Анализ контактного взаимодействия рельса с вагонным колесом

        В данной публикации описаны основные моменты из дипломной работы на тему: "Исследование контактного давления при взаимодействии сложнопрофильных тел".

     В рамках дипломной работы взаимодействие сложнопрофильных тел было рассмотрено на примере контактной пары "колесо-рельс". Был рассмотрен один из расчетных случаев контактного взаимодействия колеса вагона с рельсом: неподвижное колесо под действием только вертикальной силы Р , равной весу вагона с полезной нагрузкой (940 кН.), рис. 1.

 Рисунок 1 - Постановка задачи

         Построение конструкции цельнокатанного колеса, вала и рельса проводилось в CAD-системе SolidWorks согласно чертежам, полученным в качестве начальных данных. Далее сборка была упрощена (были отброшены лишние детали, такие как небольшие скругления, отверстия, которые незначительно повлияют на напряжения в области контакта) и импортирована в программный комплекс ANSYS 13.0, где проводилось её разбиение на конечные элементы. При чем контактная область была аппроксимирована структурированной сеткой, состоящей из четырёхугольных призматических конечных элементов, а область вне контакта - свободной сеткой, состоящей из тетраэдральных конечных элементов. 

       Для материала были приняты характеристики: модуль упругости E=200 ГПа, коэффициент Пуассона ν=0,3. Коэффициент трения μ = 0,28.

Конечно-элементная модель (рис. 2) состоит из 33,5 тыс. элементов и 58,5 тыс. узлов.

           Рисунок 2 - Конечно-элементная модель пары "колесо-рельс"

          Для конструкции было задано следующие условия нагружения и закрепления:

• ограничение жесткая заделка для подошвы рельса;
• свойства симметрии;
• вертикальная сила на поверхности вала, равная одной восьмой веса вагона.

     При проведении численного анализа для рассмотренного случая контактного взаимодействия были получены следующие результаты. На рисунке 3 представлены  перемещения в интересуемой нас части конструкции.

Рисунок 3 - Перемещения, м

          В области контакта наблюдаются перемещения 0,3-0,5 мм.

Также в качестве результатов было выведено распределение эквивалентных напряжений по Мизесу, рис. 4.

Рисунок 4 - Напряжения, Па

     Максимальное значение интенсивности напряжения возникает в подповерхностной области, вблизи зоны контакта и составляет 832 МПа.

Рисунок 5 иллюстрирует распределение контактного давления между колесом и рельсом.

Рисунок 5 - Контактное давление, Па

        Максимальное значение составляет 1180 МПа. По мере отдаления от начала координат абсолютная величина контактного давления  уменьшается.