Перераспределение сил взаимодействия колеса и рельса под действием вращающего момента.

Предположим, что поверхность колеса и рельса состоит из микрочастиц, которые связаны между собой упругими связями и имеют возможность перемещаться по поверхности. При отсутствии вращающего момента частицы равномерно распределены по поверхности колеса и рельса.

Под действием вращающего момента колесо начинает испытывать упругий подпор со стороны рельса, который схематично представлен равнодействующей силой F и условным возвышением уровня рельса в направлении движения. Вследствие смещения точки приложения силы реакции со стороны рельса происходит перераспределение напряжений в материале колеса и область, в которой давление выше предела упругости смещается по направлению вращения колеса.

Вследствие значительных усилий от давления колеса на рельс в этой области микрочастицы материала колеса не могут перемещаться относительно микрочастиц материала рельса (они сцепляются друг с другом). В пределах заштрихованной области наблюдается избыток микрочастиц материала колеса. Вне заштрихованной области усилия от давления колеса меньше, микрочастицы материала колеса имеют возможность перемещаться относительно микрочастиц материала рельса и стремятся вновь равномерно распределиться по поверхности колеса.

Таким образом, создается эффект перемещения микрочастиц колеса по его поверхности при их переходе за пределы заштрихованной области. Перемещение происходит в направлении, противоположном движению центра вращения колеса.

Предположим, что колесо повернулось на элементарный угол da. В случае недеформированного колеса перемещение его центра будет равно:

d x _a = R × da.

Но, т.к. перемещение микрочастиц колеса по его поверхности, вызванное упругими деформациями, направлено навстречу перемещению центра колеса, то действительное перемещение центра колеса будет меньше на величину относительного перемещения микрочастиц по его поверхности:

d x = d x _a – d u.

Это явление называют упругим скольжением. В иностранной литературе оно носит название крипа (ползучести).

Из приведенного выражения следует, что в режиме тяги действительный путь, проходимый центром колеса меньше пути, подсчитанного по угловой скорости и геометрическому радиусу (d x < R × da) – колесо как бы проскальзывает относительно рельса. Если сделать аналогичные выкладки для режима торможения – получим обратный результат: путь, проходимый центром колеса больше пути, подсчитанного по угловой скорости.

Скорость относительного перемещения микрочастиц колеса равна

,

где – скорость абсолютного перемещения микрочастиц колеса.

Из формулы следует, что с ростом скорости движения относительная скорость перемещения микрочастиц колеса будет снижаться.