火車運(yùn)行與維護(hù)中的力學(xué)現(xiàn)象分析

齊哲

山東泰安英雄山中學(xué)

火車運(yùn)行與維護(hù)中的力學(xué)現(xiàn)象分析

齊哲

山東泰安英雄山中學(xué)

作為人類歷史上具有劃時(shí)代意義的機(jī)械交通工具，火車為人類文明的進(jìn)步起了重要的推動(dòng)作用。鐵路列車，俗稱火車，從外形來看，它由數(shù)量不等的一節(jié)節(jié)車廂和車頭連接而成，從行駛方式來看，它只能在鐵軌上奔馳。一百多年來，火車縮短了城市與城市間的距離，擴(kuò)大了人們的出行圈子，拉動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。本文主要從物理力學(xué)角度對(duì)火車運(yùn)行與維護(hù)做一些簡(jiǎn)要的剖析,以加深學(xué)生對(duì)鐵路這個(gè)車-線-網(wǎng)-氣流體系中涉及到的力學(xué)問題的理解。

火車運(yùn)行；火車維護(hù)；力學(xué)現(xiàn)象；分析

清朝末年，蒸汽機(jī)車進(jìn)入中國(guó)，1881年中國(guó)工人成功試制第一臺(tái)0-3-0型的蒸汽機(jī)車，一百三十年后，在中華大地上，世界最長(zhǎng)的京滬高鐵橫空出世，百年光景見證了中國(guó)火車發(fā)展的輝煌。不斷在提速的列車，使人們的生產(chǎn)、生活發(fā)生了日新月異的變化，可以說在經(jīng)濟(jì)騰飛的過程中，火車這一重要交通工具功不可沒，然而，不可否認(rèn)的是火車也存在著不小的安全隱患，粗略算來，列車車身的自重加上乘客、貨物的分量，通常高達(dá)千余噸甚至是數(shù)千噸，在列車高速運(yùn)行時(shí)，鐵軌一旦被發(fā)現(xiàn)異常狀況，往往剎車制動(dòng)會(huì)不及時(shí)。在生活中，我們常常會(huì)感覺到火車在啟動(dòng)時(shí)會(huì)先倒一下，再慢慢向前走；火車運(yùn)行時(shí)如果速度降低即制動(dòng)，人的身體會(huì)不自覺的傾斜；火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度會(huì)被調(diào)節(jié)，這些現(xiàn)象中蘊(yùn)含著什么樣的物理原理呢，接下來我們就逐一分析一下。

一、火車啟動(dòng)

相信很多人都乘坐過火車，一般在火車啟動(dòng)的時(shí)候能聽到“咣當(dāng)”的響聲，它的聲音源就是啟動(dòng)時(shí)車廂之間的掛鉤相互碰撞。火車在啟動(dòng)時(shí)總是先倒一下，再向前走，接下來我們就分析一下這個(gè)現(xiàn)象所蘊(yùn)含的力學(xué)原理。火車在靜止?fàn)顟B(tài)下受力比較簡(jiǎn)單只有一個(gè)支撐力和重力。那么列車想要啟動(dòng)向前走，就必須克服鐵軌對(duì)車身的摩擦力，摩擦力又與火車重量有關(guān)系。一般來說，火車停下時(shí)，每一節(jié)的車廂和車廂之間掛鉤是緊繃的，火車頭產(chǎn)生的牽引力要足夠達(dá)到能夠克服軌道對(duì)整列火車所有車身的最大靜摩擦力才可以。車身幾千噸的重量，其最大靜摩擦力也是超大的，整體牽引起來比較困難。先倒一下車，使得車廂之間的距離稍微縮短一下，各個(gè)車廂之間的掛鉤由緊繃變成松弛的，這樣火車再往前開的時(shí)候，車廂是一節(jié)一節(jié)被拉動(dòng)的。即火車頭率先帶動(dòng)第一節(jié)車廂，只要牽引力足夠拉動(dòng)第一節(jié)車廂車身的最大靜摩擦力就行了；第二節(jié)車廂被啟動(dòng)時(shí)，牽引力需要克服的是第二節(jié)車廂車身的最大靜摩擦力和第一節(jié)車廂向前滾動(dòng)時(shí)的一個(gè)滾動(dòng)摩擦力，我們知道，滾動(dòng)摩擦的系數(shù)與靜摩擦的悉數(shù)相比微不足道，也就是說，克服每一節(jié)車廂動(dòng)起來后的滾動(dòng)摩擦力所需要的牽引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于克服所有車廂的最大靜摩擦力所需要的牽引力。因此，先向后倒一下車，火車更容易開出。

二、火車制動(dòng)

火車制動(dòng)，簡(jiǎn)單講就是制止火車?yán)^續(xù)前進(jìn)，包括減速、停車、不加速等運(yùn)行狀態(tài)。火車的制動(dòng)設(shè)備就是人們常說的車閘，火車的閘由機(jī)車和車輛制動(dòng)裝置共同組成，機(jī)車制動(dòng)裝置用來操縱整個(gè)列車的多節(jié)車廂。還有另一個(gè)概念就是制動(dòng)距離，制動(dòng)距離就是從開始制動(dòng)算起一直到火車完全停止所駛過的距離。制動(dòng)距離是反映火車安全性能和制動(dòng)效能的關(guān)鍵性指標(biāo)。火車本身車身的重量相當(dāng)大，再加上火車的運(yùn)行速度快，這都限制著火車制動(dòng)技術(shù)的提升。火車的制動(dòng)靠風(fēng)，火車的風(fēng)是靠裝在機(jī)車內(nèi)的空氣壓縮機(jī)來產(chǎn)生的,貯存在機(jī)車的總風(fēng)缸內(nèi),然后由均衡風(fēng)缸均壓,一般為600KPa,這些風(fēng)由總風(fēng)管傳遞到各個(gè)車廂,總風(fēng)管就在每?jī)晒?jié)車廂連接處,在車鉤的旁邊,當(dāng)火車剎車的時(shí)候,司機(jī)打開制動(dòng)閥,風(fēng)就從這根管子里壓到各車廂的制動(dòng)缸里,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),活塞是和制動(dòng)的閘瓦連在一起的,所以閘瓦就緊緊地抱住車輪,從而使火車停下來。火車沒有方向盤的，也沒有擋位。火車上控制速度的是手柄，它控制的是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)再驅(qū)動(dòng)輪子上的電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪。如果用機(jī)械變速是沒有什么金屬可以承受的住這么大的扭矩。所以火車沒有變速箱，火車的方向是軌道控制，軌道由調(diào)度控制。

三、火車轉(zhuǎn)彎

在物理課本上介紹生活中的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，教材把火車在拐彎時(shí)，車身所需要的向心力總結(jié)成了輪緣對(duì)車身的彈力，我認(rèn)為，這應(yīng)該是簡(jiǎn)化分析的結(jié)果，它忽略了軌道和車輪之間的動(dòng)摩擦因數(shù)是變化的這樣一個(gè)客觀事實(shí)。當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果速度很大，輪緣會(huì)擠壓外軌，但是如果火車用很小的速度轉(zhuǎn)過彎道，受輪緣擠壓的應(yīng)該是內(nèi)軌。還有另一種情況，速度在某一區(qū)間內(nèi)，即剛好使受擠壓的軌道由內(nèi)軌向外軌過渡的臨界點(diǎn)，靜摩擦力也會(huì)在火車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候提供向心力，此時(shí)，軌道對(duì)輪緣沒有擠壓力。在分析過程中，我們應(yīng)該將火車轉(zhuǎn)彎問題按照軌道進(jìn)行分類，一類是火車在水平彎道上的拐彎，還有一類是火車在傾斜的軌道上完成拐彎動(dòng)作。

這些就是我總結(jié)出的一些簡(jiǎn)單的火車運(yùn)行和維護(hù)中的力學(xué)現(xiàn)象，在對(duì)這些想象進(jìn)行分析的過程中，我更深刻地理解了力學(xué)的許多概念和原理，同時(shí)，也學(xué)會(huì)了怎樣去將日常所學(xué)與生活實(shí)際相聯(lián)系，更被物理這門學(xué)科深深地吸引。現(xiàn)實(shí)生活中還蘊(yùn)含著許多類似的案例，我們要學(xué)會(huì)透過現(xiàn)象去研究本質(zhì)，向物理學(xué)家們學(xué)習(xí)，不斷地積累自己的本領(lǐng)，將來為社會(huì)貢獻(xiàn)更多的力量。

[1]史會(huì).火車“咣當(dāng)”噪聲的力學(xué)分析及消除方法[J].商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,（05）:65-67.

[2]張霞,康鵬桂,周克媛,曹曉俊,韓遠(yuǎn)飛.火車車輪噴砂機(jī)自動(dòng)夾持器圓柱凸輪有限元模態(tài)分析[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2016, 03:90-92.

齊哲，女，年齡17歲，山東泰安英雄山中學(xué)學(xué)生，從小酷愛鉆研，對(duì)數(shù)學(xué)物理很感興趣，同時(shí)愛好廣泛，書法10級(jí)，笛子七級(jí)，吉他七級(jí)，高中階段，文化成績(jī)名列級(jí)部前茅，并擔(dān)任班級(jí)文娛委員和物理課代表。