На правах рукописи

Сакало Алексей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОФИЛЯ

ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕСА ВАГОНА

НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ КОНТАКТНОЙ УСТАЛОСТИ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кобищанов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корольков Евгений Павлович кандидат технических наук Грек Виктор Иванович

Ведущая организация: ЗАО научная организация «Тверской институт вагоностроения», г. Тверь

Защита состоится 21 декабря 2011 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ). Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.005.01.

Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Саврухин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Причиной выхода из строя некоторых деталей подвижного состава железных дорог является контактная усталость.

Этой проблеме посвящены многочисленные исследования во всём мире. Они касаются механизмов зарождения дефекта, испытаний и расчётов контактноусталостной долговечности, оценки влияния на неё различных факторов.

Взаимодействие колеса и рельса характеризуется рядом особенностей. В их контакте возникают высокие давления, превышающие 1000 МПа, приводящие к пластическим деформациям материалов в областях, прилегающих к контакту. Качение колеса по рельсу, особенно при движении в кривых, сопровождается значительным продольным и поперечным скольжением, спином, которые оказывают большое повреждающее действие. Кроме того, при торможении возможны случаи юза – полного скольжения колеса по рельсу. Это приводит к термомеханическим повреждениям поверхности катания и достаточно быстрому выкрашиванию поверхностных повреждённых слоёв под действием контактных напряжений. В зарубежной литературе для обозначения такого повреждения используют термин spalling, подчёркивая, что выкрашивание происходит в поверхностном слое в отличие от подповерхностной контактной усталости, к которой относится термин shelling. В российском железнодорожном техническом лексиконе применяется термин «выщербины», объединяющий оба вида повреждений.

Статистические данные об обточке колёсных пар вагонов, эксплуатирующихся на Российских железных дорогах (РЖД), поступивших в плановый и текущий отцепочные ремонты, свидетельствуют о заметном перераспределении причин обточек за 10 лет. Доля обточек по выщербинам увеличилась в 1,8 раза, по ползунам – в 1,7 раза, а по тонкому гребню уменьшилась в 1,8 раза. И если причины уменьшения числа обточек по тонкому гребню объясняются внедрением лубрикации на РЖД, то существенное увеличение образования выщербин на колёсах грузовых вагонов требует детального исследования.

В 2001 г. из 1 479 402 обточенных колёсных пар 519 270, т.е. 35,1%, обточены по выщербинам всех видов, а из-за наличия ползунов и наваров – 26,2%.

Таким образом, дефекты поверхности катания, образовавшиеся в результате контактной усталости, составляют 61,3%.

Увеличение образования выщербин на колёсах грузовых вагонов за эти годы происходило и на железных дорогах Северной Америки. Так за 10 лет с по 1999 г. количество колёс, изымаемых по выщербинам, на этих дорогах увеличилось в 2 раза, а по тонкому гребню – уменьшилось в 1,7 раза.

Помимо экономической стороны вопроса существует проблема безопасности движения на железных дорогах. Образование подповерхностных контактно-усталостных повреждений в случае многократно обточенного обода при действии ударных нагрузок может привести к разрушению колеса. Определение условий возникновения таких дефектов и поиск новых конструктивных решений, позволяющих снизить вероятность их появления, являются актуальными.

Целью работы является разработка рационального профиля поверхности катания колеса вагона, позволяющего снизить скорость накопления контактноусталостных повреждений в колесе.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выбор и обоснование методов уменьшения степеней свободы конечноэлементных расчётных схем, используемых при решении контактных задач для колеса и рельса.

2. Разработка алгоритма решения контактных задач с использованием конечноэлементных фрагментов колеса и рельса на упругом основании.

3. Разработка программы моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в колесе вагона, использующей в качестве входных данных результаты моделирования динамики движения железнодорожного экипажа в программном комплексе «Универсальный механизм».

4. Определение скорости накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах с различными профилями поверхностей катания.

Научные положения диссертации, выносимые на защиту, и их научная новизна:

1. Разработан алгоритм расчёта контактных напряжений в колёсах подвижного состава железных дорог с использованием конечноэлементных фрагментов на упругом основании, позволяющий снизить степень свободы расчётной схемы, уменьшить затраты времени на решение задачи, обеспечивающий достаточную для инженерных расчётов точность результатов.

2. Получены зависимости для определения рекомендуемой жёсткости упругих связей, моделирующих упругое основание.

3. Исследовано влияние размеров конечноэлементных фрагментов на точность моделирования напряжённого состояния в области контакта колеса и рельса.

4. Разработан алгоритм моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в колесе вагона с использованием кривой контактной усталости колёсной стали, полученной с помощью обработки результатов испытаний на контактно-усталостную прочность.

Практическая значимость результатов работы:

1. Разработана программа моделирования напряжённого состояния в контакте колеса и рельса с использованием конечноэлементных фрагментов на упругом основании.

2. Разработана программа CONTFAT, моделирующая накопление контактноусталостных повреждений в колесе вагона с применением конечноэлементных фрагментов на упругом основании, использующая в качестве входных данных результаты моделирования динамики движения железнодорожного экипажа в программном комплексе «Универсальный механизм».

3. Предложен рациональный профиль поверхности катания колеса вагона, позволяющий снизить скорость накопления контактно-усталостных повреждений в колесе.

4. С помощью программы CONTFAT выполнены сравнительные расчёты по определению скорости накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах со стандартным и рациональным профилями катания.

Реализация результатов работы. Результаты использованы при выполнении работ по грантам РФФИ 06-08-01105-а, 09-08-01236-а, и в учебном процессе в Брянском государственном техническом университете при выполнении курсовых работ по теории упругости и вычислительной технике.

Методология и методы исследования. При разработке алгоритмов моделирования контактных напряжений и накопления контактно-усталостных повреждений в колесе вагона, программ для их реализации использованы методы теории упругости, конечных элементов, суперэлементов, численного анализа и математической обработки результатов опытов, программирования на языке C++ в среде операционной системы Windows.

Обоснованность и достоверность полученных научных выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов теории упругости, конечных элементов, суперэлементов, достаточно хорошей сходимостью результатов, полученных аналитическими и численными методами, результатов, полученных другими авторами.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» г. Брянск, октябрь 2008 г.; на научно-техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» г. Брянск, февраль 2009 г.; на международной научно-практической конференции «Наука и производство – 2009» г. Брянск, март 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде статей и тезисов докладов, в том числе 4 публикации в журналах, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы – 142 страницы машинописного текста, 61 рисунок, 25 таблиц и список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся краткий обзор работ, посвящённых решению контактных задач подвижного состава железных дорог, моделированию процессов изнашивания и накопления усталостных повреждений в телах качения, оптимизации профилей поверхностей катания колёс вагонов и локомотивов по критериям износостойкости и контактно-усталостной прочности.

Первое решение задачи о контакте двух твёрдых упругих тел дано Г. Герцем в 1882 г. Разработкой аналитических методов решения контактных задач занимались русские учёные А.Н. Динник, Н.М. Беляев, С.В. Пинегин, В.И. Моссаковский, Б.С. Ковальский, Л.А. Галин, И.Г. Горячева, В.М. Александров, Н.И. Мусхелишвили, И.Я. Штаерман, а также зарубежные учёные К.Л.

Джонсон, Ф. Картер, Г. Фромм, К. Коттанео, Р.Д. Миндлин, Д.Д. Калкер и др.

В 80-х годах двадцатого столетия началось развитие численных методов решения контактных задач. Разработали алгоритмы решения с использованием конечноэлементных расчётных схем В.И. Кузьменко, Ю.Е. Власенко, Г.А.

Фень, зарубежные специалисты О. Зенкевич, А. Франкавилла, С.К. Чен, И.С.

Тьюбе, В. Ченг, Ф. Зу, Ж. Дьюмас, Х. Бей, Р. Торстенфельт и др.

Моделирование движения железнодорожных экипажей предъявило особо жёсткие требования к затратам машинного времени на решение контактных задач. Были разработаны быстрые алгоритмы. Широкое применение для решения нормальной контактной задачи нашёл алгоритм, предложенный В. Киком и И.

Пиотровским, а для решения тангенциальной задачи – алгоритм FASTSIM, разработанный Д.Д. Калкером.

Исследованием напряжённо-деформированного состояния колёс подвижного состава, обусловленного технологическими и эксплуатационными воздействиями, занимались А.А. Хохлов, А.В. Саврухин, С.Н. Киселёв, А.С. Киселёв и др.

Успехи, достигнутые в разработке методов решения нормальных и тангенциальных контактных задач, позволили приступить к разработке методов моделирования процессов изнашивания и накопления усталостных повреждений в телах качения. Этими вопросами, а также оптимизацией профилей поверхностей катания колёс вагонов и локомотивов по критериям износостойкости и контактно-усталостной прочности занимались Т.К. Голутвина, А.К. Шафрановский, Н.А. Панькин, Е.П. Корольков, Е.В. Торская, С.М. Захаров, Д.П. Марков, И.А.

Жаров, В.П. Есаулов, И.В. Царёв, Р.В. Ковалёв и др., зарубежные специалисты А. Экберг, П.Д. Муттон, Д.Д. Наст и др. За рубежом были предложены профили Хеймана-Лоттера, P8, KKVMZ. О. Креттеком, К. Касини и другими были проведены исследования по разработке рациональных профилей.

Также во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе дано описание подповерхностных контактно-усталостных повреждений колеса как одних из наиболее опасных. Проанализированы причины возникновения и развития таких дефектов, перечислены меры для их предотвращения.

В обзоре критериев усталостной прочности особое внимание уделено двум подходам: на основе критерия Данг Вана и на основе диаграммы приспособляемости материала к действию циклических нагрузок.

В соответствии с критерием Данг Вана разрушение происходит, если комбинация значения a(t) касательных напряжений, действующих в опасной плоскости сдвига, и значения h(t) гидростатического давления в точке материала