Продольная касательная и вертикальная силы, действующие в контакте колеса и рельса.
Исследовано напряженное состояние колеса со спицевым центром поляризационно-оптическим методом с использованием плоских моделей, выполненных в масштабе 1:5 [57]. Измерения напряжений велись методом полос. Получены распределения напряжений на контурах спиц. Установлено, что напряжения в спицах от продольной силы, возникшей в контакте колеса и рельса при реализации вращающего момента, отличаются незначительно. Это объясняется тем, что жесткость обода с напрессованным на него бандажом велика по сравнению с изгибной жесткостью спиц, и под действием момента обод поворачивается относительно ступичной части как жесткое тело. Поэтому каждая спица работает как балка, защемленная с двух концов, при линейном смещении одной из заделок. Эта особенность позволила рекомендовать при расчете колеса от такой нагрузки применять расчетную схему одной спицы. С использованием плоской конечно-элементной расчетной схемы одной спицы определены напряжения в спице колеса тепловоза 2ТЭ121. При таком виде нагружения в ней возникают незначительные напряжения. На контуре галтельного перехода от спицы к ободу максимальные напряжения 16 МПа. Заметное перераспределение напряжений наблюдается в спицах, занимающих горизонтальное положение. При реализации в контакте колеса и рельса продольной силы 30 кН в горизонтально расположенной спице возникает нормальная сила порядка 5 кН. При площади поперечного сечения спицы в начале галтельного перехода к ободу 10-3 м2 это приводит к появлению напряжений растяжения 5 МПа в одной спице и напряжений сжатия такого же уровня в другой.
От действия вертикальной силы, передаваемой от колеса на рельс, в спице также возникают напряжения довольно низкого уровня. В галтельном переходе к ободу в вертикально расположенной спице, прилегающей к месту контакта, они равны 28,2 МПа. Результаты получены расчетным путем с использованием плоской конечно-элементной расчетной схемы, содержащей три спицы.
Напряжения, вызванные действием боковой силы.
Для расчета колеса со спицевым центром использована плоскопространственная стержневая расчетная схема [57]. Одной из сложных задач при построении расчетной схемы колеса является определение крутильной жесткости обода с напрессованным на него бандажом. В расчете они представлены одним стержнем с криволинейной осевой линией с поперечным сечением, составленным из сечений обода и бандажа. Крутильная жесткость кольца с таким сечением определена с использованием модели.
Стержневая расчетная схема колеса со спицевым центром представлена на рис. 8.19. Кроме кольца с найденными характеристиками изгибной и крутильной жесткости в нее включены спицы, длина упругой части которых за вычетом участков галтельных переходов, представленных как абсолютно жесткие, принята 17,73-10-2 м. Участок кольца, к которому примыкает спица длиной 9-10-2 м в расчетной схеме рассматривается как абсолютно жесткий. Боковая сила 120 кН приложена к жесткой консоли на радиусе качения колеса.
Рис. 8.19. Плоскопространственная стержневая расчетная схема колеса со спицевым центром и эпюры нормальных напряжений (МПа) на нижних волокнах спиц от боковой силы 120 кН
Спица рассматривается как стержень переменного сечения, размеры которого изменяются по линейному закону. Таким образом, расчетная схема колеса представлена как плоскопространственная статически неопределимая система. Статическая неопределимость раскрыта методом сил. В качестве неизвестных в каждом замкнутом контуре выбраны поперечная сила, крутящий и изгибающий моменты в сечении кольца, расположенном на середине межспицевого участка. Коэффициенты канонических уравнений метода сил вычислены с использованием интегралов Мора с учетом компонент от изгиба, кручения и сдвига. Для спицы ввиду ее переменной по длине жесткости интегралы взяты численно по формуле трапеций с разбиением ее упругой части на 50 участков. Для кольца рассмотрены две составляющие изгибающего момента относительно главных осей его поперечного сечения. Эпюры изгибающих и крутящих моментов для криволинейной части схемы представлены на рис. 8.20. Приближенные оценки, базирующиеся на замене сложного сечения кольца равновеликим прямоугольником, показывают, что от боковой силы в ободе и бандаже возникают максимальные касательные напряжения 18 и нормальные 33 МПа.
В спицах возникают сравнительно небольшие крутящие моменты.
Рис. 8.20. Эпюры моментов (Η·μ) для криволинейной части расчетной схемы колеса со спицевым центром от боковой силы равной 120 кН: 1 — крутящего; 2 — изгибающего
Наибольшие касательные напряжения возникают во второй и третьей, считая от нагруженной боковой силой (10 МПа). Изгибающие моменты во всех спицах, кроме четвертой, изменяют знак по длине. Эпюры нормальных напряжений, построенные для нижних волокон спиц, представлены на рис. 8.19. Наибольшие напряжения возникают в первой спице в начале переходного участка к ступице.