При расчете температурных полей в деталях колеса со спицевым центром, возникающих при колодочном торможении, приняты следующие допущения [57]: в процессе торможения экипаж движется равнозамедленно; плотность теплового потока, выделяемого на поверхностях торможения, постоянна по всей площади; теплоотдача происходит по всей поверхности катания колеса, боковым и торцовым свободным поверхностям центра и бандажа. Коэффициент эффективной площади теплоподачи поверхности катания принят 0,858 с учетом того, что из площади поверхности катания 0,61 м2 вычитается часть площади, перекрываемой двумя тормозными колодками секционного типа (780-10-4 м2).
Для режима длительного торможения приняты следующие параметры: скорость движения экипажа, постоянная в процессе торможения, 11,1 м/с; сила нажатия на колодку Κт=33,354 кН; мощность торможения 57,4 кВт; температура окружающей среды 20 °C; продолжительность каждого из трех торможений 300 с; пауза между торможениями 60 с.
В расчетах использована плоская конечно-элементная расчетная схема, содержащая 1/24 часть колеса, заключенного между осевыми линиями спицы и межспицевого участка, образованная 1139 треугольными конечными элементами с 680 узлами. Сетка сгущена на переходном участке от спицы к ободу, минимальный размер элемента 1,3· 10-3 м.
Задача определения напряженно-деформированного состояния, вызванного действием температурного поля, решалась совместно с задачей формирования колеса с натягами в соединениях центра с бандажом и осью соответственно 1,6-10-3 и 0,3-10-3 м.
Для материалов деталей колесной пары приняты следующие теплофизические характеристики: плотность материала р= 7830 кг/м3; теплоемкость с=490 Дж/(кг-К); коэффициент теплопроводности λ=а-bТ, Вт/(м К); а=49,5; b=2,66·10-2 для материала бандажа; а=51,6; b=3,01х10-2 для материала литого колесного центра; а=49,98; b=2,75-10-2 для материала оси; Т - температура, °C. Коэффициент, учитывающий степень загрязнения торцовых поверхностей колеса, принят 0,9.
При решении нестационарной температурной задачи шаг по времени для процесса торможения принят 12 с, для паузы 20 с. Расчеты выполнены для двух толщин бандажа 910-2 и 3,6-10-2 м. На рис. 8.21 показано изменение температуры в точках спицы и бандажа, расположенных по оси спицы, для конечных моментов трех торможений (сплошные линии) и пауз между ними (штриховые линии). Изотермы в спице и бандаже построены для конечного момента последнего торможения. Наиболее интенсивному нагреву подвергается поверхность торможения бандажа: к конечным моментам трех торможений на них достигаются температуры 155, 224 и 283 °C. При торможении распределение температур по толщине бандажа характеризуется высокими градиентами, в течение пауз они уменьшаются. Температура в спице быстро затухает от обода к ступице, температура которой близка к температуре окружающей среды.
Для конечного момента третьего торможения выполнен расчет напряженно-деформированного состояния колеса. Эпюры напряжений, вызванных деформированием колеса и действием температурного поля, на контурах спицы и обода приведены на рис. 8.22.
Рис. 8.21. Температуры в точках, лежащих на осевой линии спицы, для конечных моментов процессов торможений и пауз между ними
Рис. 8.22. Напряжения (МПа) в спицевом центре с насажденным на него бандажом толщиной 9х10-2 м для конечного момента времени процесса торможения
Температурное поле вызывает существенное перераспределение напряжений в колесном центре. Если при насадке бандажа на посадочной поверхности обода максимальные давления возникали по осевой линии спицы и достигали 76 МПа, то под действием температурного поля стык раскрылся, образовался зазор 0,17-10-4 м, давление осталось на середине межспицевого участка (на 54 % посадочной поверхности) с максимальным значением 19,5 МПа. Напряжения на контуре переходного участка от спицы к ободу стали растягивающими и изменились от -272 до +95 МПа. Возросли напряжения на контурах обода, а максимум сместился на осевую линию спицы и достиг 346 МПа. Почти в 2 раза снизилось давление на посадочной поверхности оси (от 223 до 115 МПа). При раскрытии стыка бандажа и обода возможно попадание влаги на поверхности контакта и их коррозионное повреждение. Переменные напряжения на галтельном переходе от спицы к ободу характеризуются амплитудными значениями 187 МПа и являются причиной появления усталостных трещин в этой области.
Исследовано также напряженное состояние колеса при наиболее неблагоприятных для прочности соединения бандажа и обода параметрах [57]: близкой к минимальной допускаемой толщине бандажа 3,6-10-2 и натяге в соединении 1,3-10-3 м при прочих равных условиях.
Распределение температурного поля в точках спицы и бандажа, лежащих на оси спицы, для моментов процесса торможения 180 и 300 с и изотермы для момента времени 300 с представлены на рис. 8.23 и рис. 8.24. Очевидны следующие различия в распределении температур по сравнению с первым вариантом. При меньшей толщине бандажа нагрев бандажа, обода и спицы идет более интенсивно. К моменту времени 300 с на поверхности торможения в первом случае достигается температура 153 °C, а при малой толщине бандажа 252 °C. Возрастает термическое сопротивление стыка контактирующих поверхностей. Для момента времени 300 с его значение 2,57, тогда как в первом случае 0,71 м2 °С/кВт. Скачок температуры на стыке поверхностей достигает 34 °C. Как в бандаже, так и в ободе распределение температур существенно зависит от окружной координаты.
Монтажные напряжения и их перераспределение, вызванное действием температурного поля, для моментов процесса торможения 180 и 300 с представлены на рис. 8.25. При малой толщине бандажа и натяге 1,3-10-3 м на поверхности сопряжения бандажа с ободом возникают давления в 2 раза меньше, чем в рассмотренном выше случае. Максимальные давления в точке, лежащей на оси спицы, 30 МПа. Давления на посадочной поверхности оси снизились не столь сильно - до 180 МПа.
Рис. 8.23. Температуры в точках, лежащих на осевой линии спицы, для колеса с бандажом толщиной 3,6х10-2 м
Рис. 8.24. Изолинии температур (°C) в колесе с толщиной бандажа 3,6х10-2 м для момента времени процесса торможения 300 с
Рис. 8.25. Напряжения (МПа) на контурах спицевого центра при толщине бандажа
3,6х10-2 м для различных моментов процесса торможения: 1 - давления; 2 - окружные; 3 - контурные
На переходном участке от спицы к ободу максимальные напряжения уменьшились в 1,84 раза.
Как и в первом случае, возникающее при торможении температурное поле вызывает существенное изменение напряженного состояния колеса. К моменту времени торможения колеса 180 с максимальные давления на посадочной поверхности обода снижаются до 19,0 МПа, причем точка с максимальными давлениями располагается между осевыми линиями спицы и межспицевого участка. Сохраняется значение максимального напряжения на контуре переходного участка спицы, но максимум смещается к ободу. К моменту времени 300 с контакт исчезает на 54 % поверхности обода, контактные давления не превышают 13,4 МПа. Напряжения на контуре переходного участка спицы становятся растягивающими и достигают 49 МПа. Значительно изменяются и окружные напряжения в бандаже.