Кіріспе

Дене бір бетке домалағанда қозғалысқа қарсы тұратын күш. Домалау кедергісі, кейде домалау сүргісі немесе домалау созылуы деп аталады, бұл дене (мысалы, доп, дөңгелек немесе тегершік) бір бетке домалағанда қозғалысқа қарсы тұратын күш. Ол негізінен серпімді емес әсерлерден туындайды; яғни, дөңгелектің, жол төсемінің және т.б. деформациясына (немесе қозғалысына) қажетті барлық энергия қысым алынғанда толыққанды қалпына келтірілмейді. Мұның екі түрі – гистерезис жоғалтулары (төменде қараңыз) және нысанның немесе беттің тұрақты (пластикалық) деформациясы (мысалы, топырақ). Дөңгелек пен бет арасындағы сырғанау энергияның ысырап болуына да себеп болатынын ескеріңіз. Кейбір зерттеушілер бұл құбылысты домалау кедергісіне жатқызса, енді біреулері бұл ысырап болуын домалау кедергісінен бөлек қарастыру керек деп санайды, өйткені ол дөңгелекке қолданылатын айналу моментіне және дөңгелек пен жер арасындағы сырғанауға байланысты, бұл сырғанау жоғалтуы немесе сырғанау кедергісі деп аталады. Сонымен қатар, сырғанауға төзімділікке ғана сүргіш күштер әсер етеді, сондықтан "домалау сүргісі" деген атау толыққанды дұрыс емес. Сығу сүргісіне ұқсас, домалау кедергісі көбінесе нормальдық күшке көбейтілген коэффициент ретінде беріледі. Бұл домалауға қарсылық коэффициенті әдетте сығу сүргісінің коэффициентінен әлдеқайда төмен болады. Кез келген домалап жүретін көлік, соның ішінде подшиниктердің кедергісінен де, бірте-бірте баяулайды, бірақ темір жол дөңгелектерімен темір жол бойымен жүретін вагон, асфальтта жүретін резеңке дөңгелектері бар автобустан гөрі ұзаққа дейін домалайды. Домалау кедергісіне әсер ететін факторлар – дөңгелектің деформациясы, жол төсемінің деформациясы және бет астындағы қозғалыс. Қосымша факторларға дөңгелек диаметрі, дөңгелекке түсетін жүктеме, беттік жабысу, сырғанау және жанасқан беттер арасындағы салыстырмалы микро сырғанау жатады. Гистерезистен туындайтын жоғалтулар да дөңгелектің немесе тегершіктің және беттің материалдық қасиеттеріне күшті түрде байланысты. Мысалы, резеңке дөңгелек тоспаланған жолда темір жол дөңгелегіне қарағанда көбірек домалау кедергісіне ие болады. Сондай-ақ, құм бетоннан гөрі көбірек домалау кедергісін тудырады. Домалауға қарсылық коэффициенті жылдамдыққа тәуелді емес.

Анықтамалар

Кең мағынада, көлік құралдары үшін "дөңгелек кедергісі" – бұл көлік құралының бірлік салмағына шаққанда, аэродинамикалық кедергі (ауа кедергісі) еленбейтін және сүйреу (мотор) күштері немесе тежегіштер қолданылмаған кезде, көлік құралын тұрақты, төмен жылдамдықпен тегіс жерде қоздыруға қажетті күш. Басқаша айтқанда, егер тұрақты жылдамдықты сақтау үшін күш болмаса, көлік инерциямен қозғалар еді. Бұл кең мағынаға дөңгелек арқалықтарының кедергісі, жол және көлік құралының дірілдеуі мен тербелісінен таралатын энергия, сондай-ақ дөңгелектің жолдың бетінде (көше немесе рельс) сырғанауы кіреді. Бірақ, одан да кең мағынасы бар, ол қозғалтқыштан берілетін моментке байланысты дөңгелектердің сырғанауынан туындайтын энергияны да қамтиды. Бұл, дөңгелектің жанама жылдамдығы сырғанау салдарынан көлік жылдамдығынан асып кеткенде, қажетті қуаттың артуын білдіреді. Өйткені қуат – күш пен жылдамдықтың көбейтіндісіне тең, ал дөңгелек жылдамдығы артқандықтан, қажетті қуат та сәйкесінше артады. Пойыздың таза "дөңгелек кедергісі" – дөңгелек пен жолдың жанасуы кезіндегі деформация мен мүмкін болатын шағын сырғанаудан туындайтын кедергі. Ал резеңке дөңгелек үшін энергияның ұқсас жоғалуы бүкіл дөңгелек бойында болады, бірақ бәрібір ол "дөңгелек кедергісі" деп аталады. Кең мағынада "дөңгелек кедергісі" дөңгелек арқалықтарының кедергісін, жол төсенішінің (және астындағы жердің) және көліктің өзінің дірілдеуінен, дөңгелектің сырғанауынан, жолмен рельстің байланысынан энергия жоғалтуды қамтиды. Теміржол оқулықтарында осы кедергі күштерінің барлығы келтірілген сияқты, бірақ олардың қосындысын "дөңгелек кедергісі" (кең мағынада) деп атамайды, бұл мақаладағыдай. Олар барлық кедергі күштерін (аэродинамикалық кедергіні қоса) қосып, қосындыны негізгі пойыз кедергісі (немесе осыған ұқсас) дейді. Теміржолдың кең мағынадағы дөңгелек кедергісі, жай ғана таза дөңгелек кедергісінен бірнеше есе үлкен болуы мүмкін, сондықтан есептелген мәндер "дөңгелек кедергісі" анықтамаларының өзгешелігіне байланысты күрделі қайшылықтарға әкелуі мүмкін. Әрине, пойыздың қозғалтқыштары осы кең мағынадағы дөңгелек кедергісін жеңу үшін энергияны қамтамасыз етуі керек. Шиналар үшін дөңгелек кедергісі – шинаның бірлік қашықтықта жүргенде жұмсалатын энергия. Оны дөңгелек үйкелісі немесе дөңгелек тартылысы деп те атайды. Бұл – жүргізушінің қозғалысына қарсы әрекет ететін күштердің бірі. Мұның басты себебі – шиналар қозғалғанда және бетке тигенде, бет пішінін өзгертіп, шинаның деформациясына себеп болады. Автомобильдер үшін жолдың дірілдеуі, көліктің дірілдеуі және шиналардың сырғанауы энергияны жұмсайды. Бірақ, айналу күшінен және дөңгелек арқалықтарының үйкелісінен туындайтын қосымша қуаттан басқа, таза емес дөңгелек кедергісі зерттелмеген сияқты, мүмкін, резеңке шинаның "таза" дөңгелек кедергісі, ескерілмеген кедергілерден бірнеше есе жоғары болғандықтан.

Пневматикалық шиналар

Қатты асфальт жолға орналасқан пневматикалық шиналар үшін диаметрінің домалақ кедергіге әсері ескереусіз деуге болады (практикалық диаметр диапазоны шегінде).

Барлық дөңгелектер

"Қолданылатын айналым күші" мотормен (көбінесе беріліс арқылы) немесе тежегіштермен (регенеративті тежегіштерді қоса) қолданылатын жүргізу айналым күші немесе тежеу айналым күші болуы мүмкін. Мұндай айналым күштері энергияның ысырап болуына әкеледі (еркін айналатын дөңгелектің негізгі айналым кедергісінен басқа, яғни тайғанау кедергісін ескермей). Бұл қосымша шығынның бір бөлігі дөңгелектің белгілі бір деңгейде сырғанауымен және пневматикалық дөңгелектерде айналым күшінің әсерінен бүйір қабырғаларының иілуімен байланысты. Тайғанау 2% болса, бұл дөңгелектің айналу жылдамдығы көліктің жылдамдығынан 2% артық екенін білдіреді. Аз пайыздық тайғанау негізгі айналым кедергісінен әлдеқайда жоғары тайғанау кедергісін тудыруы мүмкін. Мысалы, пневматикалық дөңгелектерде 5% тайғанау айналым кедергісін 200% дейін арттыруы мүмкін. Көлбеуге көтерілген пойыз үшін бұл тайғанау әдетте 1,5% -дан 2,5% аралығында болады. Тайғанау (кейде «сырғанау» деп те аталады) әдетте тартым күшіне пропорционал. Бірақ тартым күші өте жоғары болса және дөңгелек едәуір сырғана бастаса (жоғарыда айтылған бірнеше пайыздан артық), онда тайғанау тартым күшімен бірге тез өседі және енді сызықтық емес. Тартым күшінің сәл артуы дөңгелектің бақылаусыз айналуына және жабысудың төмендеуіне әкеледі, нәтижесінде дөңгелек одан да жылдам айналады. Бұл – көзбен байқалатын тайғанау түрі, ал тартым үшін 2% тайғанау тек құралдармен анықталады. Мұндай тез тайғанау дөңгелектің қатты тозуына немесе зақымдануына әкелуі мүмкін.

Пневматикалық шиналар

Дөңгелектің қарсылығы қолданылған айналым моментімен бірге күрт өседі. Жоғары айналым моменттерінде, жолға көлік салмағының шамамен жартысына тең тангенциалды күш түсірілгенде, дөңгелектің қарсылығы үш есеге дейін артуы мүмкін (200% өсім). Бұл, ішінара, шамамен 5% сығуға байланысты. Айналым моментінің өсуімен дөңгелектің қарсылығы сызықтық емес, керісінше, айналым моменті жоғарылаған сайын қарқындырақ өседі.

Темір жолдың болат дөңгелектері

Қимылға қарсы кедергі коэффициенті, Crr, дөңгелекке тиетін вагон салмағы артқан сайын күрт төмендейді. Мысалы, бос жүк вагонының Crr көрсеткіші, жүк тиелген вагоннікінен шамамен екі есе жоғары болды (Crr=0,002, ал Crr=0,001). Осыған ұқсас "көлемдік тиімділік" тау-кен вагондарының сынақтарында да көрінеді. Қатты дөңгелектің серпімді жол төсегінде қозғалуының теориялық Crr көрсеткіші, жүктеме түбіріне кері пропорционалды болып табылады.

Пневматикалық шиналар

Пневматикалық шиналар үшін Crr (сыртқы оқшаулау коэффициенті) өзгеру бағыты, шинаға түсетін жүктеме артуымен бірге шинаның қысымын арттыруға байланысты. Егер жүктемеге сәйкес (белгіленбеген) "кесте" бойынша қысым арттырылса, онда жүктеменің 20%-ға артуы Crr-ді 3%-ға төмендетеді. Ал егер қысым өзгертілмесе, жүктемені 20%-ға арттыру Crr-ді 4%-ға арттырады. Әрине, бұл жүктеменің өсуіне байланысты сыртқы оқшаулауға 20%-дық ұлғаюды және Crr-дің өсуіне байланысты 1,2 x 4%-дық қосымша ұлғаюды қамтиды, нәтижесінде сыртқы оқшаулау 24,8%-ға артады.

Жалпы

Көлік құралы (моторлық көлік немесе теміржол пойзы) қисыққа бұрылғанда, дөңгелеуге қарсылық көбінесе артады. Егер қисық бұрылысы центробегтік күшке тең және қарама-қарсы центростремителiк күшпен дәл теңгерілмесе, көлік құралына тепе-теңсiз жаңa күш әсер етедi. Бұл дөңгелеуге қарсылықтың артуына себеп болады. Бұрылыс бұрышы "суперэлевация" немесе "көктеп тұру" деп те аталады (рельс көтерілісімен шатастырмау керек). Теміржолдарда бұл қисық кедергісі деп аталады, ал автомобиль жолдарында бұрылыс кезінде туындайтын дөңгелеуге қарсылық деп аталған (кем дегенде бір рет).

Дыбыс

Дөңгелектеп қозғалу кезінде туындайтын үйкеліс дыбыс (вибрациялық) энергиясын жасайды, себебі механикалық энергия үйкеліс арқасында осы түрге айналады. Дөңгелектеп қозғалудың ең көп кездесетін мысалы – автомобильдердің дөңгелектерінің жолмен қозғалуы, бұл процесте дыбыс қосалқы эффект ретінде пайда болады. Автомобильдер мен жүк көліктерінің дөңгелектерінің қозғалуынан (әсіресе тас жолда жылдамдықпен) туындайтын дыбыстың көп бөлігі дөңгелектердің жолға соғылуынан, сондай-ақ дөңгелектердің арасында уақытша қысылып, кейін босатылатын ауаның қысылуынан туындайды.

Автомобильдер мен пойыздардың дөңгелек кедергілерін салыстыру

Теміржолдың темір дөңгелектерінің темір рельсте домалану кедергісі, автомобиль немесе жүк көлігінің резеңке дөңгелектеріне қарағанда әлдеқайда аз. Пойыздардың салмағы әртүрлі болады; кейбір жағдайларда олар бір жолаушыға немесе таза тонна жүкке шаққанда автомобиль немесе жүк көлігінен әлдеқайда ауыр болуы мүмкін, бірақ басқа жағдайларда олар әлдеқайда жеңіл болуы мүмкін. Мысалы, 1975 жылы Amtrak жолаушылар пойыздарының салмағы бір жолаушыға шаққанда 7 тоннадан сәл артық болды, бұл автомобильдегі бір жолаушыға шаққандағы орташа салмақтан – бір тоннадан сәл артық – әлдеқайда ауыр. Бұл 1975 жылы Amtrak жолаушылар пойызы үшін төменгі домалану кедергісінен күтілген энергия үнемдеуінің көп бөлігі оның үлкен салмағына байланысты жоғалды дегенді білдіреді. Жеңіл, жоғары жылдамдықты жолаушылар пойызының мысалы – N700 сериясындағы Шинкансен, оның салмағы 715 тонна, ал 1323 жолаушыны тасымалдай алады, нәтижесінде бір жолаушыға шаққандағы салмағы шамамен жарты тоннаны құрайды. Жолаушыға шаққандағы салмақтың төмендеуі және теміржолдың темір дөңгелектерінің төменгі домалану кедергісі N700 Шинкансеннің әдеттегі автомобильге қарағанда энергияны тиімдірек пайдалануын қамтамасыз етеді. Жүк тасымалында CSX 2013 жылы жарнамалық кампания жүргізіп, олардың жүк пойыздары "бір галлон отынмен 436 мильдік қашықтықты жүреді" деп мәлімдеді, ал кейбір дереккөздер жүк көліктері бір галлон отынмен шамамен 130 мильдік қашықтықты жүреді деп хабарлайды, бұл пойыздардың жалпы тиімділігі жоғары екенін көрсетеді.