a deraiat British Rail clasa 165 la gara Paddington din Londra. Trenul a trecut peste un set de puncte de capcană care au provocat deraierea. După deraiere, partea din spate a trenului a lovit un stâlp, deteriorând grav partea șoferului a unității de plumb.

deraieri rezultă din una sau mai multe dintr-un număr de cauze distincte; acestea pot fi clasificate ca:

• defectarea mecanică primară a unei componente de cale ferată (de exemplu, șine rupte, ecartament extins din cauza traversei (cravată) eșec)
• defectarea mecanică primară a unei componente a mecanismului de rulare al unui vehicul (de exemplu, eșecul cutiei de axe, ruperea roții)
• o defecțiune în geometria componentelor de cale sau a mecanismului de rulare care are ca rezultat o defecțiune cvasi-statică în funcționare (de exemplu, urcarea pe șină DIN cauza uzurii excesive a roților sau a șinelor, alunecarea terasamentelor)
• un efect dinamic al interacțiunea cale-vehicul (de exemplu vânătoare extremă, săritură verticală, schimbare de cale funcționarea necorespunzătoare a punctelor sau respectarea necorespunzătoare a semnalelor care le protejează (erori de semnal)
• ca eveniment secundar în urma coliziunii cu alte trenuri, vehicule rutiere sau alte obstacole (coliziuni la trecerea la nivel, obstacole pe linie)
• manipularea trenului (frânturi datorate forțelor bruște de tracțiune sau de frânare, denumite acțiune slabă în America de Nord).

o unitate de locomotivă deraiată în Australia într-un punct de captură ascuns de vedere (ianuarie 2007)

șine sparte

o șină ruptă, probabil pornind de la includerea hidrogenului în capul șinei

o structură tradițională a șinei este formată din două șine, fixate la o distanță desemnată (cunoscută sub numele de ecartament de cale) și susținute pe traverse transversale (legături). Unele structuri avansate de cale susțin șinele pe o placă de beton sau asfalt. Suprafața de rulare a șinelor trebuie să fie practic continuă și să aibă un aspect geometric adecvat.

în cazul unei șine rupte sau crăpate, suprafața de rulare a șinei poate fi perturbată dacă o piesă a căzut sau se află într-o locație incorectă sau dacă apare un spațiu mare între secțiunile rămase ale șinei. 170 de șine rupte (nu crăpate) au fost raportate pe Network Rail în Marea Britanie în 2008, în scădere de la un vârf de 988 în 1998/1999.

• în piesa articulată, șinele sunt de obicei conectate cu plăci de pește cu șuruburi (bare de îmbinare). Pânza șinei experimentează forțe mari de forfecare și acestea sunt îmbunătățite în jurul orificiului șurubului. În cazul în care întreținerea pistei este slabă, oboseala metalurgică poate duce la propagarea crăpării stelelor din bolț. În situații extreme, acest lucru poate duce la detașarea unei bucăți triunghiulare de șină la articulație.
• schimbările metalurgice au loc datorită fenomenului de crăpare a colțului ecartamentului (în care microcrackarea oboselii se propagă mai repede decât uzura obișnuită) și, de asemenea, datorită efectelor includerii hidrogenului în timpul procesului de fabricație, ceea ce duce la propagarea fisurilor sub încărcarea oboselii.
• fragilizarea locală a metalului părinte poate avea loc datorită rotirii roților (unitățile de tracțiune care rotesc roțile motrice fără mișcare de-a lungul șinei).
• sudurile de șină (unde secțiunile de șină sunt îmbinate prin sudare) pot eșua din cauza manoperei slabe; acest lucru poate fi declanșat de vreme extrem de rece sau de stresarea necorespunzătoare a șinelor sudate continuu, astfel încât forțele de tracțiune ridicate sunt generate în șine.
• plăcile de pește (bare de îmbinare) din șina articulată pot eșua, permițând șinelor să se desprindă pe vreme extrem de rece; acest lucru este de obicei asociat cu fluajul feroviar necorectat.

deraierea poate avea loc din cauza lărgirii excesive a ecartamentului (uneori cunoscută sub numele de răspândire a drumului), în care traversele sau alte elemente de fixare nu reușesc să mențină ecartamentul adecvat. În pista ușor proiectată, unde șinele sunt înțepate (înclinate) la traversele din lemn, eșecul de menținere a vârfului poate duce la rotirea spre exterior a unei șine, de obicei sub acțiunea agravantă a crabbing de boghiuri (camioane) pe curbe.

mecanismul de lărgire a ecartamentului este de obicei gradual și relativ lent, dar dacă este nedetectat, defecțiunea finală are loc adesea sub efectul unor factori suplimentari, cum ar fi viteza excesivă, uneltele de rulare slab întreținute pe un vehicul, alinierea greșită a șinelor și efectele extreme de tracțiune (cum ar fi forțele de propulsie ridicate). Efectul de crabbing menționat mai sus este mai marcat în condiții uscate, când coeficientul de frecare la interfața roată la șină este ridicat.

roți Defecteedit

mecanismul de rulare — seturile de roți, boghiurile (camioanele) și suspensia — se pot defecta. Cel mai frecvent mod de defecțiune istorică este prăbușirea rulmenților simpli din cauza lubrifierii deficitare și defectarea arcurilor lamelare; anvelopele roților sunt, de asemenea, predispuse la defecțiuni din cauza propagării fisurilor metalurgice.

tehnologiile moderne au redus considerabil incidența acestor defecțiuni, atât prin proiectare (în special eliminarea rulmenților simpli), cât și prin intervenție (testare nedistructivă în exploatare).

interacțiune neobișnuită pe șină

dacă o neregularitate verticală, laterală sau transversală este ciclică și are loc la o lungime de undă corespunzătoare frecvenței naturale a anumitor vehicule care traversează secțiunea traseului, există riscul de oscilație armonică rezonantă în vehicule, ceea ce duce la o mișcare necorespunzătoare extremă și, eventual, la deraiere. Acest lucru este cel mai periculos atunci când o rulare ciclică este configurată prin variații de nivel transversal, dar erorile ciclice verticale pot duce, de asemenea, la ridicarea vehiculelor de pe pistă; acest lucru este valabil mai ales atunci când vehiculele sunt în stare tare (goală) și dacă suspensia nu este proiectată să aibă caracteristici adecvate. Ultima condiție se aplică dacă suspensia are o rigiditate optimizată pentru starea de încărcare sau pentru o condiție de încărcare compromisă, astfel încât să fie prea rigidă în situația tare.

seturile de roți ale vehiculului se descarcă momentan pe verticală, astfel încât ghidarea necesară de la flanșe sau contactul benzii de rulare a roții este inadecvată.

un caz special este flambajul legat de căldură: pe vreme caldă, oțelul șinei se extinde. Acest lucru este gestionat prin stresarea șinelor sudate continuu (acestea sunt tensionate mecanic pentru a fi neutre la stres la o temperatură moderată) și prin asigurarea unor goluri de expansiune adecvate la îmbinări și asigurarea lubrifierii corespunzătoare a plăcilor de pește. În plus, reținerea laterală este asigurată de un umăr de balast adecvat. Dacă oricare dintre aceste măsuri este inadecvată, calea ferată se poate îndoi; are loc o distorsiune laterală mare, pe care trenurile nu o pot negocia. (În nouă ani 2000/1-2008/9 au existat 429 incidente de cataramă de cale în Marea Britanie).

funcționarea necorespunzătoare a sistemelor de controledit

joncțiunile și alte modificări ale rutei pe căile ferate se fac în general prin intermediul unor puncte (comutatoare — secțiuni mobile capabile să schimbe traseul ulterior al vehiculelor). În primele zile ale căilor ferate, acestea au fost mutate independent de personalul local. Accidentele — de obicei coliziuni — au avut loc atunci când personalul a uitat pentru ce rută au fost stabilite punctele sau a trecut cu vederea apropierea unui tren pe o rută conflictuală. Dacă punctele nu au fost setate corect pentru ambele rute — setate la mijlocul cursei-este posibil ca un tren care trece să deraieze.

prima concentrare de pârghii pentru semnale și puncte reunite pentru funcționare a fost la joncțiunea Bricklayer ‘ s Arms din sud-estul Londrei în perioada 1843-1844. Locația de control a semnalului (precursorul cutiei de semnalizare) a fost îmbunătățită prin furnizarea de interblocare (împiedicând setarea unui semnal clar pentru o rută care nu era disponibilă) în 1856.

pentru a preveni deplasarea neintenționată a vehiculelor de marfă de la sidings la liniile de rulare și alte mișcări necorespunzătoare similare, punctele de capcană și deraiere sunt prevăzute la ieșirea din sidings. În unele cazuri, acestea sunt furnizate la convergența liniilor de rulare. Se întâmplă ocazional ca un șofer să creadă în mod incorect că are Autoritatea de a trece peste punctele de capcană sau că semnalizatorul acordă în mod necorespunzător o astfel de permisiune; acest lucru duce la deraiere. Deraierea rezultată nu protejează întotdeauna pe deplin cealaltă linie: o deraiere a punctului de capcană la viteză poate duce la deteriorări și obstrucții considerabile și chiar și un singur vehicul poate obstrucționa linia liberă.

deraiere în urma coliziuniiedit

dacă un tren se ciocnește cu un obiect masiv, este clar că poate avea loc deraierea funcționării corespunzătoare a roților vehiculului pe șină. Deși sunt imaginate obstacole foarte mari, a fost cunoscut pentru o vacă care se abate pe linie pentru a deraia un tren de călători la viteză, cum a avut loc în accidentul feroviar Polmont.

cele mai frecvente obstacole întâlnite sunt vehiculele rutiere la trecerile la nivel (treceri de nivel); persoanele rău intenționate plasează uneori materiale pe șine și, în unele cazuri, obiecte relativ mici provoacă o deraiere ghidând o roată peste șină (mai degrabă decât prin coliziune brută).deraierea a fost provocată și în situații de război sau alte conflicte, cum ar fi în timpul ostilității nativilor americani și mai ales în perioadele în care personalul militar și materialul erau mutate pe calea ferată.

manipularea dură a trenuluiedit

manevrarea unui tren poate provoca, de asemenea, deraieri. Vehiculele unui tren sunt conectate prin cuplaje; în primele zile ale căilor ferate, acestea erau lungimi scurte de lanț („cuplaje libere”) care conectau vehiculele adiacente cu o slăbiciune considerabilă. Chiar și cu îmbunătățiri ulterioare, poate exista o slăbire considerabilă între situația de tracțiune (unitatea de putere care trage cuplajele strânse) și frânarea unității de putere (locomotiva care aplică frâne și comprimă tampoane în tot trenul). Acest lucru duce la val de cuplare.

tehnologiile mai sofisticate utilizate în zilele noastre folosesc în general cuplaje care nu au o slăbiciune liberă, deși există o mișcare elastică la cuplaje; frânarea continuă este asigurată, astfel încât fiecare vehicul din tren să aibă frâne controlate de șofer. În general, aceasta folosește aer comprimat ca mediu de control și există un decalaj de timp măsurabil pe măsură ce semnalul (pentru a aplica sau elibera frânele) se propagă de-a lungul trenului.

dacă mecanicul de locomotivă acționează brusc și sever frânele trenului, partea din față a trenului este supusă mai întâi forțelor de frânare. (În cazul în care numai locomotiva are frânare, acest efect este evident mai extrem). Partea din spate a trenului poate depăși partea din față și, în cazurile în care starea de cuplare este imperfectă, închiderea bruscă rezultată (efect denumit „run-in”) poate duce la ridicarea momentană a unui vehicul în stare tare (un vehicul de marfă gol) și la părăsirea căii ferate.

acest efect a fost relativ comun în secolul al XIX-lea.

pe secțiunile curbe, forțele longitudinale (de tracțiune sau de frânare) dintre vehicule au o componentă spre interior sau, respectiv, spre exterior pe curbă. În situații extreme, aceste forțe laterale pot fi suficiente pentru a încuraja deraierea.

un caz special de probleme de manipulare a trenului este viteza excesivă pe curbe ascuțite. Acest lucru apare în general atunci când un șofer nu reușește să încetinească trenul pentru o secțiune curbă ascuțită pe un traseu care altfel are condiții de viteză mai mari. La extrem, acest lucru duce la intrarea trenului într-o curbă la o viteză la care nu poate negocia curba și are loc o deraiere brută. Mecanismul specific al acestui lucru poate implica basculare corporală (rotație), dar este probabil să implice perturbarea structurii liniei și deraierea ca eveniment principal de defecțiune, urmat de răsturnare.

Un exemplu de viteză pe o curbă ar fi deraierea trenului Philadelphia din mai 2015 care implică un tren Amtrak care călătorește la 106 mph (171 km/h), de două ori viteza maximă admisă de 50 mph (80 km / h).

flanșă climbingEdit

sistemul de ghidare a vehiculelor feroviare practice se bazează pe efectul de direcție al conicității treptelor roților pe curbe moderate (până la o rază de aproximativ 500 m sau aproximativ 1.500 de picioare). Pe curbe mai clare de contact flanșă are loc, iar efectul de ghidare a flanșei se bazează pe o forță verticală (greutatea vehiculului).

o deraiere de urcare a flanșei poate rezulta dacă relația dintre aceste forțe, L / V, este excesivă. Forța laterală l rezultă nu numai din efectele centrifuge, ci o componentă mare este din crabbing-ul unui set de roți care are un unghi de atac diferit de zero în timpul rulării cu contact cu flanșă. Excesul de L / V poate rezulta din descărcarea roților sau din profilurile necorespunzătoare ale șinei sau ale benzii de rulare a roților. Fizica acestui lucru este descrisă mai jos, în secțiunea interacțiunea roată-șină.

descărcarea roților poate fi cauzată de răsucirea pistei. Acest lucru poate apărea dacă supraînălțarea (nivelul transversal sau supraînălțarea) pistei variază considerabil față de ampatamentul unui vehicul, iar suspensia vehiculului este foarte rigidă în torsiune. În situația cvasi-statică poate apărea în cazuri extreme de distribuție slabă a sarcinii sau pe supraînălțare extremă la viteză mică.

dacă o șină a fost supusă uzurii laterale extreme sau o flanșă a roții a fost purtată la un unghi necorespunzător, este posibil ca raportul L / V să depășească valoarea la care unghiul flanșei poate rezista.

dacă se efectuează repararea sudurii comutatoarelor uzate lateral, este posibil ca o manoperă slabă să producă o rampă în profil în direcția orientată, care deviază o flanșă a roții care se apropie de capul șinei.

în situații extreme, infrastructura poate fi grav distorsionată sau chiar absentă; acest lucru poate apărea din mișcarea terasamentelor (alunecări de terasament și spălări), cutremur și alte perturbări majore terestre, protecție deficitară în timpul proceselor de lucru etc.

interacțiune roată-șină

aproape toate sistemele feroviare practice folosesc roți fixate pe o axă comună: roțile de pe ambele părți se rotesc la unison. Tramvaiele care necesită niveluri scăzute ale podelei sunt excepția, dar multe beneficii în îndrumarea vehiculului se pierd prin faptul că au roți deconectate.

beneficiul roților legate derivă din conicitatea treptelor roților—treptele roților nu sunt cilindrice, ci conice. Pe o cale dreaptă idealizată, un set de roți ar rula central, la jumătatea distanței dintre șine.

exemplul prezentat aici folosește o secțiune de cale curbată dreapta. Accentul este pus pe roata din stânga, care este mai implicată în forțele critice pentru ghidarea vagonului prin curbă.

diagrama 1 de mai jos prezintă roata și șina cu setul de roți care rulează drept și central pe șină. Setul de roți fuge de observator. (Rețineți că șina este afișată înclinată spre interior; acest lucru se face pe o cale modernă pentru a potrivi profilul capului șinei cu profilul benzii de rulare a roții.)

Diagrama 2 arată setul de roți deplasat spre stânga, din cauza curburii șinei sau a unei nereguli geometrice. Roata din stânga (prezentată aici) rulează acum pe un diametru puțin mai mare; roata din dreapta opusă s-a deplasat și spre stânga, spre centrul pistei și rulează pe un diametru puțin mai mic. Pe măsură ce cele două roți se rotesc în același ritm, viteza înainte a roții din stânga este puțin mai rapidă decât viteza înainte a roții din dreapta. Acest lucru face ca setul de roți să se curbeze spre dreapta, corectând deplasarea. Acest lucru are loc fără contact cu flanșa; seturile de roți se orientează pe curbe moderate fără contact cu flanșa.

cu cât curba este mai clară, cu atât este mai mare deplasarea laterală necesară pentru a realiza curbarea. Pe o curbă foarte ascuțită (de obicei mai mică de aproximativ 500 m sau o rază de 1.500 de picioare) lățimea benzii de rulare a roții nu este suficientă pentru a obține efectul de direcție necesar, iar flanșa roții intră în contact cu fața șinei înalte.

diagrama 3 prezintă funcționarea seturilor de roți într-un boghiu sau într-un vehicul cu patru roți. Setul de roți nu funcționează paralel cu pista: este constrâns de Cadrul boghiului și de suspensie și se învârte spre exteriorul curbei; adică direcția sa naturală de rulare ar conduce de-a lungul unei căi mai puțin curbate decât curba reală a pistei.

unghiul dintre calea naturală și calea reală se numește unghiul de atac (sau unghiul de girație). Pe măsură ce setul de roți se rostogolește înainte, este forțat să alunece peste capul șinei prin contactul flanșei. Întregul set de roți este forțat să facă acest lucru, astfel încât roata de pe șina joasă este, de asemenea, forțată să alunece peste șina sa.

această alunecare necesită o forță considerabilă pentru a face acest lucru, iar forța de frecare care rezistă alunecării este desemnată „L”, forța laterală. Setul de roți aplică o forță L spre exterior șinelor, iar șinele aplică o forță L spre interior roților. Rețineți că acest lucru este destul de independent de „forța centrifugă”. Cu toate acestea, la viteze mai mari, forța centrifugă este adăugată forței de frecare pentru a face L.

sarcina (forța verticală) de pe roata exterioară este desemnată V, astfel încât în diagrama 4 sunt prezentate cele două forțe L și V.

contactul oțel-oțel are un coeficient de frecare care poate fi de până la 0,5 în condiții uscate, astfel încât forța laterală poate fi de până la 0,5 din sarcina roții verticale.

în timpul acestui contact cu flanșa, roata de pe șina înaltă experimentează forța laterală L, spre exteriorul curbei. Pe măsură ce roata se rotește, flanșa tinde să urce unghiul flanșei. Este ținut în jos de sarcina verticală pe roata V, astfel încât, dacă L/V depășește tangenta trigonometrică a unghiului de contact al flanșei, va avea loc urcarea. Flanșa roții va urca la capul șinei, unde nu există rezistență laterală în mișcarea de rulare, iar de obicei are loc o deraiere de urcare a flanșei. În diagrama 5 unghiul de contact al flanșei este destul de abrupt, iar urcarea flanșei este puțin probabilă. Cu toate acestea, dacă capul șinei este uzat lateral (tăiat lateral) sau flanșa este uzată, așa cum se arată în diagrama 6, unghiul de contact este mult mai plat și urcarea flanșei este mai probabilă.

odată ce flanșa roții a urcat complet pe capul șinei, nu există nicio reținere laterală, iar setul de roți este probabil să urmeze unghiul de girație, ducând la căderea roții în afara șinei. Un raport L/V mai mare de 0,6 este considerat periculos.

se subliniază faptul că aceasta este o descriere mult simplificată a fizicii; factorii complicatori sunt fluajul, profilele reale ale roților și șinei, efectele dinamice, rigiditatea reținerii longitudinale la osii și componenta laterală a forțelor longitudinale (tracțiune și frânare).