Метод учета остаточных технологических напряжений при моделировании напряженно-деформированного состояния диска железнодорожного колеса. Сообщение 1

. 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.

1. Liu 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.2005.09.007

2. Oliver J., Lonsdale C. North American railways combat split wheel rims // International Railway Journal. 2014. Vol. 54. No. 5. P. 31‒34.

3. 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/10.1590/1679-78251658

4. Okagata Yo. Design technologies for railway wheels and future prospects // Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report. 2013. No. 105. P. 26‒33.

5. 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.2005.07.045

6. Masoudi 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.2015.03.002

7. Arslan 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.2011.10.009

8. Mohan 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.

9. 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.2011.08.014

10. Zhang 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.2008.07.007

11. Keropyan 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.2017.10.517

12. Кононов 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.

13. 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.

14. 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.2009.04.013

15. Sitarz 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/10.1243/095440905X8826

16. Sitarz 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/10.1243/095440905X8817

17. 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.

18. 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.2017.237353.160

19. Яковченко А.В., Снитко С.А. Анализ и совершенствование конструкций колес, удовлетворяющих ГОСТ 10791–2011 // Сталь. 2015. № 12. С. 32‒38.

20. Пашолок 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.

21. 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.

22. 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.

23. Цвик 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.2019.01.063

27. Срок службы железнодорожных колес // Железные дороги мира. 2003. № 7. С. 48‒58.

28. 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.

29. Lingamanaik 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.2011.04.007

30. Максимов Е.А., Шаталов Р.Л. Исследование параметров горячей правки толстых стальных листов на роликовой правильной машине // Металлург. 2018. № 2. С. 42‒45.

31. А. 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.

32. Керенцев Д.Е. Повышение конструкционной прочности железнодорожных колес подвижного состава: Дисс. … канд. техн. наук. Самара, 2016. 173 с.

33. ГОСТ 10791 – 2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия.

34. ГОСТ 33783 ‒ 2016. Колесные пары железнодорожного подвижного состава. Методы определения показателей прочности