3η Διάλεξη Αλληλεπίδραση τροχού σιδηροτροχιάς: Μελέτη της επιφάνειας τροχού σιδηροτροχιάς και φορτία ασκούμενα επί της σιδηροδρομικής γραμμής Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Σχεδιασμός και Λειτουργία Σιδηροδρομικών Συστημάτων Δρ. Αθανάσιος Γαλάνης Πολιτικός Μηχανικός MSc, PhD atgalanis@uth.gr
Βιβλιογραφία Συστήματα Σιδηροδρομικών Μεταφορών: Υποδομή, τροχαίο υλικό, εκμετάλλευση, Πυργίδης, Χ., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 2009.
Μελέτη της επιφάνειας επαφής τροχού - σιδηροτροχιάς Βαθμοί ελευθερίας συμβατικού σιδηροδρομικού άξονα. Γεωμετρία της επαφής τροχού σιδηροτροχιάς. Οι τροχοί θεωρούνται κωνικοί και η κεφαλή των σιδηροτροχιών σφαιρική. Μαθηματική επίλυση Η έννοια της ισοδύναμης κωνικότητας Υπολογισμός της ισοδύναμης κωνικότητας Διαμήκης και εγκάρσια ψευδό-ολίσθηση Διαμήκης ψευδό-ολίσθηση Εγκάρσια ψευδό-ολίσθηση Spin Γραμμική θεωρία του Kalker
Φορτία ασκούμενα επί της σιδηροδρομικής γραμμής Στη σιδηροδρομική γραμμή ασκούνται φορτία κατακόρυφα, εγκάρσια και κατά τη διαμήκη έννοια (διαμήκη). Εκτός από τα φορτία που μπορεί να εμφανιστούν σε περίπτωση σεισμού όλα τα υπόλοιπα προέρχονται από το τροχαίο υλικό που κυκλοφορεί σ αυτήν (φορτία κυκλοφορίας). Τα κατακόρυφα φορτία ασκούνται αρχικά στην επιφάνεια κύλισης των σιδηροτροχιών (ελλειψοειδής επιφάνεια επαφής τροχού σιδηροτροχιάς) και στη συνέχεια, μέσω των διαφόρων ελαστικών στοιχείων της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς, μεταδίδονται μέχρι την υπόβαση. Κατά τη μετάδοση τους, το εμβαδόν της επιφάνειας εφαρμογής των εσωτερικών δυνάμεων μεγαλώνει, ενώ συγχρόνως η αναπτυσσόμενη τάση μειώνεται.
Φορτία ασκούμενα επί της σιδηροδρομικής γραμμής Τα εγκάρσια φορτία μεταβιβάζονται από τους τροχούς αρχικά στις σιδηροτροχιές είτε μόνο μέσω της επιφάνειας κύλισης των σιδηροτροχιών (όταν δεν υπάρχει επαφή ονύχων τροχών σιδηροτροχιών), είτε μέσω και των ονύχων των τροχών (όταν υπάρχει επαφή). Στη συνέχεια, τα φορτία μεταδίδονται μέσω των υπόλοιπων στοιχείων της εσχάρας γραμμής (ελαστικό υπόθεμα, σύνδεσμοι, στρωτήρες) στην έδραση της γραμμής. Τα διαμήκη φορτία ασκούνται αρχικά στην επιφάνεια κύλισης των σιδηροτροχιών και στη συνέχεια, όπως και τα εγκάρσια φορτία, μεταδίδονται στην έδραση της γραμμής.
Φορτία ασκούμενα επί της σιδηροδρομικής γραμμής Ανάλογα με τη φύση τους, τα φορτία μιας σιδηροδρομικής γραμμής διακρίνονται σε: Στατικά φορτία, ως αποτέλεσμα του μικτού βάρους του τροχαίου υλικού. Ασκούνται από το τροχαίο υλικό στη γραμμή σε μόνιμη βάση, είτε αυτό είναι ακινητοποιημένο είτε κινείται. Ημι-στατικά φορτία. Ασκούνται από το τροχαίο υλικό στη γραμμή για κάποιο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια εξαφανίζονται, μόλις πάψει να υπάρχει το αίτιο που τα προκάλεσε. Τέτοια είναι τα φορτία λόγω πλευρικών ανέμων και τα φορτία λόγω παραμένουσας φυγόκεντρης δύναμης.
Φορτία ασκούμενα επί της σιδηροδρομικής γραμμής Δυναμικά φορτία. Προκαλούνται από τα εξής: Γεωμετρικά σφάλματα γραμμής (οριζόντια και κατακόρυφα) και την ανομοιογενή κατακόρυφη ακαμψία της γραμμής. Σημεία ασυνέχειας της κύλισης (αλλαγές, αρμοί αμφίδεσης) Φθορές της επιφάνειας κύλισης των σιδηροτροχιών και των επισώτρων των τροχιών. Αναρτήσεις και ασυμμετρίες του τροχαίου υλικού.
Κατακόρυφα φορτία σιδηροδρομικής γραμμής Τα κατακόρυφα φορτία διακρίνονται σε στατικά, ημι-στατικά και δυναμικά. Επιπλέον, υπάρχουν και τα «χαρακτηριστικά» φορτία: Βάρος κατ άξονα Q Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Tf Κατακόρυφο φορτίο σχεδιασμού τροχού Qd Κατακόρυφο φορτίο σχεδιασμού γεφυρών Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται στο σιδηρόδρομο μια συνεχής αύξηση της τιμής των κατακόρυφων φορτίων. Η αύξηση αυτή παρουσιάζεται ως αύξηση του αξονικού φορτίου, του μήκους και κατ επέκταση του βάρους των συρμών, του ημερήσιου φορτίου κυκλοφορίας και των ταχυτήτων κυκλοφορίας (αύξηση των κατακόρυφων δυναμικών φορτίων).
Κατακόρυφα φορτία σιδηροδρομικής γραμμής Στατικά κατακόρυφα φορτία Φορτία κατ άξονα Βάρος ανά τροχό Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Ημι-στατικά κατακόρυφα φορτία Κατακόρυφο φορτίο τροχού λόγω πλευρικών ανέμων Κατακόρυφο φορτίο τροχού λόγω παραμένουσας φυγόκεντρης δύναμης Δυναμικά κατακόρυφα φορτία Κατακόρυφο δυναμικό φορτίο τροχού Συνολικό κατακόρυφο φορτίο τροχού Κατακόρυφο φορτίο σχεδιασμού τροχού Κατακόρυφο φορτίο σχεδιασμού γεφυρών
Οι εγκάρσιες δυνάμεις συνδέονται άμεσα με την ασφάλεια κίνησης του συρμού και τη δυναμική άνεση των επιβατών και είναι δυνατόν υπό ορισμένες συνθήκες να προκαλέσουν το φαινόμενο του εκτροχιασμού. Διακρίνονται σε αυτές που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση τροχού σιδηροτροχιάς και σε αυτές που οφείλουν τη δημιουργία τους σε άλλα αίτια, εξωτερικά του συστήματος, όπως πλευρικός άνεμος, κίνηση σε καμπύλη με ανεπάρκεια ή πλεόνασμα υπερύψωσης κλπ. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι δυνάμεις βαρύτητας, οι δυνάμεις καθοδήγησης, οι δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης και οι δυνάμεις λόγω ταλαντώσεων του οχήματος.
Οι δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης διακρίνονται σε εγκάρσιες και διαμήκεις. Με δεδομένο ότι ενεργοποιούνται ταυτόχρονα και επηρεάζουν την εγκάρσια συμπεριφορά των οχημάτων, εξετάζονται και οι δυο στις εγκάρσιες δυνάμεις. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν η παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη και η δύναμη πλευρικού ανέμου. Όλες μαζί συνιστούν τη συνολική εγκάρσια δύναμη που μεταφέρεται μέσω των τροχών στη σιδηροτροχιά και στη συνέχεια, σε όλα τα υπόλοιπα στοιχεία της γραμμής.
Δυνάμεις βαρύτητας Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης Κίνηση σε ευθυγραμμία Κίνηση σε καμπύλες Δύναμη πλευρικών ανέμων Παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη Δυνάμεις λόγω ταλαντώσεων του οχήματος Συνολική εγκάρσια δύναμη Διπλή επαφή Απλή επαφή
Δυνάμεις βαρύτητας Σε κάθε τροχό, στο σημείο επαφής τροχού σιδηροτροχιάς, η αντίδραση Ro αναλύεται σε δυο συνιστώσες Qo και Spo. Η εγκάρσια συνιστώσα ονομάζεται δύναμη βαρύτητας ή επαναφοράς. Οφείλεται αποκλειστικά στην κωνικότητα των τροχών και ενεργεί μέσω του άξονα πάνω στην επιφάνεια κύλισης της σιδηροτροχιάς.
Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης, κίνηση σε ευθυγραμμία Στην περίπτωση κίνησης ενός συμβατικού άξονα σε ευθυγραμμία οι αναλυτικές εκφράσεις των δυνάμεων ψευδο-ολίσθησης που προκύπτουν υπολογίζονται από την εφαρμογή της γραμμικής θεωρίας του Kalker. Οι διαμήκεις δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης X 1 και X 2 που ασκούνται στους δυο τροχούς δημιουργούν ένα ζεύγος δυνάμεων που τείνει να στρέψει το σιδηροδρομικό άξονα περί τον άξονα z 0. Για χ=0, οι δυνάμεις X 1 και X 2 είναι ίσες και αντίθετες.
Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης, κίνηση σε καμπύλες Στην περίπτωση κίνησης ενός συμβατικού άξονα σε καμπύλη γραμμή οι αναλυτικές εκφράσεις των δυνάμεων ψευδο-ολίσθησης που προκύπτουν υπολογίζονται από την εφαρμογή της γραμμικής θεωρίας του Kalker. Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης Οι δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης προκαλούν φθορές στην επιφάνεια κύλισης του τροχού και της σιδηροτροχιάς, κόπωση των υλικών και θόρυβο. Οι διαμήκεις δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης προκαλούν την οριζόντια στροφή του άξονα και σε συνδυασμό με τις εγκάρσιες δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης, ενεργοποιούν την οφιοειδή κίνηση των αξόνων τν φορείων και προκαλούν ταλαντώσεις.
Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης Οι δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης δημιουργούνται όταν υπάρχει απόκλιση μεταξύ της διεύθυνσης κύλισης των τροχών και της διεύθυνσης μετατόπισης του άξονα. Αυτό συμβαίνει όταν υπάρχει απόκλιση (εγκάρσια μετατόπιση y ή γωνία παρέκκλισης α) του άξονα από τη θέση αρχικής ισορροπίας. Επομένως, η αντιμετώπιση του φαινομένου θα πρέπει να εστιαστεί αρχικά στους παράγοντες που προκαλούν την απόκλιση αυτή. Τέτοιοι παράγοντες είναι τα γεωμετρικά σφάλματα γραμμής τα οποία προϋπάρχουν και οφείλονται στην κακή στρώση της γραμμής, είτε δημιουργούνται κατά τη διάρκεια λειτουργίας της γραμμής. Διορθώνοντας τα γεωμετρικά σφάλματα γραμμής επεμβαίνουμε ουσιαστικά στην πηγή που προκαλεί τις δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης.
Δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης Η παρουσία ή όχι της διαμήκους και της εγκάρσιας συνιστώσας της δύναμης ψευδο-ολίσθησης εξαρτάται από τον τρόπο σύνδεσης των τροχών ενώ η παρουσία ή όχι της ροπής του spin εξαρτάται από τη γωνία που σχηματίζει το επίπεδο της επιφάνειας κύλισης των τροχών με τη διεύθυνση του άξονα περιστροφής των τροχών. Για να αποφευχθεί η οφιοειδής κίνηση των αξόνων είναι απαραίτητο να καταργηθεί η άκαμπτη σύνδεση των δυο τροχών με το σώμα του άξονα έτσι ώστε οι δυο τροχοί να μπορούν να περιστραφούν με διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες τηρώντας την εξής σχέση: ω 1 r 1 = ω 2 r 2 = V Αυτό εξασφαλίζει μι κύλιση χωρίς ολίσθηση των δυο τροχών και το μηδενισμό των διαμήκων δυνάμεων ψευδο-ολίσθησης. Στη βάση αυτής της λογικής στηρίζεται η τεχνολογία των φορείων με ανεξάρτητους τροχούς.
Δύναμη πλευρικών ανέμων Στην περίπτωση που φυσούν πλευρικοί άνεμοι μεταβιβάζεται, μέσω των αξόνων, στην επιφάνεια κύλισης των σιδηροτροχιών, μια εγκάρσια δύναμη Hw. Η δύναμη αυτή θεωρείται ημι-στατική και η φορά της εξαρτάται από τη διεύθυνση του ανέμου. Ενεργεί θεωρητικά στο γεωμετρικό κέντρο της πλευρικής επιφάνειας του αμαξώματος. Η δύναμη πλευρικών ανέμων Hw είναι ανεπιθύμητη γιατί προκαλεί αύξηση των εγκάρσιων μετατοπίσεων των αξόνων και υποβοηθά το μηχανισμό ανατροπής των οχημάτων.
Παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη Όταν ένα όχημα μάζας Mt κινείται με ταχύτητα V σε μια στροφή ακτίνας καμπυλότητας Rc τότε στο κέντρο βάρους του οχήματος ενεργεί η φυγόκεντρη δύναμη Fφ η οποία ωθεί το όχημα προς το εξωτερικό της καμπύλης. Λόγω της υπερύψωσης U που δίδεται στην εξωτερική σιδηροτροχιά, ενεργεί συγχρόνως και η εγκάρσια συνιστώσα του βάρους F B, η οποία είναι αντίθετη προς αυτή της φυγόκεντρης. Η διαφορά των δυνάμεων F φ και F B εκφράζει την παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη F nc. Η αύξηση της ταχύτητας V του οχήματος καθώς και η μείωση της ακτίνας καμπυλότητας R c και της υπερύψωσης U συμβάλλουν στην αύξηση της παραμένουσας φυγόκεντρης επιτάχυνσης.
Παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη Η F nc θεωρείται ημι-στατική δύναμη και είναι πάντοτε ανεπιθύμητη γιατί προκαλεί μετατόπιση των αξόνων (κίνδυνος επαφής όνυχα τροχού σιδηροτροχιάς), προβλήματα εγκάρσιας δυναμικής άνεσης στους επιβάτες και υποβοηθά το μηχανισμό εκτροχιασμού των οχημάτων). Ωστόσο, λόγοι κυκλοφορίας, όπως η παρουσία συγχρόνως αργών και γρήγορων τρένων σε μια γραμμή επιβάλλουν την υιοθέτηση υπερύψωσης μικρότερης της θεωρητικής και επομένως την παρουσία της παραμένουσας φυγόκεντρης επιτάχυνσης.
Παραμένουσα φυγόκεντρη δύναμη Για τη μείωση της παραμένουσας φυγόκεντρης δύναμης μπορούν να αναφερθούν ως μέτρα: Η ορθολογική επιλογή των γεωμετρικών στοιχείων της καμπύλης (ανεπάρκεια και πλεόνασμα υπερύψωσης). Ο εργονομικός σχεδιασμός των καθισμάτων. Η χρήση συρμών ανακλινόμενου αμαξώματος.
Όταν η εγκάρσια μετατόπιση «y» ενός σιδηροδρομικού άξονα γίνει ίση με το διάκενο «σ» όνυχα τροχού σιδηροτροχιάς, τότε η εξωτερική παρειά των ονύχων των τροχών έρχεται σε επαφή με την εσωτερική παρειά των σιδηροτροχιών. Στην επιφάνεια επαφής ασκούνται εγκάρσια δυναμικά φορτία που ονομάζονται δυνάμεις καθοδήγησης Fj (j=1 ή 2) Οι δυνάμεις καθοδήγησης δημιουργούν προβλήματα τόσο στους επιβάτες όσο στο τροχαίο υλικό και στη γραμμή. Συγκεκριμένα: Μειώνουν τη δυναμική άνεση των επιβατών (αύξηση των εγκάρσιων επιταχύνσεων, τραντάγματα) Αυξάνουν σημαντικά το θόρυβο κύλισης. Προκαλούν φθορές στους τροχούς και τις σιδηροτροχιές. Αυξάνουν την κόπωση των φορείων Υπό ορισμένες συνθήκες μπορούν να προκαλέσουν μετατόπιση της γραμμής και εκτροχιασμό των οχημάτων.
Ο υπολογισμός των δυνάμεων καθοδήγησης μπορεί να γίνει είτε πρακτικά (δυναμόμετρα), είτε θεωρητικά (μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της δυναμικής συμπεριφοράς των οχημάτων, γραφικές μέθοδοι κλπ). Κατά την κίνηση των σιδηροδρομικών οχημάτων πρέπει επομένως να αποφεύγεται, όσο αυτό είναι δυνατό, η επαφή ονύχων τροχών σιδηροτροχιών. Για τη μείωση της δύναμης καθοδήγησης μπορούν να ληφθούν τα παρακάτω μέτρα: Σωστή επιλογή των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών των φορείων (προφίλ τροχών, διάμετρος τροχών, ακαμψία των ελατηρίων της πρωτεύουσας ανάρτησης των φορείων, διαξόνιο των φορείων).
Επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας φορείων σε σχέση με τη λειτουργικότητα του δικτύου. Διαπλάτυνση του εύρους στα καμπύλα, μικρής ακτίνας, οριζοντιογραφικά τμήματα της γραμμής. Λίπανση των σιδηροτροχιών στα καμπύλα οριζοντιογραφικά τμήματα της γραμμής. Σε κάθε περίπτωση, η σημαντική εγκάρσια αντίσταση της γραμμής αυξάνει το συντελεστή ασφαλείας, όσον αφορά την εγκάρσια μετατόπιση της γραμμής.
Διαμήκεις δυνάμεις Δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών Δυνάμεις όδευσης σιδηροτροχιών Δυνάμεις τροχοπέδησης δυνάμεις επιτάχυνσης Δυνάμεις έλξης δυνάμεις πρόσφυσης Δυνάμεις αμφίδεσης
Δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών Σε κάθε μεταβολή της θερμοκρασίας οι σιδηροτροχιές παρουσιάζουν τάση αύξησης ή μείωσης του μήκους τους κατά μια ποσότητα Δl = α t Δ t l o Στη μετατόπιση αυτή αντιτίθενται οι δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται μεταξύ σιδηροτροχιών στρωτήρων και στρωτήρων έρματος. Στην περίπτωση συνεχώς συγκολλημένων σιδηροτροχιών (ΣΣΣ) η μετατόπιση Δl εμποδίζεται και επί της σιδηροτροχιάς ασκείται αξονικά ζεύγος θλιπτικών ή εφελκυστικών δυνάμεων Ν. Οι δυνάμεις αυτές ονομάζονται δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών και θεωρούνται στατικές επιπονήσεις. Η τιμή τους παραμένει σταθερή σε όλο σχεδόν το μήκος της ΣΣΣ.
Δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών Από μια απόσταση l Α =150μ περίπου από τα άκρα της ΣΣΣ (ζώνη εκτόνωσης) η τιμή της δύναμης Ν μειώνεται σταδιακά μέχρις ότου μηδενιστεί στα δυο άκρα της σιδηροτροχιάς. Όταν η δύναμη λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών αυξηθεί σε βαθμό που το έρμα να μη μπορεί να συγκρατήσει πλέον την εσχάρα γραμμής και να εμποδίσει την οριζόντια ή κατακόρυφη μετακίνησή της, τότε συμβαίνει λυγισμός (buckling) της γραμμής. Η απόκλιση της γραμμής από την ορθή της θέση δημιουργεί ανωμαλίες κατά την κίνηση και επομένως εγκάρσια μετατόπιση και γωνία παρέκκλισης του άξονα με αποτέλεσμα να ευνοείται η εμφάνιση δυνάμεων ψευδο-ολίσθησης και καθοδήγησης με όσες αρνητικές επιδράσεις έχουν αναπτυχθεί στα προηγούμενα.
Δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών Στις γέφυρες η θερμοκρασιακή διαφορά προκαλεί καταπονήσεις απ ευθείας στη γέφυρα αλλά και στα στοιχεία της επιδομής της γραμμής. Έτσι οι δυνάμεις λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν κατά το σχεδιασμό τους. Επιπλέον, επηρεάζουν τη θέση όπου θα τοποθετηθούν συσκευές διαστολής. Ο λυγισμός αντιμετωπίζεται αυξάνοντας την εγκάρσια ακαμψία της γραμμής (ελαστικοί σύνδεσμοι, στρωτήρες σκυροδέματος, υπερύψωση του αντερείσματος του έρματος) και ειδικά στην περίπτωση των ΣΣΣ με την «απελευθέρωση» των τάσεων.
Δυνάμεις όδευσης σιδηροτροχιών Με τον όρο όδευσης γραμμής νοείται η σταδιακή μετατόπιση κατά τη διεύθυνση της κίνησης του συρμού τόσο των σιδηροτροχιών σε σχέση με τους στρωτήρες όσο και των σιδηροτροχιών και των στρωτήρων σε σχέση με το έρμα. Το συγκεκριμένο φαινόμενο οφείλεται στην καμπτική κυματοειδή κίνηση των σιδηροτροχιών κοντά στον τροχό και ενισχύεται από τις δυνάμεις ψευδο-ολίσθησης, τη διαφορά φόρτισης των δυο σιδηροτροχιών στις καμπύλες και τις δυνάμεις πέδησης. Σε μονή γραμμή με διπλής κατεύθυνσης κυκλοφορία η όδευση είναι μικρότερη. Στα τμήματα γραμμής με μεγάλη κατά μήκος κλίση η όδευση ακολουθεί τη διεύθυνση της κατωφέρειας της γραμμής ανεξάρτητα της φοράς κίνησης των συρμών.
Δυνάμεις όδευσης σιδηροτροχιών Η όδευση αυξάνει τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στις ΣΣΣ, ενώ δημιουργεί πολύ μεγάλα ή πολύ μικρά κενά στους αρμούς στην περίπτωση αμφιδετούμενων σιδηροτροχιών. Από την άλλη, η μη ομοιόμορφη όδευση στις δυο σιδηροτροχιές προκαλεί καμπύλωση των στρωτήρων με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται καμπτικές ροπές στις σιδηροτροχιές. Τέλος, η μετακίνηση των στρωτήρων έχει ως αποτέλεσμα τη διατάραξη της σταθερότητας της γραμμής στο επίπεδο του έρματος. Για να εμποδιστεί η όδευση της γραμμής, τοποθετούνται στη σιδηροτροχιά ειδικά εξαρτήματα που λέγονται αντιοδευτικά. Έχουν μορφή σχήματος U και τοποθετούνται επί του πέλματος της σιδηροτροχιάς με τρόπο που να εμποδίζουν τη διαμήκη μετακίνηση της σε σχέση με το στρωτήρα.
Δυνάμεις τροχοπέδησης δυνάμεις επιτάχυνσης Οι δυνάμεις επιτάχυνσης Νγ και τροχοπέδησης Νr θεωρούνται στατικά φορτία τα οποία αναπτύσσονται κατά την επιτάχυνση και πέδηση των συρμών αντίστοιχα. Πιο συγκεκριμένα, κατά την επιτάχυνση αναπτύσσονται διαμήκεις δυνάμεις στη γραμμή εξαιτίας της στατικής τριβής μεταξύ τροχού και σιδηροτροχιάς. Μπροστά από τον επιταχυνόμενο σιδηροδρομικό άξονα δημιουργείται εφελκυσμός και πίσω από αυτόν θλίψη. Το μέγεθος αυτών των διαμήκων δυνάμεων εξαρτάται από το κατακόρυφο φορτίο του τροχού και από το συντελεστή πρόσφυσης. Οι δυνάμεις επιτάχυνσης μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες εφόσον δεν ξεπερνούν το 5% των διαμήκων δυνάμεων που προκαλούνται λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών.
Δυνάμεις τροχοπέδησης δυνάμεις επιτάχυνσης Κατά την επιβραδυνόμενη κίνηση των οχημάτων εμφανίζονται θλιπτικές τάσεις μπροστά από το πρώτο πεδούμενο άξονα και εφελκυστικές πίσω του, δηλαδή το ακριβώς αντίθετο με αυτό που συμβαίνει κατά την επιτάχυνση. Μια άλλη διαφορά στις δυο λειτουργίες είναι ότι κατά την πέδηση συνήθως συμμετέχουν όλοι οι άξονες. Το μήκος των σιδηροτροχιών που επηρεάζονται από την τροχοπέδηση φτάνει τα 30μ. Οι δυνάμεις τροχοπέδησης μπορούν να φτάσουν ακόμα και το 15% των μέγιστων δυνάμεων λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών.
Δυνάμεις τροχοπέδησης δυνάμεις επιτάχυνσης Οι δυνάμεις επιτάχυνσης και πέδησης λαμβάνονται υπόψιν κατά τη μελέτη τεχνικών έργων (γέφυρες, επιχώματα). Για παράδειγμα, η δύναμη πέδησης για τον υπολογισμό γέφυρας διπλής γραμμής προκύπτει θεωρώντας ταυτόχρονα, και στην ίδια θέση, πέδηση ενός συρμού στη μια γραμμή και εκκίνηση / επιτάχυνση ενός άλλου συρμού στην άλλη γραμμή. Επιπλέον, θεωρούμε ότι και οι δυο συρμοί είναι οι βαρύτεροι που κυκλοφορούν στη γραμμή. Η δύναμη πέδησης θεωρείται διανεμημένο κινητό φορτίο. Πολλά σιδηροδρομικά δίκτυα δέχονται ότι η συνολική δύναμη τροχοπέδησης ισούται με το 25% του συνολικού βάρους του συρμού.
Δυνάμεις έλξης δυνάμεις πρόσφυσης Οι δυνάμεις έλξης σχετίζονται με τα ελκτικά στοιχεία του συρμού. Η δύναμη πρόσφυσης εξαρτάται από το βάρος των κινητήριων τροχών των συρμών και από την κατάσταση της επιφάνειας επαφής τροχού σιδηροτροχιάς (συντελεστής τριβής). Η δύναμη πρόσφυσης, η δύναμη έλξης στα επίσωτρα και η αντίσταση κατά την κίνηση των συρμών καθορίζουν τη συνθήκη κύλισης των συρμών (δύναμη πρόσφυσης > δύναμη έλξης στα επίσωτρα > αντίσταση κίνησης συρμού).
Αλληλεπίδραση τροχού - σιδηροτροχιάς Το προφίλ των τροχών καθορίζει σε σημαντικό βαθμό την ταχύτητα ευστάθειας ενός οχήματος στις ευθυγραμμίες και την ποιότητα εγγραφής των φορείων στα καμπύλα οριζοντιογραφικά τμήματα γραμμής. Στη σιδηροδρομική γραμμή ασκούνται φορτία κατακόρυφα, εγκάρσια και κατά τη διαμήκη έννοια. Κατά τη μετάδοση των κατακόρυφων φορτίων από τους τροχούς στην υπόβαση, το εμβαδόν της επιφάνειας εφαρμογής των εσωτερικών δυνάμεων μεγαλώνει, ενώ συγχρόνως η αναπτυσσόμενη τάση μειώνεται διαδοχικά (μείωση περίπου 5000 φορές).
Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Επικοινωνία: atgalanis@uth.gr