Mengapa Kereta Api Ada di Rel? (Fisika Baja-pada-Pengoperasian Baja)

Rel kereta api adalah infrastruktur penting dari sebuah perkeretaapian, dan fungsinya adalah untuk memandu roda kereta api ke depan sambil menahan tekanan besar yang didorong oleh roda tersebut. Rel baja memberikan permukaan penggulungan yang halus, stabil, dan terus menerus untuk roda yang lewat, dan pada jalur yang dialiri listrik atau diberi sinyal otomatis, rel ini juga berfungsi sebagai konduktor sirkuit lintasan yang mendeteksi okupansi kereta. Pertanyaannya adalah mengapa pengaturan ini begitu efektif sehingga tidak ada teknologi transportasi berpemandu yang dapat menggantikannya.

Tiga Alasan Fisik Baja-pada-Baja

1. Resistensi gelinding yang sangat rendah.Roda baja yang menggelinding di atas rel baja hampir tidak mengalami perubahan bentuk apa pun, sehingga hambatan gelindingnya kira-kira lima hingga sepuluh kali lebih rendah daripada ban karet di aspal. Oleh karena itu, kereta barang dapat mengangkut satu ton kargo kira-kira empat kali lebih jauh per unit energi dibandingkan truk. Fakta inilah yang menyebabkan transportasi darat berat menyatu dengan kereta api.

2. Kapasitas beban tinggi.Rel baja adalah balok baja kontinu pada penyangga elastis. Kepala rel tunggal dapat membawa beban gandar sebesar 22,5 hingga 30 ton atau lebih karena beban menyebar dengan cepat di sepanjang rel dan melalui bantalan menuju pemberat. Tegangan kontaknya ekstrem, di atas 800 MPa pada bidang kontak-rel roda, namun-baja rel karbon tinggi dirancang secara tepat untuk tugas tersebut.

3. Panduan-berpusat pada diri sendiri.Tapak roda berbentuk kerucut, tidak rata, dan kepala rel berbentuk mahkota. Saat rangkaian roda bergeser ke samping, radius putar efektif salah satu roda bertambah sementara roda lainnya menyusut, dan rangkaian roda diarahkan kembali ke tengah. Efek kerucut inilah yang memungkinkan kereta melaju dengan kecepatan ratusan kilometer per jam tanpa mekanisme kemudi, dan itulah sebabnya profil kepala rel ditoleransi dengan sangat ketat di setiap standar.

Bagaimana Lintasan Menjaga Kereta Tetap Pada Relnya

Panduannya juga tergantung pada struktur lintasan di sekitar rel. Pada kurva, rel luar dipasang dengan cant (superelevasi) sehingga gaya sentrifugal seimbang dengan gravitasi, sehingga mengurangi kontak dan keausan flensa. Sistem pengikat mengontrol rel dalam arah vertikal, lateral, dan memanjang, menahan pengukur di bawah beban gandar dan gaya pengereman yang tinggi. Karena keakuratan panduan bergantung pada geometri rel, toleransi produksi dikontrol secara ketat berdasarkan standar EN, UIC, AREMA, GB, dan JIS.

Terdiri dari Apa Sistem Lintasan

Rel berdasarkan Aplikasi dan Standar

Karena jalurnya harus sesuai dengan lalu lintas, rel disediakan dalam berbagai standar: rel ringan (8 hingga 30 kg/m) untuk jalur pertambangan dan pabrik, rel berat (38 hingga 75 kg/m) untuk jalur utama dan metro, rel derek (seri QU, seri DIN 536 A) untuk gantri dan derek di atas kepala, dan rel beralur untuk jalur trem jalan raya. Setiap standar menetapkan profil, mutu baja, dan toleransi, dan spesifikasi pengadaan harus selalu menyebutkan standar, bagian, dan mutu secara bersamaan, misalnya EN 13674-1 60E1 R260 atau GB/T 2585 60 kg/m U75V.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

T: Mengapa kereta api tidak berjalan menggunakan ban karet saja di jalan raya?

Ban karet memiliki hambatan gelinding yang jauh lebih tinggi, sehingga biaya energi per ton-km akan berlipat ganda, dan kemudi akan bergantung pada pengemudi. Rel baja berpemandu memberikan hambatan rendah dan kemudi otomatis melalui kerucut, itulah sebabnya rel unggul untuk-koridor berkapasitas tinggi.

Q: Bagaimana cara rel memandu kereta tanpa roda kemudi?

Tapak roda yang berbentuk kerucut dan kepala rel yang dimahkotai menciptakan geometri yang memulihkan: setiap pergeseran lateral akan mengubah jari-jari putaran kedua roda, sehingga mengarahkan rangkaian roda kembali ke tengah. Flensa roda adalah cadangan keselamatan, bukan panduan utama.

T: Apa peran rel dalam memberi sinyal?

Pada jalur yang dialiri listrik dan diberi sinyal otomatis, kedua rel diisolasi dari bumi dan digunakan sebagai sirkuit lintasan. Roda kereta api melangsir sirkuit, dan sistem sinyal mendeteksi keberadaan kereta. Inilah sebabnya mengapa rel harus kontinu secara elektrik dan mengapa sambungan dan pengencang rel berinsulasi digunakan jika diperlukan.

T: Mengapa rel menjadi aus dan perlu digerinda?

Setiap pekerjaan melewati roda-memperkuat kepala rel dan perlahan-lahan memakainya, terutama di tikungan dan tanjakan. Penggilingan mengembalikan profil kepala, menghilangkan retakan kecil sebelum tumbuh, dan merupakan teknik pembaruan utama yang menjaga rel tetap berfungsi selama beberapa dekade.

T: Apa yang terjadi jika rel tidak sejajar dengan ukuran yang sama?

Variasi ukuran mengubah geometri kontak rel roda-dan dapat menyebabkan keausan berlebihan, getaran, dan, dalam kasus ekstrem, tergelincir. Itulah sebabnya sistem pengikat dan bantalan harus menahan alat ukur dalam toleransi yang ketat pada semua beban.

Q: Apakah ada rel yang tidak terbuat dari baja?

Pada dasarnya semua jalur utama dan rel industri modern terbuat dari baja. Rel aluminium dan komposit hanya ada untuk sistem ringan atau eksperimental khusus. Kombinasi kekuatan, kekerasan, ketangguhan dan biaya membuat baja tetap dominan.