автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Влияние рельсовых стыков на контактно-усталостную прочность колёс железнодорожного подвижного состава

На правах рукописи

Евтух Елена Сергеевна

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ НА КОНТАКТНО-

УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ КОЛЁС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г г май гон

Брянск 2014 005548627

005548627

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сакало Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Корольков Евгений Павлович

доктор технических наук, профессор Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), профессор кафедры «Высшая математика»

Кротов Сергей Викторович

кандидат технических наук, доцент Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), доцент кафедры «Строительная механика»

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и

конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ОАО «ВНИКТИ»), г. Коломна

Защита состоится «18» июня 2014 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 при ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, г. Брянск, ул. Харьковская, 10-Б, в учебном корпусе №4, ауд. Б101 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» и на сайте vyww.tu-bryansk.ru/

Автореферат разослан «16» мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Эманов С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Планируемый рост провозной и пропускной способности железных дорог в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства в 2008 году, предъявляет повышенные требования к обеспечению надежной работы узлов экипажной части, в особенности к элементам колесной пары. В прогнозировании долговечности колес задача накопления контактно-усталостных повреждений играет важную роль.

Климатические условия России, обусловленные уникальностью ее географического положения, и связанные с этим большие перепады эксплуатационных температур требуют наличия стыков в рельсовом пути. При прохождении колеса через рельсовый стык колесо испытывает значительные динамические нагрузки, наблюдается удар, сопровождаемый колебательными процессами.

Переход на бесстыковой путь уменьшает количество стыков, но полностью ликвидировать стыки практически невозможно. На российских железных дорогах доля стыкового пути составляет около 60% от всей протяженности, поэтому определение ресурса колеса с учетом современного состояния науки требует учета влияния стыкового соединения. Процесс качения колеса по гладкому рельсу исследовался многократно, в тоже время процесс перехода колеса через рельсовый стык исследовался значительно меньше. Данная работа посвящена исследованиям, связанным с выяснением особенностей работы колеса при движении вагона в зоне рельсового стыка.

Целью работы является разработка методики оценки влияния ударных сил, возникающих при наезде колес железнодорожного подвижного состава на рельсовые стыки, на долговечность колес.

Для достижения поставленной цели при выполнении диссертационной работы решены следующие задачи.

1. Собраны статистические данные о величинах зазоров в рельсовых стыках, определён закон их распределения.

2. Предложена методика определения упруго-диссипативных характеристик балластного слоя с использованием разработанной лабораторной установки.

3. Разработана динамическая модель для компьютерного моделирования процесса движения вагона по участку пути, содержащему рельсовый стык, с учетом просадки балласта, идентифицированы параметры модели рельсового стыка.

4. Уточнено решение задачи определения силы ударного взаимодействия, возникающей при наезде колеса на рельсовый стык.

5. Исследованы динамические усилия, возникающие при движении колеса вагона в области рельсового стыка, в том числе на участках пути с просадкой балласта.

6. Исследованы распределения контактных напряжений для случаев контактирования колеса с кромкой рельса, а также на достаточном удалении от рельсового стыка, получена зависимость максимальных давлений от нормальной силы в контакте.

7. Разработана методика оценки контактно-усталостной долговечности колеса с использованием кривой контактной усталости колёсной стали.

8. Оценена долговечность колеса при движении вагона по рельсовому пути без учёта влияния стыка и её снижение, обусловленное влиянием рельсового стыка на накопление контактно-усталостных повреждений.

Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем:

1. Установлен закон распределения величины зазоров в рельсовых стыках железнодорожного пути.

2. Разработана динамическая модель для компьютерного моделирования процесса движения вагона по участку пути, содержащему рельсовый стык, с учетом просадки балласта.

3. Предложена методика определения упруго-диссипативных характеристик балластного слоя с использованием лабораторной установки.

4. Уточнено решение задачи определения силы ударного взаимодействия, возникающей при наезде колеса на рельсовый стык.

5. Разработана методика оценки контактно-усталостной долговечности колеса с использованием экспериментальной кривой контактной усталости колёсной стали и линейной гипотезы суммирования повреждений.

На защиту выносятся:

1. Закон распределения величины зазоров в рельсовых стыках и его параметры.

2. Динамическая модель для компьютерного моделирования процесса движения вагона по участку пути, содержащему рельсовый стык, с учетом просадки балласта, в том числе модель рельсового стыка и её параметры.

3. Уточненное решение задачи определения силы ударного взаимодействия, возникающей при наезде колеса на рельсовый стык.

4. Методика оценки контактно-усталостной долговечности колес с учетом ударных сил, возникающих при движении в зонах рельсовых стыков.

5. Результаты оценки контактно-усталостной долговечности колес полувагона с учетом ударных сил, возникающих при движении в зонах рельсовых стыков.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработанная динамическая модель для компьютерного моделирования процесса движения вагона по участку пути, содержащему рельсовый стык, с учетом просадки балласта может быть использована для исследования динамических сил, возникающих при движении по такому участку других типов подвижного состава.

2. Установленный закон распределения величины зазоров в рельсовых стыках может быть использован в исследованиях, посвященных моделированию динамики движения подвижного состава, процессов изнашивания и накопления контактно-усталостных повреждений в колесах с учетом рельсовых стыков.

3. Разработанная методика для оценки контактно-усталостной долговечности колес грузового вагона с учетом влияния рельсовых стыков может быть применена для других типов подвижного состава.

Методология и методы исследования. Для установления закона распределения величины зазоров в рельсовых стыках применены методы теории вероятностей и математической статистики. При разработке динамической модели для компьютерного моделирования процесса движения вагона по участку пути, содержащему рельсовый стык, с учетом просадки балласта применены методы вычислительной механики и теории колебаний. Ударная сила, возникающая при наезде колеса на рельсовый стык, напряжения в колесе определены с использованием методов механики, теории упругости, конечных элементов.

При разработке методики оценки контактно-усталостной долговечности колеса использованы методы механики разрушения.

Обоснованность и достоверность полученных научных выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов теории упругости, конечных элементов, 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 58 научной конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ (Брянск, 2007 г.), на XV Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, 2009 г.), на XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным

системам (Алушта 2009 г.), на XXII Международной научно-технической конференции «Моделирование процессов на рельсовом транспорте» (Крым, 2012 г.), на XVIII Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, 2012 г.), на XVIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта 2013 г.), на XXIII Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (Крым, 2013 г.), на II Научно-техничеком семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (Брянск, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы - 111 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации.

В первой главе дано краткое описание механических и геометрических параметров верхнего строения железнодорожного пути, приводится обзор работ, посвященных исследованию взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути, а также работ, посвященных условиям взаимодействия колеса и рельса при движении вагона в зоне стыка. Особое внимание уделено экспериментальным исследованиям процесса прохождения колеса через стык.

Д"я построения модели или расчетной схемы, а также для определения входящих в расчеты механических и геометрических параметров элементов необходимо иметь представление о конструктивных особенностях строения пути, поэтому в работе приводятся сведения о конструкции пути, важные с точки зрения изучения процесса его взаимодействия с экипажем при перекатывании колеса через железнодорожный стык.

Исследованию взаимодействия железнодорожного экипажа и рельсового пути, а также динамических процессов в системе «колесо - рельс», в том числе, и в зоне рельсового стыка посвятили свои труды отечественные и зарубежные ученые: Е.П. Блохин, М.Ф. Вернго, C.B. Вершинский, A.M. Годыцкий-Цвирко, В.Н. .Данилов, А.Я. Коган, Н.Н.Кудрявцев, В.А.Лазарян, В.Ф.Лапшин, В.Б. Медель, Л.Н. Никольский, ЮЛ. Пейч, Ю.С. Ромен, В.Ф. Ушкалов, В.Д. Хусидов, Г.М. Шахунянц, В.Ф. Яковлев, Дж. Калкер, Ф. Картер, У. Харрис и другие специалисты научно-исследовательских организаций и технических вузов.

Методы теории упругости позволили получить решения для простейших случаев контакта, таких как взаимодействие шаров, цилиндров, эллипсоидов. Применение численных методов, в частности метода конечных элементов, которое стало возможным в связи с развитием компьютерной техники, позволило решать задачи контактирования тел произвольной формы с любым количеством контактных поверхностей. Решением таких задач занимался ряд российских и зарубежных ученых: А.И. Александров, В.Ф. Грачев, И.Г. Горячева, И.А. Жаров, Е.С. Колесова, И.А. Комаровский, Т.Е. Конькова, С. Кумар, А. Нефцгер, Д.П. Марков, Л.П. Мелентьев, А.Н. Мирза, А. Морэ, Р. Мюллер, Дж. Пиотровски, B.JI. Порошин, В.И. Сакало, П. Сейбот, А.Н. Трофимов.

Рельсовые стыки в системе взаимодействия «колесо-путь» рассматриваются как короткие неровности, при прохождении которых возникают повышенные динамические нагрузки на колесо. Взаимодействие подвижного состава с короткой неровностью пути, описанное теоретической схемой динамической системы с несколькими степенями свободы, рассматривалось Г.М. Шахунянцем, М.А. Фришманом, В.Н. Даниловым, H.H. Кудрявцевым, А.Я. Коганом, М.Ф. Веригои др. Для оценки динамического воздействия подвижного состава на путь научными сотрудниками ВНИИЖТ разработаны способы непрерывной регистрации сил, действующих от колеса на рельс, путем измерения сил взаимодействия колеса и рельса, используя напряженное состояние диска колеса.

Несмотря на большое внимание, оказываемое колесу как объекту исследования, как на теоретическом, так и на экспериментальном уровне, не все задачи получили свое решение. Моделирование процессов изнашивания поверхностей катания колес, накопления контактно-усталостных повреждений, оценка долговечности требуют дальнейшего развития методов определения напряженно-деформированного состояния железнодорожного колеса с учетом всех факторов, оказывающих влияние на него.

На основе анализа состояния вопроса сформулированы цели и задачи исследования, допущения, принимаемые в работе.

Вторая глава посвящена идентификации параметров гашения колебаний в системе «колесо-железнодорожный путь».

При прохождении колеса через рельсовый стык наблюдается удар, сопровождаемый колебательными процессами, в которые вовлечены как элементы железнодорожного экипажа, так и элементы пути. Процесс колебаний описывается дифференциальными уравнениями, в которые входят величины, представляющие вагон и путь. Ряд этих величин количественно определен, а идентификация значений остальных представляет собой не столь сложную задачу как задача идентификации параметров пути.

2000

950

200

6''

ш

к® в; я

щщ

щ&р

Ш

>Му

Сложность идентификации параметров пути связана с тем, что рельс представляет собой балку, которая через металлические и резиновые прокладки опирается на шпалы, лежащие на упругом основании. Одна из наиболее сложных задач - определение упруго-диссипативных свойств балластного слоя.

В настоящей работе для идентификации характеристик подрельсового основания разработана и использована лабораторная установка, позволяющая исследовать процесс колебаний, вызванных динамическим воздействием в системе «колесо-путь» (рисунок 1).

1 - цилиндрическая обо-

лочка

2 - древесностружечная плита,

3 - металлическая плита с Т-образными пазами

4 - слой песка

5 - слой щебня 6- пакет стальных и резиновых прокладок

7 - пуансон

8 - валик

9 - рычаг

10-тяга

11- проушина 12 - пластина 13- рамка 14 - пружина 15,17-грузы 16- подвеска

18 - двигатель-редуктор

19-барабан

20 - стойка

21 - перо

Рис. 1. Лабораторная установка для определения упруго-диссипативных характеристик балластного слоя

При разработке схемы установки преследовалась цель обеспечить определение жесткости балластного слоя, а также балластного слоя вместе с комплектом прокладок, и коэффицие нта демпфирования балластного слоя. Эта цель достигается путем записи свободных колебаний массы грузов 15 на пружине 14. За счет применения рычага создается усилие, равное 5 кН, действующее на комплект прокладок. Для определения упругих и диссипативных свойств одного балластного слоя испытания проводятся без комплекта прокладок. При этом пуансон 7 опирается прямо на слой балласта. Площадь опорной поверхности пуансона подобрана так, чтобы удельное давление было таким же, как от шпалы на балластный слой. Установка позволяет получить колебания масс на пру-

Ж* ш

жине с достаточно большой амплитудой, что облегчает запись осциллограммы с применением простейшей аппаратуры.

С помощью лабораторной установки определена жесткость балластного слоя, значение которой в пересчете к случаю опирания половины шпалы на балласт попадает в диапазон, приведенный в литературных источниках для различных состояний балластного слоя, а также получено достоверное значение коэффициента гашения колебаний.

В третьей главе изложены результаты компьютерного моделирования движения вагона в зоне рельсового стыка с учетом просадки балласта.

Разработка компьютерной модели пути, включающей модель рельсового стыка, представляет сложную задачу в связи с большим количеством факторов, которые должны быть в ней учтены, начиная от балласта, который представляет собой среду со сложно определяемыми значениями модуля упругости, коэффициента гашения колебаний и, заканчивая рельсом.

В расчетах же, как динамики движения экипажа, так и условий взаимодействия колеса и рельса и накопления контактно-усталостных повреждений модель играет очень важную роль. В данной работе разработана модель, учитывающая эти параметры, наиболее приближенная к реальным условиям.

Для компьютерного моделирования процесса перекатывания колеса через стык использован программный комплекс «Универсальный механизм». При использовании этого комплекса возникает трудность моделирования рельсового стыка, В комплексе предполагается, что колесо непрерывно контактирует с рельсом. Невыполнение этого условия требует внесения изменений в разработанные программы. Альтернативным вариантом преодоления этой трудности является введение вертикальной неровности на поверхности катания рельса, при прохождении которой наблюдался бы такой же ударный процесс, как и при прохождении рельсового стыка. Эта неровность должна удовлетворять следующим требованиям: колесо должно перекатываться по ней в условиях одноточечного контакта на поверхности катания; характер изменения силы удара должен быть подобен реальному процессу, как по значениям силы, так и по изменению ее во времени.

Хорошее приближение дала аппроксимация неровности уравнением вида:

где I - длина неровности, х - координата поперечного сечения рельса, отсчитанная от начала неровности, к - коэффициент, определяющий глубину неровности.

Особое значение при исследовании процесса перекатывания колеса через рельсовый стык имеет просадка рельсовой колеи. Просадка рельсовой колеи

(1)

Рис.2. График аппроксимированной стыковой неровности

классифицируется по четырём степеням. Ее допускаемые значения зависят от скорости движения поездов.

Установлено, что наиболее часто просадки встречаются в области рельсового стыка. Они появляются вследствие динамических нагрузок, возникающих при перекатывают

колеса через стык. В связи с этим исследование процесса перекатывания колеса через стык значительно усложняется выбором зазора между опорными поверхностями шпал и балластом.

Динамическая модель, используемая для исследования этого процесса, не может быть построена без включения в неё рельсов и шпал. В работе они представлены твердотельными моделями. Схема динамической модели пути в зоне стыка с просадкой балласта приведена на рисунке 3.

Рельс представлен твердотельными моделями его участков, соединенными между собой шарнирами с упругими связями по углу поворота. Кроме того, при моделировании использованы характеристики рельсошпальной решётки и балластного слоя. Закон изменения зазора между опорными поверхностями шпал и балластом принят в виде:

■О-1 *■*'

-ti

,-£»-----О_j_

Рис.3. Схема динамической модели пути в зоне стыка с просадкой балласта

Д=

(2)

Д0 2пх

У 1 + cos~~ '

где Д0 - максимальный зазор для шпалы, прилегающей к стыку; I - длина участка пути, где наблюдается просадка балласта; х—расстояние сечения рельса от стыка.

За пределами участка с просадкой балласта путь моделировался упругим основанием. Движущийся экипаж также представлен твердотельными моделями, связанными между собой упруго-диссипативными связями.

Выполнено моделирование движения полувагона по участку рельсового пути, прилегающему к стыку, с учетом просадки балласта в области стыка. При этом варьировался ряд параметров, определяющих этот процесс: величина про садки, длина участков с просадкой и скорость движения экипажа. В каждом случае определялись два значения динамической силы, возникающей между колесной парой и рельсами: сила, обусловленная ударным явлением при про-

хождении через стык:, и максимальная динамическая сила, обусловленная колебательным процессом при .движении колесной пары вне стыка.

Рис. 4. Динамическая модель участка рельсового пути

На рисунке 5 приведены осциллограммы динамических усилий, возникающих при движении вагона со скоростью 51 км/ч на участке с просадкой балласта 10 мм, на длине 3,66 м. Несмотря на малую скорость движения, могут возникать неблагоприятны« условия, при которых динамические усилия достигают больших значений. Так четвертая колесная пара наезжает на стык, когда нагрузка на нее, обусловленная колебательным процессом достигает своего максимума, и сила удара при этом достигает значения 468 кН.

а)

б)

Рис.5. Осциллограммы динамических усилий, возникающих между рельсами и колесными парами: а - 1-й; б - 4-й Четвёртая глава посвящена определению контактных напряжений, возникающих в колесе при наезде на рельсовый стык. Аналитическим и численным методами исследовано напряженное состояние в колесе вагона при раз-

личных расположениях его относительно рельсового стыка: на кромке рельса, на удалении от неё при нескольких значениях нагрузки от колеса на рельс.

Решение контактных задач в упругой постановке для случаев, когда колесо располагается над кромкой стыка, а также на достаточном удалении от нее выполнено с использованием комплекса программ 1ТРЕМСР. Использованы конечноэлементные схемы, образованные восьмиузловыми конечными элементами. В расчетной схеме использованы фрагменты колеса и рельса, обеспечивающие достаточное затухание напряжений и деформаций к плоскостям их выделения. Фрагмент рельса представлял собой часть головки рельса Р65, а фрагмент неизношенного вагонного колеса имел такие же размеры по длине и толщине.

Для случая расположения колеса на удалении от стыка контактные напряжения определены с использованием решения Герца и метода конечных элементов. В связи с тем, что оба решения дали близкие результаты, для определения максимальных контактных давлений получена зависимость на основе решения Герца.

Для варианта расположения колеса на кромке рельса распределение контактных давлений приведено на рисунке 6. По результатам решения для варианта расположения колеса на кромке рельса предложена аппроксимирующая зависимость для определения максимального давления в контакте:

р0 = 258,285 • Р0'454, (3) где Р - значения нормальной силы в контакте подставляются в килоныютонах, а максимальные давления р0 получаются в МПа.

В пятой главе выполнена оценка влияния рельсовых стыков на накопление контактно-усталостных повреждений в колесах подвижного состава.

Собраны с татистические данные о величине зазоров в рельсовых стыках на железнодорожных магистралях, прилегающих к городу Брянску. Обработка и анализ этих данных показали, что распределение плотностей вероятностей величины зазоров описывается законом Вейбулла,. Также были определены параметры распределения величины зазоров. Для проверки допущения, что принятое теоретическое распределение обеспечивает достаточно точное описание выборочных данных, была выполнена статистическая проверка по критерию согласия х2 Пирсона и критерию Колмогорова.

• Г

Рис. 6. Распределение давлений в контакте колеса и кромки рельса

При перекатывании колесной пары через стыковое соединение рельсов происходит скачкообразное перемещение мгновенного центра вращения колес с отдающего конца рельса на принимающий. Это приводит к мгновенному изменению направления вектора скорости центра масс колесной пары за счет мгновенного возникновения вертикального вектора скорости Ув (рисунок 7), результатом чего является ударное взаимодействие колеса и рельса.

Зависимость вертикальной скорости колеса от поступательной скорости движения колесной пары и величины зазора в рельсовом стыке имеет вид:

Ув

2

■ч-

(4)

Рис.7. Колесо на рельсовом стыке

где V- скорость движения вагона; г - зазор в стыке; Як - радиус круга катания колеса.

Для определения силы удара, возникающей при наезде колеса на рельсовый стык, использовано решение задачи соударения

твёрдых тел, в которой сила удара Р связывается со сближением тел а. Уравнение вертикального движения колеса записывается в виде:

та = ~Р(а).

После интегрирования и подстановки начальных условий получаем:

а

2

m

J P(a)da — Vß .

В результате подстановки в это выражение зависимости Р — /?а1,578, полученной при решении контактных задач для колеса и кромки рельса, а также с учётом того, что наибольшая сила удара соответствует максимальному сближе-

ß -mvi

.0,3878

/1 289

нию тел атса , для этих величин получаем атах =

Ртах = /?°'3879(1,289mV£)0-6121 . Окончательно, с учетом выражения (4) для Кв получаем формулу для определения ударной силы на стыке рельсов в зависимости от поступательной скорости движения вагона и величины зазора в стыке:

2,,2\ 0,6121

_ IJV.SOII I 1 9QC

'max

/>—_ = £0,3879

1,289-

Rl

(5)

где в качестве т принимается масса обода колеса, равная 197,4 кг, /М,387-10и, скорость движения подставляется в метрах в секунду, а ударная сила получается в ньютонах.

Для определения интенсивности накопления контактно-усталостных повреждений использована кривая контактной усталости колесной стали (рисунок 8). Она аппроксимирована зависимостью N = 2,682 ■ 10"Ро1,729 .

Для оценки долговечности колеса при движении вагона по рельсовому пути без учёта влияния стыка использованы результаты моделирования движения полувагона массой 80 тонн со скоростью 72 и 90 км/ч. Получено распределение нормальных сил, плотность вероятностей которых описывается нормальным законом распределения Гаусса.

По приближённой оценке предел контактно-усталостной выносливости колёсной стали соответствует максимальным контактным давлениям по Герцу 1000 МПа. Взаимодействие колеса и рельса характеризуется усилиями, при которых максимальные давления превосходят это значение. В связи с этим в диссертационной работе определена величина повреждающей силы. Получена зависимость максимальных контактных давлений от величины нормальной силы

1

в контакте колеса и рельса р0 = 2,1 ■ 107Рз

Рассчитана накопленная поврежденность за 1000 км пробега вагона с учетом вероятности значения возникающей при этом силы в контакте. Для скоростей 72 и 90 км/ч она соответственно равна 0,033 и 0,036.

Из статистических данных о количестве зазоров следует, что на длине пути 722 км насчитывается 4026 стыков, тогда на длине пути 1000 км количество стыков равно 5576.

Анализ решения контактных задач для колеса и рельса позволил установить размеры области, в пределах которой напряжения могут считаться повреждающими.

Вероятность попадания области на стык, в предположении, что она одинакова для всех их, составляет 0,01. Тогда на пробеге 1000 км количество попаданий области с повреждающими напряжениями на стык: равно 5576-0,01=56.

ро.Шл

I < 6 ? £ > лист5

Рис. 8. Кривая контактной усталости колесной стали

В связи с тем, что уд арная сила зависит от зазора в рельсовом стыке, расчет накопления повреждений в колесе должен вестись с учетом вероятности

значения зазора.

0 1 2 3 4 5 б ? 8 9 10 11 И 13 14 15 16 17 16 19 30 31 222,ММ

Рис.9. Изолинии чисел циклов до разрушения материала колеса (цена изолинии умножена на 10"5)

Для случая контакта колеса с кромкой рельса максимальные давления связываются с силой контакте зависимостью (3). Накопленная повреждсн-ность в колесе, обусловленная наездом на рельсовые стыки, на длине 1000 км составляет: при скорости 72 км/ч - 17,73-10"5, а при скорости 90 км/ч -21,0-10"5. Наличие стыков в рельсовом пути приводит

к повышению интенсивности накопления повреждений на 0,537% и 0,58% соответственно. Накапливаемая повреждённость возрастает с возрастанием зазора в рельсовом стыке и скорости движения (рисунок 9). Наибольшее повреждение получено при наезде на стык с зазором от 7,76 мм до 9,7 мм и имеющим одну из наибольших плотностей: вероятностей.

Просадка балласта в зоне стыка приводит к увеличению накопленной поврежденное™ в колесе, так как движение вагона сопровождается колебательным процессом, при котором сила взаимодействия колеса и рельса достигает 340 кН. Процесс колебаний является затухающим, но число циклов с такой амплитудой силы может достигать 3-4. Это может привести к накоплению повреждений в 4 раза больших, чем при наезде на стык без просадки.

Несмотря на явные преимущества бесстыкового пути над звеньевым, доля его от общей длины железнодорожных путей Российской Федерации составляет около 40 %. Учитывая этот факт, увеличение накопленной поврежденно-сти за 1000 км пробега вагона по звеньевому пути составит около 4%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛ ЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена модель железнодорожного пути, позволяющая исследовать динамические процессы, обусловленные перекатыванием колёсной пары через рельсовый стык. Модель позволяет учитывать просадку балластного слоя в области рельсового стыка.

2. Идентифицированы параметры модели рельсового стыка, обеспечивающие определение значений динамических сил, близких к полученным экспериментальными методами. Разработана лабораторная установка, с использованием которой исследованы упруго-диссипативные характеристики балластного слоя: определены жесткость балластного слоя и значение коэффициента гашения колебаний, не противоречащие результатам, полученным в других работах.

3. С помощью разработанной модели исследованы динамические усилия, вызванные ударным взаимодействием колеса и рельса на стыке, а также колебательным процессом, сопутствующим движению вагона на участках с просадкой балласта в зоне рельсового стыка при различных скоростях движения, глубинах просадки, длинах участков с просадкой балласта. Определены максимальные динамические силы, возникающие между колёсами и рельсами, обусловленные ударным и колебательным процессами при движении груженого полувагона по участку пути с рельсовым стыком.

4. Исследованы распределения контактных напряжений для случаев контактирования колеса с кромкой рельса, а также на достаточном удалении от рельсового стыка, получена зависимость значений максимальных давлений от нормальной силы взаимодействия колеса и рельса.

5.Собраны статистические данные о величине зазоров в рельсовых стыках на железнодорожных магистралях, прилегающих к городу Брянску. Показано, что распределение плотностей вероятностей зазоров описывается законом Вейбулла. Определены параметры распределения.

6. Использованы известные подходы к определению силы удара при прохождении колесом рельсового стыка. Уточнена зависимость, связывающая силу удара со сближением тел на основе решения контакта колеса и кромки рельса методом конечных элементов.

7. Разработана методика оценки контактно-усталостной долговечности колеса с использованием экспериментальной кривой контактной усталости колёсной стали и линейной гипотезы суммирования повреждений.

8. Получено распределение нормальных сил в контакте колеса и рельса при движении вагона по пути без учета влияния стыка рельсов с использованием программного комплекса «Универсальный механизм».

9. Оценена долговечность колеса при движении вагона по рельсовому пути без учёта влияния стыка и её снижение, обусловленное влиянием рельсового стыка на накопление контактно-усталостных повреждений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Евтух, Е.С. Влияние просадки балласта на динамические усилия, возникающие между колесом и рельсом при прохождении стыка / Е.С. Евтух,

B.И. Сакало, Д.Г. Агапов // Транспорт Урала. Екатеринбург, 2009. № 4.

C. 32-34.

2. Евтух, Е.С. Напряжённо-деформированное состояние в области контакта колеса и рельса при наезде колеса на стык / Е.С. Евтух // Вестник БГТУ. -2011.-№3.-С. 74-79.

3. Евтух, Е.С. Влияние рельсовых стыков на накопление контактно-усталостных повреждений в колесах подвижного состава / Е.С. Евтух,

B.И. Сакало // Вестник: БГТУ. - 2013. - №4. - С. 9-17.

4. Евтух, Е.С. Идентификация параметров гашения колебаний в системе «колесо-железнодорожный путь» / В.И. Сакало, Е.С. Евтух, Д.Г.Агапов // Вестник БГТУ. - 2013. - №4. - С. 66-70.

Публикации в прочих изданиях:

5. Евтух, Е.С. Математическое моделирование процесса прохождения железнодорожным колесом рельсового стыка / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова, A.A. Ольшевский // Bíchhk Схщноукрашського нацюнального ушверсите-ту 1меш Володимира Даля. Луганськ, 2004. №8(78) ч. 1. С. 92-95.

6. Евтух, Е.С. Определение упругих диссипативных характеристик подрель-сового основания / Е.С. Евтух, Д.Г.Агапов // Материалы 58 научной конференции профессорско-преподавательского состава. Брянск: БГТУ, 2007.

C. 116-118.

7. Evtuch Elena Contact stresses in rail joint elements of a railway track at freight car movement / Elena Evtuch, Galina Neklyudova // XIII Scientific-expert conference on railways. Serbia: Mechanical Engineering Faculty of the University of Ni5, 2008.

8. Евтух, Е.С. Решение контактной задачи для элементов рельсового стыка при наезде колеса на стык / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова // Материалы II Международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела». Казань, 2009. С.157-159.

9. Евтух, Е.С. Численное моделирование динамики движения грузового полувагона с учетом просадки балласта / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова // Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Алушта, 2011. С. 332335.

10. Евтух, Е.С. Компьютерное моделирование процесса прохождения колеса через стык для решения контактной задачи / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова // Весник Сх1дноукраТнського национального ушверситету ¡меш Володимира Даля. Луганськ, 2012. № 5(176) ч. 2. С. 7-11.

11. Евтух, Е.С. К вопросу исследования усталостных повреждений, обусловленных ударным и колебательным процессом при движении железнодорожного колеса через рельсовый стык / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова // Материалы XVIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Алушта, 2013. С. 341-343.

12. Евтух, Е.С. Решение контактной задачи для колеса грузового вагона при прохождении рельсового стыка / Е.С. Евтух, Г.А. Неклюдова // Вкник СхщноукраТнсысого нацюнального ушверситету ¡меш Володимира Даля. Луганськ, 2013. №18(207) ч. 1.С. 19-22.

13. Евтух, Е.С. Накопление кснтактно-усталостных повреждений в колесах вагонов при наездах на рельсовые стыки / Е.С. Евтух, В.И. Сакало // Материалы II научно-технического семинара «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ». Брянск: БГТУ, 2014. С. 13-15.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве:

В работе [1] - разработка модели рельсового пути для исследования динамики движения вагона в зоне рельсового стыка с учетом просадки балластного слоя, анализ результатов моделирования динамики движения вагона. В работе [3]. [13] - сбор и обработка статистических данных о величинах зазоров в рельсовых стыках, определение значения ударной силы, возникающей при перекатывании колеса вагона через рельсовый стык, оценка влияния рельсовых стыков на накопление контакта о-у стапостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава. В работе [4] - разработка и использование лабораторной установки, позволяющей проводить экспериментальные исследования процессов колебаний, идентификация параметров модели. В работах [6], [8], [10], [11], [12]- оценка влияния величины просадки балласта на динамические усилия, действующие на колесо в зоне рельсового стыка, разработка методики определения упругих и диссипативных характеристик балластного слоя, обеспечивающая условия приложения нагрузки на балластный слой близкие к реальным (натурным) условиям, исследование напряженного состояния в колесе вагона при различных расположениях его относительно рельсового стыка.

Евтух Елена Сергеевна

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ НА КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ КОЛЁС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 16.04.2014 г. Формат 60x34 1/16. Бумага офсегная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 80 экз. Заказ № 113. Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета, 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон (4832) 58-82-49 Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.