ОСОБЕННОСТИ  НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЁС С ДИСКОВОЙ ЧАСТЬЮ, ИМЕЮЩЕЙ ВЫПУКЛОСТЬ К ГРЕБНЮ

 

FEATURES OF THE IS INTENSE-DEFORMED CONDITION OF SEAMLESS-ROLLED RAILWAY SPROCKETS WITH THE DISK PART HAVING CONVEXITY TO THE RIDGE

 

Цвик Л.Б., Запольский Д.В. (ИрГУПС, г. Иркутск, РФ)

Tsvik L.B., Zapolskij D.V. (Irkutsk State Transport University)

 

Рассмотрено дискретное моделирование цельнокатаных железнодорожных колес имеющих выпуклость дисковой части к гребню, проведено сравнение результатов с колесами с прямолинейной образующей, выявлены особенности.

 

We consider a discrete simulation of solid-rolled railway wheels with disc bulge to the side of the ridge, the results were compared with the wheels straight from the generator, identified features.

 

Ключевые слова: метод конечных элементов, дискретная модель, цельнокатаное железнодорожное колесо, прямолинейная образующая дисковой части, коэффициент неравномерности полей напряжений.

Keywords: finite element method, discrete model, all-rolled wheels, rectilinear generator of the disk, the coefficient of nonuniformity of stress.

 

С целью повышения эксплуатационных характеристик ходовых частей   железнодорожных вагонов в настоящее время получают распространения колёса с криволинейной образующей дисковой части [1]. Криволинейная образующая дисковой части колеса делается в таких случаях с целью увеличения радиальной податливости колёс в эксплуатационных условиях, соответствующему снижению ударных воздействий на колёса и повышению ресурса их эксплуатации [2].

В данной работе описываются результаты моделирования полей напряжений и деформаций в таких колёсах, полученные с помощью вычислительного программного комплекса NASTRAN. Соответствующий численный анализ напряжённо-деформированного  состояния (НДС) колёс, вызываемого эксплуатационной нагрузкой (далее для определённости рассматриваются колёса, дисковая часть которых имеет выпуклость к гребню, рис.1), выявил следующее. Возникающее в зоне выпуклости НДС имеет существенный подъём уровня интенсивности напряжений. Это обстоятельство существенно отличает рассматриваемый случай от случая колес с прямолинейной образующей дисковой части, в которых  под действием эксплуатационной нагрузки местные пики уровня напряжений возникают только в зоне сопряжения тонкостенного диска колеса с массивными элементами (ободом и ступицей).

Рисунок 1- Дискретная модель колеса по швейцарскому патенту SE 0555606

 

В данной работе, в частности, описывается процедура построения дискретных моделей деформирования колес с выпуклой образующей. В качестве примера применения разработанной методики рассмотрено колесо железнодорожного вагона, соответствующего швейцарскому патенту SE 0555606, а также приведена оценка значения критерия неоднородности НДС для колёс рассматриваемого типа.

Для качественного сравнения НДС колёс различного конструктивного оформления применён алгоритм (см. рис.2) дискретного моделирования НДС, позволяющий сопоставить в них степени неравномерности НДС дисковой части.

Рисунок 2- Алгоритм дискретного моделирования напряженного состояния колес

Для анализа НДС колёс использовалась вычислительная среда программного комплекса MSC/Nastran [3], реализующего при проведении анализа метод конечных элементов. (МКЭ). Моделирование осуществлялось с помощью персонального компьютера с тактовой частотой процессора порядка трех гигагерц и оперативной памятью порядка четырех гигабайт. Косвенная оценка погрешности моделирования осуществлялась на основе анализа сходимости КЭ-приближений на КЭ-разбивках с последовательным удвоением степени измельчения (по каждому из трёх координатных направлений) разбивок [4].

При реализации предлагаемого алгоритма с целью повышения его вычислительной эффективности использовалась локализация сгущения конечно-элементных моделей деформирования исследуемых колёс в местах возможной концентрации внутренних механических напряжений. Разработанная методика позволила проанализировать НДС колёс, нагруженных вертикальной реакцией со стороны рельса, соответствующей осевой нагрузке 230,5 кН (23,5 т). Формы осевых сечений рассматриваемых колёс представлены на рис. 3. Каждое из колёс в процессе деформирования рассматривалось как закреплённое в радиальном вертикальном направлении в точках осевого сечения внутренней поверхности ступицы колеса.

SE 0555606

RU 2259279 (3)

ГОСТ 9036-88

 

Рисунок 3- Профили цельнокатаных колес

 

После получения результатов моделирования НДС колёс проводилось сопоставление равномерности возникающих в их дисковой части полей напряжений. С точки зрения рациональности конструктивного оформления колёс по критерию их равнопрочности представляет интерес степень неравномерность возникающих под нагрузкой полей напряжений. Эта неравномерность характеризовалась с помощью коэффициента (коэффициента неравномерности НДС осевого сечения дисковой части колеса [4]), приближённо определяемого отношением:

                                                        (1)

где  – среднеквадратичное отклонение величины интенсивности напряжений σi, возникающее в конечном элементе номер k; k – номер конечного элемента (КЭ) среди всех КЭ, расположенных в наиболее напряженном (вертикальном) осевом сечении колеса; n – общее число КЭ в указанном наиболее напряженном сечении;

 –   среднее значение интенсивности напряжений, возникающих в КЭ, расположенных в наиболее напряженном осевом сечении колеса;

σik –   величина интенсивности напряжений, возникающих в КЭ номер k, k=1,2, …n.

Результаты вычислений коэффициентов неравномерности представлены в таблице 1. Эти результаты позволяют сопоставить особенности деформирования рассматриваемых колёс со стандартными колесами с прямолинейной образующей, рассмотренными аналогичным способом. Соответствующие аналогичные характеристики приведены в таблице 1.

 

Таблица 1- Характеристики дискретных КЭ-моделей рассмотренных колёс

Параметр сравнения

SE 0555606

RU 2259279 (3)

ГОСТ 9036-88

Диаметр колеса (м)

1,080

0,957

0,957

Масса колеса (кг)

294,1

390,5

381

Радиальная податливость (м/Н)

4,995∙10-10

1,921∙10-10

2,342∙10-10

Осевая  податливость при единичной нагрузке (м/Н)

3,029∙10-5

2,469∙10-5

2,118∙10-5

Макс. эквивалентное напряжение (МПа)

79,091056

44,641848

36,548732

Коэффициент неравномерности НДС дисковой части

0,835

0,711

0,471

 

 

Описанные результаты численного моделирования НДС колёс железнодорожных вагонов позволяют сделать следующие выводы.

1. Напряженное состояние в пределах колесного диска для колес, имеющих выпуклость дисковой части к гребню (SE 0555606, RU 2259279 (тип 3)), и для колёс с прямолинейной образующей дисковой части значительно (почти в два раза) различаются степенью неравномерности возникающих в колесе полей напряжений. Наименьшему значению коэффициента неравномерности дисковой части соответствует при этом колесо с прямолинейной образующей дисковой части.

2. Наибольшей податливостью в радиальном направлении (среди рассмотренных)  обладает колесо по патенту SE 0555606.

3. Разработанный алгоритм моделирования, основанный на исследовании неравномерности НДС колёс под действием эксплуатационной нагрузки, является эффективным инструментом анализа рациональности их конструктивного оформления.

Список использованной литературы

1.    Распоряжение ОАО «РЖД» от  06 мая 2004г. № 2009р «О поставке S-образных цельнокатанных колес, использующихся на колесных парах при ремонте тележек ГП-200».

2.    Создание железнодорожного колеса оптимального профиля. –URLhttp://pr.adcontext.net/42/07/11/19/6919. (дата обращения: 10.02.2012).

3.    Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. - М.: ДМК Пресс, 2003. - 448 с, ил. (Серия «Проектирование»).

4.    Выбор дискретной модели деформирования цельнокатаных колёс железнодорожных вагонов и критерий неравномерности их напряженного состояния / Д.В. Запольский, А.В. Кулешов, Л.Б. Цвик // Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования: сборник статей XVI Международной научно-технической конференции: / МНИЦ ПГСХА. – Пенза: РИО ПГСХА, 2011. – С. 28-33.