Колесо с кольцевой канавкой на внутреннем торце ступицы
Железнодорожное колесо
Компания НТЦ «АПМ» выполнила прочностной и усталостный расчет железнодорожного колеса с кольцевой канавкой на внутреннем торце ступицы.
Железнодорожные колеса является важнейшими элементами конструкции любого железнодорожного транспортного средства – вагонов (грузовых и пассажирских) и тягового подвижного состава (локомотивов и электровозов). Все железнодорожные колеса изготавливают из специальных низколегированных углеродистых сталей.
Цельное железнодорожное колесо имеет три основных конструкционных элемента: ступицу, диски и обод.
Роль ступицы – обеспечить прочное соединение колеса с осью. Обод колеса непосредственно контактирует с рельсом, а диск соединяет ступицу и обод между собой. Наружная поверхность обода, которая непосредственно контактирует со стальным рельсом, называется поверхностью катания, а выступающая ее часть – гребнем или ребордой.
Расчет выполнялся в программном продукте APM WinMachine.
Проведение расчета
Расчетная схема железнодорожного колеса строится на основе чертежей переданных заказчиком.
В соответствии с техническим заданием было выполнено моделирование дефекта в виде кольцевой канавки, расположенного в центре стенки ступицы внутреннего торца железнодорожного колеса.
Колесо опирается по внутренней, цилиндрической поверхности. Всего в рассчитываемой модели 12600 опорных точек. Вводимые при этом ограничения соответствуют шарнирному закреплению. Схема закрепления показана на рисунке ниже.
Согласно техническому заданию запрессовка колеса на ось осуществляется с натягом 0,25 мм.
Для определения усилий действующих в зонах запрессовки необходимо решить задачу Ламе.
Для задания нагрузки возникающей от запрессовки железнодорожного колеса на ось, используем инструмент APM Structure3D «Перемещение в узле». Согласно решению задачи Ламе, при запрессовке колеса на ось происходит увеличение внутреннего радиуса ступицы колеса.
В процессе работы железнодорожного колеса, на него действует циклическая нагрузка.
Величина вертикальной и горизонтальной нагрузок, согласно техническому заданию:
- вертикальная нагрузка, P = 23,5 т.
боковая нагрузка на гребень, Q = 5т.
Т.к. для решения поставленной задачи (основной интерес представляют напряжения в ступице) конфигурация пятна контакта не имеет решающего значения, то усреднено, считаем, что это эллипс, с площадью около 1 см2.
Было выполнено 4 статических расчетов конструкции железнодорожного колеса. Получены карты напряженного и деформированного состояния конструкции при соответствующих вариантах нагружения, а также карты запаса усталостной прочности.
Оценка коэффициента запаса сопротивления усталости проводилась для 12 точек колеса.
Итоги выполненного проекта
Проведенные расчеты на прочность железнодорожного колеса, с дефектом в виде кольцевой канавки на внутреннем торце ступицы, показали, что при заданных нагрузках эквивалентные напряжения, возникающие в элементах колеса, не превышают предела прочности применяемых материалов.
Наибольшие напряжения возникают на внутренней поверхности ступицы колеса.
Анализ результатов усталостного расчета показал, что колесо с плоскоконическим диском обладает достаточной прочностью по сопротивлению усталости.
Значительная величина запаса по сопротивлению усталости связана с практическим отсутствием циклической нагрузки в данной области колеса.
Колеса с плоскоконическим диском, имеющие кольцевой дефект (размерами до 20х5) обладают достаточной статической и усталостной прочностью, а наличие кольцевой канавки не оказывает существенного влияние на распределение напряжений в ступице колеса.
Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач прочностного анализа железнодорожного транспорта.
