Колесо с кольцевой канавкой на внутреннем торце ступицы

Железнодорожное колесоЖелезнодорожное 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 модельРасчетная 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.

К решению задачи ЛамеДля 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.
  • Схема нагрузки, возникающей от запрессовки колесабоковая 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.

 

Ориентация координатной системы точек, образующих внутреннюю поверхность втулкиКарта распределения эквивалентных напряжений в колесеКарта распределения суммарных перемещенийКарта распределения напряжений SX в колесе (внутренняя сторона)

ИтогиИтоги 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.

Продукты