1 Введение
Увеличение скорости в железнодорожном сообщении приводит к более
высоким требованиям к системе защиты колес от скольжения. При слишком интенсивном торможении и низком коэффициенте сцепления
может произойти блокировка колес. Это означает, что колеса имеют скорость скольжения V, но не угловую скорость. При скольжении по рельсу между контактирующими телами образуется высокая температура на поверхности и вблизи точки контакта. Это может даже вызвать изменения в микроструктуре материала колеса и привести к образованию хрупкого и твердого слоя мартенсита. Таким образом, на ободе могут появиться трещины и сколы , что в конечном итоге приведет к повреждению колеса . Упрощенная тепловая модель была использована для оценки того, где ожидаются фазовые изменения в случае торможения с блокировкой. Чтобы предсказать последствия этого типа скольжения, было проведено исследование
2 Контакт колеса с рельсом
На самом деле оба контактирующих тела подвергаются упругой деформации из-за нагрузки на ось. Если мы примем справедливость герцевской контактной механики, это приведет к эллипсоидному контактному пятну, которое можно разделить на два сегмента: область адгезии и область скольжения. В зоне скольжения местное давление недостаточно велико для передачи тангенциальной силы без проскальзывания. В случае стопорного торможения область скольжения покрывает весь участок контакта. Контакт колеса с рельсом обычно описывается с помощью функции коэффициента сцепления – продольной ползучести. Последний изображена виртуальная скорость скольжения, вызванная деформацией колеса вблизи пятна контакта. Для упомянутой выше функции доступны только аппроксимации. Один из них можно увидеть на рис. 1 , где также обозначена область торможения блокировки. Хорошо видно, что граница чистого скольжения расположена на минимуме (или максимуме в случае движения) графика. После этого может наблюдаться значительное снижение.
3 Защита от скольжения колес
Система защиты от скольжения колес (WSP) интегрирована в базовое тормозное оборудование. Согласно стандартам EN15595 и UIC 541 - 05, максимальная скорость скольжения не может превышать 30 км/ч, а продолжительность блокировки скольжения не может превышать 0,4 секунды. EN15595 также ограничивает количество общей энергии на колесо. Это значение составляет 26 кДж на точку контакта. В данной работе мы рассмотрим, могут ли эти требования полностью исключить образование мартенсита .
4 Материал колеса
Колеса для подвижного состава в основном изготавливаются из низколегированной стали. Для моделирования использовалась сталь с содержанием углерода 0,5 %. Как показано на кривой CCT на рис.2, этот материал претерпевает фазовые изменения при высоких температурах. Выше 735°С наблюдается частичное образование аустенита, а выше 780°С- полная аустенитизация. При быстром охлаждении мартенситная фаза замещает ранее аустенизированные точки.
5 Моделирование
5.1 Геометрия
Для моделирования была построена упрощенная модель. Поскольку
размер точки контакта невелик по сравнению с размерами колеса, учитывались только детали вблизи контактной поверхности. Таким образом, объемами, далекими от этой области, включая фланец, пренебрегали. Особая конусообразная форма протектора также не учитывалась, так как она незначительно влияет на результаты. Это привело к цилиндру, который можно было разрезать пополам в соответствии с рисунком 3 из-за симметричного расположения корпуса. Контактный эллипс был заменен эквивалентным прямоугольником, который имел ту же самую площадь как исходная поверхность .
5.2 Зацепление
Сетка модели была реализована с использованием тетраэдрических элементов. Окончательную сетчатую геометрию можно увидеть на рис. 4. Поскольку вблизи пятна контакта ожидались большие градиенты , в этой области была применена более плотная сетка. Самый высокий размер ячейки составлял 1 мм, а самый маленький мы установили на 0,15 мм, как показано на рис. 4.
5.3 Тепловое моделирование
Моделирование проводилось с помощью программ с открытым исходным кодом.Для предварительной обработки, например, геометрического моделирования и сетки, мы использовали Salome. Элмер служил для вычисления термических уравнений конечных элементов. Результаты оценивались в ParaView. Входные данные были даны в соответствии с параметрами реального железнодорожного вагона, записанными в таблице 1. Значения скорости и продолжительности скольжения были заданы в соответствии с требованиями систем защиты скольжения колес (WSP), чтобы проверить, достаточно ли они строги для предотвращения мартенсита образование. Выбранный коэффициент адгезии аналогичен коэффициенту , используемому Кеннеди для минимизации ошибок, возникающих при различных параметрах адгезии при применении коэффициента компенсации, упомянутого в подразделе 5.7.
5.4 Допущения
В ходе моделирования было установлено несколько допущений. Например, не было потерь тепла в окружающую среду. Мы пренебрегли температурной зависимостью свойств материала. Механические эффекты, такие как напряжения и деформации, не принимались во внимание. Коэффициент сцепления и скорость скольжения были установлены постоянными. Тяга была однородной по всей поверхности контакта. Третий слой, например, какая-то жидкость, не появлялся между контактирующими телами.
5.5 Сегменты моделирования
Моделируемый процесс состоит из трех частей. Рисунок 5 показывает значительное изменение температуры точки в колесе вблизи точек контакта. В сегменте I точка проходит через быстрый прогрев из-за состояния скольжения блокировки. Колесо можно рассматривать как движущийся источник тепла с точки зрения рельса. Поэтому температура точек контакта стремится к равновесному значению в случае сегмента II, так как скорость проводимости и охлаждающий эффект рельса практически одинаковы. Зависимость между теплопроводностью и скоростью транспортного средства характеризует эту стадию и определяет, будет ли достигнуто равновесие. Затем в сегменте III происходит значительное охлаждение , когда колесо снова начинает вращаться .
5.6 Граничные условия
Граничные условия были определены в соответствии с геометрическими упрощениями, показанными на рис. 6. На контактном участке задается тепловой поток при скольжении и конвективный теплообмен в интервале охлаждения. Протектор находится в контакте с окружающей средой, поэтому в этой области происходит конвективный теплообмен. На плоскости симметрии был определен нулевой тепловой поток . На остальных границах применялась постоянная температура-20 °С. Это равно начальному значению температуры, так как мы предполагаем, что эти поверхности таковы. далеко от пятна контакта, что никакого повышения температуры там не ожидается.
5.7 Входной тепловой поток
Если тепловыделение отсутствует, то величину теплового потока к колесу можно рассчитать по мощности силы трения на единицу площади, как показано в уравнении 1. Мы предполагаем, что нормальная нагрузка проистекает из веса транспортного средства и распределяется поровну на каждом колесе. Это приводит к следующему
где A - поверхность контакта, m-масса транспортного средства, n - число осей, μ - коэффициент сцепления, w - скорость скольжения, β-коэффициент перегородки. Коэффициент разбиения β обусловлен движением колеса. При скольжении горячий фронт контактных точек постоянно соприкасается с более холодным сегментом рельса. Следовательно, компенсирующее тепло направляется к рельсу, тем самым уменьшая количество тепла, поступающего в колесо. Это явление можно описать компенсационным коэффициентом, который показывает, сколько процентов вырабатываемого тепла добирается до штурвала. Согласно Кеннеди , этот параметр является сложной функцией времени и координат. Прямое исследование рельса не принималось во внимание, так как распределение температуры в рельсе не представляет интереса в данной статье. В дополнение к этому применение тепловой модели с двумя корпусами вызвало бы ряд проблем, включая, например, материал и форму рельса, а также так называемый третий слой между контактирующими компонентами. Кроме того, моделирование стало бы более сложным из-за измененных граничных условий, сетки и связи. Это привело бы к необходимости дальнейших упрощений, что также привело бы к неточностям. Основывающийся исходя из этой мысли, было бы более выгодно включить влияние рельса через эмпирический фактор разделения.
6 Результаты
6.1 Распределение температуры
Распределение температуры на плоскости симметрии видно на рис. 7. На основании полученных результатов стало ясно , что даже температура точек глубиной 0,5 мм достигает области полной аустенитации.
6.2 Охлаждение
Чтобы проверить, произойдет ли образование мартенсита, интервалы восстановления приведенных выше графиков были помещены на логарифмически масштабированные кривые CCT. Стало ясно, что в каждой исследуемой точке охлаждение было достаточно быстрым, чтобы образовать мартенсит.
6.3 Область возможного образования мартенсита
Мы предположили, что мартенсит будет появляться в каждой точке, где температура достигла частичного аустенитного сегмента раньше. В соответствии с этим область возможного образования мартенсита вблизи точек контакта можно рассматривать как полуэллипсоид.
Полученные результаты показывают, что современные требования к системе защиты скольжения колес в соответствии с UIC 541-05 не препятствуют образованию мартенсита вблизи протектора. Как упоминалось ранее, EN15595 также включает ограничение в отношении общей энергии на колесо. Уравнение 2 показывает метод расчета полной энергии:
где t - продолжительность. В нашем случае это значение оказалось в
соответствии с уравнением (3).
что также превышает требуемые 26 кДж полной энергии. Это означает, что в случае установки параметров в значения в таблице 1, ожидается образование мартенсита. Было проведено дальнейшее моделирование, чтобы выяснить, какие значения скорости и длительности скольжения могут привести к уменьшению количества генерируемой полной энергии. Сначала мы провели два моделирования с разной длительностью: 0,3 с и 0,2 с. Другие параметры, включая скорость скольжения , были установлены так же, как и раньше. Затем была рассчитана полная энергия, как показано в уравнениях 4 и 5 В случае длительности 0,3 с генерируемая полная энергия меньше заданного значения. Однако это видно на рисунке 15 и 16, что образование мартенсита все еще происходит, если торможение блокировки длится 0,3 с. Затем мы провели еще 2 моделирования с различными скоростями скольжения: 25 км/ч и 20 км/ч. Скольжение было 0,4 с длиной, чтобы устранить эффект изменения длительности. Уравнения 6 и 7 выражают полную энергию. Если скорость была установлена на 25 км/ч, то общая энергия не превышала 26 кДж, но, появление мартенсита все еще присутствовало.
Стало ясно, что ни UIC 541-05, ни UIC 15595 не содержат требований, достаточно строгих для полного устранения образования мартенсита, как это видно из табл. 2, который содержит эффект изменения скорости и продолжительности скольжения при сохранении других параметров постоянными. В двух случаях (подписанных светло-красным фоном) количество полной энергии достигает или даже превышает предел в 26 кДж. Таким образом, даже если система защиты от скольжения колеса работает должным образом, тонкий слой мартенсита может появиться вблизи пятна контакта из-за блокировки торможения. Это указывает на то, что из с термической точки зрения контролируемое образование мартенсита допускается в соответствии со стандартами. Для оценки повреждений колес потребуется дальнейшее механическое моделирование.
(С оригиналом статьи можно ознакомиться по адресу : https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2102/2102.12243.pdf)