Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации
Цель работы заключалась в разработке способа прогнозирования износа и изменения профилей колес железнодорожных экипажей в процессе эксплуатации. Применены методы математического и компьютерного моделирования, численного интегрирования, теории колебаний, статистической динамики. В статье предложен сп...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2015
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100792 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации / В.Ф. Ушкалов, Т.Ф. Мокрий, И.Ю. Малышева, Н.В. Безрукавый // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 148-154. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859900545380122624 |
|---|---|
| author | Ушкалов, В.Ф. Мокрий, Т.Ф. Малышева, И.Ю. Безрукавый, Н.В. |
| author_facet | Ушкалов, В.Ф. Мокрий, Т.Ф. Малышева, И.Ю. Безрукавый, Н.В. |
| citation_txt | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации / В.Ф. Ушкалов, Т.Ф. Мокрий, И.Ю. Малышева, Н.В. Безрукавый // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 148-154. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Цель работы заключалась в разработке способа прогнозирования износа и изменения профилей колес железнодорожных экипажей в процессе эксплуатации. Применены методы математического и компьютерного моделирования, численного интегрирования, теории колебаний, статистической динамики. В статье предложен способ прогнозирования износа колес и изменения их профилей с использованием ранее разработанной авторами пространственной математической модели взаимодействия железнодорожного экипажа и пути, позволяющей определять положение и размеры неэллиптических контактных пятен, в том числе при конформном контакте, и распределение по ним нормальных и касательных сил взаимодействия.
Мета роботи полягала в розробці способу прогнозування зносу і зміни профілів коліс залізничних екіпажів у процесі експлуатації. Застосовані методи математичного й комп'ютерного моделювання, числового інтегрування, теорії коливань, статистичної динаміки. У статті запропоновано спосіб прогнозування зносу коліс і зміни їх профілів із використанням раніше розробленої авторами просторової математичної моделі взаємодії залізничного екіпажа і колії, яка дозволяє визначати положення і розміри нееліптичних контактних плям, у тому числі при конформному контакті, та розподіл по них нормальних і дотичних сил взаємодії.
The investigation objective was to develop the technique for predicting railway vehicle wheels wear and changes in their profiles in operation. Methods of mathematical and computer simulation, numerical integration, oscillation theory, statistic dynamics are employed. The paper discusses the technique for predicting wheels wear and changes in their profiles based on the early developed 3D mathematical model of interactions between the railway vehicle and the track resulting in the determination of the position and sizes of non-elliptic contact spots, including the conform contact, and distribution of normal and tangential forces of interaction using these spots.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:56:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
148
УДК 629.7
В. Ф. УШКАЛОВ, Т. Ф. МОКРИЙ, И. Ю. МАЛЫШЕВА, Н. В. БЕЗРУКАВЫЙ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЕС
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ЭКИПАЖА ВСЛЕДСТВИЕ ИЗНОСА В ПРОЦЕССЕ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Цель работы заключалась в разработке способа прогнозирования износа и изменения профилей ко-
лес железнодорожных экипажей в процессе эксплуатации. Применены методы математического и компь-
ютерного моделирования, численного интегрирования, теории колебаний, статистической динамики.
В статье предложен способ прогнозирования износа колес и изменения их профилей с использова-
нием ранее разработанной авторами пространственной математической модели взаимодействия железно-
дорожного экипажа и пути, позволяющей определять положение и размеры неэллиптических контактных
пятен, в том числе при конформном контакте, и распределение по ним нормальных и касательных сил
взаимодействия.
Апробация разработанного математического обеспечения выполнена при анализе пространственных
колебаний полувагона с комплексно модернизированными тележками и профилем колес ИТМ-73. Осу-
ществлялось прогнозирование износа колес до толщины гребня 31 мм и 29 мм (толщина гребня неизно-
шенного колеса составляет 32 мм). Проведено сопоставление профилей изношенных колес, полученных в
результате теоретического прогнозирования и измеренных при осмотре эксплуатируемых вагонов. Полу-
чено достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных профилей.
Сделан вывод о том, что предложенный способ позволяет на этапе проектирования единиц подвиж-
ного состава и разработки новых профилей колес производить прогнозирование износа колес и изменения
их профилей в процессе эксплуатации.
Мета роботи полягала в розробці способу прогнозування зносу і зміни профілів коліс залізничних
екіпажів у процесі експлуатації. Застосовані методи математичного й комп'ютерного моделювання, число-
вого інтегрування, теорії коливань, статистичної динаміки.
У статті запропоновано спосіб прогнозування зносу коліс і зміни їх профілів із використанням рані-
ше розробленої авторами просторової математичної моделі взаємодії залізничного екіпажа і колії, яка
дозволяє визначати положення і розміри нееліптичних контактних плям, у тому числі при конформному
контакті, та розподіл по них нормальних і дотичних сил взаємодії.
Апробацію розробленого математичного забезпечення виконано при аналізі просторових коливань
піввагона з комплексно модернізованими візками і профілем коліс ИТМ-73. Здійснювалося прогнозування
зносу коліс до товщини гребеня 31 мм і 29 мм (товщина гребеня незношеного колеса складає 32 мм). Про-
ведено зіставлення профілів зношених коліс, отриманих в результаті теоретичного прогнозування і вимі-
ряних при огляді вагонів, що експлуатуються. Отримане досить добре співпадання розрахункових й екс-
периментальних профілів.
Зроблено висновок про те, що запропонований спосіб дозволяє на етапі проектування одиниць ру-
хомого складу і розробки нових профілів коліс виконувати прогнозування зносу коліс і зміни їх профілів в
процесі експлуатації.
The investigation objective was to develop the technique for predicting railway vehicle wheels wear and
changes in their profiles in operation. Methods of mathematical and computer simulation, numerical integration,
oscillation theory, statistic dynamics are employed.
The paper discusses the technique for predicting wheels wear and changes in their profiles based on the ear-
ly developed 3D mathematical model of interactions between the railway vehicle and the track resulting in the
determination of the position and sizes of non-elliptic contact spots, including the conform contact, and distribu-
tion of normal and tangential forces of interaction using these spots.
The developed mathematical software is employed in the analysis of 3D oscillation of the open wagon with
comprehensively retrofitted trucks and the ITM-73 wheel profile. Prediction of wheel wear with the flange of the
thickness of 31mm and 29 mm (the flange thickness of an unworn wheel is 32 mm) is made. Comparison between
predicted and measured profiles of worn wheels is carried out. Predicted and measured profiles agree closely.
We can make the inference that the technique proposed allows prediction of wheels wear and changes in
their profiles in operation at the stage of the design of the rolling stock vehicles and the development of new
wheels profiles.
Ключевые слова: железнодорожный экипаж, прогнозирование измене-
ния профилей колес, контакт колеса и рельса.
Решение проблем обновления существующего и создания грузового по-
движного состава нового поколения обусловило необходимость проведения
глубоких теоретических исследований. Одним из важных критериев оценки
В. Ф. Ушкалов, Т. Ф. Мокрий, И. Ю. Малышева, Н. В. Безрукавый, 2015
Техн. механика. – 2015. – № 4.
149
существующих или новых конструкций тележек является износ колес и рель-
сов. При расчетах износа пары «колесо–рельс», как правило, применяются
методы, позволяющие определять только коэффициент износа, который не
содержит данных об объеме фактических потерь материала и изменении
геометрии колес и рельсов. Но изменение профилей рабочих поверхностей
контактной пары может существенно влиять на устойчивость движения и
динамические качества вагона. Поэтому на этапе разработки новых кон-
струкций тележек, а также профилей колес и рельсов немаловажное значение
имеет прогнозирование изменения формы поверхностей контактирующих
тел в процессе их эксплуатации и учет влияния этого изменения на устойчи-
вость движения и динамические показатели вагонов.
Для проведения таких исследований требуется соответствующее матема-
тическое обеспечение. В работе [1] представлена пространственная матема-
тическая модель взаимодействия железнодорожного экипажа и пути, позво-
ляющая определять размеры и положение неэллиптических контактных пя-
тен, в том числе при конформном контакте, распределение по ним нормаль-
ных и касательных сил взаимодействия, а также потери материала при износе
и соответствующие изменения формы профилей колес. Каждое пятно кон-
такта делится на малые элементы, в которых контакт рассматривается как
одноточечный, а касательные силы считаются силами крипа. Показатели
крипа k определяются с учетом двух параметров: угла наклона к горизонту
касательной в центре рассматриваемого элемента пятна на колесе k и угла
набегания колесной пары на рельс WS :
,)( 2
1
22
kkk (k = 1,…,n) (1)
где kk , – показатели крипа в k-ом элементе в направлениях углов WS
и k ; n – количество элементов разбиения пятна.
Составляющие элементарных сил крипа определяются следующим обра-
зом
k
k
k
kk
k
k
k TTTT
, , (2)
где Тk – элементарная сила крипа в k-ом элементе.
Для вычисления Тk используется модель, приведенная в работе [2]:
,,
,
,
53
350
1
1
m
rNmF
N
F
FT
kkk
mm
k
kk
kkk
(3)
где Nk – нормальная сила, действующая в центре k-го элемента; –
коэффициент трения; rk – мгновенный радиус колеса в центре k-го элемента.
Суммарная продольная и поперечная составляющие распределенной си-
лы крипа равны сумме соответствующих элементарных сил
150
n
k
kky
n
k
WSkx TTTT
11
sin,cos . (4)
Соответствующие нормальные давления Nk равны
k
z
kk SN sec , (5)
где z
kS – элементарная вертикальная сила взаимодействия, которая вычисля-
ется путем распределения полной вертикальной силы взаимодействия zS
между элементами пятна контакта пропорционально значениям функции,
определяющей внедрение колеса в рельс в каждом элементе.
Ниже предлагается способ прогнозирования износа колес и изменения их
профилей с использованием разработанной математической модели, осно-
ванный на численном интегрировании системы дифференциальных уравне-
ний пространственных колебаний железнодорожного экипажа при движении
по пути произвольного очертания в плане со случайными неровностями.
Структура алгоритма решения такой задачи показана на рис. 1.
Профили поверхностей катания колес и головок рельсов описываются
функциями поперечного смещения y: )(yfW и )(yfR соответственно.
При расчетах износа колеса используется закон Шпехта [3], по которому
существует линейная зависимость между удельным износом vm (массой
снимаемого материала) и работой касательной силы взаимодействия KA , от-
несенной к площади контакта:
.Kvv Apm (6)
Учитываются два вида износа: умеренный и интенсивный. Коэффициент
пропорциональности vp в формуле (6) равен 3108,7 мг/Дж для зоны интен-
сивного износа и 4108,7 мг/Дж для зоны умеренного износа. Переход от
умеренного износа к интенсивному происходит при достижении удельной
мощностью взаимодействия уровня 4 Вт/мм2. Удельная мощность kP для k-
го элемента пятна контакта определяется выражением
kkkwskkk TT
dE
P
221
coscos , (7)
где dE – площадь элемента пятна контакта.
Удельная работа сил крипа для элемента пятна определяется по мощно-
сти взаимодействия в течение периода времени t :
.tPdA kKk (8)
Масса снимаемого при износе материала по элементу пятна равна
tPpm kk . (9)
Объем потерь материала по элементу можно определить, если снимае-
мую массу разделить на плотность материала
151
k
k
m
, (10)
а толщина снятия получается при делении объема потерь на площадь элемента
dE
h k
k
. (11)
Рис. 1
Задание параметров экипажа
Задание исходного профиля колеса
Задание параметров пути
Решение контактной задачи
Расчеты динамики экипажа
Расчеты износа колес и снятия материала
Корректировка профиля колеса
Заданный пробег
Нет
Да
Стоп
152
Прогнозирование изменения профиля колеса производится в предполо-
жении, что все сегменты обода изнашиваются равномерно по его периметру.
Исследуемый профиль разбивается на малые сегменты (например, длиной
0,5 мм), на которых происходит накопление износа и вычисляется толщина
слоя снятия материала под действием касательных контактных сил на каж-
дом шаге интегрирования по времени.
Участок сети железных дорог, на котором производится прогнозирова-
ние износа и изменения профиля колес экипажа, представляется в виде набо-
ра прямолинейных и криволинейных отрезков пути, отличающихся друг от
друга такими характеристиками: профили рельсов левой и правой нитей,
длина рассматриваемого отрезка, радиус и другие параметры кривой, план
пути (прямой участок, переходная или круговая кривая, стрелочный пере-
вод), неровности.
В предположении, что профиль колес неизменный, для заданного мно-
жества скоростей движения выполняются серии многовариантных расчетов
колебаний экипажа. Для каждой серии расчетов вводятся максимальное зна-
чение пробега колес и весовые коэффициенты, задающие долю внешних
условий: отрезков пути, скоростей движения и т. д. Суммарный износ опре-
деляется с учетом этих коэффициентов и равномерно распределяется по
окружности колеса. По окончании серии расчетов профиль корректируется:
производится снятие металла с обода колеса. Поскольку процесс изнашива-
ния колес происходит довольно медленно, для сокращения объема вычисле-
ний в алгоритме перед снятием металла предусмотрена экстраполяция полу-
ченной эпюры износа до некоторой характерной величины (например,
0,1 мм). Затем производится корректировка профиля вычитанием полученной
высоты снятия металла из ординаты каждого сегмента
iiWiW hyfyf )()(* (i = 1,…,m), (12)
где m – количество сегментов разбиения профиля колеса.
Полученный профиль колеса )(* yfW сглаживается, как показано на рис. 2
(исходный профиль – черная сплошная линия, профиль после снятия матери-
ала – серая сплошная, сглаженный профиль – черная штриховая). Затем про-
водится серия расчетов с измененным профилем, по окончании которой он
снова корректируется. Такая процедура повторяется до достижения заданной
длины рассматриваемого маршрута движения экипажа.
Рис. 2
153
Апробация данного математического обеспечения выполнена при анали-
зе пространственных колебаний полувагона с комплексно модернизирован-
ными тележками и профилем колес ИТМ-73 [4]. Производились расчеты ко-
лебаний полувагона при движении с постоянной скоростью по различным
участкам пути: прямым и круговым кривым радиуса 300 м с изношенными и
неизношенными рельсами. Поскольку основной износ колес происходит под
гружеными экипажами, то рассматривались только вагоны с грузом. Прогно-
зировалось изменение формы профилей ободьев колес в процессе их износа
до толщины гребня 31 мм и 29 мм (толщина гребня неизношенного колеса
составляет 32 мм). Эволюция профиля колеса при расчетах износа гребня на
1 мм показана на рис. 3.
Сравнивались расчетные формы профилей изношенных колес с экспери-
ментальными формами, измеренными во время осмотров вагонов, находя-
щихся в эксплуатации. Сопоставление прогнозных профилей изношенных
колес и измеренных при осмотре эксплуатируемых вагонов при износе до
толщины гребня 31 мм приведено на рис. 4, до толщины гребня 29 мм – на
рис. 5. Штриховыми линиями нанесены расчетные профили изношенных ко-
лес, сплошными черными – экспериментальные профили, серыми линиями –
профиль неизношенного колеса. Как видим, расчетные и экспериментальные
профили достаточно хорошо совпадают.
Таким образом, предложенный способ позволяет на этапе проектирова-
ния единиц подвижного состава и разработки новых профилей колес доста-
точно точно прогнозировать изменения формы их профилей в процессе экс-
плуатации.
Рис. 3
154
Рис. 4
Рис. 5
1. Ушкалов В. Ф. Математическая модель взаимодействия железнодорожного экипажа и пути с учетом
распределения контактных сил по пятнам контакта / В. Ф. Ушкалов, Т. Ф. Мокрий, И. Ю. Малышева //
Техническая механика. – 2015. – № 2. – С. 79 – 89.
2. Ushkalov V. F. The Creep Force Model for Different Conditions of Wheel-Rail Rolling Contact /
V. F. Ushkalov, A. I. Alexandrov // Rail Transportation : Winter Annual Meeting of the American Society of
Mechanical Engineers. – New York, 1989. – P. 189 – 196.
3. Шпехт В. Новые данные об износе колес грузовых вагонов / В. Шпехт // Железные дороги мира. –
1988.– № 10. – С. 11 – 19.
4. Комплексная модернизация ходовых частей грузовых вагонов / В. Ф. Ушкалов, Т. Ф. Мокрий,
И. Ю. Малышева, И. А. Мащенко, С. С. Пасичник // Вагонный парк. – 2007. – № 2. – С. 18 – 22.
Институт технической механики Получено 15.10.2015,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 20.10.2015
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
1
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100792 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:56:53Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ушкалов, В.Ф. Мокрий, Т.Ф. Малышева, И.Ю. Безрукавый, Н.В. 2016-05-26T19:55:42Z 2016-05-26T19:55:42Z 2015 Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации / В.Ф. Ушкалов, Т.Ф. Мокрий, И.Ю. Малышева, Н.В. Безрукавый // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 148-154. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100792 629.7 Цель работы заключалась в разработке способа прогнозирования износа и изменения профилей колес железнодорожных экипажей в процессе эксплуатации. Применены методы математического и компьютерного моделирования, численного интегрирования, теории колебаний, статистической динамики. В статье предложен способ прогнозирования износа колес и изменения их профилей с использованием ранее разработанной авторами пространственной математической модели взаимодействия железнодорожного экипажа и пути, позволяющей определять положение и размеры неэллиптических контактных пятен, в том числе при конформном контакте, и распределение по ним нормальных и касательных сил взаимодействия. Мета роботи полягала в розробці способу прогнозування зносу і зміни профілів коліс залізничних екіпажів у процесі експлуатації. Застосовані методи математичного й комп'ютерного моделювання, числового інтегрування, теорії коливань, статистичної динаміки. У статті запропоновано спосіб прогнозування зносу коліс і зміни їх профілів із використанням раніше розробленої авторами просторової математичної моделі взаємодії залізничного екіпажа і колії, яка дозволяє визначати положення і розміри нееліптичних контактних плям, у тому числі при конформному контакті, та розподіл по них нормальних і дотичних сил взаємодії. The investigation objective was to develop the technique for predicting railway vehicle wheels wear and changes in their profiles in operation. Methods of mathematical and computer simulation, numerical integration, oscillation theory, statistic dynamics are employed. The paper discusses the technique for predicting wheels wear and changes in their profiles based on the early developed 3D mathematical model of interactions between the railway vehicle and the track resulting in the determination of the position and sizes of non-elliptic contact spots, including the conform contact, and distribution of normal and tangential forces of interaction using these spots. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации Article published earlier |
| spellingShingle | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации Ушкалов, В.Ф. Мокрий, Т.Ф. Малышева, И.Ю. Безрукавый, Н.В. |
| title | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| title_full | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| title_fullStr | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| title_full_unstemmed | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| title_short | Прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| title_sort | прогнозирование изменения профиля колес железнодорожного экипажа вследствие из-носа в процессе эксплуатации |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100792 |
| work_keys_str_mv | AT uškalovvf prognozirovanieizmeneniâprofilâkolesželeznodorožnogoékipažavsledstvieiznosavprocesseékspluatacii AT mokriitf prognozirovanieizmeneniâprofilâkolesželeznodorožnogoékipažavsledstvieiznosavprocesseékspluatacii AT malyševaiû prognozirovanieizmeneniâprofilâkolesželeznodorožnogoékipažavsledstvieiznosavprocesseékspluatacii AT bezrukavyinv prognozirovanieizmeneniâprofilâkolesželeznodorožnogoékipažavsledstvieiznosavprocesseékspluatacii |