vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2026-85-1-24-37vestnikvniizht-924Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTМоделирование контактного взаимодействия колеса с неравномерным прокатом периодической формы и рельса профиля Р65 для высокоскоростного движенияСontact interaction simulation of uneven wheel rolling of periodic shape and R65 profile rail for high-speed movementhttps://orcid.org/0009-0006-9906-4355МорковниковМ. А.MorkovnikovM. A.

Матвей Андреевич Морковников, аспирант кафедры «Путь и путевое хозяйство»

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Matvei A. Morkovnikov, Postgraduate, Track and Track facilities Department

127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.

matvej.morkovnikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1334-2117АшпизЕ. С.AshpizE. V.

Евгений Самуилович Ашпиз, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Путь и путевое хозяйство»

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Evgeny S. Ashpiz, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of Track and Track facilities Department

127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.

Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ))РоссияRussian University of TransportRussian Federation2026230320268512437Copyright © Морковников М.А., Ашпиз Е.С., 20262026Морковников М.А., Ашпиз Е.С.Morkovnikov M.A., Ashpiz E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/924Введение

Введение. При движении поезда со скоростью выше 250 км/ч значительное влияние на путь оказывают неровности на колесе — как изолированные, так и непрерывные. В настоящем исследовании рассматривается влияние особого вида неравномерного проката, представляющего собой волнообразный износ поверхности катания ко леса, описываемый гармоническими функциями. Целью работы является верификация конечно-элементной модели качения колеса по рельсу.

Материалы и методы

Материалы и методы. Методом конечных элементов определена величина эквивалентных напряжений и перемещений рельса профиля Р65 при различной глубине неравномерного проката волнообразной формы на скорости движения колеса 300 км/ч.

Результаты

Результаты. Построена конечно-элементная модель взаимодействия колеса и рельса профиля Р65, позволяющая учитывать неравномерный прокат поверхности катания колеса. Проведена верификация модели по аналитическим зависимостям и по аналогичному исследованию. Проведено исследование влияния неравномерного проката на контактную силу между колесом и рельсом, а также графиков изменения контактной силы между колесом и рельсом при различной глубине неравномерного проката периодической формы. Показано, что на скорости движения 300 км/ч силовое воздействие от колеса на рельс увеличивается на 11 % при изменении глубины дефекта от 0 до 0,2 мм, в то время как перемещения и напряжения меняются менее значительно (на 8,5 %).

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Для валидации представленной конечно-элементной модели потребуется ее интеграция с моделью верхнего строения железнодорожного пути, данные по обмерам поверхности катания колесных пар и результаты их воздействия на путь. Особая необходимость возникает в измерениях в направлении круга катания, т. к. подобные результаты от отечественных авторов в открытом доступе почти не представлены. Приведенная модель может быть использована для анализа влияния неравномерного проката при высокоскоростном движении на динамику поведения элементов верхнего строения пути.

Introduction

Introduction. At speeds above 250 km/h, significant impact on the way have not only isolated, but also continuous irregularities. The research examines the effect of a specific type of uneven rolling, known as wavy wear of wheel thread described by harmonic functions. The aim of the study is to verify finite element model of wheel rolling along the rail.

Materials and methods

Materials and methods. Finite-element method is the main tool to investigate the problem in question. The value of equivalent stresses and R65 profile rail displacements at different depth of uneven rolling of wave-type shape at 300 km/h wheel speed was determined.

Results

Results. The authors designed finite-element model of interaction between wheel and R65 profile rail, which allows to consider uneven rolling of rail surface, and verified it using analytical dependencies and a similar study. A study was conducted on the effect of uneven rolling on contact force between wheel and rail. Contact force curve between wheel and rail at various depths of uneven rolling of periodic shape is presented. It is shown that force effect from wheel to rail at 300 km/h speed increases by 11 % with a change of defect depth from 0 to 0.2 mm, while displacements and stresses change is less significant (by 8.5 %).

Discussion and conclusion. Further validation of the presented finite element model would require its integration with railway superstructure, as well as data on the measurements of the rolling surface and measurement results of their impact on the track. It is also necessary to provide measurements in the direction of rolling circle, since such results are not publicly available. The presented model may be employed for the analysis of uneven wheel rolling effect on dynamic behaviour of high-speed main lines.

колесо вагонарельс Р65качение колеса по рельсунеравномерный прокатотклонение от круглостидинамическое воздействиевысокоскоростное движениеwagon wheelR65 profile railuneven wheel rolling along the railout-of-roundnesscircularity deviationdynamic impacthigh-speed movementReferencesKaper H. P. Wheel corrugation on Netherlands railways (NS): origin and ef fects of “polygonization” in particular. Journal of Sound and Vibration. 1988;120(2):267–274. https://doi.org/10.1016/0022-460X(88)90434-8.Kaper H. P. Wheel corrugation on Netherlands railways (NS): origin and ef fects of “polygonization” in particular. Journal of Sound and Vibration. 1988;120(2):267–274. https://doi.org/10.1016/0022-460X(88)90434-8.Brommundt E. A simple mechanism for the polygonalization of railway wheels by wear. Mechanics Research Communications. 1997;24(4):435–442. https://doi.org/10.1016/S0093-6413(97)00047-5.Brommundt E. A simple mechanism for the polygonalization of railway wheels by wear. Mechanics Research Communications. 1997;24(4):435–442. https://doi.org/10.1016/S0093-6413(97)00047-5.Wu X., Chi M., Wu P. Inf luence of polygonal wear of railway wheels on the wheel set axle stress. Vehicle System Dynamics. 2015;53(11):1535–1554. https://doi.org/10.1080/00423114.2015.1063674.Wu X., Chi M., Wu P. Inf luence of polygonal wear of railway wheels on the wheel set axle stress. Vehicle System Dynamics. 2015;53(11):1535–1554. https://doi.org/10.1080/00423114.2015.1063674.Frohling R., Spangenberg U., Reitmann E. Root cause analysis of locomotive wheel tread polygonisation. Wear. 2019;432–433:102911. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.026.Frohling R., Spangenberg U., Reitmann E. Root cause analysis of locomotive wheel tread polygonisation. Wear. 2019;432–433:102911. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.026.He C., Yang Z., Zhang P., Li S., Naeimi M., Dollevoet R., Li Z. A f inite element thermomechanical analysis of the development of wheel polygonal wear. Tribology International. 2024;195:109577. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109577.He C., Yang Z., Zhang P., Li S., Naeimi M., Dollevoet R., Li Z. A f inite element thermomechanical analysis of the development of wheel polygonal wear. Tribology International. 2024;195:109577. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109577.Nielsen J. C. O., Johansson A. Out-of-round railway wheels — a literature survey. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2000;214(2):79–91. https://doi.org/10.1243/0954409001531351.Nielsen J. C. O., Johansson A. Out-of-round railway wheels — a literature survey. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2000;214(2):79–91. https://doi.org/10.1243/0954409001531351.Tao G., Wen Z., Jin X., Yang X. Polygonisation of railway wheels: a critical review. Railway Engineering Science. 2020;28:317–345. https://doi.org/10.1007/s40534-020-00222-x.Tao G., Wen Z., Jin X., Yang X. Polygonisation of railway wheels: a critical review. Railway Engineering Science. 2020;28:317–345. https://doi.org/10.1007/s40534-020-00222-x.Chen M., Sun Y., Guo Y., Zhai W. Study on ef fect of wheel polygonal wear on high-speed vehicle-track-subgrade vertical interactions. Wear. 2019;432–433:102914. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.029.Chen M., Sun Y., Guo Y., Zhai W. Study on ef fect of wheel polygonal wear on high-speed vehicle-track-subgrade vertical interactions. Wear. 2019;432–433:102914. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.029.Song Y., Du Y., Zhang X., Sun B. Evaluating the ef fect of wheel polygons on dynamic track performance in high-speed railway systems using co-simulation analysis. Applied Sciences. 2019;9(19):4165. https://doi.org/10.3390/app9194165.Song Y., Du Y., Zhang X., Sun B. Evaluating the ef fect of wheel polygons on dynamic track performance in high-speed railway systems using co-simulation analysis. Applied Sciences. 2019;9(19):4165. https://doi.org/10.3390/app9194165.Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. 559 с.Verigo M. F., Kogan A. Ya. Vehicle-track interaction. Moscow: Transport; 1986. 559 p. (In Russ.).Коган А. Я. Расчеты железнодорожного пути на вертикальную динамическую нагрузку. Труды ВНИИЖТ. Вып. 502. М.: Транспорт, 1973. 80 с.Kogan A. Ya. Railway track vertical dynamic loads calculations. Proceedings of VNIIZHT. Moscow: Transport; 1973. 80 p. (In Russ.).Профессор Всеволод Федорович Яковлев. Путь ученого. Избранные труды / науч. ред. В. А. Сидяков. М.: Трасса, 2005. 352 с.Professor Vsevolod F. Yakovlev. The life path of the scientist. Selected Works / ed. by V. A. Sidyakov. Moscow: Trassa; 2005. 352 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.