Проблема износа элементов пятникового узла
Одним из ответственных и быстро изнашивающихся узлов трения является пятниковый узел грузового вагона. Через него передаются значительные вертикальные нагрузки, а при движении вагона подпятник поворачивается относительно пятника, как при входе в кривые, так и при движении в прямых участках пути, за счет виляния тележки; дополнительный эффект вносит также, так называемая, перевалка кузова при его колебаниях относительно продольной оси пути. Наибольшая доля повреждений надрессорных балок тележек связана с износом поверхности подпятника и скользунов. Значительный износ наблюдается уже через 1-2 года эксплуатации. Для разработки более долговечных конструкций необходима методика прогнозирования износа такого узла на стадии проектирования с использованием компьютерного моделирования.
При решении задачи износа необходимо для начала выбрать модель износа. Применительно к подпятниковому узлу более всего подходит энергетическая теория изнашивания Флайшера. Основная концепция данной теории заключается в том, что для отделения частицы износа необходимо, чтобы некоторый объем материала накопил определенный критический запас внутренней энергии. Согласно данной модели величина поверхностного износа зависит от давления и относительного перемещения поверхностей контакта, т. е. при решении данной проблемы никак не обойтись без определения контактных давлений [7].
Общее моделирование износа конкретного трибологического сопряжения требует учета различных факторов. Применительно к задаче износа подпятника надрессорной балки все эти факторы можно разделить на четыре взаимосвязанные между собой группы:
1) статистическая сторона задачи. Отражает набор случайных параметров, определяющих режим движения вагона, относительную подвижность пятника и подпятника, а также силовое взаимодействие между ними.
2) силовая сторона задачи. Включает в себя меняющееся во времени сочетание силовых факторов, определяющих взаимное действие друг на друга сопряженных деталей; а также расчет контактных давлений и напряженно-деформированного состояния, соответствующего этим силовым факторам.
3) кинематическая сторона задачи. Включает в себя меняющиеся во времени вектора относительного перемещения пятника и подпятника.
4) геометрическая сторона задачи. Учитывает изменение геометрии трибосопряжения, выражающееся в величине линейного износа, которое приводит к перераспределению давлений.
Анализируя общий подход проблемы изнашивания можно прийти к выводу, что значительный объем времени в расчете будет занимать определение давлений на поверхности контактирующих тел. Давления рассчитываются обычно на основе специальных алгоритмов, называемых быстрыми, которые могут быть встроены в программы моделирования движения, как, например, при решении задачи износа профилей колес. Недостатком такого подхода является то, что быстрые алгоритмы, хорошо работающие для определения параметров эллиптического контакта, неприменимы при решении многих других контактных задач для тел произвольной формы. В нашем случае близкий к эллиптическому, контакт может наблюдаться только при перевалке кузова, при кромочном опирании пятника на подпятник. Однако, как показывают наблюдения, пятник изнашивается по всей окружности практически равномерно, что свидетельствует о необходимости учета контактных давлений и при нормальном опирании. Поэтому здесь необходим другой подход.
Классической формой численного решения задач контакта считается метод релаксаций. Данный метод позволяет точно решать любые задачи определения давлений, при этом задачи могут быть как с трением, так и без него. Но у этого метода есть существенный недостаток, который делает недопустимым его использование при расчете процесса износа – его слишком низкое быстродействие. Одним из имеющих очень высокие показатели скорости методов расчета контакта считается метод сил. Он является идеальным для быстрого решения большого числа контактных задач. Дело в том, что процесс определения давлений состоит из 2-х этапов. На первом этапе происходит формирование матрицы влияния (эта операция является наиболее трудоемкой и занимает 99 процентов общего времени расчета давлений). А на втором этапе выполняется собственно сам процесс решения с использованием полученной матрицы. При этом полученная матрица влияния может быть использована для расчета целого ряда задач с различными схемами нагружения. Кроме того, при переходе от одного изношенного состояния к другому матрицу влияния можно не пересчитывать, поскольку изменения в модели, произошедшие в результате такого перехода, являются очень незначительными. За весь процесс моделирования достаточно лишь несколько раз выполнить переформирование матрицы влияния.
Моделирование износа горизонтальных поверхностей пятника и подпятника было произведено ранее в дипломной работе Егорова под руководством к.т.н. А.А. Ольшевского. Расчет производился на основе метода сил с учетом всех вышеперечисленных факторов.
Конечно, метод сил является идеальным для быстрого пересчета контактных давлений, но имеет один недостаток, он не учитывает коэффициента трения между контактирующими телами, а это возможно может привести к неточностям в расчетах связанных с определением величины износа. С другой стороны нельзя жертвовать временем, выбрав другой метод, учитывающий влияние трения. Поэтому актуальной остается задача, об отдельном определении контактных давлений в узле «пятник-подпятник» в зависимости от коэффициента трения, что и является главной целью данной дипломной работы.
