Fizyka wykolejeń

[Technik]

Temat mnie ostatnio zainteresował, więc pytam. Gdzieś na forum "fizycznym" znalazłem na obliczenie prędkości przy jakiej wagon się wykolei, jednak tam było uwzględnione tylko promień łuku, wysokość ciężaru, prześwit i to wszystko. Nie ma wpływu na to długość wagonu? Nie chce mi się wierzyć że kibel (jednostka trzyczłonowa) gdyby jego człony miały po 3m długości nie mógłby jechać szybciej...

[Benek]

Raczej wysokość środka ciężkości, a nie wysokość ciężaru. Nie spotkałem się, by były to tożsame pojęcia.

Długość wagonu nie powinna mieć wpływu na wykolejenie, przy czym zauważ, że to jest prosty model fizyczny. Nie uwzględnia on na przykład przechyłki toru. Żeby doszło do wykolejenia, to musi się pojawić moment obrotowy, który przemieści środek ciężkości pojazdu poza pionową płaszczyznę, w której leży oś toru. Oś obrotu w takim modelu leży na styku zewnętrznej szyny i kół. Siła próbująca wytrącić pojazd ze stabilnego położenia będzie pozorną siłą odśrodkową. Teraz sobie wyobraź, że pociąg ma jednakową gęstość i kroisz go na równe, metrowe plastry. Kroisz model prostopadle do osi toru. Na każdy taki pokrojony prostopadłościan działa siła odśrodkowa o stałej wartości, ponieważ masy plastrów są jednakowe, i jednakowe są też ich szybkości na torze. Siła odśrodkowa próbuje każdy plaster wytrącić z położenia równowagi, a przeciwstawia się temu składowa siły grawitacji, która jest wprost proporcjonalna do masy plastra. Gdy teraz pokroisz ten sam pociąg na dwumetrowe plastry, to siła odśrodkowa wzrośnie dwukrotnie, ale masa także. Z fizycznego punktu widzenia długość wagonu nie ma wpływu, bo siła odśrodkowa i siła grawitacji zależą tak samo od masy pojazdu.

[youBy]

To jest wzór, który bym nazwał „wywrócenie pojazdu na bok”. Drugim powodem wykolejenia może być ześlizgnięcie się koła. Jest na to szczególnie narażone pierwsze od przodu, zewnętrzne. Dzieje się to, gdy stosunek poziomej siły prowadzącej do nacisku na to koło jest zbyt duży (dokładna wartość zależy od profilu obręczy). Siła prowadząca ma kilka składowych i jej wartość zależy oczywiście od przyspieszenia bocznego (prędkość, promień łuku), ale również parametrów konstrukcyjnych toru i pojazdu — stan toru, baza (rozstaw osi) wózka, rozstaw czopów skrętu, skrętność osi. Z jednej strony skrócenie pojazdu spowoduje lepsze (mniejsze) kąty w układzie, ale nie wiem, czy nie będzie to mieć negatywnego wpływu na spokojność biegu (drgania i siły).

[Benek]

To jest wzór, który bym nazwał „wywrócenie pojazdu na bok”.

Patrząc na dane z pierwszego zadania, jest to raczej jedyny mechanizm wykolejenia uwzględniony w tym modelu.

[EU40]

Główną przyczyną wykolejenia jest nie zachowanie tzw. szerokości prowadnej, zarówno w zestawie kołowym, jak i rozstawie szyn. Jeżeli wymiary są prawidłowe i nie wpływają na to dodatkowe czynniki, takie jak: ruchome podłoże, nierównomierny nacisk kół na szynę, zbyt duża różnica wysokości kół w zestawie kołowym, bądź zestawami w jednym wózku, silne podmuchy wiatru, nic złego nie ma się prawa stać.
Szerokość prowadna zestawu kołowego, powinna wynosić 1410-1426 mm, natomiast rozstawu szyn, w zależności od profilu linii (łuki, rozjazdy, tor prosty): 1435-1470 mm. Oczywiście są to wymiary dla toru normalnotorowego.
Co do wpływu długości pojazdu kolejowego na wykolejenie, nie do końca zgodzę się z tym, że nie ma ona wpływu na wykolejenie. Wszystko zależy od sytuacji. Przy wjeździe z dużą prędkością w rozjazd, im dłuższa odległość rozstawu wózków od siebie, tym lepiej. Wpływ na wykolejenie ma w takich wypadkach i stan pracy hamulca. Najczęstszym bledem maszynistów w takich sytuacjach, jest wdrażanie hamowania nagłego, co dodatkowo komplikuje wpisanie się zestawów kołowych w rozjazd.
Z kolei zbyt długi rozstaw wózków od siebie, może powodować uginanie się ostojnic (wtedy skrajne zestawy kołowe mają mniejszy nacisk na szyny, niż ich wewnętrzni koledzy). Zbyt długi tabor, ponadto nie zachowywałby promienia łuku, powyżej 190%. Po prostu nie zostałaby zachowana skrajnia.

[MaciejM]

Najczęstszym bledem maszynistów w takich sytuacjach, jest wdrażanie hamowania nagłego, co dodatkowo komplikuje wpisanie się zestawów kołowych w rozjazd.

Właśnie: już kilka razy słyszałem, że hamowanie nagłe w rozjazdach / na łuku tak naprawdę jedynie pogarsza sprawę. Dlaczego tak się dzieje?

[Interesant]

1. Podczas jazdy (bez hamowania), koła ze względu na swoją budowę są tak wyprofilowane, aby doskonale współpracować z odpowiednio wyprofilowaną główką szyny.
2. W trakcie hamowania zaburzona jest współpraca koła z szyną poprzez wystąpienie nadmiaru tarcia pomiędzy kołem, a główką szyny niż podczas normalnego toczenia się.
3. Każdy hamujący pojazd "nurkuje", spowodowane jest tym że na hamujący pojazd działa siła bezwładności, która odkłada się na przednim zawieszeniu/wózku dociskając koła do powierzchni (główki szyny).
4. Siła bezwładności skierowana jest po linii prostej wzdłuż ruchu pojazdu.

[Anrej]

W najprostszym przypadku pojazd przedstawiany jest jako bryła jednorodna.
v_gr = √(g*R*b)/(2*h_GC)
v_gr - prędkość graniczna na łuku
b - rozstaw kół
h_GC - położenie środka ciężkości zależne od załadowania wagonu.
Tak naprawdę to mamy masę nieresorowaną - podwozie i resorowaną - nadwozie.

[borys_q]

W trakcie hamowania zaburzona jest współpraca koła z szyną poprzez wystąpienie nadmiaru tarcia pomiędzy kołem,

Dodatkowo konstrukcja przekładni hamulcowej w większości stosowanych w PL czteroosiowych wagonów  z  hamulcem klockowym, powoduje powstawanie siły która usztywnia wózek próbując ustawić go równolegle do osi wagonu co utrudnia wpisywanie się w łuki.

[Krzysiek626]

W najprostszym przypadku pojazd przedstawiany jest jako bryła jednorodna.
v_gr = √(g*R*b)/(2*h_GC)
v_gr - prędkość graniczna na łuku
b - rozstaw kół
h_GC - położenie środka ciężkości zależne od załadowania wagonu.
Tak naprawdę to mamy masę nieresorowaną - podwozie i resorowaną - nadwozie.

To tylko wzor na wywrocenie pojazdu, nie ma w nim zaleznosci zjazdu obreczy z szyny (to uwazam za wykolejenie. Problem w tym, ze wozek podpiera wagon glownie na czopie skretu co implikuje rozlozenie ciezaru na wszystkie obrecze, to teoria. W praktyce wystepuja warunki zmiany obciazenia bocznego na obrecz, co doprowadza do braku jej stabilnosci, uniesienia i zjazdu z szyny na zewnatrz. Nie wydaje mi sie mozliwe opisanie tego zjawiska, jednym matematycznym wzorem. Broblem jest bardzo zlozony. Tu proponuje poobserwowac jakis dwuosiowy wagon na pogietym luku z modelu kolejki H0. Nie jest to dokonaly przyklad, ale moze uswiadomic, jak zachowuje sie dwu osiowy wozek nawet przy niewielkich predkosciach.

[firleju]

Ten wzór na wywrócenie trzeba rozwinąć, szczególnie hgc. Tylko wydaje mi się, że wagony szybciej wyskakują z szyn niż się przewracają. Więc nie ma zastosowania.

[jageer]

Najczęstszym bledem maszynistów w takich sytuacjach, jest wdrażanie hamowania nagłego, co dodatkowo komplikuje wpisanie się zestawów kołowych w rozjazd.

Właśnie: już kilka razy słyszałem, że hamowanie nagłe w rozjazdach / na łuku tak naprawdę jedynie pogarsza sprawę. Dlaczego tak się dzieje?

Dodatkowo bardzo "lubimy" jak maszynista robi kontrole w rozjazdach.... A, jak za późno odluzuje to staje. I potem iglica robi się luźna.

[grzechu_k]

A mógłbyś opisać jaki wpływ na rozjazdy/pracę dyżurnego ma kontrolne w rozjazdach?

[Anrej]

Tematem jest, wagon porusza się po łuku. Przy jakiej prędkości nastąpi wykolejenie? Wzór który podałem, jak napisałem jest uproszczony. Dotyczy bryły sześciennej na kółkach, która jest modelem wagonu. Tak naprawdę mamy wózki, które są nieresorowane. Na wózkach na resorach umieszczone jest pudło wagonu. Pudło wagonu może się obracać wokół osi obrotu. Jeszcze jest środek ciężkości, którego położenie zależy od rozłożenia masy. Jak wagon przekroczy graniczną prędkość, następuje przechył wagonu. Następnie koła na zewnątrz podnoszą się, koła na torze wewnątrz łuku ześlizgują się i następuje wykolejenie. Nie wciskajcie tutaj wszystkich przypadków wykolejenia. Pociąg jedzie przez zwrotnicę i wyskoczy z szyny. W internecie są odpowiednie wypracowania, ale nie będę tego przepisywał na forum.

[EU40]

Anrej. Co masz na myśli, pisząc kolejny raz ,,wózki nieresorowane"?
Nie słyszałeś o I-szym i II-gim stopniu odsprężynowania?
Poza tym, napisałem wyżej, co jest przyczyną wykolejenia, więc po co rozwijanie zbędnej dyskusji.

[kacp3r]

Z tego, co ja się orientuję, to siła odśrodkowa działa na zasadzie wyrzucania z zakrętu (w bardzo dużym uogólnieniu, ogólnie jest to tak zwana siła urojona), zaś opis Anreja sugeruje co innego. Jako potwierdzenie najlepiej jest przejrzeć sobie filmik z ostatniego wypadku kolejowego w Czechach (http://joemonster.org/filmy/67721). Myślę, że lepiej jest skupić się na etapie związanym z wykolejeniem na zwrotnicach.

[Krzysiek626]

Anrej, jest zwyczajnie w błędzie i kolejny raz wyważa drzwi do lasu. Pisze niezrozumiałym językiem nie mając pojęcia o budowie wózka i posadowionym na nim pudle wagonu, czy lokomotywy. Nawet jeśli wie jak to jest zbudowane, to nie potrafi tego opisać.

Na wózkach na resorach umieszczone jest pudło wagonu. Pudło wagonu może się obracać wokół osi obrotu.

To się nazywa bujda na resorach.

W internecie są odpowiednie wypracowania, ale nie będę tego przepisywał na forum.

Wystarczy wkleić linki, ale ciężko na ten pomysł wpaść.

[mechatronik]

Myślę, że lepiej jest skupić się na etapie związanym z wykolejeniem na zwrotnicach.

Nie wiem czy nie jest to bardziej złożony problem niż wykolejanie na łukach.  Należałoby odwzorować stan rozjazdu (jego pracę, ugięcia, stan podrozjezdnic, itd), konstrukcję wózka, zachowanie stopni odsprężynowania i wiele wiele innych. Wątpię czy jest to ot tak do zrobienia. Wykolejanie taboru to bardzo złożony problem. Ile też było takich zdarzeń, że wagon wykolejał się na pierwszym rozjeździe, rył tor, a następnie wkolejał się na drugim i pociąg jechał dalej… Tak samo nowy pojazd potrafi wejść w starego anglika na zwrotny 90km/h i się nie wykoleić. Chyba, że chcecie do granic możliwości uprościć temat - to ok.

[PiterCC]

Anrej, jest zwyczajnie w błędzie i kolejny raz wyważa drzwi do lasu. Pisze niezrozumiałym językiem nie mając pojęcia o budowie wózka i posadowionym na nim pudle wagonu, czy lokomotywy. Nawet jeśli wie jak to jest zbudowane, to nie potrafi tego opisać.

Przecież zna się na wszystkim, o semafory i  Ie-1 też się parę dni kłócił. Milczenie czasem bywa złotem, dlatego nie warto pisać o tym czego się nie zna do podszewki :)

[borys_q]

Na początek dobrze by było ustalić, jaka siła nacisku obrzeża na szynę grozi "wjechaniem" obrzeżem na główkę szyny.

[MichałŁ]

To też zależy od stanu obrzeża i szyny. Wystarczy bardzo podcięte obrzeże i " rozjechany styk" i tabor sam wyjeżdża z toru nawet przy 5km/h

[EU40]

I to prawda. Najwięcej wykolejeń, które badałem, zdarza się właśnie przy niskich prędkościach (poniżej 20 km/h).

[MichałŁ]

Zwykle jest tak, że pociąg kiedy jedzie szybciej, w jakiś magiczny sposób "przeleci" nad jakimś felernym miejscem toru. Tak samo jak najgorsze jest rozpoczęcie hamowania kiedy dostrzeże się takie miejsce wtedy jest pozamiatane.

[danniel]

No to jak się zachować jak 100kph na haslerze, a anglik w bok? Hamować? Nie hamować? Uciekać?

[Niebugoclaw]

Przy stówie to i tak już bez znaczenia, więc można dać w nagłe i mocno się złapać lub rzucić na podłogę :) Przy 80 jeszcze można zaryzykować, odmówić zdrowaśkę i niech się dzieje, co chce :P

[Anrej]

Różni znawcy się znaleźli nawet ekspert od katastrof kolejowych. Jednak jakoś nikt nie przedstawił argumentów, przy jakiej prędkości wagon się wykolei. No tak pociąg jadący z duża prędkością po łuku, to się wywróci a nie wykolei. Napisałem wzór określający, przy jakiej prędkości pojazd jadący po łuku się wywróci. Uaktywnił się @Krzysiek626, który jak zwykle nie potrafi nic napisać w temacie, tylko zanegować czyjś wpis. Oczywiście po kilka razy mam tłumaczyć i tak będzie się głupa rżnęło, że się nie rozumie.

jak 100kph na haslerze

Co to jest kph?

Zwykle jest tak, że pociąg kiedy jedzie szybciej, w jakiś magiczny sposób "przeleci" nad jakimś felernym miejscem toru

Albo nie przeleci.

Przecież zna się na wszystkim, o semafory i  Ie-1 też się parę dni kłócił. Milczenie czasem bywa złotem, dlatego nie warto pisać o tym czego się nie zna do podszewki :)

przecież nic nie napisałeś w temacie.

Wystarczy wkleić linki, ale ciężko na ten pomysł wpaść.

Można wpisać w google i wyszukać, może ja mam w pliku pdf.

Z tego, co ja się orientuję, to siła odśrodkowa działa na zasadzie wyrzucania z zakrętu

Masz rację przyczyną jest siła odśrodkowa.
a = (v² / R) - (g * h / s)
a - przyspieszenie odśrodkowe przyjęte 0,6 m/s, dopuszczalne 0,8 m/s.
v - prędkość w m/s
s - rozstaw szyn
g - przyspieszenie ziemskie
h - przechyłka w mm
Po podstawieniu s = 1500 mm. g = 9,81 m/s2 i zamianie m/s na km/godz otrzymujemy:
a= (v² / (12,96 * R)) - (h / 153)
Drugą wielkością jest przyrost przyspieszenia ψ.
ψ = a / t = (v * a) / (3,6 * l)
t - czas zwiększenia przyspieszenia
i - długość rampy przechyłkowej
Stosunek niedomiaru przechyłki do czasu ∆.
∆ = (153 * v * a) / (3,6 * l)
Otrzymyjemy wzór na przechyłkę.
h = (11,8 * v²) / R - (153 *a)
Długość rampy przechyłkowej spełniającej warunek prędkości podnoszenia koła.
l = v * 3,6 * f
f - szybkość podnoszenia koła.

Myślę, że lepiej jest skupić się na etapie związanym z wykolejeniem na zwrotnicach.

Tam też występuje przyspieszenie odśrodkowe i nie ma przechyłki.
Na stronie http://www.railabstudio.com/download.html jest programik Railway Curve Calc, który wylicza przechyłkę. Są inne programy, ale potrzebują biblioteki fm20.dll. Pobrałem bibliotekę, ale wyrzuca, że niezgodna z systemem.

[matek123]

Przy liczeniu przechyłki trzeba też wziąć pod uwagę żeby się mieściła między minimalną przechyłką dla pociągów pasażerskich i wartością maksymalną dla towarowych.

[Krzysiek626]

I to prawda. Najwięcej wykolejeń, które badałem, zdarza się właśnie przy niskich prędkościach (poniżej 20 km/h).

Anrej. Rozumiem, że 20km/h powoduje siłę odśrodkową wyrzucającą skład z toru. Piękna teoria, ale mocno nieprawdziwa (zwykła bzdura). Rozpatrywanie prędkości, jako jedynego czynnika powodującego wykolejenie (nie mówimy o katastrofie), jest błędem.
Anrej, 100kph to prędkość w km/h po angielsku... Nie pisz już nic więcej.

[Anrej]

Zgadza się oblicza się przechyłki równoważące  naciski na oba toki szynowe dla pociągu pasażerskiego i towarowego, minimalną ze względu na ruch pasażerski, maksymalną ze względu na ruch towarowy. Następnie wyznacza się optymalną przechyłkę.
Dla przykładu:
linia pierwszorzędna
prędkość maksymalna pociągów pasażerskich v_max = 120 km/h
prędkość maksymalna pociągów towarowych v _t = 80 km/h
promień łuku poziomego R = 1500 m
a) przechyłka równoważąca naciski na oba toki szynowe
- dla poc. pas. h_r^pas = 113,3 mm
- dla poc. tow. h_r^tow = 50,3 mm
b) przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski.
a^dop = 0,72 m/s²
h_min^pas = 3,1 mm (-153 * a_dop)
c) przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
przyjęto 15 < T < 20 Tg / rok
wtedy a_t = 0,42 m/s²
h_max^tow = 114,6 mm (+153 * a_t)
d) optymalizacja przechyłki
Oblicza się przyspieszenie dla różnych wartości przechyłek i wyznacza, dla której przyspieszenia odśrodkowe dla poc. pas. i dośrodkowe dla poc. tow. osiągną  zbliżony poziom wykorzystania wartości dopuszczalnych
W tym przypadku jest to 75 mm.

I to prawda. Najwięcej wykolejeń, które badałem, zdarza się właśnie przy niskich prędkościach (poniżej 20 km/h).

Anrej. Rozumiem, że 20km/h powoduje siłę odśrodkową wyrzucającą skład z toru. Piękna teoria, ale mocno nieprawdziwa (zwykła bzdura).

Czy to ja napisałem? Jak dotychczas to nic nie napisałeś w temacie.

[Krzysiek626]

Anrej, w każdym temacie czepisz się jakiegoś wybranego wątku, czy szczegółu. Potem wałkujesz w kółko, mimo że nikogo to nie interesuje. Jeśli EU40 napisał, że większość wykolejeń jest przy prędkościach do 20km, to siły o których Ty wspominasz, są małe i można je pominąć. To oznacza, że Twoje wywody nie mają zastosowania w tych wykolejeniach. Można je odnieść co najwyżej do przypadku Hiszpańskiego maszynisty, który wywalił skład przy V ponad 200km/h (o ile pamiętam, dał w nagłe). Jednak tej sytuacji nie możemy uogólniać, bo jest jednostkowa. Pytanie Technika dodatkowo jest mało precyzyjne, a głównie chodziło mu o wpływ długości pojazdu. Roztrząsanie dalsze jest bez sensu, a wątek można zamknąć.