Контактные задачи железнодорожного транспорта - Экспериментальное исследование контактной задачи для колеса и рельса

Размеры пятен контакта локомотивного колеса и рельса на натурных объектах измерялись при центральном положении колесной пары относительно рельсовой колеи [17]. Прокат исследованных колес по кругу катания составлял 0 ... 7 мм. Отпечатки пятен контакта получены с помощью копировальной бумаги на листах писчей бумаги. Установлено, что форма и размеры контакта изменяются с увеличением проката. Если для профилей неизношенных колес пятно имеет форму близкую к эллиптической и вытянуто вдоль рельса, то с увеличением проката от 0 до 7 мм номинальная площадь контакта возрастает почти в 3 раза.
При исследовании микрогеометрии поверхностей катания колеса и рельса использовались слепки с поверхностей, микрогеометрические измерения которых выполнены на профилометрах-профилографах. Среднее арифметическое значение параметра шероховатости для неизношенного колеса Ra=1,25 мкм. С увеличением проката его значение уменьшается и при прокате 3 мм Ra=0,62 мкм, а затем вновь возрастает.
Исследования форм контактных пятен вагонных и локомотивных колес с рельсами показали [46], что в процессе изнашивания они существенно изменяются. Методами геометрического моделирования исследована форма пятен контакта колеса вагона при прохождении кривой с углом набегания 0,5° при отношении горизонтальной силы к вертикальной 0,1 (рис. 10.19). Буквами С и F обозначены контактные пятна на поверхности катания соответственно головки рельса и гребня с боковой гранью рельса. В процессе изнашивания колеса контакт С, имеющий вначале форму эллипса, приобретает форму вытянутого в поперечном направлении прямоугольника, а контакт F все больше вытягивается в продольном направлении.

Рис. 10.19. Изменение формы контактных пятен, расположенных на поверхности катания головки рельса (C) и гребне модели колеса (F), в зависимости от числа циклов нагружения n
На специальном стенде, предназначенном для ускоренных эксплуатационных испытаний, были измерены контактные площади для грузового вагона массой 120 т. Для относительно новых колеса и рельса получены пятна контакта близкие по форме к эллиптическим, размеры которых несколько больше, чем найденные по теории Герца. При увеличении износа пятно все меньше похоже на эллиптическое, оно приобретает форму неправильного прямоугольника, вытянутого в поперечном направлении. Для нового колеса получены средние контактные давления порядка 724 ... 858 МПа, а для изношенного - 541 ... 703 МПа.