Вертикальные воздействия колес на рельсы

В зависимости от направления действия сил по отношению к оси пути различают вертикальные, го­ризонтальные поперечные и гори­зонтальные продольные силы.

Вертикальные силы воздействия колес подвижного состава на рель­сы складываются из собственного веса экипажа, приходящегося на одно колесо (статическая нагрузка), а также дополнительных вертикаль­ных сил, возникающих от колеба­ний надрессорного строения эки­пажа и неподрессоренных масс, от неровностей пути и неровнос­тей на колесах (рис. 5.5).

В кривых участках пути действу­ют дополнительные вертикальные силы, связанные с возвышением наружного рельса и поперечным воздействием рамы экипажа на ко­лесную пару.

Все перечисленные вертикальные силы имеют различную природу и свои особенности.

Постоянна во времени только статическая нагрузка. Силы от колеба­ний надрессорного строения на рессорах и от наличия неровности в пути и на колесах переменны во времени и носят вероятностный характер.

Дополнительные силы воздействия колес на рельсы, вызванные не­ровностями пути, зависят от типа рельсов, рода балласта и степени его уплотнения, числа шпал, массы неподрессоренного груза, статической силы и дополнительной силы от колебания надрессорного строения на рессорах, а также от скорости движения.

Различают короткие и длинные неровности пути. К коротким неров­ностям относят неровности, по которым колесо перекатывается, не ка­саясь дна неровности. В этом случае возникает ударная сила. Короткие неровности имеют длину до 200 мм. Их появление связано с волнооб­разным износом рельсов или пробуксовкой колес. Если колесо катится по контуру неровности, то такую неровность считают длинной. Длин­ные неровности, как правило, являются следствием плохо подбитой или гнилой шпалы, перекосов или неравноупругости пути.

При движении по такой неровности дополнительные силы возника­ют сравнительно плавно.

В расчетах пути на прочность рассматривают безударные динамичес­кие силы, которые возникают при перекатывании колес по длинным неровностям пути. Дополнительные вертикальные силы воздействия колеса на рельс, вызываемые неровностями на колесах, зависят от вида неровностей. Различают изолированные неровности и непрерывные неровности на колесах.

Изолированные неровности на колесах (часть таких неровностей называют ползуном или выбоиной) имеют небольшое протяжение по кругу катания. Правила технической эксплуатации железных дорог РФ допус­кают следующие глубины таких неровностей, мм:

• для локомотивов и моторвагонного подвижного состава с ролико­выми буксовыми подшипниками — 1,0;
• для вагонов с роликовыми буксовыми подшипниками — 1,0;

с подшипниками скольжения — 2,0.

Дополнительные вертикальные силы, вызванные изолированными неровностями на колесе, зависят от массы неподрессоренного груза, длины и глубины неровности на колесе, жесткости железнодорожного пути и скорости движения.

Жесткость пути может быть оценена модулем упругости рельсового основания — вероятностной величиной, определяемой как отношение упругого отпора основания к прогибу рельса, как нагрузка, приложен­ная к единице длины пути и вызывающая его осадку на единицу длины (кг/см/см = кг/см²).

Численное значение модуля упругости II пропорционально эпюре шпал, типу рельсов, материалу и размерам балластной призмы и др. Для пути с деревянными шпалами и щебеночным балластом средние значе­ния модуля упругости составляют при эпюре шпал 1840 шт./км летом 260 кг/см² и зимой 450 кг/см², при эпюре шпал 2000 шт./км — соответ­ственно 300 кг/см² и 490 кг/см². При железобетонных шпалах модуль упругости увеличивается почти в два раза.

Непрерывные неровности на колесах имеют протяжение полной дли­ны круга катания. Эти неровности могут быть следствием неточной об­точки колес или их неравномерного износа. Возникающие от непрерыв­ных неровностей на колесе дополнительные вертикальные силы зави­сят от типа подвижного состава, конфигурации пути, массы неподрессоренного груза, диаметра колес, модуля упругости пути и скорости движения. Эти силы пропорциональны квадрату скорости и тем боль­ше, чем меньше диаметр колес.

При прочих равных условиях силы, вызванные непрерывными не­ровностями на колесах, меньше сил, вызванных изолированными не­ровностями на колесах.

Как учесть в расчетах пути на прочность все эти имеющие случай­ный (вероятностный) характер динамические вертикальные силы? Если принять в расчет и просто сложить максимальные значения всех дей­ствующих на путь вертикальных сил, то необходимо было бы иметь кон­струкцию пути с большим запасом прочности. Однако трудно предпо­ложить, что в одном сечении в один и тот же момент времени возникнут одновременно максимальные значения всех вертикальных динамичес­ких сил. В этом случае применяют основные законы теории вероятнос­тей, позволяющей найти в случайном сочетании сил то наибольшее их значение, которое будет наиболее вероятным.

При определении полного вертикального давления в каком-либо сечении пути учитывают влияние соседних осей на напряженное состо­яние этого сечения. Считают, что если соседнее колесо расположено на расстоянии 3,5 м и более от расчетного сечения, то его влиянием на расчетное сечение можно пренебречь.

Полная вертикальная нагрузка экипажа на путь с учетом всех его осей и расстояний между ними называют эквивалентным грузом. Вертикальные динамические силы Р при современных скоростях движения могут достигать 100—250 кН.