Adhésion Railway – Wikipedia wiki

Chemin de fer qui repose sur la traction de l’adhésion pour déplacer un train

Un chemin de fer d’adhésion repose sur la traction de l’adhésion pour déplacer le train. La traction de l’adhésion est le frottement entre les roues d’entraînement et le rail en acier. ^[d’abord] Le terme “chemin de fer d’adhésion” n’est utilisé que lorsqu’il est nécessaire pour distinguer les chemins de fer d’adhésion des chemins de fer déplacés par d’autres moyens, par exemple par un moteur stationnaire tirant sur un câble attaché aux voitures ou par des chemins de fer qui sont déplacés par un maillot de pignon avec un étagère.

Le frottement entre les roues et les rails se produit dans l’interface de roue-rail ou le patch de contact. La force de traction, les forces de freinage et les forces de centrage, contribuent tous à une course stable. Cependant, le frottement de la course augmente les coûts en nécessitant une consommation de carburant plus élevée et en augmentant l’entretien nécessaire pour traiter les dommages de la fatigue (matériaux), l’usure sur les têtes de rail et sur les jantes de roue et les mouvements ferroviaires à partir des forces de traction et de freinage.

Variation du coefficient de frottement [ modifier ]]

La traction ou la friction est réduite lorsque le haut du rail est humide ou glacial ou contaminé par de la graisse, de l’huile ou des feuilles en décomposition qui se compactent en un revêtement de lignine glissant dur. La contamination par les feuilles peut être éliminée en appliquant des “sandites” (un mélange de sable gel) des trains d’entretien, en utilisant des épurateurs et des jets d’eau, et peut être réduit avec une gestion à long terme de la végétation à bord du chemin de fer. Les locomotives et les tramways / tramways utilisent du sable pour améliorer la traction lorsque les roues de conduite commencent à glisser.

Effet des limites d’adhésion [ modifier ]]

L’adhésion est causée par la friction, avec une force tangentielle maximale produite par une roue de conduite avant de glisser donné par:

F _max (N) = coefficient de frottement × poids sur la roue (n) ^[2]

Habituellement, la force nécessaire pour commencer à glisser est supérieure à celle nécessaire pour continuer à glisser. Le premier est préoccupé par la friction statique (également connue sous le nom de “striction” ^[3] ) ou “limiter la friction”, tandis que ce dernier est une friction dynamique, également appelée “friction coulissante”.

Pour l’acier sur l’acier, le coefficient de frottement peut atteindre 0,78, dans des conditions de laboratoire, mais généralement sur les chemins de fer, il se situe entre 0,35 et 0,5, ^[4] tandis que dans des conditions extrêmes, il peut tomber jusqu’à 0,05. Ainsi, une locomotive de 100 tonnes pourrait avoir un effort tractif de 350 kilonewtons, dans les conditions idéales (en supposant une force suffisante peut être produite par le moteur), tombant à 50 kilonewtons dans les pires conditions.

Les locomotives à vapeur souffrent particulièrement de problèmes d’adhésion car la force de traction au bord de la roue fluctue (en particulier dans les moteurs 2 ou la plupart des 4 cylindres) et, sur les grandes locomotives, toutes les roues ne sont pas entraînées. Le «facteur de l’adhésion», étant le poids sur les roues entraînés divisé par l’effort de tracture de départ théorique, a été généralement conçu pour être une valeur de 4 ou légèrement plus, reflétant un coefficient de frottement de rail roue typique de 0,25. Une locomotive avec un facteur d’adhésion bien inférieur à 4 serait très sujette à Wheelslip, bien que certaines locomotives 3 cylindres, telles que la classe SR V des écoles, fonctionnent avec un facteur d’adhésion inférieure à 4 parce que la force de traction à la jante de roue ne fluctuez pas autant. D’autres facteurs affectant la probabilité de glissière de roues comprennent la taille des roues et la sensibilité du régulateur / compétence du conducteur.

Adhésion tout temps [ modifier ]]

Le terme Adhésion tout temps est généralement utilisé en Amérique du Nord et fait référence à l’adhésion disponible en mode traction avec une fiabilité de 99% dans toutes les conditions météorologiques. ^[5]

Conditions de renversement [ modifier ]]

La vitesse maximale d’un train peut se dérouler autour d’un virage est limitée par le rayon de virage, la position du centre de masse des unités, la jauge de roue et si la piste est surélevé ou incorporé .

Le renversement se produira lorsque le moment de renversement en raison de la force latérale (accélération centrifuge) est suffisant pour faire en sorte que la roue intérieure commence à retirer le rail. Cela peut entraîner une perte d’adhésion – ce qui fait ralentir le train, empêchant le renversement. Alternativement, l’inertie peut être suffisante pour faire en sorte que le train continue de se déplacer à vitesse, ce qui fait que le véhicule renverse complètement.

Pour une jauge de roue de 1,5 m, pas d’inclinaison, un centre de hauteur de gravité de 3 m et une vitesse de 30 m / s (108 km / h), le rayon de virage est de 360 ​​m. Pour un train à grande vitesse moderne à 80 m / s, la limite de renfort serait d’environ 2,5 km. En pratique, le rayon de virage minimum est beaucoup plus élevé que cela, car le contact entre les brides de roue et le rail à grande vitesse pourrait endommager des dommages importants aux deux. Pour une vitesse très élevée, la limite d’adhésion minimale semble à nouveau appropriée, ce qui implique un rayon d’environ 13 km. En pratique, les lignes incurvées utilisées pour les voyages à grande vitesse sont surélevé ou incorporé de sorte que la limite de virage est plus proche de 7 km.

Au cours du 19e siècle, il a été largement cru que le couplage des roues d’entraînement compromettrait les performances et était évité sur les moteurs destinés à un service de passagers express. Avec une paire de roues à volonté, le stress de contact hertzien entre la roue et le rail a nécessité les roues le plus importantes de diamètre qui pourraient être accueillies. Le poids de la locomotive a été limité par le stress sur le rail, et des bacs de sable étaient nécessaires, même dans des conditions d’adhésion raisonnables.

Stabilité directionnelle et instabilité de chasse [ modifier ]]

On peut penser que les roues sont maintenues sur les pistes par les brides. Cependant, un examen approfondi d’une roue ferroviaire typique révèle que la bande de roulement est brouvée mais la bride ne l’est pas – les brides entrent rarement en contact avec le rail et, quand ils le font, la plupart du contact glisse. Le frottement d’une bride sur la piste dissipe de grandes quantités d’énergie, principalement sous forme de chaleur mais aussi de bruit et, si elle est soutenue, entraînerait une usure excessive des roues.

Le centrage est en fait accompli par la mise en forme de la roue. La bande de roulement de la roue est légèrement effilée. Lorsque le train est au centre de la piste, la région des roues en contact avec le rail trace un cercle qui a le même diamètre pour les deux roues. Les vitesses des deux roues sont égales, donc le train se déplace en ligne droite.

Si, cependant, la pose de roues est déplacée d’un côté, les diamètres des régions de contact, et donc les vitesses tangentielles des roues aux surfaces de course sont différentes et que la ponction de roues a tendance à revenir vers le centre. De plus, lorsque le train rencontre un virage non bancarisé, la ponte de roues déplace légèrement latéralement, de sorte que la bande de roulement de la roue externe accélère linéairement et que la bande de roulement intérieure ralentit, provoquant le fait que le train tourne le coin. Certains systèmes ferroviaires utilisent un profil de roue et de piste plat, en s’appuyant sur CANT seul pour réduire ou éliminer le contact de la bride.

Comprenant comment le train reste sur la piste, il devient évident pourquoi les ingénieurs de locomotive victoriens étaient opposés aux ensembles de roues. Cette action de coning simple n’est possible qu’avec des ensembles de roues où chacun peut avoir un mouvement libre sur son axe vertical. Si les ensembles de roues sont couplés de manière rigide, ce mouvement est restreint, de sorte que le couplage des roues devrait introduire le glissement, entraînant une augmentation des pertes de roulement. Ce problème a été atténué dans une large mesure en veillant à ce que le diamètre de toutes les roues couplés soit très étroitement égalé.

Avec un contact roulant parfait entre la roue et le rail, ce comportement de congé se manifeste comme une balancement du train d’un côté à l’autre. En pratique, le balancement est amorti sous une vitesse critique, mais est amplifié par le mouvement vers l’avant du train au-dessus de la vitesse critique. Ce balancement latéral est connu sous le nom d’oscillation de chasse. Le phénomène de la chasse était connu à la fin du 19e siècle, bien que la cause n’ait été entièrement comprise que dans les années 1920 et que les mesures pour l’éliminer n’ont été prises qu’à la fin des années 1960. La limitation de la vitesse maximale a été imposée non pas par une puissance brute mais en rencontrant une instabilité dans le mouvement.

La description cinématique du mouvement des marches effilées sur les deux rails est insuffisante pour décrire suffisamment bien la chasse pour prédire la vitesse critique. Il est nécessaire de traiter les forces impliquées. Il y a deux phénomènes qui doivent être pris en compte. Le premier est l’inertie des ensembles de roues et des corps du véhicule, donnant naissance à des forces proportionnelles à l’accélération; Le second est la distorsion de la roue et de la piste au point de contact, donnant naissance à des forces élastiques. L’approximation cinématique correspond au cas qui est dominé par les forces de contact.

Une analyse de la cinématique de l’action de coning donne une estimation de la longueur d’onde de l’oscillation latérale: ^[6]

${displayStyle lambda = {2pi} {sqrt {frac {rd} {2k}}},}$

où d est la jauge de roue, r est le rayon de roue nominal et k est le cône des marches. Pour une vitesse donnée, plus la longueur d’onde est longue et plus les forces inertiales seront faibles, donc plus il est probable que l’oscillation soit amorti. Étant donné que la longueur d’onde augmente avec la réduction du cône, l’augmentation de la vitesse critique nécessite que le cône est réduit, ce qui implique un grand rayon minimum de virage.

Une analyse plus complète, en tenant compte des forces réelles agissant, donne le résultat suivant pour la vitesse critique d’un ensemble de roues: ^{[ Clarification nécessaire ]]}

${displayStyle v ^ {2} = {frac {wrad ^ {2}} {kleft (4c + md ^ {2} droit)}},}$

où DANS est la charge d’essieu pour la pose de roues, un est un facteur de forme lié à la quantité d’usure sur la roue et le rail, C est le moment d’inertie de la roue perpendiculaire à l’essieu, m est la masse de la pose de roues.

Le résultat est cohérent avec le résultat cinématique que la vitesse critique dépend inversement du cône. Cela implique également que le poids de la masse rotatif doit être minimisé par rapport au poids du véhicule. La jauge de roue apparaît à la fois dans le numérateur et le dénominateur, ce qui implique qu’il n’a qu’un effet de second ordre sur la vitesse critique.

La véritable situation est beaucoup plus compliquée, car la réponse de la suspension du véhicule doit être prise en compte. Les ressorts retenus, s’opposant au mouvement de lacet de la pose de roues et des contraintes similaires sur les bogies peuvent être utilisés pour augmenter davantage la vitesse critique. Cependant, afin d’atteindre les vitesses les plus élevées sans rencontrer une instabilité, une réduction significative du cône de roue est nécessaire. Par exemple, le conicité sur les routes de roue Shinkansen a été réduit à 1:40 (lorsque le shinkansen a couru pour la première fois) pour la stabilité à des vitesses élevées et des performances sur les courbes. ^[7] Cela dit, à partir des années 1980, les ingénieurs de Shinkansen ont développé un cône efficace de 1:16 en effilant la roue avec plusieurs arcs, afin que la roue puisse fonctionner efficacement à grande vitesse que dans des courbes plus nettes. ^[7]

Forces sur roues, fluage [ modifier ]]

Le comportement des véhicules se déplaçant sur les chemins de fer d’adhésion est déterminé par les forces découlant de deux surfaces en contact. Cela peut apparaître trivialement simple à partir d’un regard superficiel, mais il devient extrêmement complexe lorsqu’il est étudié à la profondeur nécessaire pour prédire les résultats utiles.

La première erreur à aborder est l’hypothèse selon laquelle les roues sont rondes. Un coup d’œil sur les pneus d’une voiture garée montrera immédiatement que ce n’est pas vrai: la région en contact avec la route est sensiblement aplatie, de sorte que la roue et la route se conforment les unes aux autres sur une région de contact. Si ce n’était pas le cas, la contrainte de contact d’une charge transférée via un contact de ligne serait infinie. Les rails et les roues ferroviaires sont beaucoup plus rigides que les pneus pneumatiques et le tarmac, mais la même distorsion a lieu dans la région de contact. En règle générale, la zone de contact est elliptique, de l’ordre de 15 mm de diamètre. ^[8]

La distorsion dans la roue et le rail est petite et localisée, mais les forces qui en découlent sont grandes. En plus de la distorsion due au poids, la roue et le rail se déforment lorsque des forces de freinage et d’accélération sont appliquées et lorsque le véhicule est soumis à des forces latérales. Ces forces tangentielles provoquent une distorsion dans la région où elles entrent en contact pour la première fois, suivies d’une région de glissement. Le résultat net est que, pendant la traction, la roue ne progresse pas jusqu’à ce que l’on attend du contact roulant mais, pendant le freinage, il progresse davantage. Ce mélange de distorsion élastique et de glissement local est connu sous le nom de “fluage” (à ne pas confondre avec le fluage des matériaux sous une charge constante). La définition du fluage dans ce contexte est:

${displayStyle {Mbox {Creep}} = {frac {({Mbox {déplacement réel}} – {Mbox {déplacement de roulement}})} {({Mbox {Rolling Diffplacement}})}},}$

Lors de l’analyse de la dynamique des ensembles de roues et des véhicules ferroviaires complets, les forces de contact peuvent être traitées comme dépendant linéairement du fluage ^[dix] (La théorie linéaire de Joost Jacques Kalker, valide pour les petites fesses) ou des théories plus avancées peut être utilisée à partir de la mécanique de contact par friction.

Les forces qui entraînent une stabilité directionnelle, une propulsion et un freinage peuvent tous être retracés à ramper. Il est présent dans une seule pose de roues et s’adaptera à la légère incompatibilité cinématique introduite en coupant les ensembles de roues ensemble, sans provoquer un glissement brut, comme on le craignait autrefois.

À condition que le rayon de virage est suffisamment important (comme on devrait s’y attendre pour les services de passagers express), deux ou trois ensembles de roues liés ne devraient pas présenter de problème. Cependant, 10 roues d’entraînement (5 ensembles de roues principales) sont généralement associés à des locomotives de fret lourdes.

Faire bouger le train [ modifier ]]

Le chemin de fer de l’adhésion repose sur une combinaison de frottement et de poids pour démarrer un train. Les trains les plus lourds nécessitent la friction la plus élevée et la locomotive la plus lourde. Le frottement peut varier beaucoup, mais il était connu sur les premiers chemins de fer que le sable a aidé, et il est toujours utilisé aujourd’hui, même sur des locomotives avec des contrôles de traction moderne. Pour commencer les trains les plus lourds, la locomotive doit être aussi lourde que possible par les ponts le long de l’itinéraire et la piste elle-même. Le poids de la locomotive doit être partagé de manière égale par les roues qui sont entraînées, sans transfert de poids à mesure que la force de départ se construit. Les roues doivent tourner avec une force motrice régulière sur la très petite zone de contact d’environ 1 cm ² entre chaque roue et le haut du rail. Le haut du rail doit être sec, sans contamination liée à l’homme ni aux intempéries, comme l’huile ou la pluie. Un sable améliorant la friction ou un équivalent est nécessaire. Les roues motrices doivent tourner plus rapidement que la locomotive se déplace (appelée contrôle de fluage) pour générer le coefficient de frottement maximal, et les essieux doivent être entraînés indépendamment avec leur propre contrôleur car différents essieux verront des conditions différentes. Le frottement maximal disponible se produit lorsque les roues glissent / rampes. Si la contamination est inévitable, les roues doivent être entraînées avec plus de fluage car, bien que la frottement soit abaissée de contamination, le maximum obtenu dans ces conditions se produit à des valeurs plus élevées de fluage. ^[11] Les contrôleurs doivent répondre à différentes conditions de frottement le long de la piste.

Certaines des exigences de départ étaient un défi pour les concepteurs de locomotifs à vapeur – “des systèmes de ponçage qui ne fonctionnaient pas, des contrôles qui n’étaient pas pratiqués à fonctionner, une lubrification qui a craché de l’huile partout, des drains qui mouillaient les rails, etc. ^[douzième] D’autres ont dû attendre les transmissions électriques modernes sur les locomotives diesel et électriques.

La force de friction sur les rails et la quantité de glissement de roue diminuent régulièrement alors que le train accélère.

Une roue entraînée ne roule pas librement mais tourne plus vite que la vitesse de locomotive correspondante. La différence entre les deux est connue sous le nom de “vitesse de glissement”. “Slip” est la “vitesse de glissement” par rapport à la “vitesse du véhicule”. Lorsqu’une roue roule librement le long du rail, le patch de contact se trouve dans ce qui est connu comme une condition de “bâton”. Si la roue est entraînée ou freinée, la proportion du patch de contact avec la condition de “bâton” devient plus petite et une proportion progressive augmente est ce qui est connu comme une “condition de glissement”. Cette zone de “bâton” diminuant et l’augmentation de la zone de “glissement” soutient une augmentation progressive du couple de traction ou de freinage qui peut être maintenue à mesure que la force au bord de la roue augmente jusqu’à ce que toute la zone soit “glisser”. ^[13] La zone “Slip” fournit la traction. Pendant la transition de la condition “All-Sttick” à l’état “All-Slip”, la roue a connu une augmentation progressive du glissement, également connu sous le nom de fluage et de fabrication. Les locomotives d’adhésion élevées contrôlent le fluage des roues pour donner un maximum d’effort lors du début et de tirer lentement un train lourd.

Le glissement est la vitesse supplémentaire de la roue et le fluage est le niveau de glissement divisé par la vitesse de locomotive. Ces paramètres sont ceux qui sont mesurés et qui entrent dans le contrôleur de fluage. ^[14]

${displaystyle {mbox{creep}}={frac {({mbox{wheel speed}}-{mbox{locomotive speed}})}{({mbox{locomotive speed}})}},}$

Ponçage [ modifier ]]

Sur un chemin de fer d’adhésion, la plupart des locomotives auront un navire de confinement de sable. Le sable correctement séché peut être déposé sur le rail pour améliorer la traction dans des conditions glissantes. Le sable est le plus souvent appliqué en utilisant de l’air comprimé via une tour, une grue, un silo ou un train. ^{[15] [16]} Lorsqu’un moteur glisse, en particulier lors du démarrage d’un train lourd, le sable appliqué à l’avant des roues de conduite aide grandement à un effort tractif provoquant le “soulèvement” du train, ou pour commencer le mouvement prévu par le conducteur du moteur.

Le ponçage a cependant également quelques effets négatifs. Il peut provoquer un “fichier de sable”, qui se compose de sable concassé, qui est comprimé à un film sur la piste où les roues entrent en contact. Avec un peu d’humidité sur la piste, qui agit comme un adhésif léger et maintient le sable appliqué sur la piste, les roues “craient” le sable concassé dans une couche de sable plus solide. Parce que le sable est appliqué aux premières roues de la locomotive, les roues suivantes peuvent fonctionner, au moins partiellement et pour un temps limité, sur une couche de sable (sable). En voyage, cela signifie que les locomotives électriques peuvent perdre le contact avec le terrain, ce qui fait que la locomotive créait une interférence électromagnétique et des courants à travers les coupleurs. En arrêt, lorsque la locomotive est stationnée, les circuits de piste peuvent détecter une piste vide car la locomotive est isolée électriquement de la piste. ^[17]

Voir également [ modifier ]]

Sources [ modifier ]]