ضربة مطرقة

في مصطلحات السكك الحديدية ، تُعرف ضربة المطرقة أو التعزيز الديناميكي بقوة رأسية ^{[ 1 ]} تُضاف بالتناوب إلى وزن القاطرة الفعال على إحدى عجلاتها، وتُطرح منه. تنتقل هذه القوة إلى السكة بواسطة عجلات القيادة ^{[ 2 ]} في العديد من قاطرات البخار . وهي قوة غير متوازنة على العجلة (تُعرف باسم فرط التوازن ^{[ 3 ]} ). وتنتج هذه القوة عن حل وسط عندما تكون عجلات القاطرة غير متوازنة لتعويض الكتل الأفقية المترددة، مثل قضبان التوصيل والمكابس ، بهدف تحسين تجربة القيادة. قد تُلحق ضربة المطرقة ضررًا بالقاطرة والسكة إذا كانت قوة العجلة/السكك عالية بما يكفي.

يؤدي إضافة أوزان إضافية على العجلات إلى تقليل قوى التردد غير المتوازنة على القاطرة، ولكنه يتسبب في عدم توازنها، مما يؤدي إلى حدوث ضربة مطرقة عمودية. ^{[ 4 ]}

تمت موازنة القاطرات وفقًا لهيكلها الفردي، خاصةً إذا تم بناء عدة قاطرات من نفس التصميم (أي فئة قاطرات واحدة). ^{[ 4 ]} تمت موازنة قاطرات كل فئة وفقًا لسرعة تشغيلها العادية. ^{[ 4 ]} تمت موازنة ما بين 40% و50% من الأوزان المترددة على كل جانب بواسطة أوزان دوارة في العجلات. ^{[ 1 ]}

بينما يمكن موازنة قضبان التوصيل الجانبية (قضبان التوصيل في المملكة المتحدة) في القاطرة بشكل كامل بواسطة أوزان على عجلات القيادة نظرًا لأن حركتها دورانية بالكامل، فإن الحركات الترددية للمكابس وقضبان المكابس وآلية الصمامات لا يمكن موازنتها تمامًا بهذه الطريقة. كما لا يمكن موازنة القضبان الرئيسية بشكل كامل بواسطة أوزان موازنة العجلات، لأن حركتها تتميز بإزاحة أكبر في الاتجاه الأفقي مقارنةً بالاتجاه الرأسي. في معظم القاطرات ثنائية الأسطوانات، تكون أعمدة المرفق "مُقسّمة إلى أرباع" - أي بزاوية 90 درجة - بحيث تتوزع أشواط القدرة الأربعة للمكابس مزدوجة الفعل بالتساوي حول الدورة، ولا توجد "نقاط ميتة" (نقاط تكون فيها الأسطوانتان في أعلى أو أسفل نقطة ميتة في الوقت نفسه).

يمكن تحقيق توازن كامل لقاطرة رباعية الأسطوانات على المحورين الطولي والرأسي، على الرغم من وجود بعض عزم التأرجح الذي يمكن معالجته في نظام التعليق والتمركز. كما يمكن تحسين توازن القاطرة ثلاثية الأسطوانات، بينما ستندفع القاطرة ثنائية الأسطوانات للأمام والخلف إذا تم موازنتها للدوران فقط. يمكن إضافة وزن موازنة إضافي - "وزن زائد" - لتقليل هذا التذبذب، وعادةً ما يكون كافيًا لمعادلة الاهتزازات بجعل القوى والعزوم المتبقية متساوية في الاتجاهين الرأسي والأفقي. مع ذلك، فإن القوى الرأسية الناتجة، والمعروفة تقنيًا باسم " ضربة المطرقة"، قد تُلحق أضرارًا بالغة بالسكك الحديدية، وفي الحالات القصوى قد تتسبب في خروج عجلات القيادة عن مسارها تمامًا.

كلما زاد وزن الآلات الترددية، زادت هذه القوى، وتفاقمت المشكلة. باستثناء فترة وجيزة في أوائل القرن العشرين جُرِّبت فيها قاطرات مركبة متوازنة ، لم تكن خطوط السكك الحديدية الأمريكية مهتمة بالقاطرات ذات الأسطوانات الداخلية، لذا لم يكن بالإمكان حل مشكلة التوازن بإضافة المزيد من الأسطوانات لكل مجموعة عجلات متصلة. ومع ازدياد حجم القاطرات وقوتها، كان لا بد من تقوية آلاتها الترددية وزيادة وزنها، مما أدى إلى تفاقم مشاكل عدم التوازن وضربات المطرقة. كما أن السرعات العالية تزيد من قوى عدم التوازن، إذ تتناسب طرديًا مع مربع سرعة دوران العجلة.

كان أحد الحلول لهذه المشكلة هو القاطرة المزدوجة ، التي وزعت قوة الدفع على مجموعات متعددة من المكابس، مما قلل بشكل كبير من ضربات المطرقة. أما القاطرة الثلاثية فكانت أقل نجاحًا .

استخدم الاتحاد السوفيتي حلاً مختلفاً للحد من تأثير الصدمات على السكة الحديدية في تصميم قاطراته من نوع 2-10-4 (و2-8-2) . وُضعت الأسطوانات فوق محور القيادة المركزي، والأهم من ذلك، أنها كانت من نوع المكابس المتقابلة (مكبسان متقابلان بزاوية 180 درجة داخل أسطوانة واحدة). وبالتالي، على عكس معظم قاطرات البخار، احتوت المكابس على قضبان في كلا الطرفين لنقل الطاقة إلى العجلات. كانت الفكرة هي موازنة قوى الدفع على العجلات، مما يسمح بتصغير حجم الأثقال الموازنة عليها وتقليل تأثير الصدمات على السكة.

في المملكة المتحدة، حققت لجنة إجهاد الجسور الحكومية في تأثير ضربات المطرقة على توليد الإجهادات في جسور السكك الحديدية، وفي ضرورة موازنة حركات الأسطوانات الداخلية والخارجية. يؤدي استخدام الأسطوانات الداخلية (وهو أمر نادر في الولايات المتحدة) إلى قاطرة أكثر استقرارًا، وبالتالي تقليل ضربات المطرقة. كانت العديد من قاطرات الخزانات الأوروبية مزودة بأسطوانات داخلية للحد من تآكل مسارات ساحات المناورة نتيجة الاستخدام المتكرر والكثيف. مع ذلك، تُعد الأسطوانات الخارجية أسهل في الصيانة، ويبدو أن العديد من خطوط السكك الحديدية الأمريكية اعتبرت هذا الأمر أكثر أهمية من الاعتبارات الأخرى. ربما تكون تكاليف الصيانة المرتبطة بالأسطوانات الداخلية التي يصعب الوصول إليها في قاطرات 4-12-2 التابعة لشركة يونيون باسيفيك قد عجّلت بإخراجها من الخدمة.

تتميز القاطرات التي تعمل بمحركات البخار بمكونات ترددية أصغر حجماً وأكثر عدداً، مما يتطلب أجزاءً أخف وزناً بكثير، ويسهل تحقيق توازنها. لم تُسجّل أي مشاكل متعلقة بضربات المطرقة في هذه التصاميم، ولكنها ظهرت في وقت كانت فيه السكك الحديدية تتجه نحو استخدام محركات الديزل .

تفتقر قاطرات التوربينات البخارية إلى المكابس وآلية الصمامات والمكونات الأخرى المتحركة للأمام والخلف، مما يتيح موازنة العجلات وقضبان التوصيل للتخلص من ظاهرة الطرق. وقد جُرِّبت قاطرات التوربينات البخارية من قِبَل العديد من الشركات حول العالم في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين (مثل قاطرة S2 6-8-6 التابعة لسكك حديد بنسلفانيا ، وقاطرة Turbomotive التابعة لشركة LMS ). ورغم أن العديد من هذه القاطرات التوربينية عانت من مشاكل أثناء الخدمة (عادةً ما كانت تتمثل في استهلاك مفرط للوقود و/أو ضعف الموثوقية)، إلا أنها أثبتت خلوها من ظاهرة الطرق، ووفرت وسيلة لتحقيق قدرات عالية وسرعات فائقة دون إلحاق الضرر بالسكك الحديدية.

• موازنة المحرك §  قاطرات البخار