Повышение конструкционной прочности железнодорожных колёс подвижного состава Керенцев Дмитрий Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Современные проблемы оценки прочности железнодорожных колёс 13

1.1 Условия эксплуатации и классификация железнодорожных колёс 13

1.2 Экспериментальная оценка напряжённо-деформированного состояния железнодорожных колёс 18

1.3 Подходы к оценке прочности и надёжности железнодорожных колёс 28

Выводы по разделу 1 45

2. Остаточные технологические напряжения в цельнокатаных железнодорожных колёсах 47

2.1 Натурные измерения остаточного напряжённого состояния колёс в состоянии поставки и после ремонта обода 47

2.2 Применение метода конечных элементов к решению совместных задач теплопроводности и МДТТ 52

2.3 Проблемы расчётно-экспериментального определения изменения температуры и напряжённо-деформированного состояния в процессе термической обработки колёс 63

2.4 Определение изменения температуры в сечении колёс в процессе термической обработки 67

2.5 Расчёт остаточных технологических напряжений 81

2.6 Влияние технологии производства на уровень остаточных напряжений 96

Выводы по разделу 2 107

3. Напряжённо-деформированное состояние цельнокатаных колёс при торможении колодками 109

3.1 Исследование термомеханических свойств

европейских конструкций цельнокатаных колёс грузовых вагонов 109

3.2 Расчётная оценка напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс при действии тепловых нагрузок 117

3.3 Анализ влияния различных факторов

на результаты термомеханических испытаний 123

Выводы по разделу 3 125

4. Сопротивление усталости дисков колёс 126

4.1 Расчёты конструкций при переменных напряжениях 126

4.2 Оценка сопротивления усталости с учётом остаточных технологических напряжений 130

4.3 Влияние теплового нагружения при оценке сопротивления усталости 136

Выводы по разделу 4 140

5. Конструкции колёс повышенной прочности 141

5.1 Низконапряжённые конструкции колёс для грузовых и пассажирских вагонов, вагонов метро 141

5.2 Катаные колёсные центры для магистральных тепловозов 146

5.3 Конструкции колёс для европейских железных дорог с повышенной осевой нагрузкой 156

Выводы по разделу 5 161

Заключение 162

Список литературы 165

• Подходы к оценке прочности и надёжности железнодорожных колёс
• Проблемы расчётно-экспериментального определения изменения температуры и напряжённо-деформированного состояния в процессе термической обработки колёс
• Расчётная оценка напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс при действии тепловых нагрузок
• Оценка сопротивления усталости с учётом остаточных технологических напряжений

Введение к работе

Актуальность темы. Согласно стратегии инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» к основным направлениям модернизации подвижного состава относят использование новых материалов и конструкций при ремонте и изготовлении, увеличение нагрузки на ось до 27 тс для локомотивов и грузовых вагонов нового поколения, снижение веса тары грузовых вагонов на 25 %.

Обозначенные направления развития отрасли определяют приоритетные задачи для отечественных производителей железнодорожной техники и её комплектующих, в том числе для производителей железнодорожных колёс, надёжность продукции которых во многом определяет безопасность движения и экономические результаты деятельности российских железных дорог. Актуальной проблемой для производителей и в целом национальной экономики является увеличение поставок продукции на экспорт, что требует учёта зарубежного опыта разработок и проведения прикладных экспериментальных исследований.

Значительные трудности для проектирования колёс представляет несовершенство существующей нормативной базы, ограниченной в методах комплексного анализа показателей прочности железнодорожных колёс от действия различных эксплуатационных факторов и особенностей влияния технологии их производства.

Степень разработанности темы. Обзор существующих отечественных и зарубежных норм свидетельствует о наличии значительных различий в подходах к оценке показателей прочности и надёжности железнодорожных колёс. К основным проблемам определения достоверных мест с минимальным коэффициентом запаса сопротивления усталости и его соответствующего значения необходимо отнести отсутствие в методиках расчёта учёта остаточных технологических напряжений в цельнокатаных колёсах и напряжений, обусловленных влиянием термических нагрузок, возникающих при торможении колодками. Современным подходом расчётного определения остаточных технологических напряжений является проведение конечно-элементного анализа в соответствии с методикой стандарта AAR S-669 путём решения нелинейной нестационарной теплопрочностной задачи с учётом высокотемпературной ползучести (релаксации напряжений при отпуске), упругопластических свойств материала, совместного действия радиационного и конвективного теплообмена. Сложность практического использования указанной методики связана с отсутствием описания достоверных граничных условий для заданного режима термической обработки в условиях предприятия-изготовителя.

Вопросы расчётного определения остаточных технологических напряжений в цельнокатаных колёсах представлены в работах Узлова И.Г., Миронова П.Ф., Киселева С.Н., Киселева А.С., Мартьяновой И.А., Kuhlman С., Wang K. Основным недостатком предлагаемых методик является плохая количественная сходимость результатов, либо отсутствие сопоставления результатов теоретической оценки с экспериментальными значениями.

Отличительная особенность европейских норм, которая заключается в обязательном проведении стендовых испытаний при длительных циклах торможения колёс колодками, в настоящее время определяет наиболее полную экспериментальную базу для исследований напряжённо-деформированного состояния колёс при действии тепловых нагрузок. Официальная попытка разработки расчётной методики, позволяющей прогнозировать результаты термомеханических испытаний с использованием метода конечных элементов, представлена в отчёте B 169/RP 17 комитета Международного союза железных дорог (UIC). Из-за отсутствия сходимости с экспериментальными данными в настоящее время она используется только для качественной сравнительной оценки поведения конструкций колёс.

Цель диссертации – повышение конструкционной прочности железнодорожных колёс подвижного состава путём разработки и внедрения в производство новых облегчённых конструкций, обладающих увеличенной грузоподъёмностью и стойкостью к тепловым нагрузкам.

Задачи исследования:

– разработка расчётно-экспериментальных методик определения остаточных технологических напряжений и напряжённо-деформированного состояния колёс при торможении колодками путем решения нелинейной нестационарной теплопрочностной задачи с учётом совместного действия радиационного и конвективного теплообмена, упругопластических свойств материала и высокотемпературной ползучести;

– исследование технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов с целью количественной оценки их влияния на напряжённо-деформированное состояние колёс;

– определение коэффициентов запаса сопротивления усталости цельнокатаных вагонных колёс с учётом остаточных технологических напряжений и тепловых эксплуатационных нагрузок;

– разработка новых конструкций колёс повышенной прочности для грузовых и пассажирских вагонов, вагонов метро и катаных центров магистральных тепловозов.

Научная новизна.

1. Впервые для расчётного определения изменения температуры цельнокатаных колёс при термической обработке предложена основанная на результатах экспериментальных исследований зависимость коэффициента теплоотдачи для охлаждаемых в процессе закалки поверхностей обода колеса при заданных технологических режимах.

2. Разработана и обоснована расчётно-экспериментальная методика определения остаточных технологических напряжений в цельнокатаных колёсах в зависимости от выбора режимов термической обработки, конструктивных особенностей, используемой марки стали и технологии механической обработки.

3. В ходе численных экспериментов получены данные количественной оценки влияния на уровень остаточных технологических напряжений параметров термической и механической обработки цельнокатаных колёс, упругопла-стических свойств материала и конструкционных особенностей.

4. Усовершенствована методика расчёта изменения напряжённо-деформированного состояния колёс при стендовых термомеханических испытаниях с учётом остаточных технологических напряжений, радиационного теплообмена, эффекта высокотемпературной ползучести и определённых экспериментально кривых сопротивления деформации колёсных сталей при повышенных температурах.

5. Получены результаты расчётной оценки влияния на термомеханические свойства колёс степени износа и материала колодок, интенсивности охлаждения обода набегающим потоком, технологических остаточных напряжений и количества циклов торможения.

6. Усовершенствована методика оценки коэффициента запаса сопротивления усталости цельнокатаных вагонных колёс путём учёта технологических напряжений и тепловых эксплуатационных нагрузок по разработанным методикам.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

– доказаны повышение точности и достоверность оценок показателей прочности и надёжности колёс при учёте влияния остаточных технологических напряжений и тепловых эксплуатационных нагрузок;

– результативно использован комплекс существующих приёмов и методов повышения сопротивления усталости железнодорожных колёс путём снижения уровня остаточных и эксплуатационных напряжений посредством изменения конструкции диска.

Практическая значимость работы состоит в разработке расчётных методик определения температуры колеса в процессе термической обработки, остаточных технологических напряжений и напряжённо-деформированного состояния колёс при торможении колодками, которые позволяют:

– прогнозировать распределение механических свойств и уровень остаточных напряжений в зависимости от технологических параметров и конструкционных особенностей колёс без производства серии опытных партий;

– сокращать затраты на проведение стендовых термомеханических испытаний при анализе различных конструкций колёс;

– достоверно оценивать место возможного образования усталостных трещин и величину запаса сопротивления усталости.

Представленные в работе методики расчёта и результаты исследований использованы на АО «Выксунский металлургический завод» при разработке и внедрении в производство цельнокатаных колёс низконапряжённых конструкций для грузовых и пассажирских вагонов, вагонов метро, катаных центров для магистральных тепловозов, колёс грузовых вагонов с повышенной нагрузкой для европейских железных дорог, подтверждённые актами внедрения и защи-щённых патентами на изобретения.

Методы исследований. Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и ползучести, механики деформируемого твёрдого тела, термодинамики и теории теплообмена. Расчёты тепловых полей и напряжённо-деформированного состояния реализованы с использованием метода конечных элементов в среде программного комплекса ANSYS.

Анализ и обработка результатов экспериментов проведены на базе классических статистических методов с помощью компьютерной техники.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель расчёта изменения температуры колеса в процессе термической обработки с учётом экспериментально обоснованной зависимости коэффициента теплоотдачи на охлаждаемых в процессе закалки поверхностях обода.

2. Математическая модель расчёта остаточных технологических напряжений, обусловленных термической обработкой цельнокатаных колёс, с учётом их перераспределения при механической обработке в процессе изготовления и ремонта.

3. Уточнённая методика расчёта изменения температуры и напряжённо-деформированного состояния колеса с новым и изношенным ободом в процессе стендовых термомеханических испытаний.

4. Новые данные о величине остаточных технологических напряжений и напряжений от тепловых нагрузок, зависимостях и распределении по сечению колеса.

5. Методика расчёта коэффициента запаса сопротивления усталости цельнокатаных колёс с учётом технологических напряжений и тепловых эксплуатационных нагрузок.

6. Результаты расчётно-экспериментальных исследований разработанных конструкций железнодорожных колёс повышенной прочности.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, использованием научно-обоснованных расчётных схем, применением апробированных численных методов анализа и расчёта, реализацией алгоритмов и процедур расчёта на современной вычислительной технике, сопоставлением теоретических расчётов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями, а также практическим применением результатов на АО «Выксунский металлургический завод».

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: 73 Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Украина, г. Днепропетровск, 2013); 17 Международный конгресс колесных пар (Украина, г. Киев, 2013); VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (ПГУПС, 2013); VII Научно-практическая конференция молодых специалистов ОМК (г. Выкса, 2014); Третий научно-практический семинар «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (г. Брянск, 2016).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 59 наименований и 2 приложений. Содержит 173 страниц текста, включая 74 рисунка и 16 таблиц.

Подходы к оценке прочности и надёжности железнодорожных колёс

Результаты экспериментальной оценки напряжённо-деформированного состояния железнодорожных колёс, в первую очередь, основаны на опыте проведения следующих типовых испытаний: – определение остаточных напряжений; – измерение напряжений на поверхности диска при испытаниях на усталость; – определение напряжённо-деформированного состояния при длительных торможениях колодками.

Определение остаточных напряжений и деформаций колёс имеет важное практическое значение при проведении исследований в области оценки качественных показателей продукции, выполнении работ по анализу эксплуатационных характеристик колёс и их проектировании. При этом, несмотря на общность задач по обеспечению надёжности колёс в эксплуатации, в зависимости от целей исследования используются различные методы и средства измерения остаточных напряжений и деформаций, а также критерии их оценки. Согласно требований нормативной документации [17, 19] остаточные напряжения в цельнокатаных железнодорожных колёсах определяют тензометрированием, применяя разрушающий метод, либо проводят определение поверхностных и внутренних остаточных напряжений неразрушающими методами (рентгеновский, ультразвуковой). Допускается совместное применение неразрушающих ультразвукового и рентгеновского методов определения остаточных напряжений в колёсах. В этом случае ультразвуковой метод применяют для определения внутренних напряжений, а рентгеновский метод – для определения поверхностных напряжений. Оценка остаточных напряжений методом радиальной резки колёс с последующим измерением сходимости разделенных частей обода широко используется при сдаточных испытаниях. Вместе с тем, этот метод даёт лишь качественную картину распределения напряжений, определяя знак окружных напряжений в ободе.

Сущность метода тензометрирования состоит в выполнении надрезов, приводящих к возрастающему высвобождению внутренних остаточных напряжений в ободе колеса. Изменение состояния внутренних напряжений, возникающих после каждого из надрезов, фиксируют за счет измерения деформаций на поверхности элементов конструкции с помощью тензорезисторов (рисунок 1.4).

Измерение остаточных напряжений методом тензометрирования Каждое колесо оборудуют тензорезисторами, установленными в двух четырёх радиальных сечениях с наружной и внутренней сторон диска и обода. При измерениях применяют двух- или трёхкомпонентные розетки тензорезисторов в зависимости от характера и направления действия главных напряжений.

Двухкомпонентные розетки тензорезисторов устанавливают в сплошных без отверстий сечениях дисковой части колёс, на галтели перехода из обода в диск, на галтели перехода из ступицы в диск. Тензорезисторы в двухкомпонентной розетке устанавливают в радиальном и тангенциальном направлениях.

На поверхности катания тензорезисторы в двухкомпонентной розетке устанавливают в тангенциальном и осевом направлениях. На торцевых поверхностях колеса тензорезисторы в двухкомпонентной розетке устанавливают в радиальном и тангенциальном направлениях. Трехкомпонентные розетки тензорезисторов устанавливают вблизи отверстий и мест резкого изменения формы колеса. Обработку и оценку результатов измерений разрушающим методом проводят по специальным формулам. По результатам измерений строят эпюру распределения остаточных напряжений по сечению, определяют зоны максимальных напряжений. Измерения остаточных напряжений ультразвуковым методом проводятся с использованием ультразвуковых приборов с электроакустическим преобразователем. Метод измерения заключается в определении скорости ультразвука, при котором используют эффект акустоупругости, состоящий во влиянии упругого напряжения в металле на скорость ультразвуковых волн. Данный метод применяется при измерении остаточных напряжений в ободе колеса (рисунок 1.5).

Относительная разность времени распространения между боковыми гранями обода двух поперечных волн, одна из которых поляризована в радиальном, а другая - в тангенциальном направлении, прямо пропорциональна разности основных напряжений (атанг, арад), действующих в этих двух направлениях: гтанг- град=кТтанг Трад , (1.1) трад где атанг, арад - напряжения в тангенциальном и радиальном направлениях; ттанг, трад - время распространения поперечных волн в тангенциальном и радиальном направлениях; к - коэффициент акустоупругости. Результаты измерений в одной точке показывают среднее значение разности основных напряжений, действующих в объеме звукового поля вдоль линии распространения ультразвуковых волн, проходящей через эту точку. Напряжения в объеме обода следует рассматривать как показатель тангенциальных напряжений. Обоснование этого утверждения будет показано в ходе приведенных в работе исследований.

Для определения остаточных напряжений должно быть известно значение коэффициента акустоупругости для данного материала, а также учтено возможное влияние текстуры на результаты измерения.

Измерение остаточных напряжений колеса ультразвуковым методом проводят с боковой поверхности обода, обеспечивая распространение поляризованных ультразвуковых волн между боковыми гранями обода.

Для получения эпюры распределения остаточных напряжений по глубине измерения должны быть выполнены в нескольких точках, расположенных по ободу колеса в радиальном направлении. Количество и распределение точек измерений устанавливаются соответствующими методиками измерений. По результатам измерений строят эпюру распределения остаточных напряжений по толщине обода на различном удалении от поверхности катания колеса.

В качестве оборудования для рентгеновского метода измерения используют дифрактометры различных типов – с наклоняемой к поверхности однолучевой трубкой (наклон плоскости дифракции) или двухлучевой рентгеновской трубкой (наклон биссектрисы угла «трубка-детектор» относительно нормали к поверхности в плоскости дифракции). Зонами измерений являются боковая поверхность обода колеса, поверхность диска, где возможно соблюдение условия плоской поверхности измеряемого участка или его незначительных отклонений от плоскостности, и боковая поверхность ступицы. Описанное ограничение составляет основную проблему для определения максимальных остаточных напряжений на поверхностях перехода диска в ступицу и обод, а также для поверхностей дисков колёс криволинейной формы. Количество и распределение точек измерений устанавливаются согласно соответствующей методике измерений.

Рентгеновским методом измеряют остаточные напряжения поверхностного слоя колеса, который подставлен под пучёк падающих рентгеновских лучей. Толщина этого слоя равна половине глубины проникновения в него рентгеновских лучей. Перед контролем поверхность должна быть очищена от загрязнений и иметь шероховатость поверхности не выше Rz 10 (рисунок 1.6).

Проблемы расчётно-экспериментального определения изменения температуры и напряжённо-деформированного состояния в процессе термической обработки колёс

В ходе исследований точность измерений напряжений рентгеновским методом составила ±52 МПа.

При оценке поверхностного напряжённого состояния цельнокатаных колёс следует учитывать влияние на результаты натурных измерений величины напряжений непосредственно от воздействия режущего инструмента при механической обработке. Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра. Возникновение остаточных напряжений связано с пластической деформацией при воздействии режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся теплотой резания [29].

Аналогичные комплексные изменения в поверхностной зоне происходят в процессе дробеструйной обработки, где образуются сжимающие остаточные напряжения, упрочняющие материал на глубину 0,51 мм в зависимости от размера дроби и твёрдости поверхности. Возникающая при наклёпе дробью пластическая деформация, заключающаяся в сдвигах атомов в кристаллической структуре, упрочняет металл. Сдвиги приводят к искривлению кристаллографических плоскостей и изменению межатомных расстояний, что приводит к возникновению внутренних остаточных сжимающих напряжений 1-го рода в поверхностных слоях. Описанные эффекты, связанные с влиянием режимов механической и упрочняющей обработки на уровень поверхностных напряжений, не являются объектом исследования настоящей работы. Несмотря на это, указанные особенности технологии необходимо учитывать при оценке сходимости результатов напряжённого состояния колёс, получаемых численными методами.

При расчётном определении полей температур, напряжённо деформированного состояния деталей и узлов принято использование аналитических и численных методов. Первые базируются на весьма сложных и трудоёмких математических методах решения краевых задач и применяются, как правило, к телам простой конфигурации. Применительно к железнодорожным колёсам, геометрия которых описывается телом вращения с весьма сложным профилем радиального сечения, данные методы оказываются бессильными и не используются на практике.

Численные методы позволяют свести получение численного решения к последовательности арифметических операций над численными значениями входных данных, и поэтому хорошо приспособлены к расчётам на ЭВМ. Они не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузок.

Существует множество различных численных методов, пригодных для эффективного решения задач, тем не менее, наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ позволяет решать широкий спектр физических проблем, которые математически формулируются в виде системы дифференциальных уравнений или в вариационной постановке. Этот метод можно использовать для анализа напряжённо-деформированного состояния конструкций, для термического анализа, для решения гидрогазодинамических задач и задач электродинамики. Могут решаться и связанные задачи. Ориентация МКЭ на использование ЭВМ обусловлена необходимостью выполнения большого количества однотипных операций. В настоящее время создано достаточно много программных продуктов, реализующих МКЭ, которые относятся к классу систем инженерного анализа, или CAE-систем (Computer Aided Engineering).

К одному из самых мощных и универсальных МКЭ-пакетов, способных решать линейные и нелинейные, статические и динамические задачи анализа конструкций, а также задачи усталостной прочности, тепловопроводности и термоупругости, совместные задачи, относят ANSYS. Библиотеки элементов данного программного комплекса насчитывают более двух сотен разнообразных типов элементов, что позволяет моделировать практически любые конструкции и физические процессы [30, 31].

Возможности статического прочностного анализа программы ANSYS используются для определения перемещений, напряжений, деформаций и усилий, которые возникают в конструкции или её составных частях в результате приложения механических сил. Статический анализ пригоден для задач, в которых действие сил инерции или процессы рассеяния энергии не оказывают существенного влияния на поведение конструкции. Такой тип анализа можно использовать во многих приложениях, например, для определения концентрации напряжений в галтелях конструктивных элементов или для расчёта температурных напряжений. Разрешающее уравнение статического анализа записывается в следующем виде: [K]{u} = {F}, (2.1) где [К] - матрица жёсткостей; {и} - вектор перемещений; {F} - компоненты вектора сил, которые могут представлять собой сосредоточенные силы, тепловые нагрузки, давления и силы инерции. В рамках данного анализа возможно проведение расчётов по определению значений ускорений, которые обеспечивают статическое уравновешивание приложенных к системе нагрузок.

Статический анализ в программе ANSYS может включать такие нелинейности, как пластичность и ползучесть материала, большие прогибы, большие деформации и контактное взаимодействие. Нелинейный статический анализ обычно выполняется при постепенном возрастании нагрузок, чтобы можно было получить верное решение.

Прочностной динамический анализ используется для определения действия на конструкцию или её составные части нагрузок, зависящих от времени. В отличие от статических расчётов в этом типе анализа принимается во внимание рассеяние энергии и инерционные эффекты переменных во времени нагрузок.

В программе ANSYS все виды динамического анализа основываются на следующем общем уравнении движения в конечно-элементной форме: [M]{i/}+[C]{w} + [r]{w} = {F(r)}, (2.2) где [М] - матрица масс; [С] - матрица демпфирования; [к] - матрица жесткостей; {и} - вектор узловых ускорений; {и} - вектор узловых скоростей; {и} - вектор перемещений; {F} - вектор нагрузок, зависимый от времени t. С помощью этого уравнения определяются значения неизвестных {и}, которые в любой момент времени удовлетворяют условиям равновесия системы при наличии сил инерции и рассеяния энергии. Решение уравнения выполняется либо прямым методом Ньюмарка, либо на основе метода суперпозиции форм колебаний.

Расчётная оценка напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс при действии тепловых нагрузок

В зависимости от выбора метода решения термомеханической задачи в осесимметричной постановке программный комплекс ANSYS предусматривает использование следующих типов конечных элементов:

1) четырёхузловые элементы PLANE55 (тепловой) и PLANE182 (структурный) или восьмиузловые элементы PLANE77 (тепловой) и PLANE183 (структурный) – при несвязанном термопрочностном анализе;

2) восьмиузловой мультифизический элемент PLANE223 – при связанном термопрочностном анализе [29].

С целью оценки применимости описанных математических моделей материала и алгоритмов решения термомеханических задач, проведён анализ результатов остаточного напряжённого состояния колеса из стали марки 2 стандартной конструкции с плоскоконическим диском в зависимости от выбора типов элементов, способа решения термопрочностной задачи и моделей упрочнения материала.

При проведении исследований в качестве базовой упругопластической модели колёсной стали принималась модель, построенная на результатах испытаний образцов из стали марки 2, в предположении полигонального изотропного упрочнения (см. рисунок 2.18). Построение конечно-элементной сетки выполнено с учётом необходимости сгущения размеров элементов вблизи поверхности для более точного моделирования краевых эффектов в зонах приложения тепловых граничных условий (см. рисунок 2.5).

В результате серии численных экспериментов по расчёту напряжённо-деформированного состояния колеса в соответствии с определёнными ранее тепловыми граничными условиями и приведёнными замерами остаточных напряжений (см. таблицу 2.1), сделаны следующие выводы относительно выбора типа конечных элементов и алгоритмов вычислений: 1. Наиболее высокую математическую точность вычислений обеспечивает использование мультифизических элементов второго порядка PLANE223, т.е. решение термопрочностной задачи в связанной постановке. Вместе с тем, использование связанного решения требует существенных затрат машинного времени. 2. Отсутствие учёта эффекта ползучести материала (эффекта релаксации напряжений) при отпуске приводит к значительному завышению уровня остаточных напряжений (в 34 раза). По этой причине при выполнении последующих вычислений использовалась модель ползучести Нортона согласно [3]: 29840 ё = 1,5312-10-18-а5-е" т , (2.13) где є - скорость деформации (1/с); аэкв - эквивалентные напряжения (МПа); Т - температура (С). 3. С целью снижения машинного времени на проведение вычислений целесообразно использование несвязанного анализа посредством элементов второго (PLANE 183) или первого (PLANE 182) порядка. По причине нелинейного изменения температурного поля по времени целесообразно увеличение шагов считывания температурного поля при определении остаточного напряжённого состояния колеса для каждой операции термической обработки. В случае отсутствия разбиения операций на шаги происходит снижение математической точности вычислений. 4. Затраты машинного времени при использовании несвязанного анализа по сравнению со связанным меньше в 10 раз для элементов второго порядка (PLANE 183) и в 15 раз для элементов первого порядка (PLANE 182). Дальнейшие исследования основаны на результатах вычислений в несвязанной постановке с использованием элементов PLANE 182. Сравнивая результаты моделирования и ультразвуковых измерений (рисунок 2.20), видно, что расчётное распределение внутренних остаточных окружных напряжений в ободе имеет хорошую сходимость с экспериментальными данными. На рисунках 2.21-2.23 представлены распределения остаточных напряжений в различных направлениях на поверхности диска и по сечению колеса, которые на практике невозможно получить, используя современные средства и методы измерений.

Анализ полученных данных показывает, что в результате термической обработки в ободе колеса возникает сложная система напряжений. На значительной глубине от охлаждаемых водой поверхностей имеют место сжимающие окружные напряжения, которые препятствуют развитию радиальных трещин при образовании эксплуатационных дефектов на поверхности катания. Менее значимый уровень сжимающих напряжений достигается в осевом направлении, которые на глубине 25 мм меняют знак на растягивающие. Наличие растягивающих напряжений в осевом направлении связывают с образованием вертикальных отколов обода при значительном накоплении контактно-усталостных повреждений металла под поверхностью катания [40].

Оценка сопротивления усталости с учётом остаточных технологических напряжений

Исходная температура колеса с момента выдачи из нагревательной печи принималась равной 900 С. Операции транспортировки моделировались при задании граничных условиях естественной конвекции на воздухе для всех поверхностей.

Для корректного расчёта процесса термообработки в качестве поверхностей обода колеса, которые взаимодействуют с водой в процессе спейерного охлаждения, выбраны поверхность катания и части боковых поверхностей обода колеса на расстоянии до 40 мм от круга катания.

После определения изменения температуры в сечении колеса проводился расчёт напряжённо-деформированного состояния для каждой операции термической обработки. Моделирование перераспределения напряжений после механической обработки обода колеса до состояния предельного износа реализовано с использованием специальной функции программного обеспечения («смерть» элементов), позволяющей модифицировать матрицу жёсткости конечно-элементной системы.

Анализируя величину и характер остаточных напряжений в радиальном направлении, которые способствуют зарождению и росту усталостных трещин в дисках колёс, необходимо отметить высокий уровень растягивающих напряжений с внутренней стороны диска в месте его перехода в обод. Для случая нового обода колеса они составляют величину 243 МПа на диаметре 725 мм и снижаются до 80 МПа, смещаясь в подповерхностный слой на 6 мм, при обточке обода до предельно допустимой в эксплуатации толщины (22 мм).

Остаточные технологические напряжения значительно влияют на коэффициент асимметрии цикла переменных напряжений и, как следствие, на расчётную оценку сопротивления усталости конструкции цельнокатаного колеса. В свою очередь, оценка запасов прочности по критерию Сайнса не позволяет адекватно определять место и величину минимального запаса прочности, что подтверждается результатами расчётов отличных от исследуемой конструкций колёс, имеющих довольно частые случаи изломов дисков.

Использование отечественной расчётно-экспериментальной методики оценки запаса сопротивления усталости колёс по ОСТ 32.83 позволяет получить наиболее достоверное расположение критической зоны колеса. В данном случае амплитуда переменных напряжений ( тai) определялась как полуразность максимального и минимального напряжений в радиальном направлении при угловом повороте радиального сечения колеса относительно точки контакта с рельсом при нагружении колеса совместным действием монтажных, вертикальной и боковой нагрузок (а, ,, а, Л\ iHiМ. (4.14 ) С целью уточнения результатов оценки прочности предлагается методика учёта составляющей остаточных технологических напряжений (аост\ вычисленных по стандарту AAR S-669, путём сложения с величиной средних напряжений цикла (аmi) от переменного нагружения: а =iv)iМ+а . (4.15) Сопоставление результатов расчёта позволяет сделать вывод о том, что изменение асимметрии цикла напряжений при учёте технологических напряжений от термической обработки приводит к разнице оценок значений коэффициента запаса сопротивления усталости до 15 %.

Снижение запасов фиксируется в местах с растягивающими технологическими напряжениями с наружной стороны в зоне сопряжения диска со ступицей и с внутренней стороны - диска с ободом. В местах сжимающих технологических напряжений наблюдается увеличение показателей циклической прочности. Минимальный коэффициент запаса сопротивления усталости для случая колеса с изношенным ободом с учётом остаточных технологический напряжений уменьшился на 5 %.

В зарубежной нормативной документации особое внимание уделяется расчётной оценке прочности вагонных колёс, работающих в условиях длительного теплового нагружения при взаимодействии с колодочными тормозами по кругу катания. На рисунках 4.16 и 4.17 представлены графики распределения напряжений в радиальном направлении на внутренней и наружной поверхности диска колеса при действии тепловой нагрузки, вычисленные по стандарту AAR S-660 [3] с учётом линейно-упругих свойств материла (мощность торможения 26 кВт длительностью 20 минут) и согласно методике UIC [9], где учитывается упругопластическое поведение колёсной стали в зависимости от температуры (мощность торможения 50 кВт длительностью 45 минут), а также монтажные напряжения от запрессовки на ось.