Як виміряти температуру рейок? Або чому стукають стики

“Під стукіт коліс” – скільки десятків пісень заспівано по всьому світу, де серед поетичних рядків зустрічається ця фраза. Є навіть романтично-пізнавальна передача популярного французького мандрівника Філіпа Гуглера, який колесить країнами, з незмінною усмішкою розташовує до себе місцевих жителів і постійно відкриваючи для себе і звичайно для глядачів щось нове. Хто хоче розслабитися від важкого повсякденного життя – рекомендуємо. Ну, а тепер. До важкого металу. Ні, не до музики, а до рейок.

Чому стукають колеса

Адже тема у нас сьогодні значно більш технічно-прозаїчна, але безпосередньо пов'язана саме зі стукотом коліс.
Стук власне і з'являється, тому що рано чи пізно рейка закінчується (у нас досить швидко – буквально через десяток-другий метрів, а в Європі це можуть бути і кілометри без стуків).
Тому ми говоритимемо про наші умови. Зі стиками. Те, що рейки мають стандартну довжину (найпопулярніші 12.5 і 25 м, але виробляються 50 і навіть 100 метрів) і тому мають властивість закінчуватися, це перша причина появи стиків. Але є і друга – теплове розширення.

Це тільки на перший погляд рейка здається такою твердою та непорушною. Спекотного літа рейки нагріваються так, що можна смажити яєчню, але для нас важливіше, що вони витягуються. Причому на міліметри! А не на якісь там мікрони. Це навіть візуально спостерігається. І вимірюєьбся. І цей наслідок може призвести до неприємних, а то й реально небезпечних явищ. Якщо звичайно виходить за межі норми.
До речі стукають не лише залізничні стики, а й трамваї та вагони метро. Все, що відноситься до колісно-рейкового транспорту, не може уникнути стиків стуків.

А ви знали ?

Наскільки актуальною є проблема

Сталь змінює довжину при перепадах температури.
Наприклад, рейка завдовжки 25 м при зміні температури на 40°C (а так і є, якщо порівнювати літню спеку із зимовим морозом) може подовжитися або навпаки укоротитися на кілька міліметрів.
Якби зазор не був передбачений:

1. Влітку рейки подовжилися б і видавлювали б одна одну, викликаючи «змійку» (хвилясту деформацію);
2. Взимку — навпаки, стискалися б, утворюючи яму, куди б провалювалися колеса.

І те, й інше – надзвичайно небезпечно для довгої тисячотонної низки вагонів, що мчать на швидкості десятки кілометрів на годину. Це як кажуть – пройти між Сциллою та Харібдою (метафора про чудовиськ із давньогрецької міфології). Мінімальний стик, так само як і максимальний – прямий шлях до аварії.

Не відкриємо Америку, якщо скажемо, що безпека залізничного транспорту безпосередньо залежить від якості шляхів. Не тільки самих рейок (а також шпал), а й монтажу. І тут чималу роль відіграють стики.
Хоча, звичайно, рухомий склад теж повинен бути в повному порядку. І не дарма на зупинках проходять фахівці і постукують – поглядають на критичні вузли, перш за все колісні візки та гальма, ловлячи на собі поважні погляди курців.
Раніше рейкові шляхи збиралися із секцій із зазором, де болтові стики дозволяли компенсувати зміни довжини.

Сучасні ж залізниці все частіше використовують безстиковий шлях або нерозривну рейку:

• рейки зварюються у довгі секції довжиною сотні метрів або кілометрів;
• рейка закріплена на шпалах не жорстко, а пружно, і всі температурні напруги «розподіляються» за довжиною;
• шлях стає тихіше і швидше (немає стуків - вище комфорт і більше співати не буде про що ! Жарт), стійкіше і довговічніше.

Але навіть у безстикових рейках компенсаційні стики все одно присутні — на мостах, у тунелях, біля стрілок. Вони також служать саме для компенсації температурного розширення.

Вимірюємо температуру

Оскільки відстань стику залежить від нагрівання-охолодження, наслідком якого є подовження/розширення, виникає питання вимірювання температури.
Зауважимо, що прокладка рейок повинна проводитися при температурі +20 °C. По-перше, при цій температурі рейка не відчуває ні стискування, ні розтягування. По-друге, можна спрогнозувати на скільки подовжиться (укоротиться) рейка. Тобто, як би відлік з нуля.

Перше, що приходило в голову при пошуку варіантів вирішення задачі вимірювання температури рейок, це встановлення системи датчиків, щоб вони передавали інформацію. До речі, таке рішення правда на дистанції до десятків (сотень метрів) реалізовано в погодних станціях і дорогих термогігрометрах, датчики, які зв'язуються з пристроєм відображення радіоканалом.

Але неосяжний масштаб залізничних мереж, особливо великих держав у частині дистанційного контролю температури не завжди є розумним рішенням. Для початку треба хоча б із вагонними туалетами навести лад.

1. Провід – за якими інформація надходить на пульт централізованого контролю та управління теж не варіант. Немає технічної можливості обплутати країну сотнями тисяч кілометрів дротів. Плюс треба вирішувати питання перешкодозахищеності та згасання сигналу.
2. Бездротове рішення. Як передати сигнал на дистанцію в тисячі кілометрів? Сімкарти? Так, варіант. А як живити системи? Хоча такі варіанти там, де можна дозволити собі мільйонні інвестиції, теж мають право на життя і впроваджуються.
3. Банальний крадіжка. Можуть бути (і швидше за все будуть) вкрадені як кабелі на кольоровий метал, так і самі датчики.

Ідемо далі за варіантами. Власне самих способів вимірювання температури не так вже й багато. І вони застосовуються безумовно і до вимірювання температури рейок.
Йдеться про ті чи інші термометри. Нині ми до них перейдемо. Спершу відзначимо ще один метод. Це використання вимірювальних клинів. Насправді це різновид штангенциркуля. Тобто це електронний чи механічний вимірювач обмеженої довжини. На відмінність від далекоміра. З деякими конструктивними особливостями. Хоча і зараз ще на СТО використовують набори каліброваних по товщині пластинок для регулювання клапанів двигунів внутрішнього згоряння або калібрування товщиномірів.

Слухайте, а чому ви тільки зараз порушили цю тему? Перший поїзд залізничною дорогою проїхав в Англії у вересні 1825 року! Тобто якраз 2 століття тому. Що раніше не було такої проблеми з температурою-подовженням рейок ?

Уявіть собі – не було. У всякому разі, останніми роками температура буквально щоліта б'є рекорди. України це не настільки стосується, а от наприклад у Південних країнах Європи чи у сонячних штатах США – справжне пекло.
І що, якщо вимір покаже, що рейки перегріті? Можуть навіть закрити тимчасово залізничну гілку! І такі випадки вже були. Якщо за 10 і більше 20 років влітку стає все спекотніше, то стики стають все менше і менше. А значить ймовірність того, що одна рейка упреться в іншу і дорогу "поведе", все більше і більше. Ось “чому ви підняли цю тему”. Так, дивишся і нормативи доведеться переглянути по зазорах контролюючим органам.
Тож вимірювати треба. І з цим не посперечаєшся.

Контактно

Ну так - не швидко. Хоча й не дуже довго. Буквально 10-15 секунд при міцному точковому контакті, що не рухається. Щоб цифри не "пливли".
Але є перевага, яка перекриває все!
Контактний метод – він прямий, без перетворення. Ось якщо говоритимемо про інфрачервоні термометри або про пірометри зі зникаючою ниткою, то там у першому випадку інформація про температуру надходить на іч-променях прямо в приймальну оптику пірометра. А ось у другому і зовсім треба візуально порівнювати колір нитки розжарювання та розпеченої поверхні предмета.

Тому, на наш погляд, термометри з термопарою це найточніший варіант для вимірювання температури рейок.
Як це відбувається?
Прилад складається з індикаторно-керуючого блоку, до якого під'єднується роз'ємом термопара. В даному випадку не крапелька на тонкому проводочку, що більше підходить для лабораторних тепличних умов, а пряма або кругова металева трубка з температурним сенсором на кінці. І щоб з'єднувальний проводок був досить довгим – хоча б 1 метр.
Чому такий набір умов?
Це ж інструмент для суворих чоловіків із залізниці складних вуличних умов. Там не до сентиментів. Ця робота у захисних рукавичках.
Підійшов, торкнувся термопарою рейки – зафіксував температуру та пішов далі. Можна звісно і сісти-встати кожного разу. Якщо термопара була коротка і проводочок до неї. Але такі фізичні вправи швидко втомлять.

Безконтактно

Ну а чим же пірометри вас не влаштовують? Те ж саме – підійшов, направив і виміряв.

Теоретично так і є. Але є нюанси.

1. Важко сфокусуватися на вузькій рейці. Потрібна лазерний вказівник, потрібно точно порахувати на якій відстані мінімум міряти, щоб пляма візування захопила частину рейки, що цікавить.
2. Відбивна здатність – це набагато важливіше! Рейки робляться із сталі стійкої, не тільки до величезних динамічних навантажень, а й до іржавіння - окиснення. Та й колеса полірують робочі поверхні так, що аж блищить на сонці. Але в цьому і проблема! Щоб налаштувати коефіцієнт емісії пірометра, треба постаратися. Інакше помилка може становити 5, а то й 10 градусів. І вся швидкість виміру нівелюється великим "розбігом" за температурою рейки.

Так от, коли плутонієвий сердечник почали вставляти в отвір, що опустити його далі, в центр бомби, він застряг!
Від теплового розширення. Справа в тому, що плутоній нагрівається на 10-20 градусів вище за температуру навколишнього середовища за рахунок радіоактивного розпаду. Сердечник розширився на частини міліметра. І це спричинило застрягання. Ось е ситуація. Ні проштовхнути, ні витягнути!
Провал? Мільярди інвестицій. Президенту Ніксону вкрай потрібно завтра вразити Сталіна, а тут така невдача.
Але треба було зберігати холоднокровність. Один із учених зрозумів у чому річ і запропонував почекати ночі. І мав рацію! Плутонієва збірка охолонула, і як по маслу пройшла в центр бомби.
Ось вам і теплове розширення. Ось вам і проміжок. Хоч для рейок, хоч для атомної бомби – природа абсолютно ідентична !