Как измерить температуру рельсов ? Или почему стучат стыки

“Под стук колес” – сколько десятков песен спето по всему миру, где среди поэтических строк, встречается эта фраза. Есть даже романтические-познавательная передача популярного французского путешественника Филиппа Гуглера, который колесит по странам, с неизменной улыбкой располагающего к себе простачка, знакомясь с местными жителями и постоянно открывая для себя и конечно для зрителей что-то новое. Кто хочет расслабиться - рекомендуем. Ну а теперь. К тяжелому металлу. Нет, не к музыке, а к рельсам.

Почему стучат колеса

Ведь тема у нас сегодня значительно более технически-прозаичная – но напрямую связанная именно со стуком колес.
Стук собственно и появляется, потому что рано или поздно рельс заканчивается (у нас довольно быстро – буквально через десяток-другой метров, а в Европе это могут быть и километры без стуков).
Поэтому мы будем говорить про наши условия. Со стыками. То, что рельсы имеют стандартную длину (самые популярные 12.5 и 25 м, но производятся и 50 и даже 100 метров) и поэтому имеют свойство заканчиваться, это первая причина появления стыков. Но есть и вторая – тепловое расширение.

Это только на первый взгляд рельса кажется такой твердой и незыблемой. Жарким летом рельсы нагреваются так, что можно жарить яичницу, но для нас важнее, что они удлиняются. Причем на миллиметры ! А не на какие то там микроны. Это даже визуально наблюдаемо. И измеряемо. И это следствие может привести к неприятным, а то и реально опасным явлениями. Если конечно выходит за переделы нормы.
Кстати стучат не только железнодорожные стыки, но и трамваи и вагоны метро. Все, относится к колесно-реечному транспорту, не может избежать стыков стуков.

Это интересно.

Насколько актуальна проблема

Сталь сильно меняет длину при перепадах температуры.
Например, рельс длиной 25 м при изменении температуры на 40–50 °C (а так и есть, если сравнивать летнюю жару с зимним морозом) может удлиниться или наоборот укоротиться на несколько миллиметров.
Если бы зазор не был предусмотрен:

1. Летом рельсы удлинились бы и выдавливали бы друг друга, вызывая «змейку» (волнообразную деформацию);
2. Зимой — наоборот, сжимались бы, образуя обрывы, куда бы проваливались колеса.

И то и другое – чрезвычайно опасно для долгих тысячетонных составов, мчащихся на скорости десятки километров в час. Эта как говорят – пройти между Сциллой и Харибдой (метафора про чудовищ из древнегреческой мифологии). Минимальный стык, равно как и максимальный – прямой путь к аварии.

Не откроем Америку, если скажем, что безопасность жд транспорта напрямую зависит от качества путей. Не только самих рельс (а также шпал), но и монтажа. И здесь немалую роль играют стыки.
Хотя конечно подвижной состав тоже должен быть в полном порядке. И не зря на остановках проходять специалисты и постукивают –посматривают на критические узлы, прежде всего колесные тележки и тормоза, ловя на себе уважительные взгляды курильщиков.
Раньше рельсовые пути собирались из секций с зазором, где болтовые стыки позволяли компенсировать изменения длины.

Современные же железные дороги всё чаще используют бесстыковой путь или неразрывный рельс:

• рельсы свариваются в длинные секции длиной сотни метров или километров;
• рельс закреплён на шпалах не жестко, а упруго, и все температурные напряжения «распределяются» по длине;
• путь становится тише и быстрее (нет стуков – выше комфорт и больше петь будет не о чем ! Шутка), устойчивее и долговечнее.

Но даже в бесстыковых рельсах, компенсационные стыки всё равно присутствуют —на мостах, в тоннелях, возле стрелок. Они тоже служат именно для компенсации температурного расширения.

Измеряем температуру

Поскольку расстояние стыка зависит от нагрева-охлаждения, следствием которого является удлинение/расширение, возникает вопрос измерения температуры.
Заметим, что прокладка рельс должна производится при температуре +20 °C. Во-первых, при этой температуре рельс не испытывает ни сжатия, ни растяжения. Во-вторых, можно спрогнозировать на сколько удлинится (укоротится) рельс. То ест как бы отсчет с нуля.

Первое, что приходит в голову при поиске вариантов решения задачи измерения температуры рельс, это установка системы датчиков, чтобы они передавали информацию. Кстати такое решение правда на дистанции до десятков (сотен метров) реализовано в погодных станциях и дорогих термогигрометрах, датчики которые связываются с устройством отображения по радиоканалу.

Но колоссальный масштаб жд сетей, особенно крупных государств в части дистанционного контроля температуры не всегда является разумным решением. Для начала надо хотя бы вагонные туалеты привести в порядок.

1. Провода – по которым информация поступает на пульт централизованного контроля и управления тоже не вариант. Нет технической возможности опутать страну сотнями тысяч километров проводов. Плюс надо решать вопросы помехозащищенности и угасания сигнала.
2. Беспроводное решение. Как передать сигнал на дистанцию в тысячи километров ? Симкарты ? Да, вариант. А как питать системы ? Хотя такие варианты там где можно позволит себе миллионные инвестиции тоже имеют право на жизнь и внедрятся.
3. Банальное воровство. Могут быть (и скорее всего будут) украдены, как кабели на цветной металл, так и сами датчики.

Идем дальше по вариантам. Собственно самих способов измерения температуры не так уж много. И они применимы даже к измерению температуры рельс.
Речь идет о тех или иных термометрах. Сейчас мы к ним перейдем. Н сначала отметим еще один метод. Это использование измерительных клиньев. По сути это разновидность штангенциркуля. То есть это электронный или механический измеритель длины. С некоторыми конструктивным особенностями. Хотя и сейчас еще на СТО используют наборы калиброванных по толщине пластинок для регулировки клапанов двигателей внутреннего сгорания или калибровки толщиномеров.

Слушайте, а почему вы только сейчас подняли эту тему ? Первый поезд по жд дороге проехал в Англии в сентябре 1825 года ! То есть аккурат 2 столетия назад. Что раньше не было такой проблемы с температурой-удлинением рельс ?

Представьте себе - не было. В всяком случае, в последние годы, буквально каждое лето бьет температурные рекорды. Украины это не настолько касается, а вот например в Южных странах Европы или солнечных штатах США - настоящее пекло.
И что, если измерение покажет, что рельсы перегреты ? Могут даже закрыть временно железнодорожную ветку ! И такие случаи уже были. Если за 10 и тем более 20 лет летом становится все жарче и жарче, то стыки становятся все меньше и меньше. А значит вероятность того, что один рельс упрется в другой и дорогу поведет все больше и больше. Вот “почему вы подняли эту тему”. Так, глядишь и нормативы придется пересмотреть по зазорам.
Так что измерять надо. И с этим не поспоришь.

Контактно

Не быстро. Хотя и не зашкаливающе долго. Буквально 10-15 секунд при прочном, не движущемся точечном контакте. Чтобы цифры не "плыли".
Но есть преимущество, которое перекрывает все !
Контактный метод – он прямой, без преобразования. Вот если будем говорить об инфракрасных термометрах или о пирометрах с исчезающей нитью, то там в первом случае информация о температуре, можно так сказать, поступает на ик-лучах прямо в приемную оптику пирометра. А во втором и вовсе надо визуально сравнивать цвет нити накаливания и раскаленной поверхности предмета.

Поэтому, на наш взгляд, термометры с термопарой это самый точный вариант для измерения температуры рельс.
Как это происходит ?
Прибор состоит из индикаторно-управляющего блока, к которому разъемом подключается термопара. В данном случае не капелька на тонком проводочке, больше подходящая для лабораторных тепличных условий, а прямая или круговая металлическая трубка с температурным сенсором на конце. И чтобы соединительный проводок был достаточно длинным - хотя бы 1 метр.
Почему такой набор условий ?
Это же инструмент для суровых мужчин с железной дороги сложных уличных условий. Там не до сантиментов. Эта работа в защитных перчатках.
Подошел, коснулся термопарой рельса – зафиксировал температуру и пошел дальше. Можно конечно и присесть. Если мы термопара была короткая и проводочек к ней. Но такая зарядка быстро утомит.

Бесконтактно

Ну а чем все таки пирометры вас не устраивают ? То же самое – подошел, направил и измерил.

В теории да, так и есть. Но присутствуют нюансы.

1. Сложно сфокусироваться на узком рельсе. Нужна лазерная указка, нужно точно посчитать на каком расстоянии минимум мерять, чтобы пятно визирования захватило интересующую часть рельса.
2. Отражающая способность – это гораздо более важнее ! Рельсы делаются из стали устойчивой, не только к огромным динамическим нагрузкам, но и к ржавлению - окислению. Да и колеса полируют рабочие поверхности так, что аж блестит на солнце. Но в этом и проблема ! Чтобы настроить коэффициент эмиссии пирометра, еще надо постараться. Иначе ошибка может составит 5, а то и 10 градусов. И вся скорость измерения нивелируется большим "разбегом" по температуре рельсы.

Так вот, когда плутониевый сердечник начали вставлять в отверстие, что опустить его далее, в центр бомбы, он застрял !
От теплового расширения. Дело в том, что плутоний нагревается на 10-20 градусов выше температуры окружающей среды за счет радиоактивного распада. Сердечник расширился на доли миллиметра. И это привело к застреванию. Вот это переплет. Не протолкнуть, не вытянуть !
Провал ? Миллиарды инвестиций. Президенту Никсону не терпится завтра похвастаться Сталину, а тут такое…
Но надо было сохранять хладнокровие. Один из ученых понял в чем дело и предложил подождать ночи. И оказался прав ! Плутониевая сборка остыла, и как по маслу прошла в центр бомбы.
Вот вам и тепловое расширение. Вот вам и зазор. Хоть для рельсов, хоть для атомной бомбы – природа абсолютно идентична !