Опрокидывание вагона на повороте

При скорости движения выше расчетной, центробежная сила инерции может опрокинуть вагон наружу. Ось вращения при опрокидывании будет проходить через точки контакта колес с наружным рельсом, а внутренние колеса приподнимутся, образовав зазор. Сила нормального давления N будет действовать только на наружные колеса. Она не создает вращающего момента сил (рис. 5.4). В неинерциальной системе отсчета «поезд» на вагон действуют центробежная сила инерции и сила тяжести, приложенные к центру масс вагона.

Опрокидывание произойдет, если момент центробежной силы превысит момент силы тяжести, который стремится вернуть вагон на рельсы. Это будет в случае, если равнодействующая этих сил проходит далее наружного рельса. Условием опрокидывания будет неравенство . Здесь α – угол наклона полотна дороги на повороте к горизонту, γ – угол между осевой линией вагона и линией, проведенной из центра масс в наружный рельс.

Для малых значений α tg(γ+α) приближенно можно оценить как сумму тангенсов этих углов: (tgγ + tgα). Если центр масс вагона расположен на высоте Н над рельсами на средней линии вагона, тогда . Подставив значение тангенса и формулу центробежной силы в условие опрокидывания, получим формулу предельной скорости при движении на повороте

. 5.6)

Например, поезд движется на повороте радиусом 600 м, высота центра масс вагона 2,5 м, превышение наружного рельса над внутренним имеет предельное значение 10 см. Подставив эти данные, определим допустимую скорость: V_пред=48 м/с=170 км/ч. Превышение этой скорости недопустимо.

Как видно из формулы (5.6), широкая колея более безопасна для движения на повороте. Груженый вагон с высоким центром масс Н менее устойчив, имеет меньшее значение предельной скорости. Кроме того, при выводе условия опрокидывания не учтен наклон кузова вагона на пружинах подвески, из-за чего центр масс вагона смещается наружу и, соответственно, уменьшается возвращающий момент силы тяжести. Поэтому на самом деле предельная скорость движения вагона на повороте будет меньше расчетной по формуле (5.6).

При вхождении в поворот без переходного участка центробежная сила инерции возникает почти мгновенно и на вагон действует как бы удар. Чтобы предотвратить износ рельсов и обеспечить комфорт пассажирам, радиус кривизны на переходном участке и высота подъема наружного рельса изменяются постепенно. Для этого переходной участок выполняется по полукубической параболе: . Подбирают тот участок параболы с координатами х₁ и х₂, на котором радиус кривизны принимает значения радиусов кривизны сопрягаемых участков железнодорожного пути.