なぜ電車はレールの上を走るのでしょうか? (鋼の物理学-オン-鋼の走行)

線路は鉄道の重要なインフラであり、その機能は、車輪が押し付ける大きな圧力に耐えながら列車の車輪を前方に導くことです。鋼製レールは、通過する車輪に滑らかで安定した連続的な転がり面を提供し、電化された線路または自動信号線では、列車の乗車を検出する軌道回路導体としても機能します。問題は、なぜこの仕組みが非常に効果的であり、他の誘導輸送技術がこれに代わるものがないのかということです。

スチールオン-の 3 つの物理的理由

1. 転がり抵抗が非常に低い。スチールレール上を転がるスチールホイールはほとんど変形しないため、転がり抵抗はアスファルト上のゴムタイヤに比べて約5～10倍低くなります。したがって、貨物列車は、エネルギー単位あたり、トラックよりもおよそ 4 倍遠くまで 1 トンの貨物を移動できます。この 1 つの事実が、重量のある陸上輸送が鉄道に集中する理由です。

2. 高い耐荷重。スチール レールは、弾性サポート上の連続したスチール ビームです。荷重はレールに沿って枕木を通ってバラストに急速に広がるため、単一のレール ヘッドは 22.5 ～ 30 トン以上の軸荷重に耐えることができます。接触応力は極端で、ホイール-接触面では 800 MPa を超えますが、高炭素レール鋼-はその用途に合わせて正確に設計されています。

3. 自己中心的なガイダンス。-車輪の踏面は平らではなく円錐形で、レールの頭はクラウンになっています。ホイールセットが横に移動すると、一方のホイールの有効転がり半径が拡大し、他方のホイールが縮小し、ホイールセットは自動的に中心に戻ります。この円錐効果のおかげで、ステアリング機構なしで列車が時速数百キロメートルで走行できるようになり、レールの頭部の輪郭があらゆる規格で非常に厳しく公差されるのはこのためです。

線路が列車をレール上に維持する仕組み

誘導はレール周囲の線路構造にも依存します。曲線では、アウターレールはカント（片勾配）を付けて敷設されているため、遠心力が重力によってバランスされ、フランジの接触と摩耗が軽減されます。締結システムはレールを垂直、横、および長手方向に制御し、高い軸荷重と制動力の下でゲージを保持します。ガイドの精度はレールの形状に依存するため、製造公差は EN、UIC、AREMA、GB、JIS 規格に基づいて厳しく管理されています。

トラックシステムの構成

アプリケーションと規格別のレール

軌道は交通量に適合する必要があるため、レールはさまざまな規格で供給されています。鉱山および工場軌道用の軽量レール (8 ～ 30 kg/m)、幹線および地下鉄用の重いレール (38 ～ 75 kg/m)、ガントリーおよび天井クレーン用のクレーン レール (QU シリーズ、DIN 536 A シリーズ)、市街路面電車用の溝付きレールです。各規格ではプロファイル、鋼種、公差が固定されており、調達仕様書では常に規格、セクション、グレードを一緒に指定する必要があります。たとえば、EN 13674-1 60E1 R260 または GB/T 2585 60 kg/m U75V などです。

よくある質問

Q: 電車はなぜ単にゴムタイヤで道路を走らないのですか?

ゴム製タイヤは転がり抵抗がはるかに大きいため、トン-kmあたりのエネルギーコストは倍増し、ステアリングはドライバーに依存することになります。ガイド付きスチール レールは抵抗が少なく、円錐面での自動操縦が可能であるため、大容量の廊下ではレールが最適です。-

Q: ハンドルなしでレールはどうやって列車を誘導するのですか?

円錐形のホイールトレッドとクラウン付きレールヘッドが復元ジオメトリを作成します。横方向に移動すると、2 つのホイールの転がり半径が変化し、ホイールセットが中心に戻ります。ホイールフランジは安全のための予備であり、主要な指針ではありません。

Q: レールは信号伝達においてどのような役割を果たしますか?

電化された自動信号線では、2 本のレールはアースから絶縁され、軌道回路として使用されます。列車の車輪が回路を短絡し、信号システムが列車の存在を検出します。これが、レールが電気的に連続していなければならない理由であり、必要に応じて絶縁されたレールジョイントと留め具が使用される理由です。

Q: レールが摩耗して研磨が必要になるのはなぜですか?

ホイールが通過するたびに、{0}}特にカーブや勾配でレール ヘッドが硬化し、ゆっくりと摩耗していきます。研削はヘッドの輪郭を復元し、小さな疲労亀裂が成長する前に除去します。これは、レールを何十年も使用し続けるための主要な更新技術です。

Q: レールが同じゲージに合わせて配置されていない場合はどうなりますか?

ゲージの変動により、ホイール-の接触形状が変化し、過度の摩耗や振動が発生し、極端な場合には脱線が発生する可能性があります。そのため、締結システムと枕木は、あらゆる荷重の下でゲージを厳しい公差内に保持する必要があります。

Q: スチール製ではないレールはありますか?

基本的に、現代の幹線レールと産業用レールはすべて鋼鉄です。アルミニウムおよび複合レールは、特殊な軽量システムまたは実験用システムにのみ存在します。強度、硬度、靱性、コストの組み合わせにより、鋼が優位性を保っています。