Чому колеса поїзда не буксують на гладких рейках?

Під час появи перших паровозів вони викликали захват. Багато очевидців не могли повірити в те, що такий пристрій здатний пересуватися, та ще й возити пасажирів, вантажі. Зараз пересуванням поїзда нікого не здивувати. Але варто тільки замислитися, як він їде по гладких рейках і не буксує, як одразу ж виникає маса запитань.

Як роблять залізничні колеса?

На кожному виробництві є свої тонкощі виготовлення коліс, але основні етапи роботи незмінні. В основі одного колеса – приблизно 500 кг сталі. Заготівля піддається поетапному нагріванню в печах, розігрівають до 1000 градусів, потім відразу до 1300. Потім обробляють водою під тиском, щоб прибрати окалину. Наступний етап – пресо-прокатна лінія. Заготівля ущільнюється на 40-60%, після чого набуває форми диска – з’являються обриси майбутнього колеса.

Виготовлення залізничних коліс

На наступному етапі остаточно формується коло катання – частина колеса, яка безпосередньо контактує з рейкою, а також реборда (частина, що виступає). Після нанесення всіх необхідних маркувань, колесо піддається ізотермічній витримці в печах для зняття напруги. Надалі його знову нагріватимуть і оброблятимуть водою для загартування, а також зміцнюватимуть за допомогою дробеметної установки. Після всіх процедур колесо обточують до потрібних параметрів. Кожен етап виготовлення супроводжується контролем якості.

Цікавий факт: винахідники перших паровозів боялися, що колеса не їхатимуть по гладких рейках, тому їх оснащували шестернями, а рейки – зубами. Але такий спосіб був занадто дорогим, а рух паровоза сповільнювався.

Чому колеса поїзда не ковзають?

Здавалося б, відповідь очевидна: поїзд рухається за рахунок роботи двигуна і обертання коліс. Насправді для руху потрібен ще один фактор – рушійна сила у вигляді зчеплення коліс з рейками. Лише на перший погляд рейки і колеса здаються абсолютно гладкими. Насправді на поверхні коліс є шорсткості, які забезпечують зчеплення.

Залізничне колесо і рейка

Колеса ковзають по поверхні рейок, а це говорить про наявність сили тертя ковзання. Що сильніше стикаються рейки і колеса, то вищий цей показник. Згідно із законами фізики, тіло (поїзд) чинить тиск на поверхню (рейки) відповідно до своєї маси. Але і у відповідь поверхня спрямовує таку саму силу щодо тіла, яка називається силою реакції опори.

Поїзд має зчіпну вагу. Усі колеса в ньому рухливі, тому зчіпна вага – це і є маса поїзда, якою він впливає на рейки через колеса. Саме вона змушує колеса обертатися, відштовхуючись від рейок. Рушійну силу зчеплення також називають силою тяги поїзда по зчепленню.

Поїзд пересувається плавно. Він рівномірно починає рух, нарощуючи швидкість, і так само рівномірно зупиняється. Це пояснюється зчепленням. Воно досить сильне, щоб утримувати весь склад на рейках. Коефіцієнт зчеплення, що виникає між колесами і рейками, становить близько 0,14. Максимальний кут нахилу, який витримує при цьому поїзд – 8°. Для порівняння коефіцієнт зчеплення шин автомобіля по сухому асфальту набагато вищий – від 0,50 до 0,70. Тому дорожні транспортні засоби можуть різко починати і закінчувати рух, а також входити в крутіші повороти.

Цікавий факт: щоб забезпечити безпечний поворот поїзда, його колеса зробили несиметричної форми. Таким чином, із внутрішнього боку діаметр колеса більший (959 мм), а із зовнішнього – менший (953 мм). Різниця незначна, але вона дала змогу повністю розв’язати проблему повертання.

Буксування поїзда і способи боротьби з ним

У залізничній термінології існує поняття “буксування” або “боксування” (два варіанти вживання в різних словниках). Воно позначає зрив зчеплення між рейками і колесами. Буксування може виникати як на початку руху поїзда, так і під час нього. При цьому колеса починають обертатися набагато швидше. Це відбувається через занадто високе тягове посилення в певний момент.

Якщо процес буксування почався, довільно завершитися він не може. Зчеплення між рейками і колесами сильно знижується. Щоб зупинити буксування, необхідно використовувати модифікатори тертя, а також відрегулювати тяговий момент.

Причини пробуксовки:

• мокрі рейки після дощу;
• забруднення рейок різного походження;
• великий прокат на колісній парі;
• вхід складу в поворот (через те, що внутрішнє і зовнішнє колесо проходять різний шлях) тощо.

Буксування негативно позначається на стані рейок, а також самого поїзда. Насамперед відбувається сильне навантаження на двигун, що може вивести його з ладу. Рейки ж можуть деформуватися – через сильне тертя розігрівається метал і рейка втрачає форму, “розтікаючись” у сторони. Згодом їх або ремонтують за допомогою шліфування, або замінюють.

Подача піску під колеса локомотива

Щоб зупинити буксування, в зону, де рейка контактує з колесом, подають пісок або інший матеріал з абразивними властивостями. Також зменшують силу тяги, яка реалізується двигуном. Ще один спосіб під забороною згідно з Правилами технічної експлуатації. Цей спосіб передбачає застосування прямодіючого гальма локомотива. Він загрожує проворотом бандажа колісної пари, а це, своєю чергою, створює небезпечну ситуацію для залізничного транспорту.

Колеса поїзда і рейки тільки зовні здаються ідеально гладкими. Насправді на колесах є шорсткості, які сприяють зчепленню двох поверхонь. Між ними виникає сила тертя з коефіцієнтом 0,14, що набагато менше, ніж, приміром, тертя шин по асфальту (0,50-0,70). При цьому поїзд плавно починає рух і так само плавно гальмує. Завдяки його ваги, а також опору поверхні рейок виникає зчеплення коліс, завдяки якому поїзд їде по рейках.