Баубеков Е.Е.

КУПС, г Алматы, Республика Казахстан

ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ В РЕАЛЬНЫХ ТРИБОСИСТЕМАХ

Обобщая результаты работ Г.Герца, А.Н.Динника, М.М.Саверина, Л.А.Галина, И.Я.Штаермана, С.В.Пинегина и др. предлагаем оценивать сопротивление материалов контактно-усталостным повреждениям при равных эквивалентных напряжениях, которые учитывают напряженное состояние в контакте от нормальных и касательных усилий через интенсивность напряжений и шаровой тензор, а также механические свойства материалов через «степень участия сдвиговой деформации в разрушении материала» (отношение сопротивления материала срезу и разрыву). Как будет показано далее, повреждаемость материала при контактном взаимодействии в реальных трибосистемах может не только не снижаться с увеличением сил трения и, соответственно, эквивалентных напряжений, но может еще и увеличиваться. Это происходит потому, что повреждаемость при контактной усталости зависит в большей степени не от исходного напряженного состояния контакта, как это считалось в начале века, и не от усредненного напряженного состояния, которое достигается к моменту зарождения трещины контактной усталости, как это считается сейчас, а неоднородностью пластического деформирования и, соответственно, поля остаточных напряжений, которое создастся к моменту зарождения усталостных повреждений. Учет изменения даже усредненных значений напряженного состояния, условий контактирования, поля остаточных напряжений и свойств материала в процессе циклического взаимодействия, является чрезвычайно сложной задачей, развиваемой в настоящее время такими учеными, как Дж.Дж.Калкер [1], А.Ф.Боувер, К.Л.Джонсон [2], И.Г.Горячева и М.Н.Добычин [3]. Учет неоднородности деформирования и возникающей вследствие этого неоднородности поля остаточных напряжений в настоящее время вообще невозможен, поскольку нет методики измерения и учета несовершенства формы тел качения и неравномерности их движения. Более того, неизвестно даже какие из параметров формы тел и неравномерности движения приводят к неоднородному распределению деформации.

б)

а) колесо-рельс, 1-D_к=850 мм, R_p=300 мм, 2-D_к=950 мм, R_p=300 мм, 3-D_к=850 мм, R_p=470 мм, 4-D_к=950 мм, R_p=3000 мм; б) цилиндрические ролики D=40 мм, R=6 мм

Рис. 1. Зависимость контактного давления от нагрузки.

Поэтому оценка и сравнение свойств материалов производилась в условиях равенства максимальных напряжений по Герцу, как это делалось ранее при сравнении износо- и контактно-усталостной стойкости образцов, колес и рельсов, как у нас, так и за рубежом. Это позволило сравнивать результаты наших экспериментов с результатами экспериментов других авторов. Для машинного расчета эллиптических интегралов и построения графиков был использован метод академика А. Н. Динника [4] (программа построения графиков, составленная с использованием этого метода, представлена в приложении). Зависимости максимального давления по Герцу от нагрузки для пары колесо-рельс на окружности катания и для цилиндрических роликов диаметром 40 мм и шириной контакта 6 мм представлены на рис. 1, а, б. Как видно из рис. 1, давления, соответствующие эксплуатационным, достигаются при нагрузках на стандартные лабораторные ролики от 750 до 2000 Н. При среднесетевой нагрузке на ось 18 тонн и усредненном профиле колес и рельсов давления в контакте колесо-рельс составляет 600...800 Н/мм².

Направляющие усилия на гребнях колес без учета ударного взаимодействия достигают Y= 0,96 Р, где Р - нагрузка на колесо [5,6]. Замеры боковых сил в кривых радиусом 300 м показывают, что они приближаются к 100 кН/ось [7]. Следовательно, направляющие усилия и давления на боковых гранях рельсов имеют тот же порядок, что и на окружности катания.

В экспериментах использовались максимальные давления по Герцу при испытаниях в условиях качения с проскальзыванием и номинальные давления в условиях чистого скольжения. Максимальное контактное давление по Герцу при испытаниях на трение-качения цилиндрических роликов рассчитывалось по формуле:

(1)

где: Р - нагрузка на ролик; b - ширина контакта; r_р, r_к – радиус рельсовых и колесных роликов. При испытаниях в условиях чистого скольжения рассчитывались средние номинальные давления на поверхностях трения по формуле:

(2)

где: А - номинальная площадь изношенной поверхности неподвижного образца.

Литература:

1. Kalker J. J. Wheel-rail rolling theory. Wear. 1991. N 144. P. 243-261.

2. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.:Наука, 1995.

3. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение, 1988.

4. Динник А.Н. Избранные труды. Т1. Киев, изд. АНУССР, 1952,152с.

5. Вершинский СВ., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагонов. М.: Транспорт, 1978. 352 с.

6. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986, 560 с.

7. Кудрявцев Н.Н., Бомбардиров А.П., Сасковец В.П. Нагруженность колес пассажирских вагонов в эксплуатации. Вестник ВНИИЖТ, N6, 1983, с. 26...29.