Изучение процессов взаимодействия пути и подвижного состава началось вместе с зарождением железнодорожной техники, поскольку результаты такого рода исследований были необходимы при создании подвижного состава и пути, установлении норм их устройства и правил ремонта и содержания.
Практические потребности вынудили сразу же заняться изучением и решением взаимосвязанных задач:
о величинах и характеристиках колебаний подвижного состава и пути при движении поездов;
о величинах и направлениях действия сил, возникающих между колесами экипажей и рельсами, между отдельными конструктивными элементами пути, а также у экипажей при их движении;
о величинах деформаций и необходимых конструктивных размерах элементов пути и подвижного состава, а также о требованиях к применяемым для их изготовления материалов, обеспечивающих достаточную прочность, долговечность и надежность в эксплуатации.
На первом этапе развития исследования динамических процессов в подвижном составе и в пути шли разобщенно. Между тем, как это будет показано, первопричина всех этих процессов находится именно во взаимодействии подвижного состава и пути, т. е. в их поведении в единой механической системе.
К концу XIX в. были рассмотрены, в известной мере изучены и решены многие важные теоретические и практические вопросы. Уже на первых паровозах Локомошен, Роджерса, Крамптона (1832—1846 гг.), исходя из анализа механических процессов, происходящих в паровой машине, на колесах паровозов устанавливали противовесы для уравновешивания возникающих в машине и на колесах вертикальных и горизонтальных сил инерции. Этим же предотвращалось вертикальное обезгруживание колес, а вместе с тем и возможность их схода с рельсов.
В 50-е годы прошлого столетия для выравнивания нагрузок от оси на рельсы впервые вводятся объединенные балансирами рессоры, и фон Вебер [1] описывает основы теории этого вопроса. Он же указывает на необходимость обеспечения вписывания подвижного состава в кривые, рекомендует устраивать тележки со шкворневым опиранием рамы и разбегами задних осей паровоза, рассматривает основные положения (схемы) вписывания в кривые участки пути экипажей с колесными парами, заключенными в жесткую раму, вопрос о коничности бандажей; описывает листовые, спиральные и даже каучуковые рессоры и ряд других вопросов, связанных с проектированием подвижного состава. Проводившиеся до этого исследования в большей степени относятся к динамике только подвижного состава.
В те же годы исследованиями по вписыванию подвижного состава было положено начало изучению проблем собственно взаимодействия пути и подвижного состава. В частности, в это время Виллисом, а затем Стоксом, Филлипсом, Брессом, Резалем и Сен-Венаном был подготовлен математический аппарат и решены задачи механики, аналогичные тем, которые используются при определении сил инерции необрессоренных масс.
Тогда же проводился ряд опытных и теоретических исследований по колебаниям масс, опирающихся на рессоры (надрессорного строения экипажей). Это были опыты фон Вебера, Бриера, Мишеля, Клемминга, теоретические исследования Редтенбахера, Надаля и других исследователей. Замечательно то, что исследователи этих процессов считали свои решения крайне приближенными, понимая, что неровности пути имеют случайные отклонения от проектного очертания профиля.
В последней четверти XIX в. в связи с бурным развитием промышленности и железнодорожного строительства в России отечественные инженеры внесли значительный вклад в теорию взаимодействия пути и подвижного состава и исследования работы пути. В 1847 г. сотрудник Техническо-инженерного комитета Министерства путей сообщения России Ф. Энрольд предложил формулу для расчета рельсов на изгибную прочность, которая была использована в расчетах рельсов казенных железных дорог, а в последующем применялась и в США. В 1888 г. инж. А. А. Холодецкий [2, 3] впервые создал основы математической теории вписывания в кривые многоосных экипажей. Он вывел формулы для определения боковых сил, передаваемых ребордами колес рельсам при вписывании экипажа в круговую кривую с постоянной: скоростью.
Огромный вклад в теорию взаимодействия пути и подвижного состава внес академик Η. П. Петров. Он разработал теорию сил инерции необрессоренных масс, получившую всемирное признание [4—8]. Эти исследования, построенные на оригинальном применении метода конечных разностей, позволили численно определять величины наибольшей компоненты вертикальных сил, воспринимаемых рельсом, — силу инерции необрессоренной массы, движущейся по упругому пути с неровностями любой формы (или при неровностях на колесах). Им были даны основные идеи применения теории вероятностей к наблюдениям напряжений и деформаций в железнодорожном пути.
Основываясь на опытах 1890—1898 гг. И. Р. Стецевича и А. Л. Васютинского [9, 10] по измерениям упругих деформаций пути, в которых было показано, что прогибы рельса между шпалами и на шпалах практически одинаковы, проф. С. П. Тимошенко смог принять в качестве расчетной схемы пути схему балки, лежащей на сплошном упругом основании. На этой основе С. П. Тимошенко [Н. 12] существенно упростил расчеты, сил инерции необрессоренных масс, предложил формулы для определения сил взаимодействия колес и рельса при синусоидальной и прямолинейно очерченной впадине на пути и дал количественную оценку влияния на эти силы вибраций пути. В последующем эти теоретические решения были развиты проф. А. М. Годыцким-Цвирко [13] с учетом того, что масса пути равномерно распределена по его протяжению.
В области определения горизонтальных сил, возникающих в кривых участках пути, в развитие идей А. А. Холодецкого были решены многие практические задачи К. Ю. Цеглинским [14] и проф. Η. Т. Митюшиным [15].
В конце XIX — начале XX вв. проводились и некоторые опытные работы. А. Л. Васютинским введено понятие коэффициента постели шпалы, исследованы различия в упругих деформациях различных элементов верхнего строения пути, открыто явление отставания деформаций пути во времени от действующих на него сил из-за возникающих при этом внутренних сил трения в основании пути и получен богатейший численный материал по упругим характеристикам и деформациям пути.
В 1912 г. Конторой по производству опытов над паровозами при МПС России впервые в мире были созданы динамические паспорта паровозов, представляющие собой зависимости от скорости движения локомотива всех сил, составляющих вертикальную динамическую нагрузку колес паровозов на рельсы и их суммы (с учетом внутренних функциональных связей между этими составляющими). В этих паспортах учитывались все вертикальные динамические силы, кроме сил инерции необрессоренных масс.
Весь комплекс указанных выше работ позволял создать методику динамических расчетов и расчетов на прочность подвижного состава, расчетов пути на прочность и методику определения наибольших допускаемых скоростей движения экипажей заданных конструкций по заданным конструкциям пути. Эти методики были реализованы в виде официальных документов по расчетам пути на прочность лишь в 1925—1930 гг.; конечно, эти документы давали лишь приближенные оценки прочности пути.
Широким фронтом исследования в области взаимодействия пути и подвижного состава развернулись после создания в Советской России в апреле 1918 г. Экспериментального института путей сообщения. В программе его деятельности [16] ставились большие и очень важные задачи по динамическим и путевым испытаниям подвижного состава и многие проблемы взаимодействия пути и подвижного состава. Была намечена и утверждена Программа исследований статических деформаций рельса, включающая изучение его изгиба и кручения в зависимости от упругости опор
и качества балласта, связанных с этим контактных напряжений на колесах и рельсах, поиск рациональных форм бандажа и очертания головки рельса, установление влияния на вертикальные силы и деформации неровностей пути и колес подвижного состава, в частности ползунов на колесах, и многое другое. Эта часть программы, относящаяся к указанным выше проблемам, была составлена крупнейшими специалистами того времени профессорами К. Ю. Цеглинским, П. А. Велиховым, Η. Т. Митюшиным, В. К. Дмоховским, Э. Э. Гековичем, инж. Р. П. Гриненко и др.
Несмотря на то, что с момента составления этой программы прошло более 65 лет, она и сейчас весьма современна. В первые годы работы научных организаций транспорта молодой Советской республики были направлены на восстановление разрушенного войной железнодорожного хозяйства. Но уже в начале 20-х годов выдвигаются фундаментальные идеи по исследованиям взаимодействия пути и подвижного состава: о динамических испытаниях паровозов на катковых станциях (проф. А. О. Чечотт) и на мостах больших пролетов (инж. Μ. Е. Правосудович), о контактных напряжениях и выборе диаметра колес (проф. К. А. Оппенгейм, инж. Руднев), о теории схода экипажей на стрелках (инж. П. С. Рубан).
В 1925 г. Научно-техническим комитетом НКПС впервые в мире на научной основе был разработан приказ НКПС, в котором излагались основы расчетов наибольших допускаемых скоростей движения паровозов в зависимости от их типов и конструкции пути [17]. Дальнейшему прогрессу теории способствовало введение в расчеты деформаций пути расчетных схем «балка на многих упругих опорах» и «балка на сплошном упругом основании» (проф. В. В. Григорьев) и вместе с этим применение теории инфлюэнтных линий [18].
Начавшиеся в то время широкие экспериментальные работы позволили приступить к испытаниям воздействия на путь локомотивов, исследованиям по определению многочисленных и нужных в инженерной практике параметров пути и зависимостей их от различных факторов. Сначала в 1929 г., а затем в 1931 г. были введены уточненные официальные методы расчетов пути на прочность и на их основе методы определения наибольших допускаемых скоростей движения подвижного состава по разным конструкциям пути.
К началу 30-х годов относится и глубокое осмысливание и пересмотр основных концепций и проблем работы пути под поездами.
Впервые проф. М. А. Чернышевым, а затем и Б. Н. Сергеевым были выдвинуты идеи о необходимости оценки влияния пропущенного по пути груза (тоннажа) на накопление остаточных деформаций пути и повреждений его элементов. Б. Н. Сергеев теоретически обосновал необходимость увеличения мощности пути при повышении нагрузок, скоростей движения и особенно грузонапряженности, указал на зависимость норм устройства и содержания пути от осевых нагрузок, рассмотрел влияние торможения подвижного состава на работу пути. Им же впервые высказана мысль о необходимости проводить расчет рельсов на прочность не по изгибу и кручению, а по местным напряжениям; он сформулировал принципы выбора допускаемых напряжений в элементах пути и многие другие важные положения по расчетам пути и испытаниям воздействия на путь подвижного состава.
Работы Б. Н. Сергеева и руководимой им группы, явились огромным вкладом в теорию и практику взаимодействия пути и подвижного состава. Многие из его идей были воплощены в жизнь только в последующем, а некоторые из них используются и разрабатываются и в настоящее время.
Начиная с 1928 г. и до наших дней в Советском Союзе непрерывно велись и ведутся комплексные испытания взаимодействия всех вновь выпускаемых типов локомотивов, электро- и дизель- поездов, грузовых и пассажирских вагонов с железнодорожным путем. При этом испытаниям подвергается подвижной состав в новом состоянии при различном износе экипажной части и на путях с различным состоянием верхнего строения. Таким испытаниям подвергались сотни типов подвижного состава, в результате чего был накоплен огромный экспериментальный материал.
Основные работы по этим испытаниям проводились научными работниками ВНИИЖТа. В настоящее время они продолжаются организованным в 1961 г. Отделением комплексных испытаний и взаимодействия пути и подвижного состава ВНИИЖТа, являющимся пока единственной в мире специальной научной организацией, занимающейся этой проблемой. ВНИИЖТ выполняет также большой объем и теоретических исследований в этой области.
Большой вклад в развитие теории взаимодействия пути и подвижного состава, динамики подвижного состава и пути внесли и вносят кафедры Московского, Ленинградского, Днепропетровского, Новосибирского и других институтов инженеров железнодорожного транспорта. Необходимо особо отметить большой вклад в эту науку, сделанный акад. В. А. Лазаряном, профессорами С. В. Амелиным, Н. А. Ковалевым, С. М. Куценко, Μ. П. Смирновым, М. А. Фришманом, М. А. Чернышевым, Г. М. Шахунянцем, В. Ф. Яковлевым и многими другими советскими учеными. Большое количество работ в этой области выполнялось и выполняется Всесоюзным научно-исследовательским тепловозным институтом (ВНИТИ) и ВНИИ электровозостроения (ВЭлНИИ). Большой прогресс в научных исследованиях по взаимодействию пути и подвижного состава был достигнут благодаря применению в них теории вероятностей и случайных процессов [19, 20] и моделированию процессов взаимодействия на электронных вычислительных машинах [20, 21].
История развития исследований и практического применения науки о взаимодействии пути и подвижного состава в нашей стране, особенно после Великой Октябрьской социалистической революции, очень многогранна. Даже краткое ее изложение [22] показывает, что каждый шаг в этой науке, решение каждой задачи оказывают существенное влияние на развитие железнодорожного транспорта, на безопасность движения поездов, на величины допускаемых скоростей движения, а значит, и на пропускную и провозную способность железных дорог, на экономику содержания подвижного состава и пути, условия габаритной проходимости подвижного состава и т. п.
Решение почти каждой задачи в области взаимодействия пути и подвижного состава потребовало от специалистов больших усилий, поисков, применения современного и совершенного математического аппарата и экспериментальных средств. Множество решений различных задач, результатов экспериментальных исследований с конкретными предложениями и рекомендациями практического характера опубликовано в виде статей и трудов.
Современные достижения в различных разделах механики, особенно прикладной математики, с применением ЭВМ, а в экспериментах современной телеметрической и новейшей регистрирующей аппаратуры позволили в буквальном смысле слова произвести революцию в рассматриваемой области знаний. На этой основе получено и опубликовано очень большое количество новых научных результатов, имеющих важное практическое значение. Часть этих публикаций, использованная в этой книге, приведена в конце ее (см. Список литературы). Однако книг, систематически излагающих вопросы взаимодействия пути и подвижного состава и обобщающих полученные в этой области результаты за всю историю железных дорог, у нас было выпущено мало. Первый труд, обобщающий многочисленные исследования в Советском Союзе и за границей по вопросам работы пути под нагрузкой и динамики подвижного состава, под названием «Взаимодействие пути и подвижного состава» был опубликован в 1931 г. известным советским ученым проф. А. М. Годыцким-Цвирко [23]. В 1933 г. в переводе на русский язык вышла значительная по содержанию монография французского ученого Г. Марье, также посвященная взаимодействию пути и подвижного состава [24]. Наконец, в 1956 г. была опубликована книга с тем же названием [25].
После выхода в свет последней книги в науке о взаимодействии пути и подвижного состава появилось много новых задач, новых идей в методах их решения, законченных теоретических и экспериментальных исследований, уточняющих результаты ранее выполненных исследований, получено большое количество новых результатов. Это и вызвало у авторов желание написать книгу с изложением современных взглядов на научные основы и проблемы взаимодействия пути и подвижного состава, обобщающую полученные к началу 80-х годов научные результаты, а главное — вооружить читателя арсеналом современных средств для решения практических задач.
ГЛАВА 1 .