سكة حديدية لاصقة

تعتمد السكك الحديدية الاحتكاكية على قوة الجر الاحتكاكية لتحريك القطار، وهي أكثر أنواع السكك الحديدية انتشارًا وشيوعًا في العالم. قوة الجر الاحتكاكية هي قوة التماسك بين عجلات قيادة القاطرة وقضيب السكة الفولاذي. ^{[ 1 ]} ولأن الغالبية العظمى من خطوط السكك الحديدية هي سكك حديدية احتكاكية، فإن مصطلح "السكك الحديدية الاحتكاكية" يُستخدم فقط عند الضرورة لتمييزها عن أنواع السكك الحديدية الأخرى التي تُحرَّك قطاراتها بطرق أخرى، مثل محرك ثابت يسحب كابلًا أو سلسلة متصلة بالعربات، أو بواسطة ترس صغير يتعشق مع مسنن .

يحدث الاحتكاك بين العجلات والسكك الحديدية في منطقة التلامس بينهما. وتساهم قوى الجر والكبح والتمركز في تشغيل القطار بسلاسة وثبات. إلا أن احتكاك التشغيل يزيد التكاليف، نتيجةً لارتفاع استهلاك الوقود والطاقة، وزيادة أعمال الصيانة اللازمة لمعالجة أضرار الإجهاد والتآكل في رؤوس السكك الحديدية وحواف العجلات، بالإضافة إلى حركة السكك الحديدية الناتجة عن قوى الجر والكبح.

يقلّ الاحتكاك ، أو قوة الجر ، عندما يكون سطح السكة مبللاً أو متجمداً أو ملوثاً بالشحوم أو الزيوت أو الأوراق المتحللة ، التي تتراكم لتشكل طبقة صلبة زلقة من اللجنين . يمكن إزالة تلوث الأوراق برشّ " سانديت " (مزيج من الهلام والرمل) من قطارات الصيانة، باستخدام أجهزة التنظيف ونفاثات المياه، ويمكن تقليله من خلال الإدارة طويلة الأمد للنباتات على جانبي السكة. تستخدم القاطرات والترام الرمل لتحسين قوة الجر عندما تبدأ عجلات القيادة بالانزلاق.

ينتج الالتصاق عن الاحتكاك ، وتُعطى أقصى قوة مماسية تنتجها عجلة القيادة قبل الانزلاق بالمعادلة التالية:

${\displaystyle F_{\mathrm {max} }=\mu W,}$^{[ 2 ]}

أين${\displaystyle \mu }$هو معامل الاحتكاك و${\displaystyle W}$هو الوزن الموجود على العجلة.

عادةً ما تكون القوة اللازمة لبدء الانزلاق أكبر من تلك اللازمة لمواصلة الانزلاق. يتعلق الأول بالاحتكاك الساكن (المعروف أيضًا باسم " الاحتكاك السكوني " ^{[ 3 ]} )، أو "الاحتكاك المحدد"، بينما يتعلق الثاني بالاحتكاك الحركي، والذي يُسمى أيضًا "الاحتكاك الانزلاقي".

في حالة احتكاك الفولاذ بالفولاذ، قد يصل معامل الاحتكاك إلى 0.78 في ظروف المختبر، ولكنه يتراوح عادةً بين 0.35 و0.5 على خطوط السكك الحديدية، ^{[ 4 ]} بينما قد ينخفض ​​إلى 0.05 في الظروف القاسية. وبالتالي، قد تمتلك قاطرة وزنها 100 طن قوة جر تبلغ 350 كيلونيوتن في الظروف المثالية (بافتراض قدرة المحرك على توليد قوة كافية)، وتنخفض إلى 50 كيلونيوتن في أسوأ الظروف.

تعاني قاطرات البخار بشكل خاص من مشاكل التماسك نظرًا لتذبذب قوة الجر عند حافة العجلة (خاصة في المحركات ثنائية الأسطوانات أو معظم المحركات رباعية الأسطوانات)، وفي القاطرات الكبيرة، لا تُدار جميع العجلات. وقد صُمم "معامل التماسك"، وهو وزن العجلات المُدارة مقسومًا على قوة الجر النظرية عند بدء التشغيل، ليكون قيمته 4 أو أعلى قليلًا، مما يعكس معامل احتكاك نموذجي بين العجلة والسكك الحديدية يبلغ 0.25. وتكون القاطرة ذات معامل التماسك الأقل بكثير من 4 عرضة لانزلاق العجلات، على الرغم من أن بعض القاطرات ثلاثية الأسطوانات، مثل فئة SR V Schools ، كانت تعمل بمعامل تماسك أقل من 4 لأن قوة الجر عند حافة العجلة لا تتذبذب بنفس القدر. وتشمل العوامل الأخرى التي تؤثر على احتمالية انزلاق العجلات حجم العجلة، وحساسية منظم السرعة، ومهارة السائق.

يُستخدم مصطلح الالتصاق في جميع الأحوال الجوية عادةً في أمريكا الشمالية، ويشير إلى الالتصاق المتاح أثناء وضع الجر بموثوقية 99% في جميع الظروف الجوية. ^{[ 5 ]}

إن السرعة القصوى التي يمكن أن يسير بها القطار حول منعطف ما محدودة بنصف قطر المنعطف، وموقع مركز كتلة الوحدات، ومقياس العجلات ، وما إذا كان المسار مرتفعًا جدًا أو مائلًا .

يحدث الانقلاب عندما يكون عزم الانقلاب الناتج عن القوة الجانبية ( التسارع المركزي ) كافيًا لبدء رفع العجلة الداخلية عن السكة. قد يؤدي ذلك إلى فقدان التماسك، مما يتسبب في تباطؤ القطار ومنع انقلابه. أو قد يكون القصور الذاتي كافيًا لاستمرار القطار في الحركة بسرعة، مما يؤدي إلى انقلاب العربات تمامًا.

بالنسبة لعجلة بعرض 1.5 متر (4.9 قدم) بدون ميلان، وارتفاع مركز ثقل 3 أمتار (9.8 قدم) ، وسرعة 30 مترًا في الثانية (110 كيلومترات في الساعة؛ 67 ميلًا في الساعة) ، يبلغ الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء 360 مترًا (1180 قدمًا) . أما بالنسبة لقطار حديث فائق السرعة بسرعة 80 مترًا في الثانية (290 كيلومترًا في الساعة؛ 180 ميلًا في الساعة) ، فيبلغ الحد الأدنى لنصف القطر حوالي 2.5 كيلومتر (1.6 ميل) . عمليًا، يكون الحد الأدنى لنصف قطر الدوران أكبر من ذلك بكثير، إذ قد يتسبب التلامس بين حواف العجلة والسكك الحديدية عند السرعات العالية في أضرار جسيمة لكليهما. عند السرعات العالية جدًا، يبدو أن حد الالتصاق الأدنى مناسب، مما يعني أن نصف قطر الدوران يبلغ حوالي 13 كيلومترًا (8.1 ميل) . من الناحية العملية، تكون المسارات المنحنية المستخدمة للسفر عالي السرعة مرتفعة بشكل مفرط ، أو مائلة ، بحيث يكون الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء أقرب إلى 7 كم (4.3 ميل) .                  

خلال القرن التاسع عشر، ساد الاعتقاد بأن ربط عجلات القيادة سيؤثر سلبًا على الأداء، ولذا تم تجنب ذلك في القاطرات المخصصة لخدمة نقل الركاب السريعة. مع وجود مجموعة عجلات قيادة واحدة، استلزم إجهاد التلامس الهيرتزي بين العجلة والسكك الحديدية استخدام عجلات ذات أكبر قطر ممكن. كما أن وزن القاطرات كان مقيدًا بالإجهاد الواقع على السكك الحديدية، مما استدعى استخدام صناديق الرمل، حتى في ظل ظروف الالتصاق المعقولة.

مجموعة العجلات في الوضع المركزي

تأثير الإزاحة الجانبية

قد يُظن أن حواف العجلات تُبقيها على القضبان. إلا أن الفحص الدقيق لعجلة سكة حديد نموذجية يُظهر أن سطح العجلة مصقول، بينما الحافة ليست كذلك؛ فنادرًا ما تتلامس الحواف مع القضيب، وعندما يحدث ذلك، يكون معظم التلامس انزلاقيًا. يُبدد احتكاك الحافة بالقضيب كميات كبيرة من الطاقة، معظمها على شكل حرارة، بالإضافة إلى الضوضاء، وإذا استمر، فسيؤدي إلى تآكل مفرط للعجلة.

يتم تحقيق التمركز فعلياً من خلال تصميم العجلة. سطح العجلة مدبب قليلاً. عندما يكون القطار في منتصف المسار، ترسم منطقة تلامس العجلات مع السكة دائرةً قطرها متساوٍ لكلا العجلتين. تتساوى سرعة العجلتين، لذا يتحرك القطار في خط مستقيم.

مع ذلك، إذا انزاحت مجموعة العجلات إلى أحد الجانبين، فإن أقطار مناطق التلامس، وبالتالي السرعات المماسية للعجلات على أسطح الجري، تختلف، وتميل مجموعة العجلات إلى العودة نحو المركز. كذلك، عندما يواجه القطار منعطفًا غير مائل ، تنزاح مجموعة العجلات جانبيًا قليلًا، مما يؤدي إلى زيادة سرعة مداس العجلة الخارجية بشكل خطي، وتباطؤ مداس العجلة الداخلية، ما يدفع القطار إلى الانعطاف. تستخدم بعض أنظمة السكك الحديدية عجلات ومسارات مسطحة، معتمدةً على الميل الجانبي فقط لتقليل أو إزالة تلامس حواف العجلات.

بفهم كيفية بقاء القطار على السكة، يتضح سبب نفور مهندسي القاطرات في العصر الفيكتوري من ربط مجموعات العجلات. لا يمكن تحقيق هذه الحركة المخروطية البسيطة إلا مع مجموعات عجلات تتمتع كل منها بحرية حركة حول محورها الرأسي. أما إذا كانت مجموعات العجلات متصلة بشكل ثابت، فإن هذه الحركة ستكون محدودة، مما قد يؤدي إلى انزلاقها، وبالتالي زيادة فقدان الطاقة أثناء التدحرج. وقد تم التخفيف من هذه المشكلة إلى حد كبير من خلال ضمان تطابق أقطار جميع العجلات المتصلة بدقة عالية.

مع التلامس المثالي بين العجلة والسكك الحديدية، يتجلى هذا السلوك المخروطي في تأرجح القطار من جانب إلى آخر. عمليًا، يتلاشى هذا التأرجح عند السرعات الأقل من سرعة حرجة ، ولكنه يتضخم بفعل حركة القطار للأمام عند السرعات الأعلى من تلك السرعة. يُعرف هذا التأرجح الجانبي باسم التذبذب المتذبذب . كان التذبذب المتذبذب معروفًا منذ نهاية القرن التاسع عشر، على الرغم من أن سببه لم يُفهم تمامًا حتى عشرينيات القرن العشرين، ولم تُتخذ تدابير للقضاء عليه إلا في أواخر ستينيات القرن العشرين. لم تكن السرعة القصوى محدودة بالقوة الخام، بل باحتمالية عدم استقرار الحركة.

لا يكفي الوصف الحركي لحركة الدرجات المخروطية على السكة الحديدية لوصف التذبذب بدقة كافية للتنبؤ بالسرعة الحرجة. من الضروري معالجة القوى المؤثرة. هناك سمتان يجب أخذهما في الاعتبار:

1. القصور الذاتي لمجموعات العجلات وهياكل المركبات، مما يؤدي إلى قوى تتناسب مع التسارع؛
2. تشوه العجلة والمسار عند نقطة التلامس، مما يؤدي إلى قوى مرنة.

يتوافق التقريب الحركي مع الحالة التي تهيمن عليها قوى التلامس.

يؤدي تحليل حركية فعل المخروط إلى تقدير لطول موجة التذبذب الجانبي: ^{[ 6 ]}

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

حيث d هو قياس العجلة، و r هو نصف قطر العجلة الاسمي، و k هو تدرج المداس. عند سرعة معينة، كلما زاد طول الموجة وقلّت قوى القصور الذاتي، زادت احتمالية تخميد التذبذب. وبما أن طول الموجة يزداد مع انخفاض التدرج، فإن زيادة السرعة الحرجة تتطلب تقليل التدرج، مما يعني زيادة الحد الأدنى لنصف قطر الدوران.

ويؤدي تحليل أكثر شمولاً، يأخذ في الاعتبار القوى الفعلية المؤثرة، إلى النتيجة التالية للسرعة الحرجة لمجموعة العجلات:

${\displaystyle V^{2}={\frac {Wrad^{2}}{k\left(4C+md^{2}\right)}},}$

حيث W هو حمل المحور لمجموعة العجلات، و a هو عامل شكل مرتبط بمقدار التآكل على العجلة والسكك الحديدية، و C هو عزم القصور الذاتي لمجموعة العجلات عموديًا على المحور، و m هي كتلة مجموعة العجلات.

تتفق النتيجة مع النتيجة الحركية، حيث تعتمد السرعة الحرجة عكسيًا على التناقص التدريجي. كما تشير إلى ضرورة تقليل وزن الكتلة الدوارة إلى أدنى حد ممكن مقارنةً بوزن المركبة. يظهر مقياس العجلة في كل من البسط والمقام، مما يعني أن تأثيره على السرعة الحرجة ثانوي.

الوضع الحقيقي أكثر تعقيدًا بكثير، إذ يجب مراعاة استجابة نظام تعليق المركبة. يمكن استخدام نوابض تقييدية، تُعاكس حركة انحراف مجموعة العجلات، وقيود مماثلة على العربات ، لزيادة السرعة الحرجة. مع ذلك، ولتحقيق أعلى السرعات دون مواجهة عدم استقرار، من الضروري تقليل ميل العجلة بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، تم تقليل ميل عجلات قطار شينكانسن إلى 1:40 (عندما بدأ تشغيله) لتحقيق الاستقرار عند السرعات العالية والأداء الأمثل عند المنعطفات. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، منذ ثمانينيات القرن الماضي، طور مهندسو شينكانسن ميلًا فعالًا بنسبة 1:16 عن طريق تضييق العجلة بأقواس متعددة، بحيث تعمل العجلة بكفاءة عالية عند السرعات العالية وفي المنعطفات الحادة. ^{[ 7 ]}

يتحدد سلوك المركبات المتحركة على السكك الحديدية الاحتكاكية بالقوى الناشئة بين سطحين متلامسين. قد يبدو هذا بسيطًا للوهلة الأولى، ولكنه يصبح معقدًا للغاية عند دراسته بعمق كافٍ للتنبؤ بنتائج مفيدة.

أول خطأ يجب معالجته هو افتراض أن العجلات مستديرة. نظرة سريعة على إطارات سيارة متوقفة ستُظهر فورًا أن هذا غير صحيح: فالمنطقة الملامسة للطريق مسطحة بشكل ملحوظ، بحيث تتطابق العجلة والطريق في منطقة التلامس. لو لم يكن الأمر كذلك، لكان إجهاد التلامس الناتج عن حمل ينتقل عبر خط التلامس لانهائيًا. تُعدّ القضبان وعجلات السكك الحديدية أكثر صلابة من الإطارات الهوائية والأسفلت، لكن التشوه نفسه يحدث في منطقة التلامس. عادةً، تكون منطقة التلامس بيضاوية الشكل، ويبلغ قطرها حوالي 15  مم. ^{[ 8 ]}

يكون التشوه في العجلة والسكك الحديدية صغيرًا وموضعيًا، لكن القوى الناجمة عنه كبيرة. فبالإضافة إلى التشوه الناتج عن الوزن، تتشوه كل من العجلة والسكك الحديدية عند تطبيق قوى الكبح والتسارع، وعندما تتعرض المركبة لقوى جانبية. تُسبب هذه القوى المماسية تشوهًا في منطقة التلامس الأولى، يليها منطقة انزلاق. والنتيجة النهائية هي أنه أثناء الجر، لا تتقدم العجلة بالقدر المتوقع من التلامس المتدحرج، ولكنها تتقدم أكثر أثناء الكبح. يُعرف هذا المزيج من التشوه المرن والانزلاق الموضعي باسم "الزحف" (لا يُخلط بينه وبين زحف المواد تحت حمل ثابت). تعريف الزحف ^{[ 9 ]} في هذا السياق هو:

${\displaystyle {\mbox{creep}}={\frac {({\mbox{actual displacement}}-{\mbox{rolling displacement}})}{({\mbox{rolling displacement}})}}\,}$

في تحليل ديناميكيات مجموعات العجلات ومركبات السكك الحديدية الكاملة، يمكن التعامل مع قوى التلامس على أنها تعتمد خطيًا على الزحف ^{[ 10 ]} ( نظرية جوست جاك كالكر الخطية، الصالحة للزحف الصغير)، أو يمكن استخدام نظريات أكثر تقدمًا من ميكانيكا التلامس الاحتكاكي .

يمكن إرجاع القوى التي تُؤدي إلى الثبات الاتجاهي والدفع والكبح إلى ظاهرة الزحف. وهي موجودة في مجموعة عجلات واحدة، وتُعالج عدم التوافق الحركي الطفيف الناتج عن ربط مجموعات العجلات معًا، دون التسبب في انزلاق كبير، كما كان يُخشى سابقًا.

إذا كان نصف قطر الدوران كبيرًا بما يكفي (كما هو متوقع في خدمات نقل الركاب السريعة)، فإن مجموعتين أو ثلاث مجموعات عجلات متصلة لا تُشكل مشكلة. مع ذلك، عادةً ما تُستخدم عشر عجلات قيادة (خمس مجموعات عجلات رئيسية) في قاطرات الشحن الثقيلة.

تعتمد السكك الحديدية الاحتكاكية على مزيج من الاحتكاك والوزن لبدء تشغيل القطار. تتطلب أثقل القطارات أعلى احتكاك وأثقل قاطرة. قد يختلف الاحتكاك بشكل كبير، ولكن كان معروفًا في السكك الحديدية القديمة أن الرمل يُساعد، ولا يزال يُستخدم حتى اليوم، حتى في القاطرات المزودة بأنظمة تحكم حديثة في الجر. لبدء تشغيل أثقل القطارات، يجب أن تكون القاطرة بأقصى وزن تتحمله الجسور على طول المسار والسكك الحديدية نفسها. يجب أن يتوزع وزن القاطرة بالتساوي على العجلات المُدارة، دون أي انتقال للوزن مع ازدياد قوة البدء. يجب أن تدور العجلات بقوة دفع ثابتة على مساحة تلامس صغيرة جدًا تبلغ حوالي 1  سم² بين كل عجلة وأعلى السكة. يجب أن يكون سطح السكة جافًا، خاليًا من أي تلوث ^من صنع الإنسان أو ناتج عن الطقس، مثل الزيت أو المطر. يلزم استخدام رمل مُعزز للاحتكاك أو ما يُماثله. يجب أن تدور عجلات القيادة بسرعة أكبر من سرعة حركة القاطرة (وهي عملية تُعرف بالتحكم في الزحف) لتوليد أقصى معامل احتكاك، ويجب أن تُدار المحاور بشكل مستقل باستخدام وحدة تحكم خاصة بها، لأن كل محور سيواجه ظروفًا مختلفة. ويتحقق أقصى احتكاك متاح عندما تنزلق العجلات أو تزحف. إذا كان التلوث أمرًا لا مفر منه، فيجب إدارة العجلات بزحف أكبر، لأنه على الرغم من انخفاض الاحتكاك مع التلوث، إلا أن أقصى قيمة يمكن الحصول عليها في ظل هذه الظروف تحدث عند قيم زحف أعلى. ^{[ 11 ]} يجب أن تستجيب وحدات التحكم لظروف الاحتكاك المختلفة على طول المسار.

شكلت بعض المتطلبات الأولية تحديًا لمصممي قاطرات البخار - "أنظمة الرمل التي لم تكن تعمل، وأدوات التحكم التي كانت غير مريحة في التشغيل، والتشحيم الذي كان يرش الزيت في كل مكان، والمصارف التي كانت تبلل القضبان، وما إلى ذلك.." ^{[ 12 ]} واضطر آخرون إلى انتظار ناقلات الحركة الكهربائية الحديثة في قاطرات الديزل والكهرباء.

تنخفض قوة الاحتكاك على القضبان ومقدار انزلاق العجلات بشكل مطرد مع ازدياد سرعة القطار.

لا تدور العجلة المُدارة بحرية، بل تدور بسرعة أكبر من سرعة القاطرة المقابلة. يُعرف الفرق بين السرعتين بـ "سرعة الانزلاق". يُعرَّف "الانزلاق" بأنه "سرعة الانزلاق" مقارنةً بـ "سرعة المركبة". عندما تدور العجلة بحرية على طول السكة، تكون منطقة التلامس في حالة تُعرف بـ "الالتصاق". عند قيادة العجلة أو كبحها، تقل نسبة منطقة التلامس في حالة "الالتصاق"، وتزداد تدريجيًا نسبة منطقة التلامس في حالة تُعرف بـ "الانزلاق". يدعم هذا التناقص في مساحة "الالتصاق" والزيادة في مساحة "الانزلاق" زيادة تدريجية في عزم الجر أو الكبح الذي يمكن الحفاظ عليه مع ازدياد القوة عند حافة العجلة حتى تصبح المنطقة بأكملها في حالة "انزلاق". ^{[ 13 ]} توفر منطقة "الانزلاق" قوة الجر. خلال الانتقال من حالة "الالتصاق الكامل" (بدون عزم) إلى حالة "الانزلاق الكامل"، تكون العجلة قد شهدت زيادة تدريجية في الانزلاق، تُعرف أيضًا بالزحف والزحف التدريجي. تتحكم القاطرات ذات التماسك العالي في زحف العجلات لإعطاء أقصى جهد عند بدء تشغيل وسحب قطار ثقيل ببطء.

الانزلاق هو السرعة الإضافية التي تتمتع بها العجلة، والزحف هو مستوى الانزلاق مقسومًا على سرعة القاطرة. هذه هي المعايير التي يتم قياسها وتُدخل في وحدة التحكم بالزحف. ^{[ 14 ]}

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

في خطوط السكك الحديدية ذات الاحتكاك العالي، تحتوي معظم القاطرات على خزان لتجميع الرمل. يُمكن رش الرمل المجفف جيدًا على القضبان لتحسين التماسك في الظروف الزلقة. غالبًا ما يتم رش الرمل باستخدام الهواء المضغوط عبر برج أو رافعة أو صومعة أو قطار. ^{[ 15 ] [ 16 ]} عندما تنزلق القاطرة، خاصةً عند بدء تشغيل قطار ثقيل، يُساعد الرمل المرشوش على مقدمة عجلات القيادة بشكل كبير في قوة الجر، مما يُؤدي إلى "رفع" القطار، أو بدء الحركة التي يُريدها سائق القاطرة.

مع ذلك، فإنّ للرشّ آثارًا سلبية أيضًا. فقد يُسبّب تكوّن "طبقة رملية" من الرمل المسحوق، الذي ينضغط على السكة عند نقاط تلامس العجلات. ومع وجود بعض الرطوبة على السكة، والتي تعمل كمادة لاصقة خفيفة تُبقي الرمل المرشوش عليها، تُسخّن العجلات الرمل المسحوق ليُصبح طبقة أكثر صلابة. ولأنّ الرمل يُرشّ على العجلات الأولى في القاطرة، فقد تسير العجلات اللاحقة، جزئيًا على الأقل ولفترة محدودة، على طبقة الرمل (الطبقة الرملية). أثناء السير، يعني هذا أنّ القاطرات الكهربائية قد تفقد اتصالها بالسكك الحديدية، مما يُسبّب تداخلًا كهرومغناطيسيًا وتيارات كهربائية عبر وصلات الربط. عند التوقف، عندما تكون القاطرة متوقفة، قد تكتشف دوائر السكة وجود مسار فارغ لأنّ القاطرة معزولة كهربائيًا عن السكة. ^{[ 17 ]}