Tại sao xe lửa chạy trên đường ray? (Vật lý thép-về-Chạy thép)

Đường ray là cơ sở hạ tầng thiết yếu của đường sắt và chức năng của nó là hướng dẫn các bánh xe lửa tiến về phía trước trong khi chịu được áp lực rất lớn mà các bánh xe đẩy lên. Đường ray thép mang lại bề mặt lăn êm ái, ổn định và liên tục cho các bánh xe đi qua, đồng thời trên các đường ray được điện khí hóa hoặc có tín hiệu tự động, nó cũng đóng vai trò là dây dẫn mạch đường ray phát hiện tình trạng chiếm chỗ của tàu. Câu hỏi đặt ra là tại sao sự sắp xếp này lại hiệu quả đến mức không có công nghệ vận chuyển có hướng dẫn nào khác thay thế được nó.

Ba lý do vật lý cho thép-trên-Thép

1. Lực cản lăn rất thấp.Bánh xe thép lăn trên đường ray thép hầu như không bị biến dạng nên lực cản lăn thấp hơn khoảng 5 đến 10 lần so với lốp cao su trên đường nhựa. Do đó, một đoàn tàu chở hàng có thể vận chuyển một tấn hàng hóa xa hơn khoảng bốn lần trên một đơn vị năng lượng so với một chiếc xe tải. Thực tế duy nhất này là lý do tại sao vận tải đường bộ hạng nặng lại tập trung vào đường sắt.

2. Khả năng chịu tải cao.Đường ray thép là dầm thép liên tục trên các giá đỡ đàn hồi. Một đầu ray đơn có thể chịu tải trọng trục từ 22,5 đến 30 tấn trở lên vì tải trọng lan truyền nhanh dọc theo ray và qua tà vẹt vào đá dằn. Ứng suất tiếp xúc cực kỳ lớn, trên 800 MPa tại phần tiếp xúc của ray bánh xe-nhưng thép ray cacbon-cao được thiết kế chính xác cho nhiệm vụ đó.

3. Hướng dẫn lấy bản thân làm trung tâm.Mặt bánh xe hình côn, không phẳng, đầu ray có hình vương miện. Khi bộ bánh xe dịch chuyển sang một bên, bán kính lăn hiệu dụng của một bánh xe sẽ tăng lên trong khi bánh xe kia co lại và bộ bánh xe sẽ tự quay trở lại tâm. Hiệu ứng hình nón này cho phép tàu chạy với tốc độ hàng trăm km/h mà không cần cơ cấu lái và đó là lý do tại sao hình dạng đầu đường ray được cho phép chặt chẽ ở mọi tiêu chuẩn.

Đường ray giữ tàu trên đường ray như thế nào

Hướng dẫn cũng phụ thuộc vào cấu trúc đường ray xung quanh đường ray. Trong các đường cong, ray bên ngoài được bố trí siêu cao (siêu cao) để lực ly tâm được cân bằng bởi trọng lực, giảm tiếp xúc và mài mòn mặt bích. Hệ thống buộc chặt điều khiển đường ray theo các hướng thẳng đứng, ngang và dọc, giữ thước đo dưới tải trọng trục và lực phanh cao. Vì độ chính xác của dẫn hướng phụ thuộc vào hình dạng đường ray nên dung sai sản xuất được kiểm soát chặt chẽ theo các tiêu chuẩn EN, UIC, AREMA, GB và JIS.

Hệ thống đường đua bao gồm những gì

Đường ray theo ứng dụng và tiêu chuẩn

Bởi vì đường ray phải phù hợp với giao thông nên đường ray được cung cấp theo nhiều tiêu chuẩn: đường ray nhẹ (8 đến 30 kg/m) dành cho đường ray khai thác mỏ và nhà máy, đường ray hạng nặng (38 đến 75 kg/m) cho đường chính và đô thị lớn, đường ray cần cẩu (dòng QU, dòng DIN 536 A) cho giàn và cần cẩu trên cao, và đường ray có rãnh cho xe điện trên đường phố. Mỗi tiêu chuẩn cố định cấu hình, loại thép và dung sai, đồng thời thông số kỹ thuật mua sắm phải luôn đặt tên tiêu chuẩn, phần và cấp cùng nhau, ví dụ: EN 13674-1 60E1 R260 hoặc GB/T 2585 60 kg/m U75V.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Tại sao xe lửa không chỉ chạy bằng lốp cao su trên đường?

Lốp cao su có lực cản lăn cao hơn nhiều nên chi phí năng lượng trên mỗi tấn{0}}km sẽ tăng lên gấp bội và việc điều khiển sẽ phụ thuộc vào người lái. Đường ray thép dẫn hướng có lực cản thấp và khả năng lái tự động qua hình nón, đó là lý do tại sao đường ray phù hợp với các hành lang có công suất lớn-.

Hỏi: Đường ray dẫn đường cho tàu không có vô lăng như thế nào?

Gai bánh xe hình nón và đầu ray hình vương miện tạo ra hình dạng khôi phục: bất kỳ sự dịch chuyển ngang nào cũng sẽ thay đổi bán kính lăn của hai bánh, điều khiển bộ bánh xe quay trở lại tâm. Mặt bích bánh xe là vật dự trữ an toàn, không phải là dẫn hướng chính.

Hỏi: Đường ray có vai trò gì trong việc truyền tín hiệu?

Trên các đường dây điện khí hóa và có tín hiệu tự động, hai đường ray được cách điện với đất và được sử dụng làm mạch đường ray. Bộ bánh xe lửa sẽ ngắt mạch và hệ thống tín hiệu sẽ phát hiện sự hiện diện của tàu. Đây là lý do tại sao đường ray phải liên tục về điện và tại sao các mối nối và dây buộc đường ray cách điện được sử dụng khi cần thiết.

Hỏi: Tại sao đường ray bị mòn và cần mài?

Mỗi đường chuyền của bánh xe đều có tác dụng-làm cứng đầu ray và làm mòn nó từ từ, đặc biệt là ở các đoạn đường cong và độ dốc. Mài phục hồi hình dạng đầu, loại bỏ các vết nứt mỏi nhỏ trước khi chúng phát triển và là kỹ thuật đổi mới chính giúp đường ray tiếp tục hoạt động trong nhiều thập kỷ.

Hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu đường ray không được căn chỉnh theo cùng một thước đo?

Sự thay đổi của thước đo làm thay đổi hình dạng tiếp xúc với ray-của bánh xe và có thể gây mài mòn, rung lắc quá mức và trong trường hợp nghiêm trọng là trật bánh. Đó là lý do tại sao hệ thống buộc chặt và tà vẹt phải giữ máy đo trong phạm vi dung sai chặt chẽ dưới mọi tải trọng.

Hỏi: Có đường ray nào không được làm bằng thép không?

Về cơ bản tất cả các đường ray chính và đường ray công nghiệp hiện đại đều là thép. Đường ray nhôm và composite chỉ tồn tại cho các hệ thống thử nghiệm hoặc nhẹ đặc biệt. Sự kết hợp giữa sức mạnh, độ cứng, độ dẻo dai và chi phí giúp thép chiếm ưu thế.