Розділ 6. Розрахунки верхньої будови колії на міцність і стійкість

6.1. Загальні відомості та історична довідка щодо розрахунків колії на міцність

Питання розрахунку основних елементів колії на міцність є надзви--.їйно важливими і разом з тим надто складними. Вони завжди привертали • загу провідних вчених та фахівців залізничного транспорту, саме внаслідок лньої складності. Справа в тому, що при розрахунках колії на міцність доводиться стикатися з цілою низкою інженерних проблем і вирішувати іуже непросту багатоваріантну задачу з багатьма невідомими, а саме:

• потрібно враховувати цілий комплекс діючих на колію силових мкторів: вертикальних, горизонтальних повздовжніх і поперечних сил, 5- гинаючих і крутних моментів у повздовжніх та поперечних площинах, тгн цьому зазначені силові фактори є змінними у часі і просторі;

• необхідно враховувати динамічний характер впливу рухомого зіладу на колію, а за певних умов - ударно-динамічний характер;

• необхідно враховувати коливальні процеси, що виникають під час г*»ху одиниць рухомого складу, які мають необресорену частину і надре-:о?ну будову; також необхідно враховувати інерційний вплив мас, що ко­ли ваються;

• необхідно враховувати достатньо складну конструкцію верхньої г-лови колії (В.Б.К.), яка складається з різноманітних елементів, що ма­сть різну міцність і опірність силовим діям;

• необхідно враховувати вплив природних факторів на роботу колії і^самперед змінних за часом температур);

• необхідно враховувати, що колія не є незмінною у плані і профілі: іс на має прямі і криві, спуски і підйоми, крім того, характер впливу рухо­мого складу на кожній з цих ділянок розрізнений;

• необхідно враховувати й інші фактори.

Таким чином, задача розрахунку колії на міцність надто непроста, і тому, як вже зазначалось, нею займалися упродовж усієї історії розвитку залізничної науки провідні вчені залізничного транспорту і будівельної «еханіки. При цьому дослідження вітчизняних учених у цій галузі завжди *али високу значимість і за низкою питань є пріоритетними і фундаментальними.

Одним із перших питань розрахунку колії на міцність займався пер­ший будівельник вітчизняних залізниць, найвидатніший учений і інженер П.П. Мельников, що випустив в 1835 р. книгу «Про залізниці», де навів перші розрахунки рейки, як балки на жорстких опорах. У 1867-1888 рр. німецькі вчені Вінклер і Циммерман розробили теорію розрахунку рейки як нерозрізної балки на пружних опорах. У 1888 р. російський вчений професор А.А. Холодецький розробив один з перших засобів розрахунку рейки на спільну дію вертикальних і горизонтальних сил. У 1897-1898 рр. професором Васютинським А.А. було виконано великий обсяг експери­ментальних досліджень щодо впливу силової дії на колію і на вертикальні прогини. У 1903 р. російський академік Н.П. Петров уперше склав і вирі­шив диференційне рівняння рівноваги вертикальних сил, діючих при русі коліс рейковою колією, він же першим досліджував вплив нерівностей на колесах і рейках на рівень сил взаємодії. Глибоким дослідженням взаємо­дії рухомого складу і колії в кривих стала робота професора К.Ю. Цеглин-ського "Залізнична колія в кривих" (1903 р.). Книгу Н. П. Петрова "Тиск колеса на рейки залізниць, міцність рейок і стійкість колії", яка вийшла у 1915 р - можна вважати практично першою фундаментальною книгою з питань взаємодії колії і рухомого складу. У цей же час (1910-1915 рр.) з'яв­ляються перші праці видатного вітчизняного вченого з опору матеріалів і теорії пружності професора С. П. Тимошенко, що стосуються розрахунків міцності, коливань і стійкості рейок. У подальшому праці проф. С.П. Ти­мошенко про розрахунки рейки як балки на пружній основі були взяті за базові в теорії розрахунків залізничної колії на динамічне навантаження.

У 1914 р. на основі робіт Н.П. Петрова, А.А. Васютинського, А.А. Холодецького, К.Ю. Цеглинського та інших була розроблена перша в іс­торії залізниць "Інструкція (Вказівки) щодо визначення навантажень на залізничну колію і швидкостей рухи поїздів залежно від типу верхньої бу­дови колії". Надалі Інструкції щодо розрахунків колії на міцність удоско­налювалися і перевидавалися у 1925, 1931, 1936, 1941, 1954, 1972 рр., при цьому значний внесок у вдосконалення розрахунків, відпрацювання роз­рахункових моделей, проведення багатьох теоретичних і експерименталь­них досліджень роботи колії під впливом колісних навантажень було зроблено вітчизняними вченими-професорами: А.М. Годицьким-Цвірко, Н. М. Біляєвим, Г. М. Шахунянцем, К.Н. Корольовим, В.Н. Даниловим, М.Ф. Вериго, В.Г. Альбрехтом, В.І. Ангелейко, О.П. Єршковим,

М.А. Фрішманом, В.Ф. Яковлевим, Ю.Д. Волошко, А.Я. Коганом, М.П. Смірновим, а також кандидатами технічних наук: К.М. Шмідтом, Є.М. Бромбергом, А.Х. Ветченко, С.Н. Поповим, С.С. Крепкогорським, А.І. Гасановим, В.С. Лисюком та ін.

Серед зарубіжних вчених, які зробили істотний внесок у теорію і екс­периментальне вивчення питань взаємодії колії і рухомого складу упро­довж усієї історії розвитку цієї науки, окрім вище названих німецьких зчених Є. Вінклера і Г. Циммермана, необхідно назвати знаменитого ні­мецького вченого Г. Герца, не менш видатних французьких вчених Сен-Зенана і Марьє, а також американців Тальботома і Мітчела, поляка К. Ба-луха та інших.

Основа сучасних інженерних розрахунків колії на міцність була роз­роблена у 1954 р. [1] колективом авторів у складі М.Ф.Вериго, В.Н. Дани-лова, Є.М. Бромберга, С.Н. Попова, А.Х. Ветченко. Провідну роль у цій галузі надалі відіграв проф. М.Ф. Веріго. У 1972 р. під його редакцією "Правила розрахунків залізничної колії на міцність" [2] були перероблені і зідкоректовані на основі результатів нових досліджень.

У 1986 р. видана фундаментальна праця професорів М.Ф. Веріго і А.Я. Когана "Взаємодія колії і рухомого складу" [3], в якій викладаються розрахунки колії на міцність у світлі сучасних уявлень і методів, в тому числі з використанням просторових розрахункових схем і розробкою ал­горитмів для рішення задач на ЕОМ.

У 2004 р. вперше в Україні вітчизняними вченими розроблена власна нова редакція «Правил розрахунків залізничної колії на міцність і стій­кість» [4], в якій надані нові рішення щодо визначення розрахункових па­раметрів залізничної колії і також на рівні інженерних рішень розглянуті разом умови міцності і стійкості верхньої будови колії при дії вертикаль­них і горизонтальних динамічних сил. З 2006 р. нова редакція «Правил роз­рахунків ...» [4] затверджена і введена в дію як нормативний документ для інженерних розрахунків на українських залізницях і для використання у навчальній та науково-технічній роботі.