Перераспределение сил взаимодействия колеса и рельса под действием вращающего момента.

Предположим, что поверхность колеса и рельса состоит из микрочастиц, которые связаны между собой упругими связями и имеют возможность перемещаться по поверхности. При отсутствии вращающего момента частицы равномерно распределены по поверхности колеса и рельса.

Под действием вращающего момента колесо начинает испытывать упругий подпор со стороны рельса, который схематично представлен равнодействующей силой F и условным возвышением уровня рельса в направлении движения. Вследствие смещения точки приложения силы реакции со стороны колеса происходит перераспределение напряжений в материале колеса и область, в которой давление выше предела упругости смещается по направлению вращения колеса.

Вследствие значительных усилий от давления колеса на рельс в этой области частицы материала колеса не могут перемещаться относительно частиц материала рельса (сцепляются друг с другом). В пределах заштрихованной области наблюдается избыток частиц материала колеса. Вне заштрихованной области усилия от давления колеса меньше, частицы материала колеса имеют возможность перемещаться относительно частиц материала рельса и стремятся вновь равномерно распределиться по поверхности колеса.

Таким образом, создается эффект перемещения микрочастиц колеса по его поверхности при переходе частиц за пределы заштрихованной области. Перемещение происходит в направлении, противоположном движению центра вращения колеса.

Предположим, что колесо повернулось на элементарный угол da. В случае недеформированного колеса перемещение его центра будет равно:

dx_a = R × da.

Но, т.к. перемещение микрочастиц колеса по его поверхности, вызванное упругими деформациями, направлено навстречу перемещению центра колеса, то действительное перемещение центра колеса будет меньше на величину относительного перемещения микрочастиц по его поверхности:

dx = dx_a – du.

Это явление называют упругим скольжением. В иностранной литературе оно носит название крипа (ползучести).

Из полученного выражения следует, что в режиме тяги действительный путь, проходимый центром колеса меньше пути, подсчитанного по угловой скорости и геометрическому радиусу (dx < R × da) – колесо как бы проскальзывает относительно рельса. Если сделать аналогичные выкладки для режима торможения – получим обратный результат: путь, проходимый центром колеса больше пути, подсчитанного по угловой скорости.

Срыв сцепления.

Согласно исследованиям Ф.Картера сила F_к, возникающая при взаимодействии колеса и рельса, в первом приближении пропорциональна относительной скорости перемещения микрочастиц материала колеса:

,

причем коэффициент пропорциональности k зависит от

– силы нажатия колеса на рельс G_к;

– диаметра колеса D_к;

– упругих свойств материалов бандажа и рельса;

– размеров и ориентации контактной площадки;

Из формулы следует, что сила F_к будет возрастать пропорционально относительной скорости перемещения микрочастиц колеса до достижения максимально возможного значения F_{сц max}, которое определяется коэффициентом трения покоя. По мере приближения силы к этому значению зона сцепления на опорной площадке уменьшается, зона упругого скольжения растет. Как только зона сцепления обратиться в точку, что соответствует значению происходит срыв сцепления.