Источник: http://www.css-mps.ru/zdm/01-2004/03223.htm
Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава.
Так, в частности, потери энергии, обусловленные изнашиванием в системе колесо-рельс, составляют 10% - 30% расходуемых на тягу поездов топливно-энергетических ресурсов. Кроме того, расходы на реновацию рельсов и колесных пар составляют немалую часть общих расходов дистанций пути и локомотивных и вагонных депо соответственно. Особенно большие издержки в связи с этими расходами терпят локомотивные депо, поскольку за последние полвека средний срок службы локомотивной колесной пары существенно сократился.
С целью снижения интенсивности изнашивания КП до приемлемых значений в последние годы проводится ряд мер технического и организационно-технологического характера [3] (лубрикация, улучшение конструкции пути и подвижного состава, совершенствование геометрии профиля поверхности катания КП и рельсов, повышение качества их металла и т.д.).К сожалению ни одно из этих мероприятий в полном объеме проблемы не решило.
Кардинальное решение вопроса может быть найдено только на базе использования научных знаний в области взаимодействия пары колесо-рельс. Необходимо проведение научно обоснованной модернизации колесных пар с одновременной разработкой мероприятий, обеспечивающих эффективную эксплуатацию и ремонт модернизированных колесных пар.
К технологическим мероприятиям по снижению износа бандажей колесных пар локомотивов относятся следующие мероприятия: исследование процесса взаимодействия колеса с рельсом и воздействие на факторы, влияющие на скорость износа бандажа, конструктивные мероприятия по повышению ресурса, технологические методы упрочнения бандажей, уменьшение трения между бандажом и рельсом, контроль и прогнозирование технического состояния и др.
На износостойкость пары “колесо – рельс” по данным [4] влияют: твердость материала бандажей, рельс, содержание углерода, структура металлов и содержание серы.
Твердость металла является одним из наиболее существенных факторов влияющих на износ колес подвижного состава. Внедрение за последнее десятилетие термической обработки рельсов и придание им твердости 360 НВ несомненно сыграло важную роль в улучшении работы железных дорог.
Однако с изменением твердости рельс мер по повышению твердости бандажей предпринято не было. В результате отношение твердостей стали колеса и рельса оказалось равным 0,75, это существенно изменило характер износа в паре “колесо – рельс”. В исследованиях ВНИИЖТа [4], [5] 1960 – 1990х годов отмечалось, что для равной износостойкости отношение твердости колесного образца к твердости рельсового образца должно быть порядка 1,2 при проскальзывании до 1%, а при проскальзывании до 10% – 1,0 – 1,1.
Таким образом, установление оптимальной твердости поверхности катания колеса представляет собой сложную задачу, решение которой должно осуществляться системно с учетом, различных параметров, а величина твердости поверхности катания колес на сегодняшнее время ограничена величиной .
Разработка эффективных методов снижения степени износа зависит от наличия методик исследования, оценки параметров контактного взаимодействия пары “колесо – рельс” с помощью численных методов.
Задача контакта качения двух упругих тел, имеющих одинаковые характеристики упругости, как это имеет место для колеса и рельса, может быть представлена раздельно в виде нормальной и тангенциальной задач. Цель первой задачи состоит в определении размера и формы площадки контакта, а также распределения нормальных контактных напряжений.
Результаты решения нормальной задачи используются для нахождения решения тангенциальной, заключающейся в нахождении распределения касательных напряжений и момента в зонах сцепления и проскальзывания контактной площадки.
Г. Герц дал первое надежное математическое решение нормальной задачи, которая формулируется следующим образом. Два ненагруженных тела (поверхности катания колеса и рельса) касаются в одной точке. Расстояние между недеформированными телами может быть найдено геометрически, если известны радиусы кривизны тел в точке контакта.
Упругие свойства колеса и рельса, описываемые коэффициентом Пуассона и модулем упругости , считаются одинаковыми. Если тела нагружены нормальной силой , появляется зона контакта эллиптической формы с большой полуосью в направлении продольной оси рельса.
Таким образом, нормальное напряжение на поверхностях катания рельса и колеса зависит от нагрузки от колеса на рельс, радиусов поверхностей катания колеса и рельса, свойств взаимодействующих материалов. Следует иметь в виду, что контактная теория Герца справедлива при следующих допущениях:
· контактирующие поверхности однородны и изотропны;
· силы трения в зоне контакта не действуют;
· размер контактной площадки мал по сравнению с размерами контактирующих тел и характерными радиусами кривизны недеформированных поверхностей;
· для контактной задачи использовано решение линейного упругого полупространства;
· контактирующие поверхности гладкие.
При движении экипажа положение колесной пары по отношению к рельсам существенно меняется, приводя к возникновению различных сочетаний контактных зон колеса и рельса.
Даже при условии постоянной осевой нагрузки нормальные напряжения будут существенно меняться из-за различия в радиусах кривизны контактирующих поверхностей этих зон.
Если в области контакта имеет место один радиус кривизны поверхности, можно использовать решение Герца. Если в области контакта имеются два или несколько радиусов кривизны, и решение Герца несправедливо, и для определения площадки контакта следует использовать негерцевское решение.Это особенно важно при разнообразных сочетаниях изношенных профилей колеса и рельса.
При нахождении нормальных контактных напряжений для неконформного негерцевского контакта используются различные методы и программы. В частности, полное решение негерцевской задачи может быть найдено с помощью программы CONTACT [6]. Однако из-за того, что решение задачи с помощью этой программы требует большого времени, предложены различные варианты приближенного решения негерцевской задачи.
Другой подход, используемый для нахождения контактных напряжений между изношенными колесом и рельсом, состоит в моделировании контактирующих тел с использованием упругого винклеровского основания, при котором деформация поверхностей пропорциональна нормальным контактным напряжениям [8]. Полученное при этом максимальное контактное напряжение будет в 1,3 больше, чем при герцевском решении.
Размер площадки контакта и распределение нормальных напряжений зависят от нормальной нагрузки, действующей от колеса на рельс, профилей колеса и рельса, поперечного и углового положения колесной пары на рельсах и подуклонки рельсов.
Когда колесная пара движется в кривой, при определенном угле набегания колесо может контактировать с рельсом в двух различных точках [9]. Двухточечный контакт приводит к образованию двух площадок контакта: А на поверхности катания рельса и В на боковой поверхности головки рельса в районе выкружки. Из-за того что колесная пара при движении в кривой перемещается с некоторым углом набегания а, площадка контакта В сдвинута вперед.
Увеличение угла набегания приводит к увеличению расстояний между площадками контакта (забега) и до мгновенной оси вращения колесной пары и тем самым к возрастанию относительного проскальзывания и тангенциальной силы, с ним связанной. В зоне касания гребня колеса и рабочей грани головки наружного рельса уровень расчетных контактных напряжений может достигать 3000 МПа.
При контакте сильно изношенного рельса с новым или изношенным колесом изменяется форма области распределения давлений. Размер площадки контакта существенно уменьшается, она сдвигается к внешней поверхности наружного рельса, приводя к увеличению контактных давлений, уровень которых может достигать предела текучести, что вызывает пластическую деформацию головки рельса.
Обычно контактные напряжения на поверхности катания (область А) колеса грузового вагона находятся в пределах 1300 – 1700 МПа. Увеличение осевой нагрузки приводит к возрастанию герцевских контактных напряжений пропорционально степени 1/3 от ее величины (см. формулу 1).
Если поверхность катания колеса имеет прокат с образовавшимся корытообразным поперечным профилем, это приводит к существенному увеличению контактных давлений, которые могут иметь место по обеим сторонам этого профиля. Так, при величине проката корытообразного профиля 2 мм расчетные контактные напряжения на обоих краях могут достигать 6000 МПа, что свидетельствует о значительном пластическом течении материалов.
Высокие контактные напряжения возникают в случаях, если профиль колеса своим внешним краем будет опираться на рельс или контактная зона не достигает внешнего края колеса, приводя к возникновению выступа (фальшивого гребня) в области наружной части поверхности катания колеса.
Величина и распределение контактных напряжений существенно зависят от профилей колеса и рельса и от того, какой имеет место контакт: одноточечный или двухточечный. При конформном профиле размер площадки контакта увеличивается, приводя к уменьшению уровня контактных напряжений по сравнению с неконформными профилями.
Таким образом для оценки общего напряженного состояния в паре колесо-рельс достаточно решить задачу Герца для одноточечного контакта бандажа и рельса. Решение задачи производилось в программном комплексе ANSYS.
При построении модели “колесо – рельс” и проведении расчетов рассматривался тип рельса Р65 по ГОСТ 18267 – 82, и бандаж ГОСТ 398 – 96, при этом рассматривался неизношенный профиль бандажа и рельса.