Взаимодействие вагонов и пути — одна из основных научных технических дисциплин железнодорожного транспорта, имеющая большое практическое значение. Основные объекты исследований этой дисциплины — конструкции пути и вагонов и параметры этих конструкций.
Изучение процессов взаимодействия вагонов и пути началось вместе с зарождением железнодорожного транспорта, поскольку результаты исследований их взаимодействия необходимы для создания надежных и долговечных конструкций вагонов и пути, определения норм их устройства, правил ремонта и технического содержания. Дисциплина включает в себя исследования плоских и пространственных колебаний вагонов при движении их по детерминированным и случайным (стохастическим) неровностям пути; деформаций и необходимых конструктивных размеров элементов вагонов и пути с целью обеспечения достаточной прочности, долговечности, надежности в эксплуатации.
Изучение процессов взаимодействия вагонов и пути началось вместе с зарождением железнодорожного транспорта, поскольку результаты исследований их взаимодействия необходимы для создания надежных и долговечных конструкций вагонов и пути, определения норм их устройства, правил ремонта и технического содержания. Дисциплина включает в себя исследования плоских и пространственных колебаний вагонов при движении их по детерминированным и случайным (стохастическим) неровностям пути; деформаций и необходимых конструктивных размеров элементов вагонов и пути с целью обеспечения достаточной прочности, долговечности, надежности в эксплуатации.
Исследования взаимодействия вагонов и пути являются научной базой рационального конструирования и эксплуатации вагонов и железнодорожного пути и средством интенсификации их использования, повышения пропускной и провозной способности железных дорог, обеспечения безопасности движения с точки зрения устойчивости колеса на рельсе и устойчивости от поперечного опрокидывания кузова вагона в кривых. Для выбора рациональных параметров вагонов при их проектировании, разработки норм размещения перевозимых грузов в вагонах; решения вопросов безопасности движения и повышения прочности и надежности узлов вагонов; определения конструктивной скорости движения вагонов; уменьшения силового воздействия вагонов на путь; обеспечения плавности хода, в частности пассажирских вагонов; уменьшения механического воздействия на перевозимые в грузовых вагонах грузы и соблюдения требований ездового комфорта пассажиров необходимо правильно и точно описать качественно и количественно динамические процессы, происходящие в движущемся вагоне, и управлять этими процессами.
Эту часть дисциплины о взаимодействии вагонов и пути, в которой сконцентрирована совокупность методов и приемов решения задач по качественному и количественному описанию динамических процессов в вагоне и рекомендаций по улучшению динамических показателей вагонов, называют динамикой вагона.
При проектировании конструкций железнодорожного пути и его элементов с выбором их геометрических форм, показателей прочности и надежности, с определением наибольших скоростей движения вагонов и их осевых нагрузок; норм устройства и содержания пути используется совокупность знаний, которая называется динамикой железнодорожного пути и теорией его проектирования и эксплуатации.
Основой обоих направлений взаимодействия вагонов и пути является область исследований или расчетов, которая рассматривает вагон и путь как единую механическую систему. После решения вопросов в общем плане в ряде случаев удается рассматривать изолированно с известной мерой допущения вопросы теоретической механики, относящиеся к вагону или к пути.
Наука о взаимодействии вагонов и пути служит для обеспечения безопасной перевозки грузов и пассажиров в кратчайшие сроки с минимальными затратами материалов на создание и эксплуатацию вагонов. Обеспечение безопасности движения поездов, надежности работы вагонов и пути с их максимальной производительностью и с минимальными затратами труда и энергии, особенно при высоких скоростях движения (свыше 250 км/ч для пассажирских поездов), осевых нагрузках до 30 т и погонных нагрузках до 10—12 т/м для грузовых поездов, при грузонапряженности отдельных линий свыше 200 млн т-км брутто в год, не может быть осуществлено без знания процессов взаимодействия пути и вагонов, которые в конечном итоге сводятся к взаимосвязанным случайным колебаниям различных элементов вагонов и пути, при которых могут возникнуть значительные остаточные деформации пути или потеря устойчивости вагонов на рельсах, усталостные или хрупкие поломки элементов или деталей вагонов и пути. Поэтому умение прогнозировать и рассчитывать, в зависимости от конструктивных особенностей вагонов, скоростей движения, норм содержания пути и вагонов и отступлений от них, грузонапряженности и ряда других факторов, процессы случайных колебаний вагонов и их эволюцию по мере износа пути и вагонов во всех звеньях единой механической системы «вагон — путь», умение управлять этими процессами и составляет конечную цель науки о взаимодействии вагонов и пути.
При этом управление указанными процессами не предусматривает обязательного сведения их к нулю, поскольку это на практике невозможно. Нужно лишь стремиться свести их к такому разумному минимуму, который обеспечивает технические требования к данной системе с учетом перспективы ее эксплуатации и не требует чрезмерных затрат на ее создание и эксплуатацию.
В настоящее время многие важные для железнодорожного транспорта задачи науки о взаимодействии вагонов и пути уже решены или успешно решаются для большей части практических проблем с использованием современных достижений в механике, математике и кибернетике, что позволило в буквальном смысле провести революцию в этой научной дисциплине.При изучении процессов взаимодействия вагонов и пути исследуются колебания вагонов и пути и динамические силы, развивающиеся в единой динамической системе «вагон—путь». Для теоретического исследования колебаний вагона и пути принято строить такие расчетные схемы и модели, в которых этот сложный колебательный процесс разделен на отдельные составляющие его линейные колебания: вертикальные, поперечные и продольные горизонтальные. При этом следует принимать во внимание, что обрессоренная масса вагона (рама тележки, кузов с грузом) может совершать также и угловые колебания.
К вертикальным линейным колебаниям вагона относятся подпрыгивание и галопирование, а к горизонтальным поперечным колебаниям — виляние, боковая качка и поперечный относ кузова на рессорном подвешивании.
Подпрыгивание — это вертикальные одинаковые по величине в каждый момент времени поступательные перемещения всех точек вагона или его обрессоренной массы (кузов, рама тележки).
Галопирование — это вертикальные перемещения точек вагона, возникающие в результате поворота или вращения кузова вокруг мгновенной горизонтальной поперечной оси вращения, проходящей через центр массы вагона.
Виляние — это поперечные колебания колесных пар, совершающиеся в пределах зазоров между гребнями колес и внутренней гранью головок рельсов, приводящие к извилистому движению вдоль пути колесных пар тележек, кузова.
Колебания относа — это поперечные горизонтальные колебания, при которых в каждый момент времени возникают одинаковые по величине поступательные перемещения кузова или рамы тележки.
Боковая качка — это вращательные движения кузова вагона вокруг мгновенной продольной оси вагона. Горизонтальные продольные по отношению к оси пути колебания вагона называются подергиванием.
Изучение процесса взаимодействия пути и вагонов, а также выполнение инженерных расчетов и исследований сводится к следующему: выбор соответствующей математической модели процесса взаимодействия или его расчетной схемы, определение метода исследования и нахождение метода решения той или иной конкретной задачи, определение исходных данных для расчетов или исследований, т.е. параметров всех элементов, входящих в модель или расчетную схему.
Математическая модель представляет собою систему дифференциальных уравнений, выражающих условия динамического равновесия динамической системы «вагон-путь». По этим уравнениям определяют свойства динамической системы, в частности, ее амплитудно-частотную характеристику, с помощью которой при заданных функциях неровностей пути и неровностей на поверхности качения колес могут быть определены параметры колебаний обрессоренной и необрессоренной масс, которые используются на практике для определения напряженного состояния, прочности, надежности элементов вагона и пути, накопления в них остаточных деформаций, возможного схода вагона с рельсов, для установления допускаемой скорости движения вагона.
В экспериментальных исследованиях взаимодействия вагона и пути определяются механические характеристики вагона и пути, значения наиболее существенных параметров механических процессов во взаимодействующих конструкциях. В основу этих исследований положены комплексные испытания с использованием динамометрического и путеиспытательного вагонов-лабораторий, с помощью которых регистрируются соответствующей электронной измерительной аппаратурой и компьютерами линейные и угловые перемещения обрессоренных и необрессоренных масс вагона; вертикальные и горизонтальные ускорения и динамические силы, действующие на вагон при различной конструкции пути и различных неровностях пути; вертикальные и горизонтальные нагрузки на путь от вагонов, напряжения в элементах вагона и пути.
По результатам испытаний определяется максимально допустимая скорость движения вагонов по пути с различными типами верхнего строения и различным планам линии (прямые, кривые) при наличии различных отступлений от проектных норм устройства пути и ходовых частей вагона. В комплексных испытаниях изучается также влияние на динамические процессы различных вариантов конструктивных решений в ходовых частях вагона.
