Каждый, кто ездил на поезде, трамвае или метро по кривым участкам пути, слышал характерный пронзительный скрип. Иногда он бывает настолько громким, что кажется, будто в механизме что-то работает неправильно.
На самом деле скрип в повороте не всегда означает неисправность. Чаще всего это результат взаимодействия стального колеса и стального рельса в кривой. В этот момент возникают боковые силы, микроскольжение, вибрации и дополнительное трение.
Разберёмся, почему поезд скрипит на повороте, какую роль играет форма колеса и как железные дороги борются с этим явлением.
Как колесо катится по прямому участку
Чтобы понять, что происходит в кривой, сначала нужно разобраться с движением по прямому участку.
Железнодорожное колесо не является идеально цилиндрическим. Его поверхность катания имеет небольшой конический профиль. Это значит, что в разных точках ширины колеса эффективный диаметр немного отличается.
Два колеса жёстко закреплены на одной оси. Такая конструкция называется колёсной парой. В отличие от автомобиля, колёса поезда на одной оси не вращаются независимо друг от друга.
На прямом участке эта система работает очень эффективно. Если колёсная пара немного смещается в сторону, одно колесо начинает катиться по участку с чуть большим эффективным диаметром, а другое — по участку с меньшим. Из-за этого возникает эффект самонаправления, и колёсная пара стремится вернуться ближе к центру колеи.
Именно поэтому поезд может устойчиво двигаться по рельсам без рулевого управления.
Что меняется в кривой
В кривом участке всё становится сложнее. Наружный рельс проходит по дуге большего радиуса, а внутренний — по дуге меньшего радиуса. Значит, наружное колесо должно пройти больший путь, чем внутреннее.
У автомобиля такую задачу решает дифференциал: колёса могут вращаться с разной скоростью. У железнодорожной колёсной пары дифференциала нет. Оба колеса на одной оси вращаются вместе.
Коническая форма колёс частично помогает пройти кривую. Колёсная пара смещается так, что наружное колесо катится по большему эффективному диаметру, а внутреннее — по меньшему. Благодаря этому разница в пути частично компенсируется.
Но на крутых кривых или при неблагоприятных условиях одной коничности недостаточно. Возникает микроскольжение между колесом и рельсом. Именно оно становится одной из причин характерного скрипа.
Почему возникает скрип
Скрип — это не просто звук трения. Это вибрация, которая возникает при сложном контакте колеса и рельса.
Когда металлическое колесо взаимодействует с металлическим рельсом, поверхности могут попеременно как бы “прилипать” друг к другу и затем резко срываться. Такой процесс называют эффектом stick-slip, или “прилипание — скольжение”.
Эти быстрые циклы повторяются много раз в секунду. В результате возникают колебания, которые передаются колесу, рельсу, тележке вагона и воздуху вокруг. Мы слышим их как высокий скрип.
Чем меньше радиус кривой, выше боковые силы и хуже условия контакта, тем громче может быть звук.
Роль гребня колеса
С внутренней стороны железнодорожного колеса находится выступ, который называют гребнем колеса. Иногда его также называют ребордой.
Гребень нужен для того, чтобы колесо не вышло за пределы рельса при боковых нагрузках, прохождении кривых, стрелочных переводов и других сложных участков пути.
В идеальных условиях гребень не должен постоянно сильно тереться о рельс. Но в кривых участках он может вступать в контакт с боковой гранью головки рельса. При этом возникает дополнительное трение и боковое давление.
Именно этот контакт может усиливать скрип, особенно на кривых малого радиуса.
Боковые силы в кривой
Когда поезд проходит поворот, на него действует боковое ускорение. Пассажиры ощущают это как лёгкое прижатие к одной стороне вагона. Чем выше скорость и меньше радиус кривой, тем сильнее боковые силы.
Эти силы передаются через колёсные пары на рельсы. В результате рельсовая нить испытывает не только вертикальную нагрузку от веса поезда, но и боковое воздействие.
На кривых участках сильнее изнашивается рабочая боковая грань рельса, особенно наружного рельса в кривой, где гребень колеса чаще создаёт боковое давление. Поэтому кривые участки требуют более внимательного контроля, смазки и обслуживания.
Возвышение наружного рельса
Чтобы уменьшить боковые нагрузки, на кривых участках наружный рельс часто делают выше внутреннего. Это называется возвышением наружного рельса.
Такой наклон помогает частично компенсировать боковое ускорение. Поезд как бы слегка наклоняется внутрь кривой, и пассажиры ощущают поворот мягче.
Возвышение рассчитывается с учётом радиуса кривой, скорости движения и типа поездов. Если поезд движется слишком быстро или слишком медленно относительно расчётных условий, баланс может нарушаться. Тогда боковые силы ощущаются сильнее, а нагрузка на рельсы и колёса возрастает.
Почему в метро и трамваях скрип громче
В метро, трамваях и городских железнодорожных системах скрип в кривых часто слышен особенно хорошо. Причин несколько.
Во-первых, в городе часто применяются кривые малого радиуса. Трассу приходится прокладывать между зданиями, улицами, тоннелями и станциями. Чем круче кривая, тем больше разница пути между наружным и внутренним колесом.
Во-вторых, звук усиливается в тоннелях. Стены и своды отражают шум, поэтому скрип кажется громче, чем на открытом участке.
В-третьих, на городских линиях поезда часто тормозят, разгоняются и проходят кривые с небольшой дистанцией между остановками. Это создаёт дополнительные нагрузки на колёса и рельсы.
Поэтому в метро характерный скрип в поворотах слышен чаще, чем на длинных прямых железнодорожных участках.
Скрип — это опасно или нет
Сам по себе скрип не всегда означает аварийную ситуацию. Он может возникать даже на исправном пути, особенно в крутых кривых.
Но скрип показывает, что в зоне контакта колеса и рельса есть повышенное трение и микроскольжение. А это значит, что на участке может быстрее развиваться износ.
Если звук становится слишком сильным, появляется постоянно или сопровождается ударами, вибрацией и ухудшением плавности хода, такой участок требует проверки. Путейцы обращают внимание на состояние рельсов, ширину колеи, смазку, износ гребней колёс и работу скреплений.
Как борются со скрипом
Скрип в кривых — это не только вопрос комфорта. Он связан с износом металла, вибрацией и дополнительной нагрузкой на элементы пути. Поэтому железнодорожные службы применяют несколько способов борьбы с этим явлением.
Смазка рельсов и гребней колёс
Один из самых эффективных способов снижения скрипа — смазка. На кривых участках могут применяться специальные рельсосмазыватели, которые наносят смазочный материал на боковую грань рельса или на гребень колеса.
Смазка уменьшает трение, снижает боковой износ и делает проход кривой более тихим. Особенно это важно на участках с малым радиусом, где боковое давление выше.
Смазочные системы могут быть стационарными, установленными возле пути, или бортовыми — размещёнными на подвижном составе.
Шлифовка рельсов
Если поверхность рельса имеет неровности, дефекты или неправильный профиль, вибрации могут усиливаться. В таких случаях применяется шлифовка рельсов.
Рельсошлифовальные машины восстанавливают профиль головки рельса, убирают мелкие дефекты и помогают улучшить контакт колеса с рельсом.
Регулярная шлифовка снижает шум, уменьшает вибрации и продлевает срок службы рельсов.
Правильное содержание кривых участков
Кривые участки пути требуют особого внимания. Здесь важно контролировать ширину колеи, состояние рельсов, боковой износ, скрепления, балласт и возвышение наружного рельса.
Если геометрия пути нарушена, скрип и износ усиливаются. Поэтому регулярные проверки и своевременная выправка пути помогают снизить нагрузку на колёса и рельсы.
Современные тележки
На некоторых современных поездах применяются более совершенные конструкции тележек. Они позволяют колёсным парам лучше вписываться в кривую и уменьшать боковое скольжение.
Например, радиальная установка колёсных пар помогает снизить угол набегания колеса на рельс. Благодаря этому уменьшаются боковые силы, шум и износ.
Такие решения особенно важны для скоростного подвижного состава, трамваев и поездов, которые часто проходят кривые малого радиуса.
Шумозащитные меры
В городах скрип поездов может мешать жителям, особенно если путь проходит рядом с жилыми домами. В таких случаях применяются шумозащитные экраны, виброизоляционные решения и специальные технологии обслуживания рельсов.
Но полностью убрать звук невозможно. Пока стальное колесо движется по стальному рельсу, особенно в кривой, часть шума и вибраций всё равно будет возникать.
Почему полностью избавиться от скрипа сложно
Скрип связан с самой физикой контакта колеса и рельса. Железнодорожный транспорт эффективен именно потому, что стальное колесо катится по стальному рельсу с низким сопротивлением.
Но в кривых участках идеального качения добиться сложно. Жёсткая колёсная пара, коническая форма колеса, боковые силы и ограниченный радиус кривой создают условия для микроскольжения.
Инженеры могут снизить скрип, уменьшить износ и сделать движение тише, но полностью исключить такие явления на всех участках практически невозможно.
Заключение
Поезд скрипит на повороте из-за сложного взаимодействия колеса и рельса в кривой. Наружное и внутреннее колёса должны проходить разный путь, но колёсная пара вращается как единое целое. Коническая форма колёс помогает компенсировать разницу, но на крутых кривых возникает микроскольжение.
Дополнительную роль играют гребень колеса, боковые силы, состояние рельсов, радиус кривой, скорость и геометрия пути.
Скрип в кривой не всегда означает неисправность, но он говорит о повышенном трении и боковых нагрузках. Поэтому такие участки требуют регулярного контроля, смазки, шлифовки и качественного обслуживания.
Рельсы, скрепления и материалы верхнего строения пути — в том числе для кривых участков с повышенным износом — можно подобрать на vsp-shop.ru.