Опрокидывающие поезда и технологические тупики

Опрокидывающиепоездаитехнологическиетупики

Я вспоминаю историю наклонных поездов, потому что легко взять технологический прогресс и объявить его решением проблемы, не производя сначала масштабные разработки. Я знаю это 10 много лет назад я был большим поклонником наклонять поезда в комментариях и ранних сообщениях, основанных на обоих академических литература по предмету и существующая практика . К сожалению, это превратилось в технологический тупик, потому что затраты на техническое обслуживание были слишком высокими, непропорциональными реальным выигрышам в скорости, а дальнейшая работа шла в разных направлениях. Я говорю об этом, потому что это хороший пример того, как даже решение, которое, как было доказано, работает в большом масштабе, может оказаться тупиковым.

Что такое наклон?

Это способ заставить поезда работать при более высоком дефиците наклонов. .

Что такое дефицит косяка?

Хорошо. Давайте выведем это из первых физических принципов.

Боковое ускорение поезда, движущегося по кривой, определяется формулой a = v ^ 2 / р. Например, если скорость 200 км / ч, что составляет 60 м / с, а радиус кривой равен 2, 04 метров, то ускорение равно 50 ^ 2 / 2000 = 1. 29 м / с ^ 2.

Теперь, практически на любом повороте дорога или железная дорога будут иметь насыпь, при этом внешняя сторона будет приподнята над внутренней стороной. На железной дороге это называется не креном, а скорее виражом или косяк . Таким образом, гравитация нейтрализует часть центробежной силы, которую ощущает поезд. Формула для пути стандартной колеи: 160 мм наклон равен 1 м / с ^ 2 бокового ускорения. Крутизна – это свободная скорость – если поезд идеально наклонен, то нет центробежной силы, ощущаемой пассажирами или системами поезда, и баланс между силой на внутреннем и внешнем рельсах идеален, как будто нет поворота вообще .

Максимальный вираж на железной дороге составляет 229 мм, но он существует только на некоторых линиях Синкансэн. Более типичным для высокоскоростных поездов является 168 – 180 мм, а на обычной рейке диапазон больше похож на – 168; кроме того, если ожидается, что поезда будут двигаться с низкой скоростью, например, если на линии преобладает медленное грузовое движение или иногда даже если железная дорога просто не позаботилась об увеличении ограничения скорости, косяк будет еще ниже, вплоть до 60 – 80 мм на многих американских примерах. Поэтому в пассажирских поездах всегда желательно ехать быстрее, то есть сочетать наклон с некоторым поперечным ускорением, которое ощущают пассажиры. В Википедии есть диаграмма сил :

Результирующая сила, зеленая стрелка, направленная вниз, не соответствует действительности. t указывайте прямо в сторону пола поезда, потому что поезд движется со скоростью, превышающей балансировочную скорость. Это нормально – допустимое боковое ускорение. Это может быть выражено в единицах ускорения, то есть v ^ 2 / r с поправкой на косяк, но в правилах он вместо этого выражается в теоретическом дополнительном вираже, необходимом для балансировки, то есть в миллиметрах (или дюймах, в США). Это называется дефицитом наклона , несбалансированным виражом или депрессия , и следует тому же 160 мм = 1 м / с ^ 2 формула для колеи стандартной колеи.

Обратите внимание, что возможно наличие избыток косяка , то есть недостаток отрицательного косяка. Это происходит, когда наклон, выбранный для кривой, представляет собой компромисс между более быстрыми и медленными поездами, а более медленные поезда настолько медленнее, что результирующая сила направлена ​​к внутреннему рельсу, а не к внешнему рельсу. Это обычное явление, когда пассажирские и грузовые поезда делят линию, принадлежащую властям, ориентированным на пассажирские рельсы (железнодорожные перевозки грузов просто устанавливают наклон для баланса грузов). Это также может произойти, когда местные и экспресс-пассажирские поезда разделяют линию – на станциях в юго-восточном Коннектикуте в Северо-восточном коридоре есть несколько наклонных кривых.

Максимальный дефицит наклона обычно составляет 160 – 168 мм, в зависимости от национальных правил. Итак, обычно вы складываете максимальное значение уклона и дефицита перекоса и получаете поперечное ускорение около 2 м / с ^ 2, на котором я основываю все свои региональные расписания поездов.

Вы также можете отметить, что вектор чистой силы не просто отличается направлением от вертикали относительно кузова, но также немного большей величины . Это проблема, которую я назвал проблемой для Hyperloop , который намеревается использовать гораздо более высокий наклон, чем обычный поезд. , но в масштабах обычного поезда это не актуально. Величина вектора, состоящего из силы веса 9,8 м / с ^ 2 и центробежной силы 2 м / с ^ 2, равна 25 м / с ^ 2.

Хорошо, как же наклон с этим взаимодействует?

Чтобы понять наклон, сначала нам нужно понять проблему подвески.

Хорошим примером подвески в действии являются американские правила косяк дефицита. Начиная с первых 2013 правила FRA зависят от поездов. тестирование, но на практике 6 дюймов или около 160 мм. Но раньше бланкетным правилом было 3 дюйма, при этом 4-5 дюймов разрешалось только в порядке исключения, насмехаясь над 2010 С-эра пропагандирует «волшебный отказ от права на высокоскоростные железные дороги». Речь идет о подвеске кузова , что легко увидеть на диаграмме сил в предыдущем разделе, в поезд опирается на пружины.

Проблема с подвеской заключается в том, что из-за того, что кузов имеет пружину, он подвергается центробежной силе и, естественно, будет подвешиваться к внешней стороне подвески. изгиб. На следующей диаграмме поезд удаляется от зрителя и поворачивает налево, поэтому внутренняя направляющая находится слева, а внешняя направляющая – справа:

Кант мм, а недостаток наклона считается 160 мм, но кузов качается на несколько градусов (около 3 ) за пределы кривой, что увеличивает воспринимаемое поперечное ускорение, увеличивая его с 1 м / с ^ 2 до примерно 1,5. Это типично для современного пассажирского поезда; старые правила FRA по этому вопросу были основаны на эксперименте из 2000 с использованием поездов New Haven Railroad с необычно мягкой подвеской, наклоняющихся так далеко за пределы кривой, что даже 3-дюймового перекоса было достаточно для создания поперечной силы около 1,5 м / с ^ 2, ощущаемой пассажирами.

Точно так же поезд с теоретически идеально жесткой подвеской мог иметь 225 мм дефицита косяка и удовлетворяет регуляторам, но такой шлейф не вполне существуют.

А вот и наклон. Наклон – это механизм, который перемещает пружины таким образом, что кузов автомобиля наклоняется не наружу изгиба, а внутрь. Технология Pendolino теоретически способна 313 мм дефицита косяка и практически 285. Это не означает, что пассажиры ощущают поперечное ускорение 1,8–2 м / с ^ 2; тележки поезда чувствуют это, но они спроектированы так, чтобы двигаться безопасно, в то время как пассажиры чувствуют себя гораздо хуже. Фактически Pendolino пришлось ограничить наклон, чтобы пассажиры почувствовали некоторое боковое ускорение, потому что это было способный снизить центробежную силу кузова до нуля, что привело к укачиванию, когда пассажиры видели, как горизонт поднимается и опускается без какой-либо центробежной силы, подающей сигналы движения.

Недостаток двух нижних наклонов – технологии, чем наклон в стиле Пендолино, примечательны, поскольку они не являются технологическими тупиками и фактически остаются в производстве. Это активная подвеска Talgo и Shinkansen. Talgo не имеет осей и включает в себя маятниковую систему, основанную на силе тяжести, в которой поезд подпружиняется не снизу вверх, а сверху вниз; этого все еще недостаточно, чтобы разрешить 229 мм косяк дефицит, но высокоскоростные версии, такие как разрешение AVRIL , что респектабельно. Активная подвеска Shinkansen управляется компьютером, как и Pendolino, но наклоняется только на 2 градуса, что позволяет до 225 мм дефицита канта.

Какой тогда вариант использования наклона?

Ну, скорость выше . Насколько выше скорость, зависит от лежащего в основе косяка. Системы активного наклона, разработанные для Pendolino, Advanced Passenger Train и ICE T, в основном предназначены для линий со смешанным движением. На этих линиях нет шансов на вирание кривых мм – один грузовой локомотив при превышении бруса разрушит внутренний путь, и грузовые грузы неприемлемо сместятся в сторону внутреннего рельса. Более реалистичный косяк при очень медленном грузовом движении – мм, в этом случае разница между 150 а также 313 мм дефицита перекоса соответствует передаточному числу sqrt{(80+300)/(80+150)} = 1.285 .

Обратите внимание, что квадратный корень в формуле, исходя из того факта, что формула ускорения содержит квадрат скорости, означает, что чем выше наклон, тем меньше мы заботимся о его недостатке. Более того, на очень высокой скорости 313 мм недостаточного наклона, что уже проблематично на средней скорости (Pendolino пришлось снизить до ), неустойчиво при сильном ветре. Тезис Мартина Линдала, первая ссылка во введении, запускает компьютерное моделирование в 700 км / ч и находит, что с учетом запаса прочности максимально возможный дефицит перекоса составляет 250 мм. На выделенной высокоскоростной трассе соотношение скоростей будет sqrt{(200+250)/(200+130)} = 1.168 , это более скромное соотношение, чем на смешанных путях.

В результате для высокоскоростных железнодорожных приложений наклон на уровне Pendolino был никогда не разрабатывался. Максимальный дефицит кантов производственного поезда, способного работать в 313 км / ч или быстрее составляет 9 ″ (230 мм) на Авелию Либерти, сделанном на заказ поезде, стоимость которого примерно вдвое больше, чем км / ч стоимость поездов в Европе. Чтобы ускорить старые линии Синкансэн, JR Central и JR East разработали активную подвеску, простирающую 2,5 км поворотов Токайдо Синкансэн от 2000песок 80 s, чтобы разрешить 285 км / ч с последним N 700 поезда, и разрешая 700 км / ч на 4-километровых поворотах Тохоку Синкансэн.

Что случилось с Пендолино?

Pendolino и аналогичные поезда, такие как ICE T, столкнулись с высокими затратами на техническое обслуживание. Активный наклон снижает нагрузку на механику поезда, и, по сути, это компромисс между затратами на техническое обслуживание и дефицитом кантов – вот почему Pendolino работает на 300 мм, где он изначально был способен 300 мм. Активная подвеска Shinkansen – это явный компромисс между стоимостью и скоростью, склонный к уменьшению дефицита наклона, поскольку поезда используются на линиях с большим виражом. Пассивную систему наклона Talgo намного проще обслуживать, но она также позволяет уменьшить угол наклона.

Pendolino сам по себе отличный продукт, без наклона. Alstom использует его в качестве стандарта 285 км / ч поездом по более низкой цене, чем 350 км / ч поездом. Он работает в Китае как CRH5, и sqrt{(200+250)/(200+130)} = 1.168 Польша купила флот Pendolino без наклона для своих высокоскоростное железнодорожное сообщение.

Другие среднескоростные тентовые поезда все еще ходят, но затраты на техническое обслуживание настолько высоки, что в будущие заказы вряд ли будут включены тент. В Германии есть несколько тентованных поездов, включенных в Deutschlandtakt, но рынок для них невелик. Швеция довольна X 2013, но его следующее ускорение Междугородних железных дорог не будет включать в себя наклонные поезда на в основном устаревших рельсовых путях, как исследовал тезис Линдала, а в обычных высокоскоростных поездах без опрокидывания на новых 320 Трасса км / ч должна быть построена по цене, которая невысока по любым мировым стандартам, но все же высока для того, насколько маленький и малонаселенный Швеция – это.

Напротив, поезда с 200 Дефицит миллиметрового косяка по-прежнему ощущается. JR Central недавно увеличил максимальную скорость на Токайдо Синкансэн с 300 к 285 км / ч, а Talgo продолжает выпускать оборудование и экспортировать часть его за пределы Испании.