Влияние подуклонки рельсов на контактные напряжения и давления в системе «колесо — рельс»

Введение. Актуальной задачей сегодня является оптимизация взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути. Ее решение позволит увеличить скорость движения поездов, повысить безопасность и срок службы колес и рельсов. На срок службы колес и рельсов значительное влияние оказывают контактные напряжения и давления. Их величина зависит от геометрии колеи, в том числе и от подуклонки рельсов, пятна контакта и упругих свойств контактирующих элементов.

Материалы и методы. Проанализировано влияние подуклонки рельсов на контактные напряжения и давления в системе «колесо — рельс» при различном усилии воздействия колес подвижного состава, а также проведена оценка влияния упругости подрельсового основания на деформации и напряжения в пятне контакта без учета изменения силовых параметров взаимодействия пути и подвижного состава при изменении общей жесткости пути. То есть в этой работе величины усилий, передаваемых от колес подвижного состава на рельсы, являются исходными данными для определения напряженно-деформированного состояния системы «колесо — рельс». Для проведения анализа была разработана конечно-элементная модель для расчета напряженно-деформированного состояния системы «колесо — рельс» при различной степени уплотнения подрельсового основания. Исходя из анализа полученных расчетных данных сделаны выводы о влиянии упругости подрельсового основания и подуклонки на контактные напряжения и давления в системе «колесо — рельс». Также проведена оценка влияния подуклонки рельсов на напряженно-деформированное состояние системы «колесо — рельс» при отклонениях от нормативного положения в пределах допускаемых норм.

Результаты. Результаты расчета демонстрируют, что изменение упругости подрельсового основания слабо влияет на контактные давления и напряжения (без учета влияния на непосредственные силовые характеристики взаимодействия подвижного состава и пути). При этом изменения подуклонки в пределах допускаемых значений от 1/12 до 1/60 приводят к превышению контактными напряжениями предела текучести рельсовой стали, что является одной из причин снижения долговечности материала и, как следствие, уменьшения срока службы рельсов с одновременным возрастанием риска хрупкого излома в зоне экстремальных механических напряжений.

Обсуждение и заключение. Полученные результаты расчета демонстрируют необходимость контроля такого параметра рельсовой колеи, как подуклонка, так как изменение напряженно-деформированного состояния рельсов вследствие изменения подуклонки влияет на срок их службы и безопасность движения в целом. Для контроля этого параметра предлагается использовать автоматизированные и ручные средства диагностики.

1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года [Электронный ресурс]: утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. No 877-р. URL: http://static.government.ru/media/files/DkdcT7dHs4fGLrhkK5lk0egvr4rA2QZi.pdf (дата обращения: 18.09.2022)

2. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Н. Теория упругости / пер. с англ. М. И. Рейтмана. М.: Наука, 1975. 576 с

3. Овчинников Д. В., Покацкий В. А., Галлямов Д. И. Определение модуля упругости подрельсового основания железнодорожного пути методом конечных элементов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2019. Т. 1. С. 585–591

4. Корнеев В. Г. Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. Л.: Изд-во Лен. ун-та, 1977. 206 с.

5. Мышкова И. А. Теоретические основы расчета стержневых конструкций методом конечных элементов: метод. указания. Иркутск: ИрИИТ, 2002. 44 с.

6. Розин Л. А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977. 128 с.

7. Сабоннадье Ж.-К. Метод конечных элементов и САПР / пер. с фр. В. А. Соколова, М. Б. Блеер. М.: Мир, 1989. 190 с.

8. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / пер. с англ. А. А. Шестакова. М.: Мир, 1979. 392 с.

9. Синицын А. П. Метод конечных элементов в динамике сооружений. М.: Стройиздат, 1978. 230 с.

10. Peng D., Jones R., Constable T. Tools and methods for addressing the durability of rolling stock. Engineering Failure Analysis. 2013;34:278-289. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2013.08.011.

11. Расчет назначенного срока службы цельнокатаных колес железнодорожного подвижного состава по критерию надежности / А. А. Воробьев [и др.] // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2021. Т. 18, No 1. С. 121–131 https://doi.org/10.20295/1815-588X-2021-1-121-131

12. Иванов П. Ю., Агафонов В. М., Дульский Е. Ю. Математическое моделирование процесса нагрева изоляции обмотки статора асинхронной вспомогательной машины электровоза // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. No 1 (49). С. 183–189

13. Кудряшов Е. В., Заренков С. В., Ходунова О. А. Метод расчета эластичности контактной подвески на основе простой конечноэлементной модели. Измерения эластичности // Известия Транссиба. 2011. No 4 (8). С. 16–26

14. Залесова О. В., Якубович М. В. Расчет наведенного напряжения на отключенной ЛЭП с помощью программы FEMM // Труды Кольского научного центра РАН. 2011. No 1 (4). С. 37–42

15. Методика определения ресурса железнодорожного пути в зависимости от условий его эксплуатации / В. П. Сычев [и др.] // Наука и техника транспорта. 2021. No 3. С. 44–50 https://doi.org/10.53883/20749325_2021_03_44.

16. Абдурашитов А. Ю., Покацкий В. А., Тарасов А. В. Влияние профилей контактирующих поверхностей системы колесо — рельс на интенсивность износа головки рельсов в кривых участках пути // Повышение эффективности и надежности работы рельсов: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / под ред. А. Ю. Абдурашитова. М.: Интекст, 2011. С. 61–64

17. Vo K. D., Tieu A. K., Zhu H. T., Kosasih P. B. A 3D dynamic model to investigate wheel – rail contact under high and low adhesion. International Journal of Mechanical Sciences. 2014;85:63-75. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2014.05.007

18. Daves W., Kubin W., Scheriau S., Pletz M. A finite element model to simulate the physical mechanisms of wear and crack initiation in wheel/rail contact. Wear. 2016;366-367:78-83. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.027

19. Magheri S., Malvezzi M., Meli E., Rindi A. An innovative wheel – rail contact model for multibody applications. Wear. 2011;271(1-2):462-471. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.10.038

20. Wen J., Marteau J., Bouvier S., Risbet M., Cristofari F.,Secordel P. Comparison of microstructure changes induced in two pearlitic rail steels subjected to a full-scale wheel/rail contact rig test. Wear. 2022;456-457:203-354. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203354.