FoodPro Preloader

Fysikken av katastrofe: En undersøkelse av togsporinger [utdrag]


Fra togvrak, Forensikken til jernbane katastrofer , av George Bibel. Copyright © Johns Hopkins University Press, 2012. Tro det eller ei, det er mulig å spore et tog ved å gå for sakte mer om det senere. For fort på en kurve I 1947 forlot en Pennsylvania Railroad passasjer tog med 2 steam lokomotiver og 14 biler Pittsburgh klokken 01:05 bundet til New York City. Tog

Fra togvrak, Forensikken til jernbane katastrofer , av George Bibel. Copyright © Johns Hopkins University Press, 2012.

Tro det eller ei, det er mulig å spore et tog ved å gå for sakte mer om det senere.

For fort på en kurve

I 1947 forlot en Pennsylvania Railroad passasjer tog med 2 steam lokomotiver og 14 biler Pittsburgh klokken 01:05 bundet til New York City. Toget hadde nettopp kommet ned en bratt 1, 73% klasse da den var overstyrt på en skarp 8, 5-graders kurve (375 m) på 3:20. Hastighetsgrensen nedoverbakke var 35 mph (56 km / t) ) og 30 mph (48 km / t) på kurven. Instruksjoner krevde togpersonalet å teste bremsene sine 2 km (3, 2 km) før kurven.

De 2 lokomotivene drev ned en 92 fot (28 m) bredd med 5 biler festet. Ti av de 14 bilene avsporet. 24 personer ble drept. Etterforskerne konkluderte med at overskytende hastighet forårsaket at toget slår seg på kurven. Vekselshastigheten ble beregnet til å være 65 mph (105 km / t). Andre steder i nyheten samme dag som ulykken, rapporterte Pennsylvania Railroad, den største jernbanen i Amerika, driftstap for året 1946-deres første gang. Hastende tog som vrir på en kurve, skjedde også i California i 1956 (drepte 30) og i Virginia i 1978 (drepte 6).

Inertial belastning

Alle vet, eller tror de vet, hvilken sentrifugalkraft er. Det er fenomenet som passerer mot bildekselet på en kurve, kraften som holder vannet i bøtte når det svinges raskt nok overhead, og kraften som sporer tog på en kurve. Men sentrifugalkraft kan være en kilde til mye forvirring fordi det ikke er en kraft i tradisjonell forstand. Sentrifugalkraft er en inertial effekt som oppstår når en kropp i bevegelse endrer retning, som i hvert av eksemplene ovenfor.

Per Isaac Newton har en kropp i bevegelse en tendens til å holde seg i bevegelse. Hvis vi på en eller annen måte kunne eliminere tyngdekraften og luftmotstanden, ville en ball kastet rett opp, fortsette rett opp for alltid. Det krever ytterligere kraft for å endre rettlinjebevegelsen til ballen og å flytte et tog rundt en kurve.

Inerti, egenskapen til materie som motstår endringer i bevegelse, er lettest forklart ved å akselerere i en heis. Hvis en person på 100 lb (0, 44 kN) står på en skala i en heis akselerert opp, viser skalaen noe høyere enn 100 lbs. Hvis heisen akselererer ned, leser skalaen noe mindre enn 100 kg. Hvis heisen akselererer opp til 16 ft / sek 2 eller en halv normal akselerasjon av tyngdekraften, vil skalaen lese 150 pund (0, 66 kN). Den ekstra 50 lbs (0, 22 kN) er fra kroppens motstandsdyktig akselerasjon.

Når en kropp akselererer, eller endrer hastighet, blir akselerasjonen ledsaget av en kraft. I følge Newtons andre lov, fm × a. Kroppens treghet (m × a) er ikke en kraft, selv om den virker på skalaen som en kraft. Den ekstra 50 lb-lesingen på skalaen er 100 pund personens motstand mot å akselerere opp 16 ft / sek 2 (4.9 m / s 2 ) -personens inerti.

Inerti virker alltid i motsatt retning av akselerasjonen. I tilfelle av heisen akselererer personen opp og trangresponsen virker ned og registreres av skalaen. En lignende ting skjer i sirkulær bevegelse. Sirkulær bevegelse med konstant hastighet skaper en akselerasjon som peker mot rotasjonssenteret.

Vi har en tendens til å tenke på akselerasjon som en endring i fart (se kapittel 4). Hastighet er faktisk en vektor med både retning og størrelse. (Hastighetsvektorens størrelse er også kjent som hastighet.) Enhver endring i

Figur 7.1

hastighetsvektoren, det være seg en hastighetsendring eller en retningsendring, krever en kraft for å skape forandringen.

Tenk på en ball som ruller langs en rett linje. Man kan stadig trykke ballen med en pinne og tvinge den til å bevege seg i en sirkulær bane. Tappekraften, som alltid peker mot midten, endrer ballens hastighetsvektors retning. Bollen beveger seg med konstant fart, men skifter retning; ballen sies å akselerere mot sentrum av sirkelen.

Vurder en 1-lb (0, 45 kg) blokk som roterer på enden av en 4 fot (1, 2 m) streng i et horisontalt plan med en konstant hastighet på 20 ft / sek (6 m / s). Hastighetsvektorens retning, alltid vinkelrett på strengen, endrer seg kontinuerlig og skaper akselerasjon mot rotasjonssenteret (figur 7.1).

Accelerasjon for sirkulær bevegelse er lik hastigheten kvadrert dividert med radiusen til sirkelen, eller 100 ft / sek 2 (30, 5 m / s 2 ). Per Newtons lov må strengen utøve en kraft på blokken som er lik m × a, eller en kraft på 13, 8 N mot rotasjonssenteret. (Husk at for riktig beregning av fm × a må vekten konverteres til en masse ved å dividere ved akselerasjon av tyngdekraften-32, 2 ft / sek 2. ) Kraften strengen utøver på blokken kalles centripetal, eller senter-søker, kraft. Blokken utøver en treghetsbelastning på strengen og holder den tett. Den såkalte sentrifugalkraften er ikke en styrke; Det er blokkens inertial motstand mot centripetal akselerasjon. 1-lb (0, 45 kg) blokk motstår akselerasjonen påført strengen akkurat som personen i heisen

Figur 7.2.

motstår oppadgående akselerasjon. Betegnelsen sentrifugalkraft er feil. Vi bruker termen sentrifugal inertiell belastning. Men selvfølgelig føles den såkalte sentrifugalkraften som en kraft når den holdes på strengen festet til rotasjonsblokken.

Et lokomotiv som beveger seg rundt en kurve, ligner en roterende blokk på enden av en streng. Begge opplever akselerasjon mot rotasjonssenteret. Trinnbelastningen holder strengen stram og skaper en lateral kraft på lokomotivet på hjulene. Laterale krefter mellom hjulene og skinnen må reagere mot sentrifugal inertial lasting for å holde toget på sporene.

Hvis den sentrifugale inertialbelastningen er for stor, begynner lokomotivet å tippe. Angrepet på hjulets fangst på skinnen og lokomotivet begynner å rotere, som vist i figur 7.2. Faktisk er det derfor angivelsene er på innsiden av hjulene. Hvis angivelsene var på utsiden, ville den minste biten av hjulløft skyve lokomotivet av sporene.

I 1947 Pennsylvania Railroad overturning ulykken veide lokomotivet 320.000 lbs (145.150 kg). Den sentrifugale inertialbelastningen av lokomotivet beveger seg ved en hastighet på 675 fot (206 m) ved 88 ft / sek (60 mph [97 km / h]):

Horrible number photo

Den sentrifugale inertialbelastningen prøver å tippe lokomotivet klokvis om dreiepunktet (bunnen av det høyre hjulet). Denne rotasjonen motvirkes av lokomotivets vekt (som også virker gjennom tyngdepunktet), som forsøker å rotere lokomotivet mot urviseren.

Lokomotivets vekt og inertialbelastning utøver både et moment. Et dreiemoment er en vridningskraft påført enden av en håndarm som forsøker å stramme en mutter. En 10-lb (44, 5-N) kraft på enden av en 9-tommer (23 cm) langnøkkel utøver et dreiemoment på 10 × 9 = 90 tommers dreiemoment (10 Nm).

Pennsylvania-lokomotivet hadde tyngdepunkt 80 tommer (2 m) over skinnen. Den sentrifugale inertialbelastningen forsøker å rotere lokomotivet med et urvisende dreiemoment som er 114 000 lbs × 80 tommer, mer enn 9 millioner tonn pund (6, 3 × 106 Nm).

Håndtaket for lokomotivets vekt er halvveis mellom skinnene, eller 28 tommer (0, 7 m). Vridmomentet fra lokomotivets vekt som forsøker å motstå omdrejningsmomentet fra den sentrifugale inertialbelastningen, er lik 320.000 lbs × 28 inches-nesten 9 millioner tomme lbs moment.

Dreiemomentet som prøver å slå lokomotivet om, er litt større enn dreiemomentet fra lokomotivets vekt mot det vridende momentet. Lokomotivet er bare begynt å veksle ved 60 mph (97 km / t).

høyde

Ytre skinnen på en kurve er vanligvis høyere enn innsiden av skinnen. Høyden til utvendig skinne i forhold til innsiden av skinnen kalles overlevelse.

En hevet utvendig skinne roterer et lokomotiv mot klokka og hjelper til med å rotere med urviseren fra den sentrifugale inertiallastingen, minst en liten bit. Faktisk, hvis bilen er laget topp tung og det høyre hjulet løftes nok (selv ved null mph), til slutt, tipset bilen over mot klokken. Bilen tipper over på null mph når vektbelastningen peker utenfor den indre skinnen, som vist i figur 7.3.

Figur 7.3

I 1947 konkluderte undersøkerne med at lokomotivet ville slå på kurven (med ytre skinne hevet eller overlegen 3, 5 tommer ved 105 km / t).

Amtrak s 150 mph (241 km / t) Acela skaper sin egen bankvinkel ved å vippe opp til 4, 2 grader. Hvis Acela opererer på en kurve hvis utvendig skinne er oppet 5 cm (5 cm), kan Acela farten som om den er på en kurve som er hevet ytterligere 7 tommer (17, 8 cm) høyere - for en totalt super -elevasjon på 9 tommer (22, 9 cm).

Tiltingstog er langt mer komplisert og ikke det første valget av jernbanevirksomheter. Det er lettere å betjene på nyutviklede kurver med større radius. Selvfølgelig tar kurver med større radius opp mer eiendomsdifferanse å gjøre i eldre, bygde nabolag.

For fort på en turnout

Mindre vanlig er å bevege seg for fort på en turnout. Ved en utvei krysser sporet over med skarpe svinger for å slå seg sammen på et parallelt spor. Ingeniøren må bremse toget for å slå ut eller risikere vending. Bare en slik ulykke skjedde i 1951 i New Jersey og drepte 84.

Byggingen av New Jersey Turnpike krevde å flytte togsporene 60 fot (18 m) nord for noen få måneder. Det midlertidige sporet var ca. 8500 meter lang og inneholdt en midlertidig trebøtte på 57 fot (17, 4 m) forankret i begge ender av massive betongbelegg. Bøylen var også en del av turnouten, en 121-fots (36, 9-m) lang kurve med en radius på ca. 1100 meter (335 m).

Hastighetsgrensen på hovedbanen var 65 mph (105 km / t). Det midlertidige sporet trådte i drift for første gang klokken 1 på ulykkesdagen 6. februar 1951. Hastighetsgrensen på turnouts og midlertidig spor var 25 km / t.

Rushtiden tog med 11 biler var spesielt overfylt med ca 1000 passasjerer, mange stående. Lokomotivet og de første syv bilene avsporet. Den tredje og fjerde bilen var den mest skadede. Disse to bilene slo betongbjelken (banket av en stor hunk) og falt ned på 25 fot (7, 6 m) dyp. Den tredje bilen krasjet på sin side, senterets brønn brøt, og taket og begge sider ble skadet sterkt. Høyre side av den fjerde bilen ble revet opp hele lengden. Etterforskerne konkluderte med at lokomotivets fart oversteg den beregnede omdrejningshastigheten på 76 km / h.

For fort på en kurve er det på ingen måte et foreldet problem. I en nesten identisk ulykke i Chicago den 17. september 2005 gikk et pendeltog av sporene ved en turnout og drepte to. Ingeniøren savnet signalet for å senke fra 70 til 10 mph (113 til 16 km / t).

For fort på en kurve bør det forhindres i fremtiden av Positiv Togstyring (se kapittel 6).

Derailing på kurver

Før turtallet er oppnådd, er det langt mer sannsynlig at en langsom, tung godstog sporer seg på en kurve ved hjelp av jernbaneovergang, bred gage eller hjulstigning (figur 7.4).

Sporene beveger seg hele tiden (og blir kontinuerlig justert) på grunn av oppgjør og togstyrker (Figur 7.5). Sporetakene hindrer ikke skinnene i å svinge, men hindrer dem i å spre seg. Jernbanekryssing forstyrres av nedadgående hjulstyrker. Hvis tverrbåndene er ruttet, kan tregning på kurver utvide skinnene.

Standarder er etablert for maksimal avstand mellom skinner (gage),

Figur 7.4 og 7.5

Maksimal dyp i hver skinne (prole), og maksimal avvik fra straightness (justering). Høyere klasser av spor krever strammere krav for å operere trygt ved høyere hastigheter. For eksempel er godstog begrenset til 40 mph (64 km / t) på klasse 3-spor og 60 mph (97 km / t) på klasse 4-spor. (Sporklassene er omtalt i kapittel 11.) Selv om spor geometri i dag måles automatisk med høyhastighetsbiler ved hjelp av lasersensorer, er standardene basert på lavteknologiske metoder for måling av avviket fra en 18 fot (18, 8 m) strengen trakk stramt. Hver 18, 2 meter (18, 8 m) klasse 3-spor kan avvike opptil 1, 5 tommer (3, 8 cm) fra rett og dyppe opp til 2, 25 tommer (5, 7 cm). Acela opererer på 150 mph (241 km / t) på klasse 8 spor. Hver 31 fot (9, 4 m) i klasse 8-banen kan avvike opptil 0, 5 tommer (1, 27 cm) fra rett og dyppe opp til 1 tommer (2, 54 cm).

Klasse 8 spor geometri er sjekket hver 30. dag. Faktisk, da Amtrak forbereder seg på å operere Acela ved 150 km / h, kjørte Amtraks sjefingeniør av vedlikehold, direktøren for spor geometri, og mange andre geometrien bilen hver annen uke i flere måneder. De betraktet det som en bonding opplevelse.

Operatørene vil også rapportere et ujevnt eller skiftet spor som det oppstår. For alle tog som opererer over 125 km / t, har minst ett tog per dag sensorer til å måle, kvantifisere og registrere plasseringen av et ujevnt spor.

Betong, i stedet for tre, brukes til bånd på klasse 8 spor. Betongen er mindre utsatt for skifting og vannskade. I minst en gang årlig kontrolleres klasse 8-sporstabilitet med en spesiell bil som laster skinnen sidelengs med en kraft på 44, 5 kN. Klass 8-spor er også inspisert to ganger i året med ultralydssensorer for interne tretthetssprett.

L / v forhold

Tendensen til sporing er ofte beskrevet ved L / V-forholdet, hvor L er sidekraften og V er den vertikale kraften på hjulbane-grensesnittet, som vist i Figur 7.6. Jo høyere L / V-forholdet er, jo mer sannsynlig er bilen å spore.

Det er grove retningslinjer for L / V-grenser. Hjulkreft kan oppstå hvis:

Figur 7.6

L / V større enn 1 for nye fraktbiler med nye hjul på nytt, rett spor

L / V større enn 0, 82 kan være ustabil på kurver

L / V større enn 0, 75 kan være ustabil for slitte hjul og slitasje

L / V større enn 0, 68 kan reversere en dårlig begrenset skinne

Rails mellomrom for tett sammen kan også oppmuntre hjulstigning.

De angitte L / V-forholdene er bare tommelfingerregler, ikke stive prediktorer. Det er mange andre faktorer som interagerer, for eksempel tilstanden til lastebiler, skinner og hjul, og hvorvidt billegemet hopper på suspensjonen eller ikke.

L / V-forholdet kan også variere sterkt som hjul og skinne slitasje og som kontaktstedet endres. En slitt skinne på utsiden av en kurve er

Figur 7.7

vist i figur 7.7. Et annet slitemønster er vist i Figur 6.1 i kapittel 6.Acela Class 8-spor må kontrolleres årlig med en instrumentbil som måler L / V-forholdene. Spesielle lastfølere er på lastebilrammen og på bilens øre. Hvis L / V-forholdet overstiger 0, 6, må hastigheten reduseres til reparasjoner er gjort.

12 Must-See Skywatching-arrangementer i 2012Jordens CO2 kunne spike til et nivå ikke sett siden dinosaureneHorror of Horror: Lusitania Sunk;  Giftgass på slagmarkenEPA beveger seg til å kutte metanlekkasje fra olje og gassSolsystemets måler kan ha oppstått av langvarige planetariske ringerSjeldne FlareBali Volcano: Indonesia Bestiller Umiddelbar Evakuering som Høyest Alert UtgittZoo Illogisk: Ugly Animals trenger beskyttelse mot utryddelse, også