УДК 629.4.027+620.178.16
,
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНОСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА ГРУЗОВОГО ВАГОНА
Представлены методика и результаты компьютерного моделирования динамических нагрузок и износа пятникового узла грузового вагона на основе сочетания программных комплексов UM и DSMFem.
Ключевые слова: моделирование износа, пятниковый узел вагона, динамические нагрузки, контактные давления.
Одной из основных причин выхода в ремонт железнодорожных экипажей является износ узлов трения. Замена или восстановление изношенных деталей связаны с большими материальными затратами, поэтому исследования, направленные на оценку и определение путей снижения износа, актуальны. Одним из ответственных и быстро изнашивающихся узлов трения является пятниковый узел грузового вагона. Через него передаются значительные вертикальные нагрузки, а при движении вагона подпятник поворачивается относительно пятника, как при входе в кривые, так и при движении в прямых участках пути, за счет виляния тележки; дополнительный эффект вносит также так называемая перевалка кузова при его колебаниях относительно продольной оси пути. Наибольшая доля повреждений надрессорных балок тележек связана с износом поверхности подпятника и скользунов. Значительный износ наблюдается уже через 1-2 года эксплуатации [1;2]. Для разработки более долговечных конструкций необходима методика прогнозирования износа такого узла на стадии проектирования с использованием компьютерного моделирования. Данная статья посвящена моделированию износа зеркала - горизонтальных поверхностей пятника и подпятника.
При моделировании износа необходимо знать распределение контактных давлений. Давления рассчитываются обычно на основе специальных алгоритмов, называемых быстрыми, которые могут быть встроены в программы моделирования движения, как, например, при решении задачи износа профилей колес [3]. Недостатком такого подхода является то, что быстрые алгоритмы, хорошо работающие для определения параметров эллиптического контакта, неприменимы при решении многих других контактных задач для тел произвольной формы. В нашем случае близкий к эллиптическому контакт может наблюдаться только при перевалке кузова, при кромочном опирании пятника на подпятник. Однако, как показывают наблюдения, пятник изнашивается по всей окружности практически равномерно, что свидетельствует о необходимости учета контактных давлений и при нормальном опирании. Поэтому здесь необходим другой подход.
Процесс изнашивания поверхностей пятника и подпятника зависит от многих факторов. Основными являются конструкция вагона, в том числе форма и износостойкость контактирующих поверхностей, масса перевозимого груза, скорость движения, состояние пути, количество и радиусы кривых. Совокупность этих факторов определяет зависящие от времени динамические нагрузки в зоне контакта и взаимные перемещения точек контактирующих поверхностей. На величину износа влияют не сами нагрузки, а контактные давления, которые определяются нагрузками, формой и положением тел.
Принципиальной сложностью решения задачи является необходимость сочетания моделирования движения вагона, которое связано с численным решением нелинейных дифференциальных уравнений для системы с большим числом степеней свободы, с точным (по возможности) решением контактной задачи. Быстрые алгоритмы решения контактной задачи для пятникового узла непригодны, а более точные методы трудоемки, и внедрить их в процесс моделирования движения невозможно. Поэтому для моделирования износа были предложены следующая методика и алгоритм (рис. 1), разработанный на основе сочетания отечественных программных комплексов (ПК) UM (www.umlab.ru) и DSMFem (www.dsmsoft.ru). При этом приняты следующие основные допущения:
· износ поверхности пятника до определенного уровня не влияет на динамические показатели вагона;
· при динамическом моделировании режимов движения учитываются статистические распределения только для массы вагона, скоростей движения и кривизны пути;
· движение вагона на достаточно коротком участке пути (порядка 40 км) включает в себя все режимы движения, которые встречаются в эксплуатации;
· в качестве модели износа используется модель абразивного износа: 
, где U – линейный износ; К- коэффициент пропорциональности износа; p – удельное давление; S - относительное смещение [3].
Рис. 1. Алгоритм расчета износа
Моделирование движения вагона и определение действующих динамических сил и относительных смещений выполняется в ПК UM, при этом учитывается жесткость кузова вагона (в том числе и крутильная) и движение вагона в составе. С учетом распределений масс, скоростей и профиля пути сформировано 105 расчетных режимов движения вагона на отрезках пути до 400 м каждый. В результате моделирования получены значения усилий взаимодействия и относительные смещения пятника и подпятника с шагом 0,005 с для каждого расчетного режима движения.
Контактные давления рассчитываются на основе метода конечных элементов в ПК DSMFem. Используется метод сил, который требует относительно небольших затрат времени на решение. Влияние сил трения на распределение контактных давлений не учитывается, поскольку, как показали более точные расчеты с учетом трения, это влияние несущественно. При разработке конечноэлементной модели особое внимание было уделено регулярности сетки на контактных поверхностях при обязательном совпадении узлов на активной и пассивной поверхностях контакта (рис.2). Удаляемый слой материала должен быть таким, чтобы изнашиваемые точки не выходили из контакта на следующем шаге (максимальный износ на шаге был принят равным 0,5 мкм).
Несмотря на существенное повышение скорости решения контактной задачи благодаря применению метода сил, ее решение на каждом шаге в ходе моделирования процесса движения вызывает значительное увеличение времени расчета. Поэтому предварительно для очередного цикла изнашивания рассчитываются контактные давления на поверхности (более 1000 точек возможного контакта) от различных сочетаний нагрузок: вертикальной (от 10 до 75 т) и моментов относительно продольной и поперечной осей (от 0 до предельного в условиях перевалки кузова) - всего более 100 сочетаний. В результате формируется таблица, содержащая для каждого контактного узла его координаты на поверхности подпятника и давления от каждой из нагрузок.
Далее путем динамического моделирования движения для каждого интервала времени (шага интегрирования уравнений движения) определяются средняя вертикальная сила, средний момент, относительные смещения за шаг (вдоль пути, поперек пути и поворот). По этим данным на основе предварительно сформированной таблицы давлений интерполируется значение давлений для каждой точки контакта в текущий момент времени, вычисляется полное относительное смещение точек контакта и приращение работы сил трения в точке, связанной с контактным узлом (рис. 1). В результате получаем приращение работ сил трения за модельный отрезок пути по каждой контактной точке.
Затем на основе приращений работ удаляем слой металла с поверхностей пятника и подпятника (изменяем координаты контактных узлов), в результате чего получаем новые формы контактирующих поверхностей (коэффициент пропорциональности износа К определяется на основе статистических данных о среднем линейном износе зеркала за год).
С помощью разработанной методики рассчитаны контактные давления, износ и интенсивность износа пятникового узла грузового вагона для различных сочетаний динамических нагрузок и длины пробега вагона. В качестве примера на рис. 3, 4 приведены результаты расчета контактных давлений и износа пятникового узла грузового вагона на тележках модели 18-100. Расчет износа узла заканчивается, когда форма изнашиваемых поверхностей стабилизируется, что определяется по скорости изнашивания. В рассматриваемом случае это было достигнуто при общем износе 2,5 мм, разница в скоростях изнашивания в отдельных точках в этот момент оказалась менее 10 %.
Адекватность модели подтверждается тем, что результаты моделирования износа хорошо согласуются с данными эксплуатации: форма пятника, полученная в процессе моделирования, близка к реальной. Максимальный износ наблюдается на внешней стороне зеркала пятника, причем величина этого износа не противоречит результатам обработки статистических данных по износу пятникового узла, полученных авторами в железнодорожном депо, согласно которым 100 тыс. км пробега соответствует 1 мм изношенного материала.
I, P,
|
В итоге можно сделать следующие выводы:
1. Разработана методика моделирования износа пятникового узла.
2. Разработана трибодинамическая модель износа зеркала пятника и подпятника на основе сочетания программных комплексов UM и DSMFem.
3. Определены перераспределение контактных давлений и износ в узле «пятник-подпятник» для различной длины пробега при варьировании загрузки и перевалки вагона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блохин, грузовых вагонов на прочность при ударах: учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп./ , , [и др.].- М.: Транспорт, 19с.
2. Азовский, . Основы конструирования и экспертизы технических решений/ , , ; под ред. . – М.: Маршрут, 2005. – 490с.
3. Захаров, эволюции профилей колес железнодорожного экипажа на основе применения трибодинамической модели/ , , // Тяжелое машиностроение. – 2007. - № 3. – С. 19-24.
Материал поступил в редколлегию 3.09.09.
