Во время появления первых паровозов они вызывали восторг. Многие очевидцы не могли поверить в то, что такое устройство способно передвигаться, да еще и возить пассажиров, грузы. Сейчас передвижением поезда никого не удивить. Но стоит только задуматься, как он едет по гладким рельсам и не буксует, как сразу же возникает масса вопросов.
Как делают железнодорожные колеса?
На каждом производстве имеются свои тонкости изготовления колес, но основные этапы работы неизменны. В основе одного колеса – приблизительно 500 кг стали. Заготовка подвергается поэтапному нагреву в печах, разогревают до 1000 градусов, потом сразу до 1300. Потом обрабатывают водой под давлением, чтобы убрать окалину. Следующий этап – прессо-прокатная линия. Заготовка уплотняется на 40-60%, после чего принимает форму диска – появляются очертания будущего колеса.
На следующем этапе окончательно формируется круг катания – часть колеса, которая непосредственно контактирует с рельсом, а также реборда (выступающая часть). После нанесения всех необходимых маркировок, колесо подвергается изотермической выдержке в печах для снятия напряжения. В дальнейшем его снова будут нагревать и обрабатывать водой для закалки, а также укреплять с помощью дробеметной установки. После всех процедур колесо обтачивают до нужных параметров. Каждый этап изготовления сопровождается контролем качества.
Интересный факт: изобретатели первых паровозов боялись, что колеса не будут ехать по гладким рельсам, поэтому их оснащали шестеренками, а рельсы – зубьями. Но такой способ был слишком дорогостоящим, а движение паровоза замедлялось.
Почему колеса поезда не скользят?
Казалось бы, ответ очевиден: поезд движется за счет работы двигателя и вращения колес. На самом деле для движения требуется еще один фактор – движущая сила в виде сцепления колес с рельсами. Лишь на первый взгляд рельсы и колеса кажутся абсолютно гладкими. В действительности на поверхности колес есть шероховатости, которые обеспечивают сцепление.
Колеса скользят по поверхности рельс, а это говорит о наличии силы трения скольжения. Чем сильнее соприкасаются рельсы и колеса, тем выше этот показатель. Согласно законам физики, тело (поезд) оказывает давление на поверхность (рельсы) в соответствии со своей массой. Но и в ответ поверхность направляет такую же силу по отношению к телу, которая называется силой реакции опоры.
Поезд обладает сцепным весом. Все колеса в нем подвижны, поэтому сцепной вес – это и есть масса поезда, которой он воздействует на рельсы через колеса. Именно он заставляет колеса вращаться, отталкиваясь от рельс. Движущую силу сцепления также называют силой тяги поезда по сцеплению.
Поезд передвигается плавно. Он равномерно начинает движение, наращивая скорость, и так же равномерно останавливается. Это объясняется сцеплением. Оно достаточно сильное, чтобы удерживать весь состав на рельсах. Коэффициент сцепления, возникающего между колесами и рельсами, составляет около 0,14. Максимальный угол наклона, который выдерживает при этом поезд – 8°. Для сравнения коэффициент сцепления шин автомобиля по сухому асфальту намного выше – от 0,50 до 0,70. Поэтому дорожные транспортные средства могут резко начинать и заканчивать движение, а также входить в более крутые повороты.
Интересный факт: чтобы обеспечить безопасный поворот поезда, его колеса сделали несимметричной формы. Таким образом, с внутренней стороны диаметр колеса больше (959 мм), а с наружной – меньше (953 мм). Разница незначительна, но она позволила полностью решить проблему поворачивания.
Буксование поезда и способы борьбы с ним
В железнодорожной терминологии существует понятие «буксование» или «боксование» (два варианта употребления в разных словарях). Оно обозначает срыв сцепления между рельсами и колесами. Буксование может возникать как в начале движения поезда, так и во время него. При этом колеса начинают вращаться намного быстрее. Это происходит по причине слишком высокого тягового усиления в определенный момент.
Если процесс буксования начался, произвольно завершиться он не может. Сцепление между рельсами и колесами сильно снижается. Чтобы остановить буксование, необходимо использовать модификаторы трения, а также отрегулировать тяговой момент.
Причины пробуксовки:
- мокрые рельсы после дождя;
- загрязнения рельсов различного происхождения;
- большой прокат на колесной паре;
- вход состава в поворот (из-за того, что внутреннее и внешнее колесо проходят разный путь) и др.
Буксование негативно сказывается на состоянии рельс, а также самого поезда. В первую очередь происходит сильная нагрузка на двигатель, что может вывести его из строя. Рельсы же могут деформироваться – из-за сильного трения разогревается металл и рельс теряет форму, «растекаясь» в стороны. Впоследствии их либо ремонтируют при помощи шлифовки, либо заменяют.
Чтобы остановить буксование, в зону, где рельс контактирует с колесом, подают песок или другой материал с абразивными свойствами. Также уменьшают силу тяги, которая реализуется двигателем. Еще один способ под запретом согласно Правилам технической эксплуатации. Этот способ предполагает применение прямодействующего тормоза локомотива. Он чреват проворотом бандажа колесной пары, а это, в свою очередь, создает опасную ситуацию для железнодорожного транспорта.
Колеса поезда и рельсы только внешне кажутся идеально гладкими. На самом на колесах есть шероховатости, которые способствуют сцеплению двух поверхностей. Между ними возникает сила трения с коэффициентом 0,14, что гораздо меньше, чем, к примеру, трение шин по асфальту (0,50-0,70). При этом поезд плавно начинает движение и так же плавно тормозит. За счет его веса, а также сопротивления поверхности рельс возникает сцепление колес, благодаря которой поезд едет по рельсам.