Решение контактной задачи для элементов рельсового стыка

РЕШЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЬСОВОГО СТЫКА
ПРИ НАЕЗДЕ КОЛЕСА НА СТЫК
Е. С. Евтух, Г. А. Неклюдова
Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия
Методом компьютерного моделирования исследованы динамические усилия,
возникающие между колесом и рельсом при прохождении стыка. Рельс представлен
твердотельной моделью с упругими связями между ее элементами. Исследованы
динамические усилия, обусловленные ударным явлением при прохождении стыка и
колебательным процессом при движении колесной пары вне стыка. На основе
полученных данных рассчитаны контактные напряжения в элементах рельсового стыка с
использованием трехмерных конечно-элементных моделей. Также определены
интенсивности напряжений и деформаций с учетом пластического деформирования и
теории течения.
Основным несущим элементом верхнего строения железнодорожного пути является
рельс. От его параметров зависят ходовые характеристики экипажей и безопасность
движения, а износ рельса приводит к большим экономическим затратам. В процессе
эксплуатации железнодорожного пути наблюдается просадка балластного слоя. Чаще
всего она происходит в области рельсового стыка, что обусловлено повышенными
динамическими нагрузками, возникающими при перекатывании колеса через стык. Этот
фактор вносит в динамическую модель нелинейность, обусловленную выбором зазора
между опорными поверхностями шпал и балластом. Длина участка, на котором
наблюдается просадка, меняется в довольно широких пределах. С одной стороны от стыка
он может охватывать от трех до восьми шпал. В известных программных комплексах для
исследования динамики железнодорожных экипажей отсутствуют программы,
позволяющие моделировать прохождение колесом стыка с учетом просадки балластного
слоя.
Разработан блок моделирования динамики вагона при движении в области
рельсового стыка с учетом просадки пути в составе программного комплекса
«Универсальный механизм». Динамическая модель пути представлена плоской схемой.
Рельс смоделирован твердыми телами в виде стержней длиной 0,54 м, равной расстоянию
между шпалами. Для стержней, прилегающих к стыку, учтено, что это расстояние
составляет 0,42 м. Стержни связаны между собой шарнирами. Жесткость упругой связи в
шарнире подобрана таким образом, чтобы деформации натурного рельса и
представленного расчетной схемой при чистом изгибе были эквивалентны.
При создании динамической модели участка рельса с просадкой балластного слоя
необходимо учесть большое количество факторов. А именно: свойства балласта, который
представляет собой среду со сложно определяемыми и меняющимися в широких пределах
значениями модуля упругости, внутреннего трения; характеристики рельсошпальной
решетки, как сложной структуры, содержащей элементы из стали, железобетона, резины.
Наконец, характеристики жесткости самих рельса и колеса.
Рельсовый стык смоделирован неровностью, отвечающей следующим условиям:
колесо при прохождении стыка непрерывно контактирует с рельсом, контакт колеса и
рельса в продольном направлении является одноточечным, при прохождении стыка
наблюдаются такие же динамические нагрузки, как и полученные при проведении
полевых испытаний. Твердотельные элементы, из которых смоделирован рельс,
соединены между собой шарнирами с упругими связями по углу поворота. Шарнир
введён в сечение, расположенное на середине участка между двух шпал. Балластный слой
представлен упруго-диссипативной связью с жесткостью сб = 5∙107 Н/м и коэффициентом
гашения β = 6∙104 Н∙с/м. Он опирается на абсолютно жесткое основание.
Исследована динамика движения полувагона на участке с просадкой балласта с
варьированием глубины просадки и длины участка, а также скорости движения
полувагона. Анализ процесса движения проводился с использованием осциллограмм
динамических усилий, возникающих между каждой из четырех колесных пар и рельсами.
В каждом случае определялись два значения динамической силы, возникающей между
колесной парой и рельсами: силы, обусловленной ударным явлением при прохождении
через стык, и максимальной динамической силы, обусловленной колебательным
процессом при движении колесной пары вне стыка.
Анализ осциллограмм показывает, что на ударную силу, возникающую при
прохождении стыка одной из колесных пар, другие колесные пары практически не
реагируют. Скачки усилий наблюдаются в момент наезда колеса на стык. Значение силы
удара меняется в широких пределах в зависимости от условий в области стыка, таких как
длина участка просадки балласта, значение просадки, скорости движения полувагона.
Сила удара может достигать больших значений порядка 680 кН.
Динамическая сила, обусловленная колебательным процессом, может быть как
меньше силы удара, так и значительно превосходить ее. Максимальные динамические
усилия 683 кН, обусловленные колебательными процессами, чаще всего достигаются на
низких скоростях на четвертой колесной паре. Однако максимальные значения усилий,
обусловленных ударом при прохождении стыка и колебательным процессом, близки
между собой.
На основании выполненного моделирования усилие взаимодействия колеса и рельса
при прохождении участка рельсового стыка при наличии просадки балласта на нем
следует принимать равным 340 кН.
Напряженно-деформированное состояние в области контакта колеса и рельса при
переезде через стык рассчитывалось методом конечных элементов по специальной
программе. Как численные расчеты, так и экспериментальные исследования показывают,
что при усилиях более 125 кН в материале рельса обнаруживаются пластические
деформации, а в материале колеса они охватывают уже значительную область
подконтактного слоя. В связи с этим контактная задача для колеса и рельса решена в
упруго-пластической постановке с использованием комплекса программ ITFEMCP.
Использованы конечно-элементные схемы, образованные восьмиузловыми конечными
элементами. В расчетной схеме использованы фрагменты колеса и рельса,
обеспечивающие достаточное затухание напряжений и деформаций к плоскостям их
выделения.
Решения выполнялись в упругой постановке, а также в упругопластической с
использованием теории пластического течения. Установлено изменение формы эпюры
контактных давлений вследствие упругопластического деформирования материалов
колеса и рельса. При пластическом деформировании ее вершина остается плоской,
максимальные давления снижаются на 15–28%.
Решены контактные задачи для двух вариантов расположения колеса: над кромкой
стыка и на достаточном удалении от него. При расположении колеса над кромкой стыка в
рельсе возникают значительно большие деформации, чем в случае контакта, удаленного
от стыка. В результате расчёта получены распределения контактных давлений, формы и
размеры областей, охваченных пластическими деформациями, значения пластических
деформаций в точках, расположенных на нормалях, проходящих через центры контактов.