Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный

Моделирование износа колес и рельсов в
ПК «Универсальный механизм»
Лаборатория вычислительной механики,
Брянский государственный технический университет
www.universalmechanism.com
Моделирование износа профилей колес и рельсов
Методика расчета износа профилей колес и рельсов в ПК УМ:
Моделирование
взаимодействия
экипаж-путь
Множество условий
эксплуатации
Моделирование износа
Накопление износа и
съем материала
профиля
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Множество условий эксплуатации
Это множество определяет условия эксплуатации исследуемого объекта
Износ колеса
Параметры множества:
Износ рельса
Параметры множества:
• Тип пути: прямая, кривая, стрелка
• Экипажи: локомотивы, вагоны…
• Масса вагона (груженый, порожний)
• Масса экипажа
• Скорости движения
• Скорости движения
• Режимы: выбег, торможение…
• Режимы: выбег, торможение…
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример множества условий эксплуатации
Износ колес грузового вагона
Пример множества условий эксплуатации
для расчета износа колес вагона при
движении
по
пути,
который
можно
представить набором прямых и кривых
радиусами 300 и 600 м.
Параметры множества условий эксплуатации:
1. Кривая R = 300 м
скорости: 10, 15, 20 м/с
0.1
{0.2, 0.3, 0.5}
2. Кривая R = 600 м
скорости: 15, 25 м/с
0.2
{0.4, 0.6}
3. Прямая
скорости: 20, 30 м/с
0.7
{0.5, 0.5}
Весовые коэффициенты
участка пути
Весовые коэффициенты
скорости движения
Общее количество расчетов: 7
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Расчет динамики взаимодействия экипажа и пути
Расчет динамики взаимодействия экипажа и пути в ПК УМ
Экипаж – система
твердых тел
Модель пути
+
Контакт колеса и
рельса
+
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Контактные модели для расчета износа в ПК УМ
Модель FastSim
Нормальная задача:
Решение Герца
+
Касательная задача:
Алгоритм Калкера FastSim
y
dx
dy
x
Направление качения
Модель неэллиптического контакта
Нормальная задача:
Упругое основание Винклера
+
Касательная задача:
Алгоритм Калкера FastSim
для неэллиптических контактных пятен
p(x,y),
МПа
1500
15
y,
мм
10
5
1000
0
-11
-6
-1
-5
-10
y, мм
-15
-5
0
5 x,10
мм
Пятно контакта
500
4
0
9
-5
0
10
5
x, мм
Распределение нормальных
напряжений
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пятна контакта колеса и рельса
Модель неэллиптического контакта
Пятно контакта, зоны скольжения и
сцепления, силы крипа для модели
FASTSIM
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Анимация пятна контакта: неэллиптический контакт
Прохождение ровной кривой автомотрисой АС4
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Модель неэллиптического контакта
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример расчета динамики взаимодействия экипажа и пути
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Модели изнашивания
1. Модель Арчарда
I  kV A
3. Модель ВНИИЖТ
I  kV  2 p
I – объемный износ, м3;
kV – коэффициент объемного износа, м3/Дж;
A – работа сил трения, Дж.
2. Модель Шпехта
w  wкр ,
I  kV A,

I  kV  A, w  wкр ,
I – объемный износ, м3;
kV – коэффициент износа, м3/Дж;
A – работа сил трения, Дж;
w – мощность работы сил трения, Вт/м2;
wкр – критическая мощность, Вт/м2;
α – коэффициент скачка.
I – объемный износ, м3;
kV – коэффициент объемного износа, м3/Дж;
p – давление в пятне контакта;
ξ – полный крип.
4. Модель с учетом пластичности


I  kV   2  p*  min tg( p / p* ),1.5
I – объемный износ, м3;
kV – коэффициент объемного износа, м3/Дж;
p – давление в пятне контакта;
p* – критическое давление;
ξ – полный крип.
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Модель Арчарда
P
l
V
Уравнение износа
k  Pl
V
H
V – объемный износ
k – коэффициент износа
P – нормальная сила
l – путь скольжения
H – твердость
k  Pl
V
H
∙f
~ работа трения
V  kv A
kv – коэффициент объемного износа
A – работа сил трения
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Эпюры износа (распределение работы сил трения по профилю)
Профиль колеса и эпюра износа
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Эпюры износа
Как правило, чтобы получить гладкие
профили и избежать возникновения
«лунок» при изменении профиля в
процессе износа, максимальный съем
материала ограничен величиной порядка
0,1 мм.
Max
Эпюра износа
Фрагменты начального и изношенного профилей
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Профили колес и рельсов
Профили колеса и рельса
задаются B-сплайнами.
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Настройки проекта расчета износа
Окно настроек проекта расчета износа профилей
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Анализ результатов
Графики результатов:
• Все профили
• Все эпюры
• Все несглаженные эпюры
• Последний профиль
• Все последние профили
• Интенсивность износа
Окно анализа результатов
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Методика расчета износа в ПК УМ
Последовательный подход
Параллельный подход
n
Пройденный путь
1000 км
n 
1000 км
3
2
1000 км
1000 км
1
Условия эксплуатации
Первый этап – расчет динамики и
накопление эпюр износа для всего
набора условий эксплуатации. Второй
этап – съем материала профиля в
соответствии с эпюрами износа. Эти два
этапа
повторяются
до
получения
заданного износа.
Условия эксплуатации
Моделирование
динамики
и
съем
материала
профиля
происходят
параллельно. Профили обновляются через
некоторый малый пройденный путь и
далее динамика моделируется с новыми
профилями. Применяется только для
моделирования износа колес.
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Методика расчета износа в ПК УМ
Последовательный подход
Параллельный подход
Инициализация
Инициализация
Моделирование
динамики
Выполнение шага интегрирования,
включая расчет контакта
Моделирование
динамики
Накопление
износа
Накопление эпюр износа согласно
модели износа
Накопление
износа
Путь ∆s пройден
след. шаг
интегрир.
след. итерация
износа
t = tm
Закончено время моделирования tm
Съем
материала
Закончено время моделирования tm
след. шаг
интегрир.
∆s
Съем
материала
след. шаг
интегрир.
t = tm
Окончание
it = n
Окончание
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример использования параллельного подхода
Моделирование износа в кривой R = 300 м
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Сравнение двух подходов
Модель автомотрисы
Набор условий эксплуатации:
• кривая R = 300 м, v = 13 м/с (вес = 0.125)
• кривая R = 600 м, v = 15 м/с (вес = 0.25)
• прямая, v = 20 м/с (вес = 0.625)
Съем материала через каждые 50 км
Количество итераций – 100
Пройденный путь – 5000 км
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Сравнение двух подходов
Начальный и изношенный профили
начальный профиль
последовательный
подход
параллельный
подход
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Износ рельса в кривой R = 300 м.
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример расчета. Совместный износ.
Модель вагона
Моделирование движения грузового вагона
осуществлялось в кривой R = 300 м
Профили колеса и рельса
Скорости движения вагона:
30; 46,6 (равновесная скорость); 70 км/ч.
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример расчета. Совместный износ.
Профили колеса и рельса:
исходный, после 20, 40, 60 и 80 итераций
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример расчета. Совместный износ.
Контакт колеса и рельса
Исходные профили
Профили после 20 итерации
Профили после 40 итерации
Профили после 80 итерации
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»
Пример расчета. Совместный износ.
Совмещение изношенных профилей колес и рельсов
Моделирование износа колес и рельсов в ПК «Универсальный механизм»