Cesko.wiki Bezpečnost proti vykolejení
Author
Albert FloresMěrná dvojkolí polepená tenzometry Bezpečnost proti vykolejení patří k nejzákladnějším požadavkům na všechna kolejového vozidla. Každé vozidlo, které se má pohybovat po kolejích, musí být zkonstruované tak, aby ani za nejhorších provozně přípustných stavů koleje a vozidla nenastala situace, která by vedla k vykolejení vozidla nebo se k vykolejení nebezpečně přiblížila.
Bezpečnost proti vykolejení v užším slova smyslu je měřitelný parametr každého kolejového vozidla. Stanoví se jako poměr vodící síly Y a zatížení příslušného kola Q. +more Prověření bezpečnosti proti vykolejení je součástí typových zkoušek každého vozidla. Vodící síly se měří pomocí měrných dvojkolí s tenzometry.
Vztah vodící síly, zatížení, úhlu okolku a koeficientu tření
Za normálních okolností, v případě bezpečného průjezdu obloukem, nastává u vodícího kola jedna ze dvou situací znázorněných na následujících obrázcích.
Na levém obrázku je zakreslen dvoubodový styk kola s kolejnicí. Tento případ se týká starších, kuželových profilů jízdní plochy, anebo nastává u moderních, tzv. +more opotřebených profilů, pokud jsou použity na koleji s odlišným sklonem kolejnic, než pro který byly vytvořeny (známý problém profilu UIC-ORE na kolejnicích ve sklonu 1:20 u ČSD). Tato poloha kola na kolejnici je staticky neurčitá, vodorovné i svislé silové působení kola na kolejnici se rozkládá do dvou bodů, ve skutečnosti dvou styčných plošek.
Vodící síla Y (na obrázcích zakreslená ve smyslu působení kola na kolejnici, tedy opačně, než je obvyklé) se skládá ze dvou opačně orientovaných složek Y1 a Y2, stejně tak svislá kolová síla Q = Q1 + Q2.
Tečná síla T vzniká jako třecí síla v místě dotyku okolku s hlavou kolejnice. Tření je způsobeno tím, že bod styku okolku s hlavou kolejnice se nenachází v místě, kde půdorysný průmět osy dvojkolí protíná hlavu kolejnice, ale je o něco posunut vpřed ve směru jízdy - předbíhá, zatímco okamžitý pól pohybu se nachází v místě odvalování kola na temeni kolejnice. +more Velikost síly T je dána součinem velikosti síly N a koeficientu tření f a její směr je dán jejím působením proti pohybu.
Na pravém obrázku je zakreslen jednobodový styk kola s kolejnicí, který nastává v případě vhodného použití opotřebeného profilu kola. Tento styk je žádoucí z hlediska dostatečné ekvivalentní konicity pro průjezd obloukem bez podélných skluzů. +more Bod styku kola s kolejnicí se nachází někde v oblasti přechodu jízdní plochy kola do okolku. Poloha tohoto bodu je určena rovnováhou sil v místě styku. Vodící síla Y a kolová síla Q jsou v rovnováze s normálovou silou N a tečnou silou T. Dvoubodový kontakt kola s kolejnicíJednobodový kontakt kola s kolejnicí.
Následující obrázek ukazuje kolo v momentě vykolejení. Bod styku kola s kolejnicí se přesunul vlivem růstu poměru Y/Q až do přímkové části profilu okolku, resp. +more u dvoubodového styku došlo vlivem nárůstu příčné síly ke změně dvoubodového styku na jednobodový. Pokud nedojde k okamžitému snížení poměru Y/Q, vyšplhá okolek na hlavu kolejnice.
Rovnováha sil před vykolejením
Jestliže koeficient tření = f a úhel okolku \gamma, pak pro kolo na mezi vykolejení platí následující rovnováha sil:
\mathbf{N} + \mathbf{T} + \mathbf{Q} + \mathbf{Y} = 0 (1)
a
|\mathbf{T}|=|\mathbf{N}|.f (2)
Svislá síla Q=T.\sin\gamma + N.\cos\gamma (3)
Vodorovná síla Y=N.\sin\gamma - T.\cos\gamma (4)
Z toho plyne poměr \frac{Y}{Q}= \frac{N.\sin\gamma - T.\cos\gamma}{T.\sin\gamma + N.\cos\gamma} (5)
Po úpravě a dosazení T = N.f (6)
(\frac{Y}{Q})_{krit}= \frac{\tan\gamma - f}{1 + f.\tan\gamma} (7)
Pro obvyklé hodnoty \gamma = 70° a f= 0,25 vychází tento poměr 1,48
Bezpečnost proti vykolejení v TSI
TSI Nákladní vozy (na které se odvolávají i TSI pro ostatní vozidla) předepisují následující hodnoty:
* {(Y/Q)}_{lim} = 0,8 pro oblouky o velkém poloměru R ≥ 250 m * {(Y/Q)}_{lim}= 1,2 pro oblouky o malém poloměru R g_{lim} = 7 ‰ při 2a+ g_{lim} = 20/2a+ + 2 při 2a+ > 4 m * g_{lim} = 20/2a* + 2 při 2a* g_{lim} = 3 ‰ při 2a* > 20 m
Rozvor 2a* je rozvor dvojkolí pro dvounápravové vozy nebo vzdálenost otočných bodů podvozkových vozů. Rozvor 2a+ je vzdálenost mezi nápravami u podvozku.
Poznámka: Zborcení koleje je hodnota, která se určí následujícím způsobem: Na dvou místech koleje určíme tečnu k temenům obou kolejnic, kolmou k ose koleje. Tím získáme čtyři body. +more Tři z těchto bodů určí vztažnou rovinu a podíl vzdálenosti čtvrtého bodu od této vztažné roviny k délce základny, na které se měří, se nazývá zborcení koleje. Zborcení koleje dané geometrií koleje se vyskytuje ve vzestupnici převýšeného oblouku. Dále vzniká zborcení chybami při pokládce koleje a vlivem provozních vlivů. Mezní zborcení koleje je v provozu nepřekročitelná hodnota zborcení.
Vztah řídící síly P, vodící síly Y a rámové síly H
Následující obrázek představuje kolejové vozidlo v nepřevýšeném oblouku:
Síly působící na vozidlo, resp. vedoucí dvojkolí v oblouku
Při průjezdu obloukem dochází ke vzniku řídící síly P - viz Heumannova metoda. Tato síla při uvažovaném dvoubodovém styku kola s kolejnicí působí na okolek nabíhajícího kola.
Vodící síla Y je síla, kterou působí kolo na kolejnici. Vodící síla je rozdíl řídící síly a příčné složky (kolmé na směr pohybu) třecí síly Q. +moref. Z Heumannovy teorie vyplývá, že střed otáčení u dvounápravového podvozku se obvykle nachází přibližně v místě zadní nápravy. Pro dvounápravový podvozek přibližně platí, že.
Y=P-Q.f.\cos\operatorname{arctg}(\frac{s}{d}) (8)
nebo jinak
Y=P-Q.f.\frac{d}{\sqrt{s^2 + d^2}} (9)
kde s je poloviční vzdálenost styčných kružnic a d rozvor podvozku a Q kolový tlak, který je součtem základní (klidové) hodnoty kolového tlaku, přitížení Qa vlivem klopného momentu rámové síly H a Qb vlivem klopného momentu sil působících na skříň vozidla H´ - podíl odstředivé síly, síly větru atd. připadající na jedno dvojkolí. +more Rozdíl kolových tlaků způsobený posunutím těžiště z osy koleje se pro relativně malou velikost zpravidla neuvažuje. Nelze stručně říci, že rámová síla H vzroste o velikost H´, protože vlivem změny síly H´ dojde k ovlivnění postavení podvozku a tím i změně řídící síly P.
Q_a=H.\frac{r}{2s} (10)
Q_b=\operatorname{H}^\prime.\frac{h}{2s} (11)
Rámová síla H je síla, kterou působí rám vozidla (podvozku) na dvojkolí. Jelikož rozdíly kolových tlaků na kolech téhož dvojkolí jsou shodné, opačně orientované, je možno napsat:
H=P-2.Q_0.f.\cos\operatorname{arctg}(\frac{s}{d}) (12)
Okolnosti mající vliv na bezpečnost proti vykolejení
Vliv konstrukce vozidla
Konstrukce pojezdu kolejového vozidla musí být navržena s ohledem na bezpečnost proti vykolejení. U rámových vozidel (parních lokomotiv) se konstruktéři vždy snažili o rozdělení řídící síly mezi více kol, aby se snížilo namáhání koleje i pojezdu a tím i opotřebení. +more To vedlo zároveň ke zvýšení bezpečnosti proti vykolejení.
Dalším faktorem v konstrukci vozidla je tuhost vypružení. Měkčí vypružení snižuje odlehčení vedoucího kola na vzestupnici na výjezdu z oblouku. +more Stejně pozitivní vliv má na bezpečnost proti vykolejení provahadlování náprav a staticky určité ("tříbodové") uložení skříně na pojezdu. Naopak negativní vliv má příliš velká torzní tuhost skříní moderních osobních vozů, a to zejména v případě, že je použito pneumatické sekundární vypružení a vozidlo se pohybuje s vypuštěnými pružinami, pouze na nouzovém vypružení. Známý je také negativní vliv velké torzní tuhosti skříně u nákladních kotlových vozů.
Moment odporu podvozku proti natáčení vůči skříni vozidla se projevuje negativně při jízdě přechodnicí mezi přímým úsekem a obloukem či při průjezdu výhybkou. Vykazuje (kromě nevyhnutelné setrvačné složky) v různých mírách složku třecí a složku pružnou. +more Postup experimentálního stanovení průběhu momentu odporu v závislosti na úhlu natočení na hotovém vozidle a jeho vlivu na bezpečnost proti vykolejení je upraven technickou normou. V závislosti na konstrukci uložení skříně na podvozku pak pružná složka odporu přetrvává ve větší či menší míře i v oblouku o konstantním poloměru a vyvozuje trvalý vratný moment. U typických konstrukcí nákladních podvozků (torna a postranní kluznice, např. Y25) je dominantní třecí složka odporu a pružná je nevýznamná. Je-li skříň uložena na závěskách (např. starší lokomotivy ČKD) nebo příčně deformovatelných pružinách (flexi-coil), vyvozuje se tím trvalý vratný moment.
Významný vliv na velikost řídící síly má také postavení dvojkolí v oblouku - viz Podvozek (železnice). Ideální je radiální poloha, čím více se skutečné postavení dvojkolí blíží této poloze, tím nižší jsou skluzy a tím i velikost řídící síly.
Zborcení koleje
S rostoucím zborcením koleje klesá bezpečnost proti vykolejení.
Rychlost v oblouku
Má pozitivní vliv na bezpečnost proti vykolejení. Kolejové vozidla mají obvykle těžiště dostatečně vysoko, takže vlivem odstředivé síly roste Q rychleji, než Y. +more Zároveň se snižuje úhel náběhu, protože podvozek je odstředivou silou tlačen do tětivové polohy. Bohužel vyšší poloha těžiště má naopak neblahý vliv na odolnost proti převrácení vozidla.
Koeficient tření
S klesajícím koeficientem tření vzrůstá bezpečnost proti vykolejení dvojím způsobem - zmenšuje se třecí síla T, takže okolek tak snadno nevyšplhá na hlavu kolejnice (viz vzorec (7)), a třecí síly mezi koly a kolejnicí a tudíž i řídící síla, která je na nich lineárně závislá, se snižují. Na koeficient tření mají vliv i povětrnostní podmínky - zejména za mrazů, kdy je vzduch velmi suchý, roste koeficient tření, což se projevuje mimo jiné i zvuky emitovanými vzájemnými skluzy kol a kolejnic - velmi zřetelný je tento projev u tramvají.
Úhel okolku
Vyšší úhel okolku má příznivý vliv na bezpečnost proti vykolejení, jak je patrné z obrázku i vzorce (7). Přechod od dříve používaného úhlu 60° u profilu ČSD na 70° u nových profilů vedl ke zvýšení bezpečnosti proti vykolejení