Брус (автомобильный и железнодорожный)

Скорость изменения высоты между двумя рельсами или краями дороги
Кант на велодроме

Наклон железнодорожного пути или развал дороги (также называемый виражом , поперечным уклоном или поперечным падением ) — это скорость изменения возвышения (высоты) между двумя рельсами или краями дороги. Обычно она больше там, где железная дорога или дорога изогнуты; подъем внешнего рельса или внешнего края дороги создает наклонный поворот , таким образом позволяя транспортным средствам двигаться по кривой с большей скоростью, чем это было бы возможно, если бы поверхность была ровной.

Железнодорожный

Наклон на изгибе линии Нюрнберг-Ингольштадт
Устройство смазки гусеницы на обратной кривой в зоне, подверженной движению из-за мокрого слоя

Возвышение на железнодорожных путях

Важность возвышения

На криволинейных железнодорожных путях внешний рельс приподнят, обеспечивая наклонный поворот. Это позволяет поездам проходить кривые на более высоких скоростях и снижает давление реборд колес на рельсы, сводя к минимуму трение и износ. Разница в высоте между внешним и внутренним рельсами в большинстве стран называется наклонным уклоном.

Как работает вираж

Основными функциями канта являются:

  • Улучшить распределение нагрузки по обоим рельсам
  • Уменьшение износа рельсов и колес
  • Нейтрализовать действие боковых сил
  • Повышение комфорта пассажиров

На горизонтальных кривых кривизна вызывает центробежную силу, действующую наружу на внешнее колесо. Чем меньше радиус кривизны , тем больше центробежная сила. Вираж означает, что внешний край пути поднят относительно внутреннего края. Это приводит к возникновению силы тяжести, действующей в противоположном направлении от центробежной силы. Это улучшает распределение нагрузки по обоим рельсам, обеспечивая устойчивость и безопасность поездов, проходящих по кривой, и повышая комфорт пассажиров.

Такая устойчивость предотвращает соприкосновение реборд колес с рельсами, сводя к минимуму трение, износ и визг рельсов .

Поезд серии 257 на S-образной кривой в июне 2018 года, демонстрирующий эффект подъема железной дороги

Необходимый наклон в кривой зависит от ожидаемой скорости поездов и радиуса кривизны : чем выше скорость, тем больше центробежная сила. Однако кривая может использовать компромиссное значение, например, если медленно движущиеся поезда могут иногда использовать пути, предназначенные для высокоскоростных поездов .

Обычно цель состоит в том, чтобы поезда двигались без контакта фланца , что также зависит от профиля шин колес. Необходимо учитывать разные скорости поездов. Более медленные поезда будут стремиться к контакту фланца с внутренним рельсом на кривых, в то время как более быстрые поезда будут стремиться выехать наружу и войти в контакт с внешним рельсом. Любой контакт вызывает износ и может привести к сходу с рельсов . Многие высокоскоростные линии не допускают более медленные грузовые поезда, особенно с более тяжелыми осевыми нагрузками . В некоторых случаях воздействие уменьшается за счет использования смазки фланца .

В идеале рельсы должны иметь шпалы, расположенные ближе друг к другу, и большую глубину балласта, чтобы компенсировать возросшие силы, возникающие на кривой.

На концах кривой, где рельсы выпрямляются, величина наклона не может измениться от нуля до максимума немедленно. Она должна изменяться (наклоняться) постепенно в кривой перехода пути . Длина перехода зависит от максимально допустимой скорости; чем выше скорость, тем большая длина требуется.

Для Соединенных Штатов, где стандартный максимальный несбалансированный вираж составляет 75 мм (3 дюйма), формула выглядит следующим образом:

в м а х = Э а + 3 0,00066 г {\displaystyle v_{max}={\sqrt {\frac {E_{a}+3}{0,00066d}}}}

где — угол возвышения в дюймах, — кривизна пути в градусах на 100 футов, — максимальная скорость в милях в час. Э а {\displaystyle E_{a}} d {\displaystyle d} v m a x {\displaystyle v_{max}}

Максимальное значение возвышения рельса (высота внешнего рельса над внутренним рельсом) для железной дороги стандартной колеи составляет приблизительно 150 мм (6 дюймов). [ требуется ссылка ] Для высокоскоростных железных дорог в Европе максимальное возвышение рельса составляет 180 мм (7 дюймов), когда движение медленных грузовых поездов запрещено. [1]

Несбалансированный подъем рельсов ( дефицит возвышения рельсов ) в Соединенных Штатах ограничен 75 мм (3 дюйма), хотя 102 мм (4,0 дюйма) допускается по отступлению. Максимальное значение для европейских железных дорог варьируется в зависимости от страны, некоторые из них имеют кривые с более чем 280 мм (11 дюймов) несбалансированного подъема рельсов, что позволяет осуществлять высокоскоростную перевозку. Самые высокие значения применяются только для наклоняющихся поездов , поскольку это было бы слишком неудобно для пассажиров в обычных вагонах. [2]

Физика наклона рельса

В идеале величина наклона , учитывая скорость поезда, радиус кривизны и ширину колеи, соотношение E a {\displaystyle E_{a}} v {\displaystyle v} r {\displaystyle r} w {\displaystyle w}

v 2 = E a r g w 2 E a 2 E a r g w {\displaystyle v^{2}={\frac {E_{a}rg}{\sqrt {w^{2}-E_{a}^{2}}}}\approx {\frac {E_{a}rg}{w}}}

должно быть выполнено с гравитационным ускорением. Это просто следует из баланса между весом, центробежной силой и нормальной силой (горизонтальной составляющей наклонной гравитационной силы). В приближении предполагается, что наклон мал по сравнению с шириной колеи пути. Часто бывает удобно определить несбалансированный наклон как максимально допустимое дополнительное количество наклона, которое потребуется поезду, движущемуся быстрее скорости, на которую наклон был рассчитан, устанавливая максимально допустимую скорость . В формуле это становится g {\displaystyle g} E u {\displaystyle E_{u}} v m a x {\displaystyle v_{max}}

v m a x ( E a + E u ) r g w = ( E a + E u ) g d w {\displaystyle v_{max}\approx {\sqrt {\frac {(E_{a}+E_{u})rg}{w}}}={\sqrt {\frac {(E_{a}+E_{u})g}{dw}}}}

с кривизной пути, которая также является поворотом в радианах на единицу длины пути. d = 1 / r {\displaystyle d=1/r}

В Соединенных Штатах максимальная скорость регулируется определенными правилами. При заполнении и коэффициентов перевода для общепринятых единиц США максимальная скорость поезда на криволинейном пути для заданного дефицита возвышения или несбалансированного виража определяется по следующей формуле: g = 32.17 f t / s 2 {\displaystyle g=32.17\,\mathrm {ft/s^{2}} } w = 56.5 i n {\displaystyle w=56.5\,\mathrm {in} }

v m a x 3600 63360 32.17 12 ( E a + E u ) 56.5 d π 1200 180 E a + E u 0.00066 d {\displaystyle v_{max}\approx {\frac {3600}{63360}}{\sqrt {\frac {32.17\cdot 12(E_{a}+E_{u})}{56.5\cdot d{\frac {\pi }{1200\cdot 180}}}}}\approx {\sqrt {\frac {E_{a}+E_{u}}{0.00066d}}}}

с и в дюймах, степень кривизны в градусах на 100 футов и в милях в час. E a {\displaystyle E_{a}} E u {\displaystyle E_{u}} d {\displaystyle d} v m a x {\displaystyle v_{max}}

Примеры

В Австралии Австралийская железнодорожная корпорация увеличивает скорость на поворотах радиусом более 800 метров (2625 футов), заменяя деревянные шпалы бетонными, чтобы можно было увеличить угол наклона. [3]

Рельсовый брус

Сами рельсы теперь обычно наклонены внутрь примерно на 5–10 процентов.

В 1925 году около 15 из 36 крупных американских железных дорог переняли эту практику. [4]

Дороги

На жилых улицах часто встречаются более крутые уклоны или выступы, из-за которых вода стекает в водосточную канаву.

В гражданском строительстве наклон часто называют поперечным уклоном или развалом. Он помогает отводить дождевую воду с поверхности дороги. Вдоль прямых или слегка изогнутых участков середина дороги обычно выше краев. Это называется «нормальным уклоном» и помогает сбрасывать дождевую воду с обочин дороги. Во время дорожных работ, которые включают участки временной проезжей части, уклон может быть противоположным нормальному — например, с более высоким внешним краем — что заставляет транспортные средства наклоняться в сторону встречного транспорта. В Великобритании это обозначается на предупреждающих знаках как «неблагоприятный развал».

На более крутых поворотах внешний край кривой приподнят или вираж , чтобы помочь транспортным средствам на повороте. Величина виража увеличивается с его расчетной скоростью и с крутизной кривой.

Вне развала

Поворот с отклонением влево (дорожный знак Великобритании)

Поворот с отрицательным развалом описывается как противоположность повороту с наклоном или повороту с отрицательным креном, который ниже на внешней стороне поворота, чем на внутренней. [5] [6] Опытные водители одновременно боятся и приветствуют повороты с отрицательным развалом. [7] [8] Умение управлять ими является основным фактором в умелом управлении транспортным средством, как одноколейным, так и автомобильным; как транспортными средствами с двигателем, так и с приводом от человека; как на закрытых трассах, так и за их пределами; и на асфальтированных поверхностях, и за их пределами. [ необходима ссылка ]

На гоночных трассах они являются одним из немногих инженерных факторов, имеющихся в распоряжении проектировщика трассы, чтобы бросить вызов и проверить навыки водителей. [9] Повороты с отклонением от траектории были описаны в руководстве по обучению будущих гонщиков как «самые сложные повороты, с которыми вы столкнетесь» на трассе. [10] Многие известные трассы, такие как Riverside International Raceway, сочетают повороты с отклонением от траектории с подъемом и поворотами с линками для дополнительного испытания водителей. [11]

На улице они являются отличительной чертой некоторых из самых известных в мире асфальтированных дорог, таких как «Dragon» (US 129) через Дилс Гэп [12] и «Diamondback» (NC 226A) в Северной Каролине [13] , Route 78 в Огайо [14] , Route 125 в Пенсильвании [15], Route 33 в Калифорнии [16] и Betws-y-Coed Triangle в национальном парке Сноудония в Уэльсе [17] .

Для горных велосипедистов и мотоциклистов на трассах и грунтовых дорогах повороты с отклонением от траектории также представляют сложность и могут быть как специально спроектированной особенностью трассы, так и естественной особенностью одноколейных трасс. [18] [19] [20] [21] В велокроссе участки с отклонением от траектории очень распространены, поскольку трассы извиваются вокруг хребтов, что добавляет сложности.

Прогиб на виртуальных гоночных трассах тщательно контролируется гоночными симуляторами видеоигр для достижения желаемого дизайнером уровня сложности. [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ 2002/732/EC. *, Решение Комиссии от 30 мая 2002 г. относительно Технической спецификации по взаимодействию
  2. ^ Цирке, Ханс-Йоахим. "Сравнение улучшений должно учитывать разницу в скоростях на кривых" . Получено 10 апреля 2008 г.
  3. ^ "Север-Юг – стратегия роста Инвестиции Крейвена в размере 421,6 млн австралийских долларов для коридора Сидней-Брисбен" (PDF) . Ссылки (11). Август 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2009 г. . Получено 22 ноября 2012 г. Будет проведена замена бетонных шпал на всех кривых радиусом менее 810 метров с использованием около 220 000 шпал для увеличения дефицита наружного рельса и виража, что позволит увеличить скорость поездов и еще больше сократить время в пути.
  4. ^ ""СТУЧАЮЩИЕ" РЕЛЬСЫ". The Queenslander . 7 февраля 1925 г. стр. 9. Получено 20 ноября 2011 г. – через Национальную библиотеку Австралии.
  5. ^ Радлауэр, Эд (1973), Motorcyclopedia, Bowmar, стр. 46, ISBN 9780837208855, Поворот вне прогиба: Поворот вне прогиба является противоположностью повороту с наклоном. Он ниже снаружи поворота, чем внутри.
  6. ^ Бентли, Росс (1998). Секреты скорости. Motorbooks. стр. 78. ISBN 978-0760305188.
  7. Майк Спинелли (26 июля 2013 г.), «Самые быстрые повороты в Моспорте — это повороты с отклонением от уклона, спуски и слепые», /Drive , архивировано из оригинала 12 октября 2015 г.
  8. ^ Фрэнк Страуз, «Шоссе штата 112 – Вашингтон», Motorcycleroads.us , Screaming Eagle Web Solutions, Крутые повороты и несколько крутых поворотов делают эту дорогу восхитительной.
  9. ^ Люк Макмиллан (6 сентября 2011 г.), «Рациональный подход к проектированию трасс для гоночных игр», Gamasutra
  10. ^ Кентон Кох (2013), «Кентон Кох о вождении на технических поворотах», Mazdaspeed Motorsports Development , Mazda North American Operations, архивировано из оригинала 2016-03-04 , извлечено 2014-11-27 , Повороты с отклонением от оси: эти повороты — самые сложные повороты, с которыми вам придется столкнуться...
  11. Ван Валкенберг, Пол (октябрь 1983 г.), «Что на самом деле там?», Road & Track , 35 : 67–69 , Riverside International Raceway — хороший пример трассы, на которой нет изолированных поворотов, описанных в учебниках: каждый поворот либо объединен с другим, либо наклонен, имеет уклон, поднимается или опускается.
  12. Darryl Cannon (25 сентября 2012 г.), «Deals Gap Revealed—Tail of the Dragon», Super Streetbike , архивировано из оригинала 24 февраля 2020 г. , извлечено 26 ноября 2014 г. , [Один из] двух худших поворотов — «Guardrail cliff», резкий левый скос...
  13. ^ Скот Дж. Марбургер (2011), Лучшие дороги для мотоциклистов: Глубокий Юг, Gunsmoke Engineering
  14. Грег Харрисон (июль 2001 г.), «Езда по дорогам, похожим на американские горки, по следам истории», American Motorcyclist : 31–32 , [Он] предлагает все типы поворотов — крутые повороты с небольшим уклоном, свип-впадины и эссе, которые заставляют меня перебираться с одной стороны мотоцикла на другую, пока моя нога ищет нужную передачу.
  15. ^ Миллер, Роберт Х. (2010) [1997]. "PA125 – Рептильный тур по лучшей дороге Пенсильвании". В Backroad Bob; Роберт Х. Миллер (ред.). Мотоциклетные дорожные путешествия (т. 14) Дороги и придорожные дома – гастрономический тур. т. 14. стр. 4. ISBN 9781452460512. Трасса, которая петляет по шести горным перевалам, меняет высоту на тысячу футов, не давая покоя уменьшающимся радиусом, крутым поворотам, слепым и крутым поворотам.
  16. ^ Джон Пирли Хаффман (28 июня 2013 г.), «10 лучших автопутешествий на Четвертое июля: великолепные места и великолепные дороги, по которым можно туда добраться», Edmunds.com , Маршрут 33 включает в себя все. Он проходит через горы Санта-Инес и ныряет в долину Куяма неумолимо интересными способами. Это включает в себя перепады высот в середине поворота, внепрогибные шпильки, суживающиеся радиусные свиперы и прямые, достаточно длинные, чтобы достичь предельной скорости. Это 72 мили чистого развлечения.
  17. ^ Лучшие в мире маршруты для мотоциклистов, MCE Insurance
  18. ^ «Прохождение поворотов вне прогиба на подъеме с Эндрю Шортом – Профессиональные секреты – Журнал Dirt Rider», Dirt Rider , 21 июля 2009 г.
  19. ^ Продвинутые методы езды на горном велосипеде с прогибом
  20. ^ Стив Гилл; Робин Китчин; Грег Минаар (2001). Полное руководство по горному велосипеду. Globe Pequot. стр. 57. ISBN 9781585743032.[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  21. Эндрю Тревитт (3 октября 2011 г.), «Серия о навыках езды: прогиб и подъем — использование обоих факторов в своих интересах», Sport Rider

Дальнейшее чтение

  • Босворт, Брайан; Сандерс, Майкл (2003). Destination Highways: Washington. Ванкувер, Британская Колумбия: Twisted Edge Publishing. ISBN 978-0968432815.— учитывает развал при оценке проектирования дорог, один из шести числовых факторов, смоделированных для определения желательности для мотопутешествий
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cant_(road_and_rail)&oldid=1260081336"