Контактные задачи железнодорожного транспорта - Нагрузки, действующие на колесо

При формировании колесной пары в деталях колеса возникают монтажные напряжения, в том числе контактные на сопрягаемых поверхностях. Прочность посадочных соединений зависит от значений натягов. Относительный натяг назначается 0,001...0,0015, т.е. 0,16 ... 0,3 мм в соединении оси со ступицей колеса и 1,1 ... 1,5 мм в соединении бандажа и центра колеса. Верхние значения указанных диапазонов следует рассматривать как предельно допускаемые. С увеличением натягов в деталях колеса возникают пластические деформации, приводящие к потере натяга.
Для исследования монтажных напряжений используются численные методы, в частности, базирующиеся на использовании конечно-элементных расчетных схем. Экспериментальными методами исследованы напряжения, возникающие в диске колеса и бандаже. Случаи измерения напряжений на контактирующих поверхностях являются уникальными.
Распределение контактных напряжений изменяется в зависимости от эксплуатационных нагрузок, действующих на колесо. Их существенное перераспределение обусловлено температурным полем, возникающим при торможении путем прижатия колодки к поверхности катания колеса. Для расчета температурных полей, напряжений и деформаций разработаны пакеты прикладных программ, максимально учитывающие особенности этой задачи.
В расчетах должны также учитываться силы, действующие на колесо при движении экипажа по железнодорожному пути. Возможности вычислительных комплексов, таких как MEDINA, «Универсальный механизм» [167], близки к тому, чтобы дать информацию о силах, действующих на колесную пару при заданных условиях движения в любой момент времени, а так же их статистическое распределение в интервале времени. В результате натурных испытаний накоплен большой объем информации о воздействии экипажей на путь, позволяющий установить значения сил, действующих на колесо при движении экипажа на различных участках пути.
Разработаны также приближенные методы расчета сил, действующих на колесо при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок, использующие эмпирические зависимости. В качестве наиболее неблагоприятного режима для колеса вагона рассматривается движение в кривом участке пути, учитывается также ветровая нагрузка, совпадающая по направлению с силами инерции, возникающими при вписывании в кривую [39]. Нагрузки, являющиеся внешними по отношению к колесной паре, прикладываются к ее шейкам, силы взаимодействия с рельсами рассматриваются как реактивные. В расчетах учитывается вертикальная статическая нагрузка груженого вагона и динамическая, возникающая при колебаниях обрессоренных масс. Реакция рельса определяется с учетом рамной силы и сил инерции необрессоренных масс.
На колесную пару локомотива кроме рассмотренных выше сил действуют также силы тяги и силы, связанные с работой тяговых двигателей [54].
При расчете напряженно-деформированного состояния, вызванного действием рассмотренных нагрузок, методом конечных элементов используется усеченная расчетная схема, включающая колесо и часть оси, отсеченную на удалении от подступичной части, превышающем диаметр оси. На узлы, расположенные в этом сечении, накладываются связи, обеспечивающие кинематическую неизменяемость расчетной схемы, а силы прикладываются к шейке и колесу в месте контакта с рельсом.
При решении задач с учетом контактных напряжений в посадочных соединениях колеса нельзя использовать принцип суперпозиции. Расчет напряжений и деформаций от любой из перечисленных нагрузок не может проводиться в отрыве от решения контактных задач для этих сопряжений.