R}$${\ Displaystyle F_ {w}}$

Zniekształcenie w kole i szynie jest niewielkie i zlokalizowane, ale siły z niego powstające są duże. Oprócz odkształcenia spowodowanego masą, zarówno koło, jak i szyna odkształcają się, gdy stosowane są siły hamowania i przyspieszania oraz gdy pojazd jest poddawany siłom bocznym. Te siły styczne powodują zniekształcenie w obszarze, w którym stykają się po raz pierwszy, a następnie obszar poślizgu. Wynik netto jest taki, że podczas trakcji koło nie posuwa się tak daleko, jak można by oczekiwać od kontaktu tocznego, ale podczas hamowania posuwa się dalej. Ta mieszanka odkształceń sprężystych i miejscowego poślizgu jest znana jako „pełzanie” (nie mylić z pełzaniem materiałów pod stałym obciążeniem). Definicja pełzania w tym kontekście to:

${\ Displaystyle {\ mbox {pełzanie}} = {\ Frac {({\ mbox {rzeczywiste przemieszczenie}} - {\ mbox {przemieszczenie toczne}})} {({\ mbox {przemieszczenie toczne}})}} \, }$

Analizując dynamikę zestawów kołowych i kompletnych pojazdów szynowych, siły kontaktowe można traktować jako zależne liniowo od pełzania ( teoria liniowa Joosta Jacquesa Kalkera , obowiązująca dla małego pełzania ) lub zastosować bardziej zaawansowane teorie z mechaniki kontaktu tarcia .

Siły, które powodują stabilność kierunkową, napęd i hamowanie, można przypisać pełzaniu. Jest on obecny w pojedynczym zestawie kołowym i pokryje lekką niekompatybilność kinematyczną wprowadzoną przez sprzęganie zestawów kołowych, nie powodując poważnego poślizgu, jak kiedyś się obawiano.

Zakładając, że promień skrętu jest wystarczająco duży (jak należy się spodziewać w przypadku ekspresowych przewozów pasażerskich), dwa lub trzy połączone zestawy kołowe nie powinny stanowić problemu. Jednak 10 kół napędowych (5 głównych zestawów kołowych) jest zwykle kojarzonych z ciężkimi lokomotywami towarowymi.

Rozpędzanie pociągu

Kolej adhezyjna opiera się na połączeniu tarcia i masy, aby uruchomić pociąg. Najcięższe pociągi wymagają największego tarcia i najcięższej lokomotywy. Tarcie może się bardzo różnić, ale na wczesnych liniach kolejowych wiedziano, że piasek pomaga i nadal jest używany, nawet w lokomotywach z nowoczesnymi systemami kontroli trakcji. Aby uruchomić najcięższe pociągi, lokomotywa musi być tak ciężka, jak tolerują mosty na trasie i sam tor. Ciężar lokomotywy musi być równo rozłożony na napędzane koła, bez przenoszenia ciężaru w miarę narastania siły rozruchu. Koła musi obracać się ze stałą siłą napędową na bardzo małej powierzchni styku około 1 cm ² pomiędzy każdym kołem i górnej szyny. Górna część szyny musi być sucha, bez zanieczyszczeń spowodowanych przez człowieka lub związanych z pogodą, takich jak olej czy deszcz. Potrzebny jest piasek zwiększający tarcie lub jego odpowiednik. Koła napędowe muszą obracać się szybciej niż porusza się lokomotywa (znane jako kontrola pełzania), aby wygenerować maksymalny współczynnik tarcia, a osie muszą być napędzane niezależnie z własnym sterownikiem, ponieważ różne osie będą widzieć różne warunki. Maksymalne dostępne tarcie występuje, gdy koła się ślizgają/pełzają. Jeśli zanieczyszczenie jest nieuniknione, koła muszą być napędzane z większym pełzaniem, ponieważ chociaż tarcie jest zmniejszone wraz z zanieczyszczeniem, maksimum osiągalne w tych warunkach występuje przy większych wartościach pełzania. Kontrolery muszą reagować na różne warunki tarcia wzdłuż toru.

Niektóre z wymagań początkowych były wyzwaniem dla projektantów parowozów – „niedziałające się systemy piaskowania, niewygodne w obsłudze elementy sterujące, smarowanie, które wszędzie wyrzucało olej, dreny, które zwilżały szyny, itd.”. Inni musieli czekać. do nowoczesnych przekładni elektrycznych w lokomotywach spalinowych i elektrycznych.

Siła tarcia na szynach i wielkość poślizgu kół spada stopniowo, gdy pociąg nabiera prędkości.

Koło napędzane nie toczy się swobodnie, ale obraca się szybciej niż odpowiadająca mu prędkość lokomotywy. Różnica między nimi jest znana jako „prędkość poślizgu”. „Poślizg” to „prędkość poślizgu” w porównaniu do „prędkości pojazdu”. Kiedy koło toczy się swobodnie po szynie, obszar styku znajduje się w tak zwanym stanie „przyklejania”. Jeśli koło jest napędzane lub hamowane, proporcja powierzchni styku ze stanem „drążka” zmniejsza się i stopniowo zwiększająca się proporcja występuje w tak zwanym „stanie poślizgu”. Ten zmniejszający się obszar „kija” i zwiększający się obszar „poślizgu” wspiera stopniowy wzrost momentu trakcyjnego lub momentu hamowania, który może być utrzymywany wraz ze wzrostem siły na obręczy koła, aż cały obszar stanie się „poślizgiem”. Obszar „poślizgu” zapewnia przyczepność. Podczas przechodzenia ze stanu „all-stick” bez momentu obrotowego do stanu „all-slip” koło ma stopniowy wzrost poślizgu, znanego również jako pełzanie i pełzanie. Lokomotywy o wysokiej przyczepności kontrolują pełzanie kół, aby zapewnić maksymalny wysiłek podczas powolnego ruszania i ciągnięcia ciężkiego pociągu.

Poślizg to dodatkowa prędkość koła, a pełzanie to poziom poślizgu podzielony przez prędkość lokomotywy. Te parametry to te, które są mierzone i które trafiają do regulatora pełzania.

${\ Displaystyle {\ mbox {pełzanie}} = {\ Frac {({\ mbox {prędkość koła}} - {\ mbox {prędkość lokomotywy}})} {({\ mbox {prędkość lokomotywy}})}} \, }$

Szlifowanie

Na kolei adhezyjnej większość lokomotyw będzie miała zbiornik do przechowywania piasku. Odpowiednio wysuszony piasek można zrzucić na szynę, aby poprawić przyczepność na śliskich warunkach. Piasek nanoszony jest najczęściej za pomocą sprężonego powietrza za pomocą wieży, dźwigu, silosu lub pociągu. Gdy silnik się ślizga, szczególnie podczas ruszania ciężkiego pociągu, piasek nałożony na przód kół napędowych znacznie wspomaga siłę pociągową, powodując „podnoszenie” pociągu lub rozpoczęcie ruchu zamierzonego przez maszynistę.

Szlifowanie ma jednak również pewne negatywne skutki. Może to spowodować powstanie „filmu piaskowego”, który składa się z pokruszonego piasku, który jest skompresowany do postaci filmu na torze, w którym stykają się koła. Wraz z odrobiną wilgoci na torze, która działa jak lekki klej i utrzymuje naniesiony piasek na torze, koła „spiekają” pokruszony piasek w twardszą warstwę piasku. Ponieważ piasek jest nakładany na pierwsze koła lokomotywy, kolejne koła mogą poruszać się, przynajmniej częściowo i przez ograniczony czas, po warstwie piasku (filmie piasku). Podczas podróży oznacza to, że lokomotywy elektryczne mogą utracić kontakt z ziemią toru, powodując powstawanie przez lokomotywę zakłóceń elektromagnetycznych i prądów przepływających przez sprzęgi. Podczas postoju, gdy lokomotywa jest zaparkowana, obwody torowe mogą wykryć pusty tor, ponieważ lokomotywa jest elektrycznie odizolowana od toru.

Zobacz też

Przypisy

Źródła