2017-12-02
Зачем поверхность железнодорожного колеса, опирающуюся на рельс, делают не цилиндрической, а слегка конической формы? В какую сторону должна быть направлена вершина конуса: внутрь железнодорожной колеи или наружу?
Решение:
Железные дороги существуют давно (первой считается линия между английскими городами Стоктон и Дарлинг, открытая в 1825 г.); очевидно, что с тех пор в устройстве железной дороги накопилось много разнообразных технических деталей. Многие из них возникли и распространились по совершенно удивительным причинам и далеко не всегда были (и есть) удачными и «правильными», но без них, как говорится, далеко не уедешь.
В этом смысле ответ на вопрос «Зачем. . . ?» очевиден — иначе по рельсам, ориентированным именно на такой стандарт колеса, будет невозможно или затруднительно ездить.
В процессе развития сложных технических систем наиболее неудачные вещи чаще всего всем надоедают и в конце концов становятся достоянием истории (в европейских музеях транспорта действительно можно увидеть железнодорожные колёса (или рисунки, фотографии, описания, проекты) самых причудливых форм —многие из них были «переоткрыты» участниками турнира). Поэтому можно попробовать ответить на вопрос о том, почему такое (возможно, не единственное и не самое удачное) техническое решение осталось в качестве стандарта и какие проблемы оно решает (или, по крайней мере, не создаёт); ответить на вопрос, почему решение именно такое — значительно сложнее.
Выпуклая форма головки рельса в сочетании с конической формой колёс (вершина конуса направлена наружу железнодорожной колеи) позволяет повысить устойчивость курса вагона, автоматически подстраивать его под направление железнодорожной колеи. Рассмотрим, как будет вести себя вагон на прямолинейном участке (аналогичная задача про электровозы, тепловозы, паровозы и прочий самоходный подвижной состав с ведущими колёсами намного сложнее — мы её рассматривать не будем, тем более, что исторически она возникла позднее, после замены паровозами лошадей).
В каждый момент времени коническая поверхность колеса соприкасается с выпуклой поверхностью головки рельса только в одной точке (небольшой площадке), все такие точки на колесе лежат на окружности (окружности катания), радиус (расстояние от точки соприкосновения колеса с рельсом до оси колеса) этой окружности зависит от её расположения на поверхности конуса (чем ближе к вершине конуса, тем меньше). Правое и левое колёса колёсной пары, очевидно, вращаются с одинаковой угловой скоростью (делают одинаковое количество оборотов за одинаковое время). Линейная скорость колеса (при данной угловой) будет тем больше, чем больше длина окружности катания.
На рисунке показан поперечный профиль одного из распространённых стандартов железнодорожного рельса в бывшем СССР. Профиль симметричный, однако рельсы часто укладывают с наклоном внутрь колеи около 10° (т. н. подуклонка), высота (расстояние от подошвы до головки) 18 см, ширина подошвы 15 см, ширина головки 7,5 см, ширина самой узкой части — 1,6 см, радиус кривизны поверхности головки плавно увеличивается от 1,5 см (сбоку) до 50 см (в верхней части). Ширина ж/д колеи в бывшем СССР (расстояние между центрами профилей рельс) — 152 см.
Если направление движения вагона совпадает с направлением колеи и он едет точно по центру (симметричная ситуация), то всё в порядке. Если же вагон отклонился от центра (по любой причине — отклонение от курса, боковое ударное воздействие и т. п.) — радиус окружности катания правого колеса па ры с рельсом будет больше аналогичного радиуса левого колеса, правое колесо будет двигаться быстрее (с большей линейной скоростью), чем левое, что приведёт к повороту курса этой колёсной пары в сторону центра колеи (в случае проскакивания «положение равновесия» колёсная пара аналогичным образом будет развёрнута обратно и в результате за некоторое количество «колебаний» будет окончательно водворена «на место»).
Аналогичная (чуть более сложная) ситуация возникает и на криволинейных участках колеи — вагон автоматически попадает в такое положение (смещённое от центра колеи в сторону внешнего рельса), когда радиусы окружностей катания колёс по внутреннему (ближайшему к центру поворота) и внешнему рельсами обеспечивают их движение с такими линейными скоростями (у колёс, едущих по внутреннему рельсу, линейная скорость меньше, по внешнему — больше), которые соответствуют равным угловым скоростям колёс. Это также позволяет осуществлять повороты без проскальзывания поверхностей колёс по рельсам, связанного с этим дополнительного изнашивания рельсов и акустических эффектов, а также практически избежать участия в корректировании курса реборд колёс (их трения об рельсы), нежелательного в основном по тем же самым причинам.
Заметим, что сила реакции рельс в процессе корректирования курса вагона играет вспомогательную роль, непосредственно изменяя не координату, а только направление движения — это позволяет распределить работу силы реакции рельсов по перемещению вагона в перпендикулярном рельсам направлении по участку рельсов большой длины и, таким образом, избежать нежелательных больших локальных нагрузок (часть работы для данного вагона вообще совершается силами реакции/натяжения межвагонных сцепок, то есть реально распределяется по силам реакций на все колёса железнодорожного состава и силе тяги локомотива).