Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона при прохождении рельсового стыка Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

9 Плтеїгт на и:»о6реи‘ніір№ 2255253, РФ, МПК ? F 16С 33/10, B6I Iі 17/24.Принудительнаясисгемасмазываниямотирно-осе-пмх гюдішшникои электродвигателялохомотиил / А П. Породии, Д В Тарутд. Замолено 14 05.03; Опубл. 27.06 05. Кюл. Nv 18.

БОРОДИН Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ТАPYTA Дмитрий Викторович, кандидлттехнических наук, доцент кафедры -(Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: е-таіі: ітсІтфотдирБ.і и ВЕДЬГОДСКАЯ Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, доцет-кафедры «Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: е-таіі: [email protected] ИВАНОВА Юлин Алексеевна, аспирантка кафедры «Теория механизмов и детали машин».

Адреслди переписки: е-п»аіІ: капоуаіпнІт(а>таіІ.ги

Статья поступила в редакцию 22.06.2009 г.

© Л. В. Ьородни, Д В. Тарута, Т. П. Велиодская, Ю. А. Ииаиоил

УДК 625.1:531.3 Д. В. БОРОДИН

В. В. ИВАНОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ КОЛЕСА

ГРУЗОВОГО ВАГОНА

ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ

РЕЛЬСОВОГО СТЫКА

В статье приведена уточненная математическая модель взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка с дефектами. На основании исследования напряженно-деформированного состояния колеса методом конечных элементов обоснована необходимость снижения сил ударного взаимодействия. Предложены технические решения, направленные на снижение ударного воздействия со стороны стыка на колесо грузового вагона.

Ключевые слова: колесо, стыковая неровность, напряженно-деформированное состояние.

Повышение эффективности работы железнодорожною транспорта неразрывно связано с увеличением скоростей движения, веса и длины грузовых поездов, что. в свою очередь, принодит к возрастанию динамических нагрузок на пуп. и подвижной состав. В перспективе планируется увеличить скорость движения грузовых поездов ДО 120 км/ч при одновременном снижении уровня отказом на 20 % 111. Достижение указанных целей связано с решением ряда задач в динамической системе «колесо-рельс», одной из НИХ является снижение динамическою воздействия па колеса грузовых вагонов со стороны пути при прохождении периодических неровностей на поверхности катания головки рельсов - стыков. Разрушение рельсов в зоне стыкового соединения приводи т к возникновению дополнительных ударных сил на колесо грузового вагона и увеличению действующих механических напряжений в его объеме. Получить значения действующего импульса и силы при ударе позволяет математическая модель, учитывающая геометрические параметры стыковой неровности.

Импульс силы динамическою воздействия можно представить как функцию нескольких переменных:

5-£(1„.1р1.1ра.с), (1)

где - величина стыкового зазора, мм;

1|И — величина горизонтальной проекции дефекта на отдающем рельсе, мм;

1р1 - величина горизон тальной проекции дефекта на принимающем рельсе, мм; с — величина жесткости в стыке, кН/мм.

Используя схему прохождения колесом рельсового стыка с дефектами, приведенную на рис I, составим выражение для определения величины ударного импульса с учетом вышеперечисленных факторов.

При прохождении стыка мгновенный центр врн-щения скачкообразно переходите отдающего конца рельсового стыка (точка ар)) на принимающий конец рельсового стыка (точка а|й). Это перемещение вызывав! изменение направления скорости движения ко-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ IfCTHMK Ч* J (13) по* ______________________________________________________________________________млшикостюпи М MAIOTHOMAtHHt

Рис. І. Схема прохождения колосом рсльсопої с дефектами

лесной пары, что сопровождается образованием вертикальной составляющее скорости у„.

Согласно рис. 1 величина у„ составляет:

стыковых дефектов № 17.1 и 41.1 соответственно, мм, ®гтЗ — Ушл• обусловленный упругим проседанием стыкового соединения от силы Р. равной нагрузке от колеса на рельс, рад.

Для определения ударного импульса воспользуемся выражением;

1(1 )= ту.-ту,

(7)

гдет — масса необрессоренных частей тележки, кг; V,, - вертикальная скорость центра тяжести колесной пары после удара (положение колеса в точке а(1ї), м/с; уп — вертикальная скорость центра тяжести колесной пары до удара (положение колеса в точке а(И), м/с

Для упрощения расчета в дальнейшем принимаем V,, = 0, но для получения более точных результатов можно учитывать скорость, полученную в результате исследования колебательного процесса грузо-пого нагона, где скорость вертикальных колебаний определяется совокупностью внешних и внутренних (рак торов.

Величина мгновенного ударного импульса с учетом значения V

У.-У-в,

12)

І(и=ту(^„ + в.,ї+Є[,1).

ІН)

где у - поступательная скорость движения колесной нары но рельсовому пути, м/с; бт - угол, имеющий ду1у, равную расстоянию между'гоч кам и касания колеса двух рельсов, рад.

Величина гггого угла определяется выражением:

(3)

где г - радиус круга катания колеса, мм; а*.»ара ~ луга между точками касания колеса с отдающим и принимающим концами рельсовою стыка, мм. При этом утл 0 Т является суммой углов:

ввг*®г..+©г«+вгП*

Углы 0^, и 0^2 определяются по<)юрмулам:

(41

151

(61

где I,| - величина стыкового зазора, мм;

>,,, и 1рХ - горизонтальные проекции изношенных частей рельсов, обусловленные возникновением

Полученное выражение (Я) позволяет определить мгновенный ударный импульс, действующий на колесо со с тороны рельсового с тыка с дефектами.

Рассмотрим силу, действующую в контакте колеса и рельса, в зависимости от мгновенного ударного импульса.

СІІ(І) 1(1) УА СІІ I

(9)

где Руд — ударная сила, действующая в контакте колеса и рельса. Н;

1(1) - ударный импульс во взаимодействии, кг м/с;

I - время прохождения стыка колесом, с

При этом геометрические параметры стыковой неровности I,,. 1р|, 1ра.”о;, в эксплуатации могут иметь значительный разброс ( таблица 1), что приводит к решению параметрической задачи. I (риведенные в таблице 1 геометрические параметры стыковых дефектов получены авторами в ходе замеров на реальном участке железнодорожного пути.

Аналитический подход позволяет уточнить зависимость значений импульса и ударной силы <гт изменения геометрических параметров стыковой неровности. связанного с образованием дефектов.

Результаты исследования представлены на рис. 2 и 3 дли различных скоростей движения при фиксиро-

ТйАлиц.! I

Дилпаюн изменения значений гммпричггкмх параметров стыка

Наименование параметра Дилплюн значений

Величина с і иконого декора от 0 до 30 мм

Величина стыкового д«*ф#ктл № 41.1 атОдо25чм

Величина стыкового дефекта № 17 1 от 0 до 30 мм

Р«диус круга катання от 475 до 426 мм

Угол упруго«« прогиба стыка 2 10* -7 10' рад

П-чшшс шыа скорость лвиасшм мнчм

Рис. 2. Зависимость пслични ударною им пульс л от поступательной скорости мгона:

1 - величина ударного импульсе от стыка с дефектами;

2 - величина ударного импульса от стыка бел дефектои

Рис. 3. Зависимость величии ударной силы от поступательной скорости вагона:

1 - величина ударной силы от стыка с дефектами;

2 - величина ударной силы от стыка без дефектов

Рис. 4. Зависимость ударного импульса от геометрических параметров стыковых дефектов дли скорости движении 20 м/с:

ось х - величина дефекта N«17.1, мм; ось у - величина дефекта .V I 1.1, мм; ось х - величина ударного импульса, кг м/с

3.6 7.2 ЮН 14 4 18 21.6 25.2 2Х К м с 36

V — .... ■ -

Постуттсдыид схироси. движения вагона

4,5м 10* II

3.6x10’

3.15*10’

2.7-10*

1 35» 10* 9” 10*

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТМИЇ N* J <Ы> 100*

Рис. 5. Распределение напряжений п геометрической модели колеса (питно контакта расположено по центру поверхности катания)

ванном значении параметров стыкового зазора, рав-нот 20 мм. и геометрических параметрах дефектов Ма 41.1 и № 17. 1. равных 10 и 15 мм соответственно. На рис. 4 представлена зависимость ударного импульса от величин стыковых дефектов для фиксиро-иаииого значения стыковот зазора — 20 мм и поступательной скорости движения вагона — 20 м/с.

Уточненная математическая модель взаимодействии колеса и рельсового стыка с дефектами позволила сформировать массив данных в виде ударной силы для последующего исследования напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона.

Напряженно-деформированное состояние колеса грузового вагона исследовано методом конечных элементов. На рис. 5 представлено распределение механических напряжений, возникающих в ободе колеса толщиной 20 мм от сты ка с дефектами № -11.1 и 17.1 при движении ватна со скоростью 20 м/с.

Предел текучести стали марки 2, из которой изго-тапливаюі колеса грузовых вагонов, регламентирован ГОСТ 9036-88 и составляет 930-950 МПа, при этом в ободе возникают напряжения, превышающие предел текучести на 7 - 12 %. Такая ситуация в совокупности с подповерхностными дефектами, нарушениями сплошности материала колеса, термомеханическими повреждениями поверхности катания может привести к отказу колеса.

В результате теоретического исследования установлено влияние геометрических параметров стыковой неровности на величину механических напряжений в колесе грузового вагона Разработаны и исследуются технические решения, основанные на введении в стыковое соединение рельсов дополнительного опорного элемента, исключающего удар в стыке |3|, применении профильного стыкования рельсов внахлестку с использованием упругих накладок, оказывающих силы, сжимающих стык в поперечном направлении |4).

Библиографический список

1. Стратегические ил правления научно технического рл «пития ОАО «Российские железные дороги» до 2015 года («Волан книга* ОАО» РЖД» | |Текст] :офиц. текст (утвержден Президентом ОАО -РЖА» 03.08.2007. N»964| /ОАО -РЖД". - М . 2007 -54 с.

2. Кулагин М.И, Неровности на поверхности катания рельсов и их влияние на динамическое давление колеса на рельс / Исследование неравномерного износа и свойств рельса //Труды ЦНИИ МПС. — М.:Трлнсжелдорнздат, 1059. - Вып 177

3. Плт. 76025 Российская Федерация, МПК F.0IB 11/32 Стыковое соединение рельсов (Текст| / A.B.Бородин. В.В. Иванов; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения- N*2008114943/22: заявл. 16.04.2008;опубл. 10 09.2008 Бюл N*25.

4. Плт. 77874 Российская Федерации, МПК E0IB 11/32 Стыковое соединение рельсов внахлестку |Текст|/ А.В Бородин, В.В. Иванов, Е В. Глушкова; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщении - N» 2008127817/22; заявл 08 07.2008; опубл. 10 11.08.

БОРОДИН Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин».

ИВАНОВ Вячеслав Владимирович, аспирант кафедры «Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: c-mail: [email protected]

Статья поступила п редакцию 22.00.2009 г. © Л. В. Бородин, В. В. Иванов

Книжная полка

Аверьянов, О. И. Основы проектирования и конструирования [Текст]: учеб. пособие / О. И. Аверьянов, В. Ф. Солдатов; Моск. гос. нндустр. ун-т, Ин-т днетанц. образования. — М.: Изд-во МГИУ, 2008. — 151 с.: рис. — Библиогр.: с. 151. — ISBN 978-5-2760-1233-9.

Рассмотрены основы проектирования и конструирования сложных технических систем. Даны основные определения и понятия. Рассмотрены особенности формирования технических и эксплуатационных характеристик технических систем. Рассмотрены основные методы проектирования технологических машин и технико-экономические обоснования выбора конс труктивных решений машин и механизмов.

. Григорьев, С. Н. Технологии нанообработки [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности 5 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / С. Н. Гри-горьсп, А. Л. Грибков, С. В. Алешин. — Старый Оскол : ТИТ, 2008. — 319 с.: рис., табл. — (Тонкие наукоемкие технологии). — Библиогр.: с. 311 -319. — ISBN 978-5*94178-194-2.

Изложены основные методы наноизмерений, способы получения нанопорошков, поверхностных и объемных | наноструктур. Представлены различные устройства нанопозицноинроваиия и паноперсмсщения. Описыва-5 юте я методы и сродства размерной нанообработки, обработки сканирующими зондами, нанолитографии. Изложены подходы к созданию молекулярных наномашии и других сунримолекулярных структур. Учебное пособие Предназначено дли студентов технических вузов.