Влияние температурных напряжений на накопление контактно-усталостных повреждений в колесе локомотива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для материала колеса и условий теплообмена приняты следующие значения теплофизических характеристик:

- температура окружающей среды 23,9єС;

- удельная теплоемкость ср = 427,0536 + 0,2177136Т Дж/(кг·K);

- теплопроводность

л = 48,634 - 0,01038438T Вт/(м•K);

- коэффициент конвективного теплообмена

h = 22, 713 Вт/(м2•K);

- коэффициент температурного расширения

б = 10,8 + 3,6(T-75) 1/K;

- плотность материала с = 7800 кг/м3;

- модуль упругости материала

Е = 2,0·1011 Па;

- коэффициент Пуассона материала м = 0,3.

Поля температур, полученных в колесе для некоторых моментов времени торможения, показаны на рис. 3. Температура ступицы близка к температуре окружающей среды. Наибольшая температура возникает в точках, расположенных на поверхности трения. У поверхности трения наблюдается высокий градиент температур.

Закон изменения самой высокой температуры, возникающей в точке, лежащей на середине поверхности трения, в зависимости от времени торможения показан на рис. 4а. На 20-й минуте она достигает 229,5°С.

В слое материала, прилегающем к поверхности трения, напряжённое состояние трёхосное. Главные напряжения являются сжимающими. Меридиональные напряжения в диске колёсного центра - растягивающие. При моделировании процесса накопления повреждений в расчётах используются все компоненты напряжения. Представление о напряжённом состоянии в компактной форме может быть дано с использованием эквивалентного напряжения. В расчётных комплексах общего назначения оно вычисляется на основе гипотезы Хубера-Мизеса. В отечественной литературе его именуют эквивалентным напряжением энергетической (IV) теории прочности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение по Мизесу равно

,

где - главные напряжения.

Области равных значений напряжений по Мизесу в точках, расположенных на поверхности колеса и в осевом сечении, представлены на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распределение напряжений характеризуется большей неравномерностью по сравнению с полем температур. Если температура по всему объёму колесного центра не превосходит 28°C, то напряжения в его диске на 10-й минуте меняются от 55,8 МПа у ступицы до 95,8 МПа у обода. На 20-й минуте они выравниваются, достигая 143МПа во всех точках диска. В ступице напряжения близки к нулю.

Изменение напряжений в точке, расположенной на середине поверхности трения, в зависимости от времени торможения представлено графиком на рис. 4б.

Они быстро возрастают в начале торможения, а затем увеличиваются практически по линейной зависимости. Напряжения характеризуются высоким градиентом в слое, прилегающем к поверхности трения. Так, на глубине 17 мм напряжения на 51,5 МПа меньше, чем на поверхности трения. В дальнейшем при моделировании накопления контактно-усталостных повреждений колеса будут использованы компоненты напряжений в узлах сетки конечных элементов, представляющей подповерхностный слой.

Исследование накопления контактно-усталостных повреждений в материале колеса с учётом температурных напряжений. Для исследования влияния температурных напряжений на накопление контактно-усталостных повреждений в материале колеса рассмотрены два режима движения локомотива: движение на выбеге по прямому участку пути со скоростью 54 км/ч; то же при колодочном торможении. При моделировании движения локомотива заданы условия: путь плохого содержания, сила нажатия от колодки 10820 Н, коэффициент трения в контакте колодки и колеса 0,17, масса локомотива 100 т, радиус круга катания колеса 625 мм.

Для определения накопленного повреждения в модуле Rolling Contact Fatigue используется кривая контактной усталости колесной стали в следующих координатах: наибольшее напряжение в области контакта, которое определено с использованием критерия Данг Вана; количество циклов до разрушения материала при заданном значении напряжения. Напряжение по критерию Данг Вана вычисляется по формуле

,

где - амплитуда зависимого от времени максимального касательного напряжения в точке материала, вычисляемая как полуразность между его максимальным и минимальным значениями в течение цикла; - зависимое от времени значение гидростатического давления в точке; - положительный безразмерный параметр материала, представляющий влияние гидростатического давления.

Кривая контактной усталости колесной стали аппроксимирована зависимостью [2]

.

Накопленное повреждение в точке колеса определяется с использованием кривой контактной усталости путем суммирования повреждений:

,

где - число циклов до разрушения материала при уровне эквивалентных напряжений цикла .

При моделировании процесса накопления контактно-усталостных повреждений используется конечноэлементная сетка из восьмиузловых конечных элементов с длиной рёбер 1 мм, представляющая слой материала толщиной 10 мм, прилегающий к поверхности катания колеса. Расчёт накопленного повреждения выполняется только для узлов плоской сетки радиального сечения колеса поскольку задача является осесимметричной. В случае первого режима движения локомотива для определения напряжений использованы средства модуля Rolling Contact Fatigue. Во втором случае к контактным напряжениям прибавлялись возникающие при торможении температурные. Так как они получены для узлов конечноэлементной сетки всего колеса, отличающейся от используемой для подконтактного слоя, потребовалось решить задачу определения напряжений в узлах последней.

Для определения температурных напряжений использована линейная аппроксимация по значениям напряжений в узлах сетки всего колеса, расположенных в радиальном сечении.

Процедура аппроксимации выполняется следующим образом. Находятся три узла i, j, m сетки колеса, расположенные ближе других к узлу сетки подконтактного слоя. Обход узлов от i до m осуществляется против хода часовой стрелки. Для каждого компонента напряжения в узле значение вычисляется с использованием линейной зависимости

,

где x, y - координаты узла;

; ;

; ;

; ; ;

; ; ;

; ; ;

- координаты узлов i, j, m; - значения компонентов напряжения в узлах i, j, m.

Изолинии эквивалентных напряжений по Данг Вану и накопленных повреждений за 20 минут движения локомотива на выбеге и с учётом температурных полей и напряжений, возникающих при колодочном торможении, представлены на рис. 6 и 7. Изолинии напряжений для этого момента времени для первого режима показаны на рис. 6а.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшие напряжения 104,6 МПа получены для точки, расположенной в подконтактном слое материала колеса. Наибольшее контактно-усталостное повреждение 2,61·10-5 накопилось в точке, лежащей на глубине 3 мм под поверхностью катания. При втором режиме движения напряжения по Данг Вану в опасной точке, положение которой меняется в процессе торможения, увеличиваются от 95,5 МПа в начале до 122,7 МПа в конце пробега. Точка с наибольшим накопленным повреждением смещается на поверхность катания. На 20-й минуте оно составляет 7,67·10-5.

Интенсивность накопления повреждений возрастает с увеличением температур и напряжений в области контакта. Если в начале процесса торможения её можно характеризовать значением 0,145·10-6 за минуту, то в конце она достигает 2,845·10-6.

Итак, при колодочном торможении в колёсах железнодорожного подвижного состава в результате выделения теплоты на поверхностях трения возникают температурные поля и напряжения, характеризуемые значениями температур более 220°C и эквивалентных напряжений 280 МПа. Такой уровень напряжений оказывает существенное влияние на процесс накопления контактно-усталостных повреждений в материале колеса. Для рассмотренного длительного режима торможения на расчётном пробеге температурные напряжения вызвали увеличение накопленного повреждения в 2,94 раза.

температурный повреждение колесо локомотив

Список литературы

1. Сакало, А.В. Моделирование накопления контактно-усталостных повреждений в колесе вагона с использованием конечноэлементных фрагментов на упругом основании / А.В. Сакало // Вестник ВНИИЖТ. - 2011. - №4. - С. 44-49.

2. Сакало, А.В. Контактно-усталостная прочность колёсной стали / А.В. Сакало // Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. 2011. - №2. - С. 35-41.

Размещено на Allbest.ru