blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-5-337-344blackmet-2097Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESМетод учета остаточных технологических напряжений при моделировании напряженно-деформированного состояния диска железнодорожного колеса. Сообщение 1Accounting method for residual technological stresses in modeling the stress-deformed state of a railway wheel disk. Report 1https://orcid.org/0000-0002-1099-5801СниткоС. А.SnitkoS. A.

Сергей Александрович Снитко, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением»

83001, Донецк, ул. Артема, 58

Sergei A. Snitko, Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Head of the Chair “Metal Forming”

58 Artema Str., Donetsk 83001

snitko_sa@mail.ruЯковченкоА. В.YakovchenkoA. V.

Александр Васильевич Яковченко, доктор технических наук, профессор кафедры «Обработка металлов давлением»

83001, Донецк, ул. Артема, 58

Aleksandr V. Yakovchenko, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Metal Forming”

58 Artema Str., Donetsk 83001

mond1991@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4368-5965ГорбатюкС. М.GorbatyukS. M.

Сергей Михайлович Горбатюк, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инжиниринг технологического оборудования»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Sergei M. Gorbatyuk, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Chair “Engineering of Technological Equipment”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

sgor02@mail.ruДонецкий национальный технический университетУкраинаDonetsk National Technical UniversityUkraineНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation202102062021645337344Copyright © Снитко С.А., Яковченко А.В., Горбатюк С.М., 20212021Снитко С.А., Яковченко А.В., Горбатюк С.М.Snitko S.A., Yakovchenko A.V., Gorbatyuk S.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2097

. Важным аспектом повышения точности прогноза напряженно-деформированного состояния дисков железнодорожных колес при действии эксплуатационных нагрузок является учет остаточных технологических напряжений. Настоящая работа посвящена разработке метода учета остаточных технологических напряжений в дисках колес, который обеспечит универсальность подхода и точность расчетов. Анализ напряжений в диске колеса от действия монтажной (натяга между ступицей и осью) и эксплуатационной нагрузки выполнен на основе результатов конечно-элементного моделирования. Проверка адекватности используемой модели проведена путем сравнения расчетной информации с экспериментальными данными АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта». Анализ расчетных и экспериментальных значений радиальных напряжений выполняли для наиболее нагруженных при эксплуатации (опасных) зон диска ‒ зон его сопряжения с ободом и ступицей. Установлено, что заданием величины натяга больше фактической можно получить образование в колесе дополнительных напряжений, которые с достаточной степенью точности отражают влияние остаточных технологических напряжений на напряженно-деформированное состояние диска. На примере расчета колеса с плоскоконическим диском (ГОСТ 10791 – 2011) показано, что увеличение величины натяга на 60 % (c 0,25 до 0,4 мм на диаметр) позволяет адекватно спрогнозировать значения напряжений в наиболее опасных зонах диска. Максимальные относительные отклонения расчетных показателей радиальных напряжений от экспериментальных и по наружной, и по внутренней сторонам колеса, не превышают 14 %. Несмотря на простоту реализации, предлагаемый метод обеспечивает повышение точности прогноза прочностных характеристик колес, а также возможность его использования для различных типоразмеров колес.

The work is devoted to development of a method for accounting residual technological stresses in wheel disks, which will provide both the versatility of the approach and the accuracy of calculations. The analysis of stresses in the wheel disk from the action of assembly (interference between the hub and the axle) and operational loads is carried out on basis of the results of finite element modeling. Verification of adequacy of the used model was made by comparing the calculated information with the experimental data of JSC “VNIIZHT”. The analysis of calculated and experimental values of radial stresses was carried out for the most loaded (critical) zones of the disk during operation – the zones of its interface with the rim and the hub. It was found that by setting the interference fit value to be greater than the actual one, it is possible to obtain the formation of additional stresses in the wheel, which, with a sufficient degree of accuracy, reflect the effect of residual technological stresses on its stress-strain state. On the example of calculating a wheel with a flat-conical disk (GOST 10791 – 2011), it is shown that an increase in the interference fit value by 60 % (from 0.25 mm to 0.4 mm per diameter) makes it possible to adequately predict the magnitude of stresses in the most critical disk elements. The maximum relative deviations of the calculated values of radial stresses from the experimental ones, both along the outer and inner sides of the wheel, do not exceed 14 %. Despite the simplicity of implementation, the proposed method provides an increase in the accuracy of predicting the strength characteristics of wheels, as well as the possibility of using it for various standard wheel sizes.

железнодорожное колесонапряженно-деформированное состояниеэксплуатационные нагрузкиконечно-элементное моделированиенапряжения в дискеостаточные напряжениянатяг между ступицей и осьюдиск колесаrailway wheelstress-strain stateoperational loadsfinite element modelingstresses in diskresidual stressesinterference between hub and axlewheel discReferencesLiu Yo., Stratman B., Mahadevan S. Fatigue crack initiation life prediction of railroad wheels // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. No. 7. P. 747‒756. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2005.09.007Liu Yo., Stratman B., Mahadevan S. Fatigue crack initiation life prediction of railroad wheels. International Journal of Fatigue. 2006, vol. 28, no. 7, pp. 747–756. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2005.09.007Oliver J., Lonsdale C. North American railways combat split wheel rims // International Railway Journal. 2014. Vol. 54. No. 5. P. 31‒34.Oliver J., Lonsdale C. North American railways combat split wheel rims. International Railway Journal. 2014, vol. 54, no. 5, pp. 31–34.Haidaria A., Tehrani P.-H. Thermal load effects on fatigue life of a cracked railway wheel // Latin American Journal of Solids and Structures. 2015. Vol. 12. No. 6. P. 1144‒1157. https://doi.org/10.1590/1679-78251658Haidaria A., Tehrani P.-H. Thermal load effects on fatigue life of a cracked railway wheel. Latin American Journal of Solids and Structures. 2015, vol. 12, no. 6, pp. 1144–1157. https://doi.org/10.1590/1679-78251658Okagata Yo. Design technologies for railway wheels and future prospects // Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report. 2013. No. 105. P. 26‒33.Okagata Yo. Design technologies for railway wheels and future prospects. Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report. 2013, no. 105, pp. 26–33.Bernasconi A., Filippini M., Foletti S., Vaudo D. Multiaxial fatigue of a railway wheel steel under non-proportional loading // International Journal of Fatigue. 2006. Vol. 28. No. 5‒6. P. 663–672. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2005.07.045Bernasconi A., Filippini M., Foletti S., Vaudo D. Multiaxial fatigue of a railway wheel steel under non-proportional loading. International Journal of Fatigue. 2006, vol. 28, no. 5–6, pp. 663–672. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2005.07.045Masoudi Nejad R., Farhangdoost K., Shariati M. Numerical study on fatigue crack growth in railway wheels under the influence of residual stresses // Engineering Failure Analysis. 2015. Vol. 52. P. 75–89. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.03.002Masoudi Nejad R., Farhangdoost K., Shariati M. Numerical study on fatigue crack growth in railway wheels under the influence of residual stresses. Engineering Failure Analysis. 2015, vol. 52, pp. 75–89. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.03.002Arslan M.A., Kayabasi O. 3-D Rail–Wheel contact analysis using FEA // Advances in Engineering Software. 2012. Vol. 45. No. 1. P. 325‒331. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2011.10.009Arslan M.A., Kayabasi O. 3-D Rail–Wheel contact analysis using FEA. Advances in Engineering Software. 2012, vol. 45, no. 1, pp. 325–331. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2011.10.009Mohan P.M. Analysis of railway wheel to study thermal and structural behaviour // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2012. Vol. 3. No. 11. P. 1‒4.Mohan P.M. Analysis of railway wheel to study thermal and structural behavior. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2012, vol. 3, no. 11, pp. 1–4.Makino T., Kato T., Hirakawa K. The effect of slip ratio on the rolling contact fatigue property of railway wheel steel // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 36. No. 1. P. 68‒79. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.014Makino T., Kato T., Hirakawa K. The effect of slip ratio on the rolling contact fatigue property of railway wheel steel. International Journal of Fatigue. 2012, vol. 36, no. 1, pp. 68–79. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.014Zhang M.R., Gu H.C. Fracture toughness of nanostructured railway wheels // Engineering Fracture Mechanics. 2008. Vol. 75. No. 18. P. 5113‒5121. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2008.07.007Zhang M.R., Gu H.C. Fracture toughness of nanostructured railway wheels. Engineering Fracture Mechanics. 2008, vol. 75, no. 18, pp. 5113–5121. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2008.07.007Keropyan A., Gorbatyuk S., Gerasimova A. Tribotechnical aspects of wheel-rail system interaction // Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. P. 564‒569. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.517Keropyan A., Gorbatyuk S., Gerasimova A. Tribotechnical aspects of wheel-rail system interaction. Procedia Engineering. 2017, vol. 206, pp. 564–569. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.517Кононов Д.П., Шадрина Н.Ю. Повышение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет увеличения усталостной прочности цельнокатаных колес // Бюллетень результатов научных исследований. 2014. Вып. 1(10). С. 6‒10.Kononov D.P., Shadrina N.Yu. Improving the safety of railway transport by increasing the fatigue strength of solid-rolled wheels. Byulleten’ rezul’tatov nauchnykh issledovanii. 2014, no. 1(10), pp. 6–10. (In Russ.).Якушев А.В., Кононов Д.П., Комиченко С.О. Результаты определения остаточных технологических напряжений в дисковой части цельнокатаных колес грузовых и пассажирских вагонов методом тензометрии // Транспорт Российской Федерации. 2015. № 3(58). С. 66‒68.Yakushev A.V., Kononov D.P., Komichenko S.O. Determination of residual technological stresses in the disk part of solid-rolled wheels of freight and passenger cars by tensometric method. Transport Rossiiskoi Federatsii. 2015, no. 3(58), pp. 66–68. (In Russ.).Seo J.W., Kwon S.J., Jun H.K., Lee D.H. Effects of residual stress and shape of web plate on the fatigue life of railway wheels // Engineering Failure Analysis. 2009. Vol. 16. No. 7. P. 2493‒2507. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2009.04.013Seo J.W., Kwon S.J., Jun H.K., Lee D.H. Effects of residual stress and shape of web plate on the fatigue life of railway wheels. Engineering Failure Analysis. 2009, vol. 16, no. 7, pp. 2493–2507. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2009.04.013Sitarz M., Sładkowski A., Bizon K., Chruzik K. Designing of railway wheels. Part 1: Finite element method // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2005. Vol. 219. No. 2. P. 91‒110. https://doi.org/10.1243/095440905X8826Sitarz M., Sładkowski A., Bizon K., Chruzik K. Designing of railway wheels. Part 1: Finite element method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2005, vol. 219, no. 2, pp. 91–110. https://doi.org/10.1243/095440905X8826Sitarz M., Sładkowski A., Bizon K., Chruzik K. Designing of railway wheels. Part 2: Comparison of numerical analysis and experimental research // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F: Journal of rail and rapid transit. 2005. Vol. 219. No. 2. P. 111‒120. https://doi.org/10.1243/095440905X8817Sitarz M., Sładkowski A., Bizon K., Chruzik K. Designing of railway wheels. Part 2: Comparison of numerical analysis and experimental research. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F: Journal of rail and rapid transit. 2005, vol. 219, no. 2, pp. 111–120. https://doi.org/10.1243/095440905X8817Kiriyama K., Okagata Y., Kato T. A study on the fatigue properties of the plate area of Japanese railway wheels // 16th Int. Wheelset Congress. 2010. 12 p.Kiriyama K., Okagata Y., Kato T. A study on the fatigue properties of the plate area of Japanese railway wheels. 16th Int. Wheelset Congress. 2010, 12 p.Atai A.A., Azarlu E. Multi-objective optimization of web profile of rail-way wheel using Bi-directional evolutionary structural op-timization // Journal of Computational Applied Mechanics. 2017. Vol. 48. No. 2. P. 307‒318. https://doi.org/10.22059/JCAMECH.2017.237353.160Atai A.A., Azarlu E. Multi-objective optimization of web profile of rail-way wheel using Bi-directional evolutionary structural optimi-zation. Journal of Computational Applied Mechanics. 2017, vol. 48, no. 2, pp. 307–318. https://doi.org/10.22059/JCAMECH.2017.237353.160Яковченко А.В., Снитко С.А. Анализ и совершенствование конструкций колес, удовлетворяющих ГОСТ 10791–2011 // Сталь. 2015. № 12. С. 32‒38.Yakovchenko A.V., Snitko S.A. Railroad wheels satisfying state standard GOST 10791–2011. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 12, pp. 967–974. https://doi.org/10.3103/S0967091215120153Пашолок И.Л., Цюренко В.Н., Разумов А.С. Разработка критериев работоспособности дисков цельнокатаных колес для грузовых вагонов нового поколения // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2002. № 3. С. 19‒23.Pasholok I.L., Tsyurenko V.N., Razumov A.S. Development of performance criteria of solid-rolled wheels for new generation freight cars. Vestnik VNIIZhT. 2002, no. 3, pp. 19–23. (In Russ.).Керенцев Д.Е., Пономарев Ю.К. Влияние остаточных технологических напряжений и тепловых эксплуатационных нагрузок на прочность железнодорожных колес // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. Т. 14. № 3. Ч. 2. С. 336‒344.Kerentsev D.E., Ponomarev Yu.K. Influence of residual technological stresses and thermal operating loads on the strength of railway wheels. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta. 2015, vol. 14, no. 3, part 2, pp. 336–344. (In Russ.).Сухов А.В., Разумов А.С., Базанов Ю.А., Шиткин С.Л., Гриншпон А.С., Яндимиров А.А. Исследование напряжений в цельнокатаных вагонных колесах повышенной твердости с различной геометрией диска // Металлург. 2007. № 12. С. 56‒60.Sukhov A.V., Razumov A.S., Bazanov Yu.A., Shitkin S.L., Grinshpon A.S., Yandimirov A.A. Study of stresses in hard rolled railcar wheels with a web of different geometry. Metallurgist. 2007, vol. 51, no. 11–12, pp. 670–676. https://doi.org/10.1007/s11015-007-0121-2Цвик Л.Б., Запольский Д.В., Зеньков Е.В., Еремеев В.К. Сравнительный анализ деформирования дисковой части цельнокатаных железнодорожных колес различного конструктивного оформления // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 4. С. 29‒6.Tsvik L.B., Zapol’skii D.V., Zen’kov E.V., Eremeev V.K. Comparative analysis of deformation of disk part of solid-rolled railway wheels with various designs. Vestnik VNIIZhT. 2013, no. 4, pp. 29–36. (In Russ.).Волохов Г.М., Керенцев Д.Е. Развитие методов оценки прочности конструкций цельнокатаных железнодорожных колес и критериев их допуска к эксплуатации // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2013. Т. 2(66). С. 138‒154.Volokhov G.M., Kerentsev D.E. Development of methods for assessing the strength of structures of solid-rolled railway wheels and criteria for their admission to operation. Vestnik VElNII. 2013, vol. 2(66). pp. 138–154. (In Russ.).Керенцев Д.Е. Расчетно-экспериментальная оценка остаточных технологических напряжений в цельнокатаных колесах // Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ: Сборник тезисов III научно-технического семинара, 6‒7 апреля 2016 г., Брянск. Брянск: БГТУ, 2016. С. 32‒34.Kerentsev D.E. Calculated and experimental assessment of residual technological stresses in solid-rolled wheels. In: Computer Modeling in Railway Transport: Dynamics, Strength, Wear: Coll. of Theses of III Sci. and Tech. Seminar on April 6–7, 2016, Bryansk. Bryansk: BSTU, 2016, pp. 32–34. (In Russ.).Huang X., Wang X., Shen X., Xiao F. Effect of the shape of railway wheel plate on its stresses and fatigue evaluation // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 97. P. 718‒726. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.063Huang X., Wang X., Shen X., Xiao F. Effect of the shape of railway wheel plate on its stresses and fatigue evaluation. Engineering Failure Analysis. 2019, vol. 97, pp. 718–726. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.063Срок службы железнодорожных колес // Железные дороги мира. 2003. № 7. С. 48‒58.Service life of railway wheels. Zheleznye dorogi mira. 2003, no. 7, pp. 48–58. (In Russ.).Кушнарев А.В., Киричков А.А., Копцева Н.В., Чукин Д.М., Барышников М.П. Структурно-фазовые превращения при непре- рывном охлаждении сталей для цельнокатаных железнодорож- ных колес / Сталь. 2014. № 4. С. 78‒83.Kushnarev A.V., Kirichkov A.A., Koptseva N.V., Chukin D.M., Baryshnikov M.P. Structural and phase transformations in the continuous cooling of steel for one-piece railroad wheels. Steel in Translation. 2014, vol. 44, no. 4, pp. 306–311. https://doi.org/10.3103/S0967091214040123Lingamanaik S.N., Chen B.K. Thermo-mechanical modelling of residual stresses induced by martensitic phase transformation and cooling during quenching of railway wheels // Journal of Materials Processing Technology. 2011. Vol. 211. No. 9. P. 1547‒1552. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2011.04.007Lingamanaik S.N., Chen B.K. Thermo-mechanical modelling of residual stresses induced by martensitic phase transformation and cooling during quenching of railway wheels. Journal of Materials Processing Technology. 2011, vol. 211, no. 9, pp. 1547–1552. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2011.04.007Максимов Е.А., Шаталов Р.Л. Исследование параметров горячей правки толстых стальных листов на роликовой правильной машине // Металлург. 2018. № 2. С. 42‒45.Maksimov E.A., Shatalov R.L. A study of the parameters for hot straightening of thick steel plates on a roller straightening machine. Metallurgist. 2018, vol. 62, no. 1–2, pp. 132–137. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0635-9А. с. 1497242 СССР. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес / И.Г. Узлов, А.Ф. Гринев, Н.Г. Мирошниченко и др.; заявл. 11.12.1987; опубл. 30.07.89. Бюл. № 28.Uzlov I.G., Grinev A.F., Miroshnichenko N.G., etc. Method of production of solid-rolled railway wheels. Certificate of authorship USSR no. 1497242. MPK C21 D 9/34. Bulleten’ izobretenii. 1989, no. 28. (In Russ.).Керенцев Д.Е. Повышение конструкционной прочности железнодорожных колес подвижного состава: Дисс. … канд. техн. наук. Самара, 2016. 173 с.Kerentsev D.E. Increasing the structural strength of railway rolling stock wheels: Cand. Tech. Sci. Diss. Samara: 2016, 173 р. (In Russ.).ГОСТ 10791 – 2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия.GOST 10791 – 2011. Solid-rolled wheels. Technical requirements. (In Russ.).ГОСТ 33783 ‒ 2016. Колесные пары железнодорожного подвижного состава. Методы определения показателей прочностиGOST 33783 – 2016. Wheelsets of railway rolling stock. Methods for determining strength indicators. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.