UM Wheel/Rail Wear

 Введение

Модуль UM Wheel/Rail Wear предназначен для расчета эволюции профилей колес и рельсов вследствие износа [1, 2, 3].

При расчете износа профилей колес предусмотрена возможность задания участков пути различного типа со своим весом. В каждом из них может определяться своя группа параметров и скоростей движения. По заданному набору параметров проводится моделирование динамики экипажа и изнашивания профилей колёс. При расчете эволюции профиля рельса указываются железнодорожные экипажи, движение которых будет моделироваться на исследуемом участке пути.

При расчёте изнашивания можно задать максимальное значение величины съёма материала за одну итерацию, обычно 0,1 мм. Для получения заданной величины будет перерассчитываться пробег экипажа. Однако можно задать и пробег, для которого будет рассчитан съём материала профиля.  Выбор способа зависит от типа решаемой задачи. В длительных расчетах для получения больших величин изнашивания из-за наличия сильного эффекта приработки используется преимущественно первый способ.

 Дополнительные материалы. Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»  um_wear_rus.zip, (11,7 Мб, презентация PowerPoint в zip-архиве, рус. яз.). 

 Методики моделирования

В модуле реализованы две методики моделирования износа профилей колес и рельсов [4].

Последовательный алгоритм. При расчете износа выполняется серия многовариантных расчетов одинаковой структуры – итераций износа, отличающихся друг от друга изменяемыми внешними условиями. В случае прогнозирования износа профиля колеса изменяемыми внешними условиями являются формы профилей колес, изменяющиеся в конце каждого многовариантного расчета (итерации) в соответствии с трибологической моделью износа, а в случае расчета износа рельса изменяемые внешние условия – профили рельсов. В течение одной итерации профили не меняются – изменение происходит после окончания итерации. Иначе говоря, если проект эволюции профиля колеса состоит из 10 итераций, это значит, что будет произведено 10 изменений профилей колес исследуемого экипажа.

Параллельный алгоритм. В данном алгоритме производится однократное выполнение всего многовариантного расчета, то есть всех вариантов из набора конфигураций путей и скоростей. Изменение профилей за счет износа производится не в конце всего расчета, а через малые участки пути заданное количество раз (итераций). Данная методика применяется только для расчета износа профиля колеса.

 Модели износа 

Для определения износа профилей колеса и рельса можно воспользоваться одной из реализованных в программном комплексе моделей изнашивания:

• модель Арчарда [5],
• модель Шпехта,
• нелинейной  моделью (ВНИИЖТ),
• модель с аппроксимацией пластического изнашивания (ВНИИЖТ).

 Модели контакта колеса и рельса

 Результаты работы модуля

Результатами работы модуля являются набор профилей и эпюр износа для каждой итерации, а также график интенсивности износа. Кроме того для каждой итерации износа могут быть сохранены любые динамические и кинематические характеристики экипажей так же и в многовариантном расчете.

 Примеры

Совместный износ колеса и рельса

Здесь представлен пример моделирования совместного изнашивания колеса грузового вагона и рельса в кривой радиусом 300 м. Скорости движения вагона: 30; 46,6 (равновесная скорость); 70 км/ч. Весовой коэффициент для каждой скорости – 0,33. Всего было проведено 80 итераций съема, на каждой итерации максимальный съем составлял 0,1 мм.

На первом рисунке показаны исходные профили колеса – новый вагонный профиль и профиль рельса – Р65. Видно, что для исходных профилей пятна контакта очень близки к эллиптичным. Так как изначально для пары исследуемых профилей контакт двухточечный, то наибольший износ наблюдается на гребне колеса и боковой поверхности рельса, где скорости скольжения наибольшие. Далее показаны профили колес и рельсов и типичные пятна контакта колеса и рельса для 20, 40 и 80 итерациях.  В дальнейшем пятна контакта все более отличаются от эллиптических и контакт становится более согласованным. На 80-ой итерации профили уже практически полностью совпали.

Исходные профили и пятна контакта	Профили и пятна контакта после 20 итераций
Профили и пятна контакта после 40 итераций	Профили и пятна контакта после 80 итераций

Пример расчета износа профиля рельса в кривой R = 300 м при движении по нему грузового вагона. Всего выполнено 203 итерации износа. Представлены профили рельса для каждой десятой итерации и для последней.

 Список литературы

1. Захаров С.М., Горячева И.Г., Погорелов Д.Ю., Языков В.Н., Жаров И.А., Торская Е.В., Сошенков С.Н., Прозоров Я.С. Оценка эволюции профилей колес железнодорожного экипажа на основе применения трибодинамической модели // Тяжелое машиностроение. – 2007, № 3, с. 19-24.

2. Горячева И.Г., Захаров С.М., Сошенков С.Н., Торская Е.В., Мезрин А.М., Языков В.Н. Трибодинамическое моделирование эволюции профилей колес и рельсов и контактно-усталостной поврежденности при некоторых параметрах пути и экипажа  // Вестник ВНИИЖТ. – 2010, № 2, с. 19-26.

3. Sergey Zakharov, Irina Goryacheva, Victor Bogdanov, Dmitry Pogorelov, Ilya Zharov, Vladislav Yazykov, Elena Torskaya, Sergey Soshenkov. Problems with wheel and rail profiles selection and optimization. Wear, Vol. 265 (2008), Issues 9-10. – pp. 1266-1272.

4. J. Piotrowski, W. Kik: A simplified model of wheel/rail contact mechanics for non-Hertzian problems and its application in rail vehicle dynamic simulations, Vehicle System Dynamics, 46 (1), pp 27–48, (2008).

5. J.F. Archard: Contact and Rubbing of Flat Surface, J. Appl. Phis., 24, pp. 981–988, (1953).

6. J.J. Kalker: Three-Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, (1990).

7. R. Kovalev, V.N. Yazykov, G.S. Mikhalchenko, D.Yu. Pogorelov: Railway Vehicle Dynamics: Some Aspects of Wheel-Rail Contact Modeling and Optimization of Running Gears, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 31(3), pp. 315–335, (2003).

 Руководство пользователя / презентация

Руководство пользователя и презентация для этого модуля доступны на странице загрузки.