Победит ли ток песок?

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Железное колесо легко, почти без сопротивления, катится по железному рельсу, и в этом одно из главных преимуществ железнодорожного транспорта.

Железное колесо легко, почти без сопротивления, катится по железному рельсу, и в этом одно из главных преимуществ железнодорожного транспорта. Но иногда из-за низкого трения ухудшается сцепление между колесом и рельсом, колесо начинает проскальзывать — возникает пробуксовка. В дождливую погоду и на крутых подъёмах пробуксовка колёс локомотивов происходит достаточно часто. Загрязнение рельсов опавшими листьями, машинным маслом, смазочными материалами тоже нередкая причина буксования. После начала пробуксовки коэффициент трения скольжения между колесом и рельсом резко падает, и самопроизвольно она прекратиться уже не может. При этом тяговое усилие локомотивов тоже падает. Так сильная сторона железнодорожного транспорта становится его слабостью.

Песочница на паровозе, установленная на его цилиндрическом котле (слева от трубы). Видна идущая вниз трубка подачи песка. Фото: George Shuklin/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.5.
Песочница на современном локомотиве. Виден напорный патрубок, подающий песок под колесо. Фото: Schorschi2/Wikimedia Commons/PD.
Подача песка на рельсы с помощью пара в действии. Фото: Les Chatfield/Wikimedia Commons/CC BY 2.0.
Исследования системы уменьшения скольжения с помощью электрического тока на испытательном стенде в лаборатории кафедры «Локомотивы» БГТУ. Фото Александра Ивахина.
Колесо, подготовленное к пропусканию электрического тока, в эксперименте с неподвижным тепловозом. Фото Александра Ивахина.
Тепловоз 2ТЭ10У, использованный для экспериментов в депо Брянск-Льговский. Фото Александра Ивахина.

Буксование колёс может приводить к повреждению двигателя и рельсов. На верхней поверхности рельса (головке) образуются пропилы и волны. Кроме того, от сильного трения металл разогревается, из-за чего под нагрузкой течёт в стороны. У паровозов пробуксовка колёс часто возникала из-за недостаточной нагрузки на ведущие колёса и, соответственно, небольшой силы трения. У современных локомотивов проблема частично решается за счёт значительно большей массы, но её нельзя чрезмерно наращивать из-за возможной порчи пути.

С середины XIX века единственным средством борьбы с буксованием было мастерство машиниста в сочетании с подсыпанием песка под колёса для улучшения сцепления. На паровозе запас сухого песка хранился в так называемой песочнице — резервуаре, расположенном сверху на цилиндрической части котла. Под колёса песок выбрасывался через трубку с помощью сжатого воздуха или пара. В нужный момент машинист включал подачу песка краном, который располагался в его будке.

Как ни странно, но песок до сих пор остаётся одним из основных средств борьбы с пробуксовкой. Только теперь используют исключительно кварцевый песок и располагается он в боковых резервуарах локомотива. На участках железнодорожного пути с большим количеством крутых подъёмов при трогании с места и разгоне поездов на один километр пути подаётся 300—400 кубометров песка в год. В некоторых странах Европы используется смесь «сандит» на основе песка и антифриза.

Использование песка имеет вредные побочные эффекты: увеличиваются сопротивление движению, износ колёс и рельсов, «запесочивается» путь. Последнее ухудшает отвод воды и, увеличивая массу насыпи, может привести к деформации пути. Кроме того, остановка поезда «на песке» разрывает контакт колёс с рельсом, что на современных железных дорогах приводит к ошибкам срабатывания электрической сигнализации. В результате семафор ошибочно покажет, что путь свободен, а это — возможная катастрофа.

Поэтому поиски альтернативных методов начались ещё в конце XIX века, о чём и рассказывает заметка в «Науке и жизни» 1890 года. Замена песочниц системами пропускания электрического тока через контакт колеса с рельсом позволила бы существенно снизить расходы на работы по очистке и ремонту пути, экипировку локомотивов песком, а также увеличить сроки работы колёс.

Несмотря на сообщение об успешном испытании электрической системы для уменьшения скольжения локомотивов, она так и не нашла применения на практике. Для работы такой системы требовался мощный генератор электрического тока, слишком громоздкий, чтобы без проблем разместить его на небольших паровозах тех времён. Во второй половине XX века, когда появились мощные тепловозы и электровозы, уже были разработаны другие методы борьбы с буксованием. В первую очередь это системы контроля пробуксовки, позволяющие вовремя уменьшить усилие на колёса и предотвратить её. Сейчас они стали электронными, автоматическими и достаточно эффективными. Наряду с песком применяют и другие модификаторы трения. Разрабатываются методы очистки рельсов с помощью воды под высоким давлением, в том числе с моющими средствами, и даже лазерным и микроволновым излучением. Были попытки устранять загрязнения высоковольтным электрическим разрядом, то есть испарением искрой с улетучиванием загрязняющих рельсы веществ. Испытания проводили во Франции, Швейцарии и Англии, но из-за шумности, больших энергозатрат и возможного повреждения рельсов дальше экспериментов дело не пошло.

В начале XXI века к идее использовать электрический ток для улучшения сцепления колёс с рельсами вернулись в нашей стране — на кафедре «Локомотивы» Брянского государственного технического университета (БГТУ). Толчком к исследованию стало повышение сцепления, замеченное у электровозов, в электрической схеме которых предусматривалось прохождение полного постоянного тока через контакт колеса с рельсом. Пока работы ведутся с тепловозами, однако в дальнейшем предполагается распространение технологии на все виды локомотивов. В локомотивном депо Брянск-Льговский проведены испытания тепловоза, оборудованного такой системой повышения сцепления, в неподвижном положении. Кандидат технических наук Александр Иванович Ивахин, под руководством которого проходят исследования, считает, что использование этой технологии может повысить тягу на участках пути с сильным загрязнением на 25—30%. Чтобы реализовать технологию, требуется наличие на локомотиве мощного источника электрической энергии, вырабатывающего полный ток не менее 4000 А.

В БГТУ разработана оригинальная методика подачи импульсов на ведущие колёсные пары, позволяющая избежать повреждения колёс током и обеспечивающая независимое управление ими. В Подмосковье готовится испытание системы на опытном тепловозе в движении. После испытаний станет понятно, каковы будут дополнительные затраты энергии, достаточно ли тягового генератора, который у современных магистральных грузовых тепловозов в рабочем режиме даёт ток 4000—5000 А (а кратковременно, при трогании с места и разгоне, 6000—7500 А) или потребуется дополнительный. Тогда же можно будет судить о перспективах применения этой технологии на российских железных дорогах. По словам А. И. Ивахина, интерес к ней есть и за рубежом.

Правда, физическая природа процесса до сих пор вызывает вопросы. Есть несколько гипотез, объясняющих влияние электрического тока на трение пары «металл — металл». Это микросварка, проявление туннельного эффекта, механизмы, основанные на автоэлектронной эмиссии, электропластический эффект и другие. Все они требуют дополнительных исследований.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки