Снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсового стыка

• Автор: Иванов, Вячеслав Владимирович
• Шифр специальности: 05.22.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Введение.

1. Анализ ударного взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка

1.1. Эксплуатационные характеристики колес грузовых вагонов и рельсовых стыков

1.1.1. Колеса грузовых вагонов конструкция, материал, прочностные свойства, условия работы
1.2. Расчет напряженнодеформированного состояния колеса грузового вагона и экспериментальная оценка его прочности.

1.3. Рельсы и рельсовые стыки при стыковом и бесстыковом пути.

1.3.1. Конструкция рельсовых стыков на отечественных и зарубежных железных дорогах

1.3.2. Дефекты рельсовых стыков

1.4. Причины возникновения ударного взаимодействия колеса грузового вагона и стыкового соединения рельсов.

1.5. Силы, действующие в стыковом соединении рельсов

1.6. Оценка сил инерции необрессоренных масс подвижного состава при прохождении изолированных неровностей.
1.7. Выводы.
2. Математическое моделирование ударного взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка с дефектами.
2.1. Численное моделирование процесса квазистатического нагружения рельсового стыка с типовыми накладками
2.2. Математическое моделирование прохождения колесом грузового вагона рельсового стыка с дефектами.
2.3. Математическое моделирование колебаний необрессоренных узлов грузового вагона при прохождении зоны стыка.
2.4. Колебания необрессоренных узлов грузового вагона при прохождении
зоны стыка, заданной геометрической неровностью
2.5. Колебания обрессоренных узлов грузового вагона при прохождении зоны стыка, заданной геометрической неровностью
2.6. Выводы
3. Моделирование напряженнодеформированного состояния колеса грузового вагона припрохождении рельсового стыка с дефектами
3.1. Обоснование выбора МКЭ для моделирования НДС колеса грузового вагона.
3.2. Моделирование НДС колеса повышенной твердости под воздействием ударной силы.
3.3. Оценка ресурса колеса грузового вагона.
3.4. Выводы.
4. Конструктивные решения для снижения ударного воздействия на колесо грузового вагона.Ь
4.1. Принципиальные схемы модернизации рельсовых стыков
4.1.1. Модернизация рельсовых стыков введением дополнительного опорного элемента.
4.1.2. Модернизация рельсовых стыков профильным стыкованием рельсов1
4.2. Математическое моделирование прохождения колесом грузового вагона модернизированных рельсовых стыков.
4.3. Моделирование напряженнодеформированного состояния деталей модернизированных рельсовых стыков
4.3.1. Обоснование выбора материала для деталей модернизированных рельсовых стыков
4.3.2. Обоснование внешних нагрузок, кинематических ограничений перемещений, результаты моделирования.
4.4. Методика расчета модернизированного рельсового стыка внахлестку
4.5. Выводы.
5. Техникоэкономическое обоснование внедрения предлагаемых
технических решений
Библиографический список.
Приложение 1 справочное. Механические свойства и химический состав
рельсовых и колесных сталей
Приложение 2 справочное. Механические свойства сталей элементов
рельсового стыка.
Приложение 3 обязательное. Аппроксимирующие полиномы профилей
катания вагонного колеса нового и с прокатом в 5 мм.
Приложение 4 обязательное. Геометрические параметры пятен контакта
колеса и рельса в зависимости от значений ударной силы.
Приложение 5 обязательное
Цветокодированное распределение механических напряжений в объемных геометрических моделях колес грузовых вагонов
Введение
Колесо грузового вагона является одним из наиболее ответственных узлов подвижного состава, от состояния которого напрямую зависит безопасность движения. Согласно Стратегическим направлениям научнотехнического развития ОАО Российские железные дороги на период до г., утвержденным президентом ОАО РЖД г., предполагается увеличение нагрузки на ось до тс и повышение скорости движения поездов до 0 кмч 1. В процессе эксплуатации колесо грузового вагона подвергается воздействию множества неблагоприятных факторов, таких как интенсивное фрикционное и ударное воздействие. Многочисленные обточкам с целью восстановления рабочего профиля уменьшают толщину обода колеса это существенно влияют на его работоспособность. В г. руководством компании ОАО РЖД было принято решение о переводе всех грузовых вагонов на колеса повышенной твердости.
Из анализа передового опыта тяжеловесного движения 2 можно выявить основные причины образования трещин в элементах колеса.
1. Нарушение технологии изготовления и ремонта колеса, при котором образуются внутренние дефекты в виде нарушения сплошности материала.
2. Ударные явления, возникающие в процессе эксплуатации колеса, которые вызывают образование усталостных трещин, сколов, изломов в элементах колеса.
Усталостные трещины, образовавшиеся в результате влияния указанных причин, могут привести к лавинообразному возникновению повреждений и полному отказу колеса грузового вагона, при этом неизбежно произойдет сход последнего с рельсов. Кроме того, появление и развитие усталостных трещин в колесах может быть обосновано возникновением определенных эксплуатационных дефектов колес. Дефекты термомехани
ческого и усталостного происхождения более свойственны колесам повышенной твердости. Как правило, именно они являются источником возникновения и развития усталостных трещин. Развитие трещин в колесе интенсифицируется с ростом нагрузок особенно ударного характера.
По данным Дирекции по ремонту грузовых вагонов ЗападноСибирской железной дороги из всех элементов колеса грузового вагона повышенной твердости, в которых выявляются трещины, основными являются обод и приободная зона рис. 1, что подтверждает актуальность разработки технических решений направленных на снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона.
Рис. 1. Распределение трещин, обнаруженных в элементах колес
грузовых вагонов в г.
Так как условия взаимодействия колеса и рельса изменились изза указанных выше обстоятельств, необходимо провести научные исследования с целью качественной и количественной оценки параметров взаимодействия элементов системы колесо рельс.
Актуальность


Следует отметить, что количество выщербин, обнаруженных в эксплуатации па колесах повышенной твердости, вдвое больше чем на колесах из стали, марки 2 и 3 см рис. Это объясняется тем, что сталь с большим содержанием углерода при термомеханическом воздействии более склонна к обезуглероживанию поверхности и, как следствие, образованию выщербин в металле 4. Взаимодействие с тормозной, колодкой. Рабочая температура на пятнах контакта колеса и тормозной колодки при длительном интенсивном торможении может достигать 0 С, что приводит к полному прогреванию обода по сечению 5, 6, 7. При этом заторможенная колесная пара в течение 5 с в месте контакта колеса и рельса нагревается до 0 0 С, а в некоторых случаях до 0 С 5, 8, 9 Диаграмма зависимости механической прочности от температуры представлена на рис. При резком снижении твердости и прочности стали происходит интенсификация износа поверхности катания. После образования термомеханических дефектов увеличивается время на токарную обработку колес повышенной твердости изза увеличения микротвердости до НКУ места возникновения ползуна толщина упрочненного слоя составляет около 0,5 мм . Рис. Колесо грузового вагона работает в тяжелых условиях нагружения на него одновременно действуют вертикальные и боковые статические и динамические силы, ударные нагрузки при прохождении рельсовых стыков и стрелочных переводов. Кроме этого, колесо грузового вагона подвержено интенсивному износу при прохождении кривых участков пути и при эксплуатации в тяжеловесном движении, а также термомеханическим повреждениям от взаимодействия с тормозной колодкой. Нормативный срок службы колеса составляет лет. Однако, в настоящее время, в связи с частыми переточками по причине образования ползунов и выщербин колесо работает лет . Влияние эксплуатационных факторов. ЗападноСибирская железная дорога располагается на территории с резко континентальным климатом, имеющим ряд характерных особенностей. Зимний период продолжается в течение месяцев. При этом температура окружающего воздуха в северных района ЗСЖД достигает С ниже нуля. Жесткость пути в зимнее время увеличивается в 3 4 раза в момент максимального промерзания балластной призмы. К концу зимнего периода состояние пути ухудшается с точки зрения увеличения количества геометрических и динамических неровностей. С этими особенностями связано появление максимума дефектов необрессоренных узлов в марте апреле, так как на зиму приходится более, интенсивное накопление усталостных повреждений узлов ходовых частей. Результаты исследований, выполненных сотрудниками ОмИИТа, ЦНИИ МПС, ДИИТа и других научных коллективов показывают, что ускорен ия обрессоренных и необрессоренных узлов подвижного состава увеличиваются в 3 4 раза при проезде через стыковые неровности. Уровень ускорений, а, следовательно, динамических сил для зимних условий значительно выше, чем летом , . Конструкция. Наиболее совершенными и надежными в эксплуатации признаны стальные цельнокатаные колеса . Колесо состоит из трех конструктивных элементов обода с гребнем, конического диска и ступицы. При этом основным функциональным назначением ступицы является обеспечение неподвижного соединения колеса на оси и передача нагрузки от вагона на диск и обод конический профиль диска способствует демпфированию ударов со стороны пути обод является поверхностью катания и поверхностью торможения т. Особенности эксплуатации колеса заключаются в следующем начальная толщина обода нового колеса составляет мм, в процессе эксплуатации обод колеса подвергается естественному износу, а также обтачивается с целью восстановления профиля. При каждой обточке колеса с поверхности катания удаляется от 3 до 5 мм, а при наличии глубоких выщербин и ползунов величина удаляемого слоя металла достигает до 7 мм. Количество переточек колес за срок службы составляет от 7 до . Таким образом, толщина обода колеса уменьшается более чем в 3,5 раза, что приводит к следующим последствиям . Соотношение массы нового и изношенного колес и распределение массы металла по элементам колеса представлено в табл. Табл. Табл.