Моделирование контактного взаимодействия колеса с неравномерным прокатом периодической формы и рельса профиля Р65 для высокоскоростного движения

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. 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. 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. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. 559 с.

11. Коган А. Я. Расчеты железнодорожного пути на вертикальную динамическую нагрузку. Труды ВНИИЖТ. Вып. 502. М.: Транспорт, 1973. 80 с.

12. Профессор Всеволод Федорович Яковлев. Путь ученого. Избранные труды / науч. ред. В. А. Сидяков. М.: Трасса, 2005. 352 с.