9.8.1 Динамические характеристики железнодорожного пути

Железнодорожный путь как часть механической системы «вагон — путь» описывается совокупностью характеристик, которые можно разделить на две группы: характеристики, определяющие реакцию пути на динамическое воздействие колеса, и характеристики, определяемые остаточными деформациями, накапливаемыми в пути под воздействием подвижного состава.

В пути, в первую очередь в верхнем строении, под воздействием колес вагонов возникают силы упругости, инерции и трения. Упругая составляющая динамической реакции пути нелинейно зависит от просадки рельсов под вертикальной нагрузкой вагона. С увеличением просадки путь становится более жестким. Однако в большинстве случаев для приближенных расчетов принимается, что просадка рельса прямо пропорциональна динамической нагрузке колеса. Путь по длине является неравноупругим, особенно в зоне стыков, что приводит к возникновению динамических неровностей рельсовых нитей дополнительно к геометрическим неровностям.

Основной характеристикой пути является жесткость. Различают вертикальную, горизонтальную поперечную (боковую) и горизонтальную продольную жесткость. Под жесткостью понимается отношение приложенной к головке рельса соответствующей силы (вертикальная, горизонтальная) к возникающему в точке приложения силы прогибу в вертикальной или поперечной горизонтальной плоскости. Применительно к подрельсовому основанию пути применяется понятие «вертикальная погонная жесткость основания» и «горизонтальная продольная жесткость пути». Эту жесткость называют «физическим модулем упругости пути», под которым понимается реакция основания пути на единице его длины при деформации основания, равной единице; размерность МН/м2. Различают вертикальную жесткость статическую и динамическую, в основном известны значения статической жесткости, так как методы определения динамической жесткости пока далеко не совершенны. Вертикальная жесткость зависит в основном от рода шпал, времени года (зимой она в 2—3 раза выше, чем летом).

Боковая жесткость рельсов увеличивается с увеличением жесткости прокладок между рельсом и подкладкой, подкладкой и шпалой, боковой жесткости упора подошвы рельса в скреплениях, от вертикальной нагрузки рельсов на шпалы.

Горизонтальная продольная жесткость пути оценивается модулем упругости пути при продольных деформациях рельса по его основанию, под которым понимается равномерно распределенная сила, которую необходимо приложить к единице длины основания рельса при его упругом продольном перемещении на единицу длины; размерность МПа.

Вертикальная жесткость пути с рельсами летом равна 40—50 МН/м при деревянных шпалах и 100—120 МН/м при железобетонных шпалах; горизонтальная жесткость равна 20 МН/м при деревянных шпалах и раздельном скреплении рельсов и 25 МН/м при железобетонных шпалах и раздельном скреплении рельсов. Зимой вертикальная жесткость пути в 2,0—2,5 раза выше, чем летом, при деревянных шпалах и в 1,3—1,5 раза при железобетонных шпалах. Горизонтальная жесткость пути зимой в 1,2—1,25 раз выше, чем летом, при деревянных и железобетонных шпалах. Горизонтальная продольная жесткость пути равна 14,2—15 МПа при щебеночном балласте и эпюре шпал 1840 шт./км и 4,8—5,5 МПа при песчаном балласте и эпюре шпал 1840 шт./км.

Под воздействием нагрузки от вагонов в конструкции пути возникают силы трения, которые можно разделить на силы сухого трения, пропорциональные просадке рельса, и силы вязкого трения, пропорциональные скорости изменения просадки рельсов. Силы инерции, возникающие в верхнем строении пути при безударном движении и ударах колес о рельсы на стыках из-за наличия ползунов на колесах (плоское место на поверхности качения колеса) и в других аналогичных случаях, связаны с волнами деформации, проходящими при ударном и безударном взаимодействии колес и рельсов в верхнем строении пути.