Вертикальные силы воздействия на рельсы колёс движущегося по пути локомотива или вагона складываются из собственного веса экипажа, приходящегося на одно колёсо (статическая нагрузка). а также дополнительных вертикальных сил, возникающих от колебаний надрессорного строения экипажа и неподрессоренных масс, от неровностей пути и неровностей на колёсах.

Когда экипаж стоит на пути, статическая нагрузка колёс на рельсы представляет собой вес экипажа, приходящийся на одно колесо. При этом все дополнительные силы равны нулю.

В практике пользуются характеристикой, представляющей статическую нагрузку на рельс оси, а не колёса, или, как принято говорить, нагрузка на ось. При движении колёс статическая нагрузка остается постоянной. Дополнительные силы меняются в процессе движения: часть из них меняется периодически, другая часть беспорядочно, случайно. Как правило, в диапазоне скоростей до 140….160 км/ч дополнительные силы увеличиваются с ростом скорости движения.

В кривых участках пути действуют дополнительные вертикальные силы, связанные с возвышением наружного рельса и поперечным воздействием рамы экипажа на колёсную пару. Современные вагоны имеют нагрузку на ось, близкую к нагрузкам на ось локомотивов. Если учесть массовость вагонной нагрузки (по сравнению с локомотивной), то станет очевидным, что воздействие вагонов на путь является основным.

Таким образом, за исключением собственного веса экипажа вертикальные силы воздействия экипажа на путь являются случайными величинами.

Дополнительные силы воздействия колёс на рельс, вызываемые неровностями на пути, зависят в основном от типа рельсов, рода балласта и его уплотнения, числа шпал, массы неподрессоренного груза, статической нагрузки и добавочной силы от колебания на рессорах. Они также зависят от скорости движения колёс.

Различают короткие и длинные неровности. К коротким относят неровности, по которым колесо перекатывается, не касаясь дна неровности. В этом случае возникает ударная сила. Если же колесо катится по контуру неровности, то такую неровность называют длинной. При движении по длинной неровности дополнительная сила возникает сравнительно плавно.

Короткие неровности имеют длину до 200 мм. Их появление связано с волнообразным износом рельсов или пробуксовкой колёс. Длинные неровности, как правило, являются следствием неподбитой или гнилой шпалы, перекосов рельсовых нитей и неравноупругости пути.

В расчеты пути на прочность вводят безударные динамические силы, которые возникают при перекатывании колёс по длинным неровностям. Эти силы зависят от типа рельсов, рода балласта и его уплотнения, числа шпал и их рода (деревянные или железобетонные), величины неподрессоренного груза, статической нагрузки и добавочной силы от колебания на рессорах, скорости движения колеса.
Дополнительные вертикальные силы, вызванные длинными плавными неровностями на пути с железобетонными шпалами, меньше, чем на пути с деревянными шпалами, примерно в 1,5-2 раза.

Дополнительные силы воздействия колеса на рельс, вызываемые неровностями на колесе, зависят от типа неровностей. Принято различать два типа неровностей на колёсах: изолированные и непрерывные. Изолированные неровности на колесах имеют небольшое протяжение по кругу катания. Часть таких неровностей в практике называют ползуном или выбоиной. Правилами технической эксплуатации допускается следующая глубина этих неровностей:

Для локомотива и моторвагонного подвижного состава
с роликовыми буксовыми подшипниками — 1,0 мм

Для вагонов
с роликовыми буксовыми подшипниками – 1,0 мм
с подшипниками скольжения – 2,0 мм

Дополнительные вертикальные силы, вызываемые изолированными неровностями на колесе, зависят в основном от неподрессоренного груза, длины и глубины неровности, жёсткости пути (от конструкции верхнего строения пути) и скорости движения. Силы, вызванные изолированными неровностями на колесе, больше на пути с железобетонными шпалами, чем на пути с деревянными шпалами. При тяжелых рельсах эти силы также больше, чем при легких, что связано с повышением жесткости рельсов и увеличением их массы.

Непрерывные неровности на колесах имеют протяжение полной длины круга катания. Эти неровности могут быть следствием неточной обточки или неравномерного износа колеса. Возникающие от непрерывных неровностей на колесе дополнительные силы зависят от типа подвижного состава, конфигурации пути, массы неподрессоренного груза, диаметра колеса, модуля упругости пути и скорости движения. При этом силы пропорциональны квадрату скорости, и чем меньше диаметр колеса, тем больше величина этих сил.

Силы, вызванные непрерывными неровностями на колесе, при прочих равных условиях намного меньше сил, вызванных изолированными неровностями. Жёсткость рельсов здесь сказывается меньше, чем в случае изолированных неровностей. Наибольшее влияние на значение сил, вызванных непрерывными неровностями, оказывает масса неподрессоренного груза. Как и в случаях изолированных неровностей, эти силы больше при железобетонных шпалах, чем при деревянных. Вертикальные динамические силы Р при современных скоростях движения составляют 100…250 кН.

Рассмотренные вертикальные силы имеют различную природу и свои особенности. Постоянна во времени только сила статического воздействия.

Переменные силы от колебаний на рессорах и от наличия неровностей на пути и на колёсах имеют случайный характер. Поэтому, даже зная все вертикальные силы, действующие на путь от подвижного состава, нельзя их просто сложить и таким образом найти равнодействующую.

Принимать в расчёт сумму максимальных значений всех перечисленных сил неправильно, так как трудно предположить, что в один и тот же момент в одном и том же месте пути максимальные по величине силы возникнут одновременно.

Используя сумму всех максимальных сил, например, для расчёта пути на прочность, пришлось бы создавать конструкцию пути с большим запасом прочности. В этих случаях применяют теорию вероятностей. Теория вероятностей позволяет найти в случайном сочетании сил то наибольшее их значение, которое будет достаточно вероятным.

При определении полного вертикального давления в каком-либо сечении пути необходимо учитывать влияние соседних осей на это сечение. Практически можно считать, что если соседнее колесо расположено на расстоянии 3,5 м и более от расчётного, то его влияние на расчётное сечение пути близко к нулю.

Влияние соседних колёс по-разному сказывается на работе пути. В ряде случаев соседние колёса усиливают воздействие расчётного колеса на путь. Однако не исключено, что соседние колёса будут как бы разгружать расчётное сечение, уменьшать воздействие расчётного колеса на путь.

Полная вертикальная нагрузка экипажа на путь с учётом всех осей и расстояний между ними называется эквивалентным грузом. При этом приходится определять два значения такого эквивалентного груза: одно — для вычисления напряжений на рельсах, а другое — для нахождения просадки рельсов или напряжений в шпалах, балласте и земляном полотне.