CC BY
32
УДК 629.4.027.432: 625.031.1
ГРОФИЛЬ ПОЙРРХНОГТИ КАТАНИЯ ОПОРЧО'О К ПЛ РГА КОПРГНОГОБЛОКА
В. В. Шнлер. А В. Шнлер. А. А. Любченко Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
Аннотаиня - Одной из основных причин образования конгпктно-усталостных повреждений на по-йертностг катания колес стандартной колрснлн пары является «паразитное» проскальзывание колес по рельсам в процессе движения. «Паразитное» проскальзывание формирует дополнительное напряжение в металле колеса в области контакта •< колесо-рельс» п повышенны» износ поверхностей катания. Целью нашего исследования является разработка технических решении, направленны! на снижение напряженного состояния металла в области контакта «колесо-рельс». Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: разработана повая блочная конструкция колесной пары, основлой особенностью ко торой является независимое врашенне поверхностей катания колес колесного блока (направляющего и опорного), контактирующих с поверхностями рельсовой нити; разработан и обоснован новый поперечный профиль поверхности катания оперного колеса Исследования проводились методами имитационного и физического макетного моделирования.
На л н получен и pajp.i6ui.iH новый иинеречнын профиль новерлнисш к.и.шин онорною колеса колесного блока, который обесиечнваег постоянный одноточечный контакт колеса с рельсом и отсутствие «паразитного» проскальзывания колеса по рельсу и. соответственно, обусловленное им касательные напряжения в точке контакта «колесо-рельс». Это привело к существенному снижению напряженного состояния металла опорного колеса в зоне контакта «колесо-рельс».
Колесная пара блочной конструкции с предложенным поперечным профилем поверхности катания опорного колеса может быть использована в существующих конструкциях подвижного состава (пассажирские п грузовые вагоны) с эксплуатацией на действующей конструкции рельсовой колен. Это позволит существенно сократить сопротивление движению, расход энергии на тягу поезлов. износ элементов пути и экипажа, повысить безопасность движения поездов.
Ключевые слова: поперечный профиль, поверхность катания, проскальзывание колеса, напряжение.
I. ВВЕДЕНИЕ
Рельсовый транспорт спирается на стандартные колесные пары, которые состэят нз двух колес, жестко посаженных на ось. При одинаковой угловой скорости Бращення контактирующие поверхности кэлес с рельсами (три поверхности) имеют разные значения радиусов поверхностей катания. Поэтому движение колесной пары сопровождается «паразитным» проскальзыванием по рельсам, которое в процессе движения является источником автоколебаний колесной пары (извилистое движение), повышенного сопротивления движению, зависящее от квадрата скорости поступательного движения н т.д. В результате с увеличением осевой нагрузки, веса поезда и скорости движения значительно увеличилась интенсивность износа колес и рельсов. Например, если 15-20 лет назад технологический выход металла бандажей колес составлял 30-35% от общей их массы, то в настоящее время он доходит до 75-80%. В нзстоящее время для снижения износа широко применяется смазывание контактирующих поверхностей рельсоБ н колес (лубрнкация) [1-3]. Эта технология снижает интенсивность процессов шноса. но не устраняет нх причину-. Поэтому считается, что любое даже половинчатое решение в направлении совершенствования поперечного профндя поверхности катания колеса является положительным [2, 3]. Для решения проблемы износа в системе «колесо-рельс» авторы пошли путем совершенствования всей конструкции колесной пары.
Для решения проблем динамического взаимодейстзия колесной пары и рельсовой колеи автсры предложили блочную конструкцию колесной пары, основной особенностью которой является независимое вращение всех поверхностей её колес, контактирующих с поверхностями рельсовых нитей. Кроме этого, для опорного колеса разработан еовый поперечный профиль поверхности катания. Эти технические решения позволили реализовать движение блочной колесной пары по рельсам без «паразитного» проскальзывания колес по рельсам и отсутствии режима автоколебаний (извнлистсе движение), которые присуши стандартной колесной пары.
В представленной работе поставлена задача оценить влияние новых технических решений на внутренние напряжения металла опорного колеса блочной колесной пары в зоне его контакта с поверхностью рельса.
Рассмотрим сначала модель износа колеса стандартной колесной пары [3]. которая представлена на рис. 1. Функционально поперечные профили поверхностей катания колеса и рельса делят на следующие три области: А. В н С (ркс. 1). В области (А) контактные напряжения и поперечное проскальзывание самые низкие из всех возможных, что создает благоприятные условия для устойчивости движения экипажа. Площадка контакта в области (В) мала, и контакт характеризу ется весьма сложным напряженным состоянием материала колеса. Существуют три возможных варианта контакта колеса стандартной колесной пары к рельса: одноточечный, двухточечный и конформный контакты [3].
Одноточечный контакт наносит наибольшие повреждения колесу и пути. Двухточечному контакту присущи интенсивное проскальзывание н изнашивание, в результате которого происходит пластическое течение материала на пиъеухноон кашннл колеса. Конформный 1ребневой конык! возннкасх ио мере износа рабочей ьы-кружки колеса до общего профиля [3-5] н обладает рядом преимуществ: увеличивается зона контакта, уменьшается удельное давление. Следует отметить, что у стандартной колесной пары в режиме выбега во всех областях контакта (А. В. С) и зариантах контактирования проскальзывание является «паразитным», обусловленное особенностями конструкции стандартной колесной пары.
Новая конструкция колеса [6. 7] (рнс. I), в дальнейшем с рабочим названием «колесный блок» состоит нз направляющего 1 н опорного 2 колес, которые вращаются независимо друг от друта на оси колесной пары.
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Ш. ТЕОРИЯ
Рнс. 1. Модель постоянного изнашивания стандартного колеса [1].
Рис. 2 Поперечные профита поверхностей катания колес кслесного блока
С учетом существующих требований к фсрмнрозанню поперечных профилей поверхностей катания колес и конструктивных особенностей колесного блока разработан поперечный профить для опорного колеса 2 (рис. 2). который составлен из пяти поверхностей. Центральная часть поперечного профиля (отрезоЕ ЕЖ) (рис. 2) имеет цилиндрическую поверхность. Крайние участки поперечного профиля имеют одинаковы? очертания в виде
двух пар конусных поверхностей, которые имеют следующие размеры: <1 •' № и 6x45°. Эти конусы имеют такое же назначение что и у стандартного поперечного профиля В эксплуатации и лропесге износа центральная цилиндрическая часть поперечногэ профиля поверхности катания (участок ЕК'оЖ) расширяется и выходит на смежные конусные поверхности (отрезки ЕЕ' и ЮК'). Таким образом, поддерживается стабильность очертания цилиндрической часта.
Модели и экспериментальные данные по исследованию характеристик системы «колесо-рельс», представленные в трудах зарубежных авторов [5-10]. ориентированы на анализ многотельных систем. В данной работе, для получения объективной оценки контактных напряжений материалз в системе «колесо-рельс*, выполнены сравнительные расчеты для опорного и стандартного коле:. Для каждой конструкции колес приняты присущие им экстремальные условия контактнрэвания с головкой рельса: для стандартного колеса - изношенный профиль поверхности катания и одноточечный контакт с рельсом; для колесного блока - неизношенные линейные профили опэрного и направляющего колес и соответствующие им одноточечные контакты.
Для решения нормальной задачи использовалась контактная теория Герца [3]. Напряжения в толке контакта, лежащей по оси давления на глубине по координате равны [3]:
<7,- = -
а"+2гг
2г
а
<7о
а
4?
1~2-~
<тт = //(сгг + <т2)=—2// а --<70:
^■7 = 0
а
Здесь ох и СТ7 — главные нормальные напряжения, действующие по площадкам, перпендикулярным осям ОкХ л OкZ¡ стг - главные напряжения, действующие по площадкам, лежащим в плоскости поперечного сечения поверхности катания ц - коэффициент Пуассона.
Наибольшие касательные напряжения от нормальной нагрузки в плоскости ХОг (рис. 2):
ГМх =
о\. — ст, 7
_ V
Наряду с вертикальной нагрузкой в горизонтальной плоскости контакта «колесо-рельс» стандартного колеса действуют «паразитные» силы трения проскальзывания, которые формируют касательные продольную и поперечную составляющие напряжения в точке контакта «колесо-рельс». На основании теории независимости действия сит. контактные напряжения складываются в эквивалентное напряжение [3]
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Нами получено: максимальные статические напряжения сжатия, в соответствии с результатами расчетов н теорией Герца, имеют место на поверхности катания колеса, а максимальные касательные напряжения - на глубине 2.0-4.0 мм. Если при этом нормальная деформация на поверхности контакта имеет упругий характер.
то под поверхностью контакта в области максимальных касательных напряжений могут возникнуть пластические деформации.
При прохождении кслсса по рельсу под поверхностью площадки контакта колсса возникает циклическое напряжение сжатия-растяжения, приводящее к накоплению подповерхностной пластической деформации и возникновению остаточных напряжений в материале [3]. которые являются причиной различных видов контактно усталостных дефектов па поверхностях катаппя колеса и рельса. Когда г площадке контакта приклады вается тангенциальное усилие (например, «паразитное» проскальзывание), максимальное касательное напряжение увеличивается и смещается ближе к псверхностн катания. С дальнейшим увеличением тангенциальной силы эта объемы могут образовывать одну облает, потенциального разрушения материала [3].
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Для демонстрации влияния касательных напряжений на несущую способность контагта (например, формируемые «паразитным» проскальзыванием) использована так называемая диаграмма приспособляемости Джонсона (рнс. 3). На этой диаграмме показана граница (линия 1) между зенамн различного поведения материала в виде гависимости фактора нягрузчи qc [т] от коэффициента и = ТЛТ, где q0- нормальное контактное давление [т] - предел текучести материала. Т - тангенциальная сила. N— нормальная сила. Наивысший уровень пластического течения достигается на поверхности контакта, если результаты расчетов находятся выше кривой 1 (рнс. 3). В соответствии с графиком (рис. 3) в интервале принятых для расчетов параметров системы «колесо-рельс» напряженные вероятные состояния материала опорного колеса «колесного блока» (зона 2) значительно ниже (в 2-3 раза; в сравнении со стандартным колесом (зона 3).
ЧоПт]
4,0
3,0
О 0,2 0,4 0.6 0,8 ц Рис. 3. Диаграмма прнспосаблнвасмостн материала колес
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Предложенные поперечный цилиндрический профиль поверхности катания опорного колеса колеского блока обеспечивает гарантированный одноточечный контакт опорного колеса с гсловкой рельса при любом положении колесного блока относительно рельсовой ннтн.
7 Н процессе погтутте.ттьногс движения опорно? когесо за сч?т независимого вращения и цилиндрической поверхности катится по рельсу в режиме чистого качения без «паразитного>• проскальзывания.
3. Отсутствие паразитного проскальзывания снижает в 2-3 раза напряженное состояние металла колеса в зоне контачта колеса и рельса и сродит к минимуму износ их поверхностей чатания
Таким образом, по контактным напряжениям блочная конструкция колесной пары с цилиндрической центральной частью поверхности катания опорного колеса, эоеспечнвает условия для увеличения осевой нагрузки и скорости движения подвижного состава на существующей конструкции железнодорожного пули и повышения безопасности движения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богданов В. М Снижение интенсивности износа гребней колес н бокового износа рельсов h Железные дорога мнра.1992 № 12. С 30-34.
2. Zhiguo Li. Qing Не Predicting failure times of railcar wheels and trucks by using wayside detector signals H IEEE International Conference on Mechatrouics and Automation. 2014. P. 1113-11 IS. DOI: 10.1109ЛСМА. 2014.6 88 5854.
3. Harris W. J., Zafcharov SL M., Lundgren J. [et al.]. Guidelines to best practices for heavy haul railway operations: wheel and mil interface issues. Virginia Beach. International Heavy Haul Association Publ.: 2001. 408 p.
4. Kragelsky I. V., Demkin N. B. Contact area of rough surfiice (I Wear I960. Vol. 3: no. 3. P. 170-187. DOI: 10.1016/0043-1648(60)9013 6-8.
5. Denikin N. В.. Izmailov V. V. Surface topography and properties of frictional contacts ii Tribology International. 1991. Vol. 24, no. 1. P. 21-24. DOI: 10.1016/0301-679X(91)90058-H.
6. Пат. № 2011 154 293 Российская Федерация. МКИ В 60 В 9/1 (2006.01) Поперечный профиль поверхности катания подрессоренного бандала колеса колесной пары / Шнлер В. В.. Шнлер А. Н. 2011154293/11; опубл. 10.07.2013, Был. № IS.
7. Shiler A. Analysis and simulation of new wheel pair construction // Procedia Engineering. 2015. Vol. 1.00. P. 1714-1723. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.01.547.
8. Roviia A.. Roda A.. Maishallb M. B. [et al.]. Experimentalandnuniericalnwdellingof\\"heel-railcontactandwear /7 Wear. 2011. Vol. 271. P. 911-924. DOI: 10.1016/j .wear.2011.03.024.
9. Magheri S.. Malvezzi M., Met E.. Rindi A. An innovative wheel-rail contact model for mullibody applications //Wear. 2011. Vol. 271. P. 462471. DOI: 10.1016/j.wear.2010.10.038.
10. Mahdi Jalilia M, Sale hi H. Wheel/rail contact model for rail vehicle dynamics I I Comptes Rendus Mecanique. 2011. Vol. 339. P. 700-707. DOI: 10.1016/j.crme.2011.07.006.
