Zjawiska w punkcie styku koło-szyna

Pojazdy kolejowe poruszają się w wyniku toczenia się stalowych kół po szynach. Punkt styku koła i szyny decyduje o właściwościach trakcyjnych pojazdów szynowych.

W ogólnym wyobrażeniu koło toczy się bez poślizgu, co rozmija się z rzeczywistością. Toczenie bez poślizgu to w ujęciu nienaukowym proces ruchu koła po szynie, w którym powierzchnia koła nie ślizga się względem powierzchni szyny. W rzeczywistości taka sytuacja występuje bardzo rzadko. Koło kolejowe praktycznie zawsze toczy się z poślizgiem –bez niego nie byłoby możliwe ani przyspieszanie, ani hamowanie. Należy jednak wyraźnie odróżnić poślizg w skali mikro, który ma miejsce przy przyspieszaniu, i poślizg w skali makro, gdzie skrajne przypadki to buksowanie koła (przy przyspieszaniu) lub jego zablokowanie (przy hamowaniu).

Koło kolejowe porusza się ruchem złożonym. Na ruch ten składa się ruch postępowy –równoległy do szyny, oraz ruch obrotowy –względem osi koła.

Toczenie się koła – ruch obrotowy 1 i ruch postępowy 2.

W trakcie przyspieszania, koło obraca się szybciej, niż by to wynikało z jego ruchu postępowego. W rezultacie, każdy kolejny odcinek koła „odpycha się” od powierzchni szyny, co umożliwia uzyskanie siły napędowej. Jest to możliwe w wyniku tarcia powierzchni obwodowej koła o powierzchnię główki szyny. Jeśli tarcie zanika lub drastycznie maleje, na przykład w wyniku oblodzenia szyny lub pokrycia jej zawilgoconymi liśćmi, to następuje zerwanie kontaktu koła z szyną i koło zaczyna buksować. Zwiększenie siły przyczepności jest możliwe dzięki zastosowaniu piasecznic i podawaniu pod ciśnieniem piasku pod koła napędowe, co pozwala na pokonanie miejscowego oblodzenia.

Przyspieszanie. W trakcie ruchu obrotowego 1 koło obraca się szybciej, niż by wynikało z ruchu postępowego 2, przy toczeniu bez poślizgu. Czerwony wycinek obwodu 3 odpowiada zielonej powierzchni szyny 4, która została pokonana przez koło. W wyniku tarcia pomiędzy kołem a szyną możliwe jest przyspieszanie pojazdu. Koło obraca się w minimalnym stopniu 'ślizgając się’ po szynie.

W pojazdach szynowych starej konstrukcji, z opornikowym układem rozruchowym, nie występowały układu kontroli poślizgu (odpowiedniki samochodowych systemów ABS i ASR). W rezultacie, przy zadaniu siły napędowej nadmiernej w lokalnych warunkach, koła obracały się ze znaczną prędkością, a tramwaj nie przyspieszał. Efekt ten jest bardzo szkodliwy dla silników, gdyż ich uzwojenia przegrzewają się, wypełniając powietrze charakterystycznym swądem palonej miedzi (zjawisko znane z tramwajów Konstal 105Na).

Podobna sytuacja jak w trakcie przyspieszania ma miejsce w trakcie hamowania. Wówczas to poprzez użycie hamulców doprowadza się do sytuacji, w której koło kolejowe obraca się wolniej, niż by to wynikało z jego ruchu postępowego. Każdy kolejny odcinek powierzchni koła „chwyta się”powierzchni szyny, co umożliwia hamowanie. Możliwa do uzyskania siła hamowania zależy od prędkości pojazdu, nacisku na osie, obciążenia pojazdu szynowego, oraz warunków atmosferycznych i stanu powierzchni szyny. W wyniku zadania nadmiernej siły hamowania koła mogą się zablokować. Jest to niepożądane, gdyż powierzchnia styku koła z powierzchnią szyny jest bardzo mała i następuje błyskawiczne wycieranie koła i powstają płaszczyzny. Koło z płaszczyznami dudni i drga, zmniejszając komfort. Niewielkie płaszczyzny ulegają samoistnemu zaobleniu w wyniku zużycia eksploatacyjnego, a duże płaszczyzny wymuszają przetoczenie koła lub jego wymianę.

Opisane zjawiska są przyczyną stosowania systemów przeciwpoślizgowych. W pojazdach z elektropneumatycznymi hamulcami i napędem impulsowym odpowiednie czujniki śledzą prędkość w ruchu postępowym pojazdu i prędkość obrotową kół. Jeśli zostanie wykryty poślizg przy ruszaniu, to ogranicza się wartość siły napędowej (zjawisko to jest łatwe do zaobserwowania w tramwajach PESA 120Na przy szybkim przyspieszaniu na śliskich szynach –charakterystyczne szarpnięcia napędu w trakcie ogólnie płynnego rozruchu). Jeśli zostanie wykryty poślizg przy hamowaniu, to ogranicza się wartość siły hamowania lub uruchamia hamulce szynowe.

Z toczeniem koła związane jest jeszcze jedno ważne zjawisko. Każdy obrót osi wiąże się z tarciem. W jego wyniku mikrowystępy powierzchni koła i szyny zazębiają się, umożliwiając obrót. Bez tarcia koło ślizgałoby się powierzchni szyny, tak jakby była ona oblodzona lub pokryta teflonem czy olejem. W wyniku tarcia każdy mikrowystęp i każde zazębienie poddawane jest obciążeniom i wykrusza się. W wyniku tego następuje ścieranie się powierzchni koła i szyny, przez co koła po pokonaniu dużego przebiegu zmniejszają swoją średnicę i wymagają wymiany. Koła napędowe zużywają się szybciej, ponieważ obracają się z większym poślizgiem przy ruszaniu.