На просторах интернета легко найти ролики, где старые паровозы беспомощно буксуют на подъёмах или отчаянно вращают колёсами при трогании с места. Выглядит это довольно занятно. Но возникает закономерный вопрос - насколько часто это вообще происходило в реальности и можно ли обойтись без такового?
В действительности грамотные инженеры и опытные машинисты держали пробуксовку под жёстким контролем. Но физические причины, делающие её неизбежной спутницей парового локомотива, глубоки и интересны сами по себе.
Чтобы понять, почему колёса буксуют, нужно разобраться в том, что происходит внутри паровой машины. Паровой котёл нагревает воду, и давление пара толкает поршень. Движение поршня через шатун и кривошип преобразуется во вращение оси и на неё передаётся крутящий момент.
Это колоссальная величина, и вся она в конечном итоге должна передаться на рельс через пятно контакта колеса, площадь которого не превышает нескольких квадратных сантиметров.
Согласно теории Герца, реальное пятно контакта имеет эллиптическую форму и при типичной нагрузке на ось 15 - 20 т составляет площадь всего 1–2 см². При этом контактное давление достигает 800 - 1200 МПа. Только вдумайтесь! Именно через эту крохотную площадку должна быть передана вся тяговая сила.
Коэффициент сцепления стального колеса с сухим стальным рельсом и без того невелик. При намокании он падает почти в два раза, при наледи - вообще в 4. Это означает, что максимальная тяговая сила прямо пропорциональна весу, давящему на колёса. Ну и логично, что чем тяжелее локомотив тем больше тяги он может развить, не буксуя.
Тут есть ещё один сюрприз. При пробуксовке колесо переходит из режима статического трения (качение) в режим кинетического трения (скольжение).
Это создаёт положительную обратную связь - буксование снижает сцепление, что усиливает буксование. Одновременно колесо мгновенно разгоняется до высоких оборотов, и если не принять мер, образуется область плоского износа («ползуна») диаметром. Ползун выводит колесо из строя и может разрушить рельс ударными нагрузками.
Самый очевидный способ решить это - увеличить вертикальную нагрузку на ведущие колёса. Именно этим путём шло паровозостроение на протяжении ста лет. Тягач делался максимально тяжелым. И появляется невольная мысль, что, может быть, мы полностью так решим проблему, сделав вес ещё больше?
Тут отметим, что увеличение веса имеет предел. Давление на рельс ограничено несущей способностью пути. Если сделать паровоз тяжелее, то он может буквально сломать рельсы, что видится нам довольно странным.
Потому использовался (и продолжает использоваться) песок. Если физика ограничивает максимальный вес, нужно поднять коэффициент сцепления. Именно эту задачу и решает песок. Применение песка - одно из старейших технических решений в железнодорожном деле, дожившее до наших дней без принципиальных изменений.
Песчинки разрушают тонкую плёнку окислов железа, масла и влаги, обнажая чистый металл с более высоким коэффициентом трения. На загрязнённом рельсе коэффициент трения растёт примерно в два раза. При этом сами песчинки обладают высокой твердостью и вдавливаются в само колесо, увеличивая его шероховатость.
Современные локомотивы оснащены системой, аналогичной трэкшн-контролю в автомобиле, но адаптированной к условиям рельсового транспорта.
Каждая ось оснащена датчиком угловой скорости. Если скорость вращения оси начинает превышать расчётную (исходя из скорости движения состава), система регистрирует начало пробуксовки. Бортовой компьютер снижает ток на тяговых электродвигателях буксующей оси, позволяя колесу восстановить сцепление.
Параллельно с электронным управлением система подаёт песок на рельс.
Но техника и физика - это лишь часть истории. Ключевую роль в предотвращении пробуксовки играло мастерство машиниста. У паровоза не было электроники, датчиков и автоматики. Всё зависело от рук и опыта человека за регулятором. Опытный машинист «чувствовал» начало пробуксовки по характерному изменению звука выхлопа, по вибрации кузова, по тому, как тяга переставала нарастать при открытии регулятора. В этот момент он должен был немедленно прикрыть регулятор, снизить подачу пара и одновременно открыть подачу песка. Затем медленно, плавно восстановить тягу. Весь этот процесс занимал секунды и требовал многолетней выработки инстинктов.
Интересно и другое. На особо крутых подъёмах обычное сцепление колеса с рельсом было принципиально недостаточным. Здесь применялась зубчатая передача. Между рельсами укладывалась зубчатая рейка, с которой зацеплялось шестерёнчатое колесо локомотива. Знаменитая Jungfraubahn в Швейцарии до сих пор работает именно по этому принципу.
Ещё одним решением было увеличить сцепной вес без превышения допустимой нагрузки на ось стали сочленённые (артикулированные) локомотивы. Два паровых механизма на одном котле, опирающиеся на поворотные тележки, распределяли нагрузку на большее число осей. Именно такой конструкцией был Big Boy, что позволяло иметь 16 ведущих колёс при нагрузке на ось в пределах допустимых 30 т.
⚠️ Пишу большой научпоп курс про загадки материи - добро пожаловать сюда.
Не забывайте ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами!