Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, планируемые целевые параметры грузовых вагонов предполагают осевые нагрузки 27 – 30 тс и скорость до 140 км/ч, а также увеличение наработки грузовых вагонов на отказ на 30 – 40 %. В настоящее время снижение количества отказов грузовых вагонов, в частности, ходовых частей, достигается путем увеличения протяженности бесстыкового пути и перевода подвижного состава на колеса повышенной твердости.
В России доля стыкового пути составляет около 57 % от всей протяженности железных дорог России. Однако бесстыковой путь требует разрядки температурных напряжений, поэтому между бесстыковыми плетями укладывают три – четыре уравнительных пролета из рельсов длиной 25 м. В связи с этим при укладке бесстыкового пути по-прежнему широко применяются стыковые соединения рельсов, поэтому требования к их эксплуатационным характеристикам возрастают.
Большая необрессоренная масса и несовершенство рессорного подвешивания и поверхности катания колесной пары тележки модели 18-100 приводят к возникновению и развитию дефектов рельсов и особенно рельсового стыка.
При движении по стыковому пути в результате ударного взаимодействия колеса и рельсового стыка происходит разрушение поверхностей катания головок рельсов вблизи стыка, образование смятий и выкрашиваний, переходящих на торцовые поверхности стыкуемых рельсов, что приводит к увеличению стыкового зазора и возрастанию ударного воздействия на колесо грузового вагона.
Сталь с повышенным содержанием углерода, применяемая для изготовления колес повышенной твердости, имеет твердость 320 – 360 НВ и ударную вязкость KCU 16 Дж/см2. Это приводит к снижению прочности колеса под воздействием ударной нагрузки, особенно при прохождении рельсовых стыков с дефектами, где сила удара достигает 40 тс. При этом в области контакта колеса и рельсового стыка возникают значительные механические напряжения, величина которых превышает предел текучести колесной стали.
В связи с этим необходимость снижения ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсового стыка является актуальной.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужил план НИР ОмГУПСа – госбюджетная тема ГБ 154, номер государственной регистрации 01.95.0 000749 «Повышение несущей способности и ресурса механических устройств железнодорожного транспорта». Работа соответствует приоритетным направлениям исследований раздела «Повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств» Стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.
Цель работы – снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсового стыка путем разработки и предложения научно обоснованных технических решений.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
-
провести анализ отечественного и зарубежного опыта исследования ударного взаимодействия колес грузовых вагонов и рельсовых стыков;
-
разработать математическую модель ударного воздействия на колесо грузового вагона со стороны рельсового стыка, учитывающую изменение геометрических параметров стыковых поверхностей рельсов в эксплуатации и колебаний необрессоренных частей грузового вагона, вызванных импульсным воздействием со стороны рельсового стыка;
-
выполнить моделирование напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона, обусловленного воздействием ударной силы со стороны рельсового стыка и оценить влияние выщербины на поверхности катания колеса;
-
разработать методику расчета ресурса колеса грузового вагона, учитывающую спектр амплитуд эксплуатационной нагрузки;
-
разработать конструктивные решения стыкового соединения, снижающие ударное воздействие на колесо грузового вагона;
-
уточнить методику расчета силы ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении модернизированных рельсовых стыков;
-
провести сравнительную оценку работоспособности модернизированных рельсовых стыков и выполнить оценку их технико-экономической эффективности.
Объектом исследования является колесо грузового вагона при его взаимодействии с поверхностями стыкового соединения рельсов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы представляет собой исследование наиболее неблагоприятных динамических воздействий на колесо грузового вагона, основанное на принципах аналитической механики. Расчет ударной силы, возникающей в процессе взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка, выполнен на основании уточненной математической модели, учитывающей возникающие в эксплуатации дефекты поверхности катания в стыках. Оценка прочности колеса грузового вагона и элементов модернизированных рельсовых стыков выполнена путем моделирования напряженно-деформированного состояния с применением метода конечных элементов и основных положений теории упругости.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
1) сформирована математическая модель ударного воздействия на колесо грузового вагона со стороны рельсового стыка с учетом изменения геометрических параметров стыковых поверхностей рельсов в эксплуатации, а также колебаний необрессоренных частей грузового вагона, вызванных импульсным воздействием со стороны рельсового стыка;
-
предложена методика моделирования с использованием метода конечных элементов напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона под воздействием ударной силы со стороны рельсового стыка;
3) предложена методика расчета ресурса колеса грузового вагона, основанная на корректированной гипотезе суммирования повреждений;
4) уточнена математическая модель ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсовых стыков с конструктивными изменениями, защищенными патентами на полезные модели и изобретение;
5) создана методика расчета силы сопротивления упругому прогибу в рельсовом стыке при соединении рельсов внахлестку.
Достоверность научных положений и результатов диссертации обоснована применением корректных математических и конечно-элементных моделей. Данные, полученные при математическом моделировании, имеют качественную и количественную сходимость с экспериментальными данными, полученными другими авторами (Н. Н. Кудрявцев, П. С. Анисимов). На технические решения получены патенты на полезные модели и изобретение.
Значение результатов работы для теории и практики. Математическая модель ударного взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка позволяет учитывать контактную жесткость колеса и рельса, геометрические параметры дефектов рельсового стыка, толщину обода колеса. Моделирование напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона под воздействием ударной силы с применением метода конечных элементов позволяет учесть реальную геометрию профиля катания, толщину и прочность обода колеса грузового вагона, а также оценить возникающие механические напряжения в любой точке обода и диска. Предложенные варианты модернизации стыкового соединения рельсов обеспечивают снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона на 20 – 50 % в условиях роста скоростей движения и увеличения нагрузок на ось.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований обсуждались на III международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2006), всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006), V международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2008), научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008), 63-й научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2009), международной научно-практической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них три статьи – в изданиях Перечня, определенного ВАК Минобрнауки России, и четыре патента на полезные модели и изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 131 наименования, пяти приложений и содержит 170 с. основного текста, 61 рисунок и 27 таблиц.
