ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
1.1. МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ВОПРОСОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА СРЕДИ ДРУГИХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ДИСЦИПЛИН
Среди многих научных дисциплин, занятых изучением и решением важнейших научных проблем по созданию и эксплуатации железнодорожной техники, есть такие, которые, опираясь на фундаментальные науки и общенаучные дисциплины (механику, теплотехнику, электротехнику и др.), составляют теоретическую основу науки о железнодорожном транспорте. К ним относятся теории тяги поездов и тяговых расчетов, взаимодействия пути и подвижного состава, автоматического регулирования и управления на железнодорожном транспорте, эксплуатации железных дорог, транспортного материаловедения; они являются фундаментом для таких специальных научных дисциплин, как «Локомотивы и локомотивное хозяйство», «Вагоны и вагонное хозяйство», «Железнодорожный путь», «Мосты и тоннели»; «Автоматика и телемеханика железнодорожного транспорта» и др.
Рассмотрим главные составляющие теории взаимодействия пути и подвижного состава и входящие в ней методы решения практических проблем. Для проектирования подвижного состава, в частности для выбора параметров его экипажной части, для динамически рационального размещения внутри локомотивов оборудования, разработки правил размещения грузов на подвижном составе, решения вопросов, связанных с безопасностью движения и повышением надежности узлов экипажа, устойчивости подвижного состава в разных режимах движения, определения конструкционной скорости, уменьшения силового воздействия экипажа на путь, обеспечения плавности хода, уменьшения механического воздействия на грузы при их транспортировке и соблюдения требований ездового комфорта пассажиров необходимо правильно и точно описывать качественно и количественно динамические процессы, происходящие в экипаже при его движении по пути, и управлять этими процессами.
Эту часть науки о взаимодействии пути и подвижного состава, в которой сконцентрирована совокупность методов и приемов решения задач по качественному и количественному описанию Динамических процессов в экипаже и рекомендаций по улучшению динамических характеристик экипажей, называют динамикой подвижного состава1.
При проектировании конструкций железнодорожного пути и его элементов с выбором их геометрических форм, показателей прочности и надежности, определении наибольших допускаемых скоростей движения подвижного состава и осевых его нагрузок (в функции от допустимых уровней необратимых процессов, возникающих в пути, остаточных его деформаций и т. п.), норм его устройства и содержания используют совокупность знаний, которую называют динамикой железнодорожного пути и теорией его проектирования и эксплуатации. Эту область знаний также относят к науке о взаимодействии пути и подвижного состава.
Однако основой обоих этих направлений является та область исследований или расчетов, которая рассматривает подвижной состав и путь как единую механическую систему. И лишь решив вопросы в этом общем плане, в ряде случаев удается рассматривать изолированно, с известной мерой допущения, вопросы механики, относящиеся или к подвижному составу или к пути.
В чем же научное и практическое значение дисциплины «взаимодействие пути и подвижного состава»? Основным техническим принципом и идеалом любой транспортной системы является надежная, а следовательно, и безопасная доставка в кратчайшие сроки из одного пункта в другой максимально возможного количества людей и грузов с минимальными затратами материалов на создание и эксплуатацию транспортных средств. Этим целям служит и наука о взаимодействии пути и подвижного состава.
Можно полагать, что в недалеком будущем железнодорожный транспорт в массовых пассажирских перевозках перешагнет рубеж скоростей 250—300 км/ч, в грузовом движении — погонные и осевые нагрузки транспорта общего пользования превысят соответственно 100—120 кН/м и 300 кН/ось, а грузонапряженность ряда линий перешагнет за 200 млн. т-км/км брутто в год. В этих условиях обеспечение безопасности движения поездов, надежности работы подвижного состава и пути с максимальной производительностью транспорта и с минимальными затратами материальных средств живого труда и энергии не может быть осуществлено без знания процессов взаимодействия пути и подвижного состава. Далее будет показано, что эти процессы в конечном итоге сводятся к взаимосвязанным случайным колебаниям различных элементов пути и элементов подвижного состава, при которых могут возникать значительные остаточные деформации пути или потеря устойчивости подвижного состава, усталостные или хрупкие поломки элементов или деталей пути и подвижного состава.
Поэтому умение прогнозировать и рассчитывать, в зависимости от конструктивных особенностей подвижного состава, скоростей его движения, норм содержания пути и подвижного состава и отступлений от них, грузонапряженности и других факторов, процессы случайных колебаний и их эволюцию по мере износа пути и подвижного состава во всех звеньях единой механической системы «путь—подвижной состав», умение управлять этими процессами и составляет конечную цель науки о взаимодействии пути и подвижного состава.
Управление указанными выше процессами не предусматривает обязательного сведения их к нулю, поскольку это невозможно. Нужно лишь стремиться свести их к такому минимуму, который обеспечивает технические требования к данной системе (с учетом перспективы ее эксплуатации) и не требует чрезмерных затрат на ее создание и эксплуатацию.
На пути к овладению искусством управления процессами случайных колебаний в подвижном составе и пути лежат, казалось, огромные и непреодолимые трудности. В 1937 г. проф. Η. Т. Митюшин [26] писал: «При современном уровне знаний в области расчета пути невозможно вывести такую формулу, которая давала бы математически точное выражение для всех сил и причин, вызывающих динамические напряжения в рельсах, невозможно найти такую формулу, которая вполне точно учитывала бы долю участия в восприятии сил всех частей верхнего строения...»
Однако, как отмечалось выше, современные достижения в различных разделах механики, математики, особенно прикладной (с использованием ЭВМ), позволили в буквальном смысле произвести революцию в этой научной дисциплине. И сейчас многие важнейшие задачи науки о взаимодействии пути и подвижного состава уже решены или успешно решаются для большей части практических проблем, интересующих специалистов.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
При изучении процессов взаимодействия пути и подвижного состава исследуют колебания и динамические силы, развивающиеся в единой динамической системе «путь—экипаж».
Для изучения колебаний подвижного состава и пути принято строить такие расчетные схемы и модели, в которых этот сложный колебательный процесс разделен на отдельные составляющие его линейные колебания: вертикальные, горизонтальные поперечные и горизонтальные продольные. При этом следует иметь в виду, что часть экипажа, например установленная на рессорах так называемая надрессорная часть (рама, платформа или кузов экипажа), может совершать и угловые колебания. К вертикальным линейным колебаниям экипажа относят его подпрыгивание и галопирование. Подпрыгиванием называют вертикальные одинаковые по величине в каждый момент времени поступательные перемещения всех точек экипажа или его надрессорной части. Галопирование — вертикальные перемещения точек экипажа, возникающие в результате поворота (или вращения надрессорного строения) вокруг мгновенной горизонтальной оси вращения, перпендикулярной направлению движения экипажа.
К горизонтальным поперечным колебаниям относят колебания виляния (извилистого движения) экипажа, колебания относа надрессорного строения и колебания боковой качки.
1 Следует отметить, что в динамику подвижного состава входит также изучение продольных колебаний и продольных динамических усилий в поезде. Этот раздел динамики подвижного состава не входит непосредственно в область взаимодействия пути и подвижного состава.
Под колебаниями виляния понимают поперечные колебания колесных пар экипажа, совершающиеся в пределах зазоров между гребнями колес и рельсами, приводящие к извилистому вдоль пути движению как колесных пар, так и всего экипажа или его части (например, тележек). Горизонтальные поперечные по отношению к оси пути колебания, в которых в каждый момент времени возникают одинаковые по величине поперечные поступательные перемещения надрессорного строения, называют колебаниями относа. Вращательные движения экипажа или его надрессорного строения вокруг мгновенной горизонтальной оси, параллельной направлению движения, называют боковой качкой. Горизонтальные продольные по отношению к оси пути колебания всего экипажа называют подергиванием. Все описанные виды колебаний при движении экипажа в кривых участках пути и на стрелочных переводах имеют некоторые особенности.
Задачи, решаемые при исследованиях взаимодействия пути и подвижного состава, можно классифицировать по признаку «объект изучения», имея в виду при этом сочетание «объекта изучения в пути» и «объекта изучения в подвижном составе». Под объектом изучения в пути можно понимать наперед заданное сечение пути (или даже одного рельса) или совокупность наперед заданных сечений пути (в том числе одноименных, например стыков рельсов, крестовин стрелочных переводов и т. п.), или непрерывно заданный участок пути.
Под объектом изучения в подвижном составе понимают заданное колесо заданной единицы подвижного состава, одноименные колеса однотипных экипажей, все колеса заданного экипажа, все колеса одноименных экипажей, все колеса поезда.
Представим возможные в этой классификации для исследования номера задач в виде таблицы (табл. 1).
Задачи № 1—3, 7—9 решают обычно при испытаниях взаимодействия пути и подвижного состава; задачи № 13—15 — при оценке воздействия на путь подвижного состава (оценка долговечности металлических элементов и железобетонных шпал, при заданном уровне эксплуатации, накопления остаточных деформаций пути и т. п.); задачи № 4, 5, 10—12 — при расчетном установлении наибольших допускаемых скоростей заданного типа подвижного состава. В каких случаях решается та или иная задача (предложенной квалификации), будет изложено в последующих главах книги.
Объект изучения | Наперед заданное сечение пути | Совокупность наперед заданных сечений пути | Непрерывно заданный участок пути |
Заданное колесо заданной единицы подвижного со- | 1 | 2 | 3 |
Одноименные колеса однотипных экипажей | 4 | 5 | 6 |
Все колеса заданного экипажа | 7 | 8 | 9 |
Все колеса одноименных экипажей | 10 | 11 | 12 |
Все колеса поездов | 13 | 14 | 15 |
Задачи № 1, 2, 7 и 8 могут решаться в детерминистической постановке, так как для их решения могут быть точно заданы начальные и граничные условия; все же остальные задачи — только в вероятностной (стохастической) постановке, поскольку все исходные данные для их решения могут быть определены только в вероятностной форме.
При оценке воздействия, например, подвижного состава на путь в результате исследований определяют значения сил, действующих на путь (вертикальные, горизонтальные, поперечные и продольные), перемещений, скоростей и ускорений элементов пути, напряжения в элементах пути, интенсивность накопления остаточных деформаций в пути или накопления повреждений. В случае оценки воздействия пути на подвижной состав определяются динамические силы, возникающие в элементах подвижного состава, напряжения в них, их прочность, перемещения, скорости и ускорения элементов подвижного состава.