WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ВАГОНОВ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ДИНАМИЧЕСКОГО К КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОМУ АНАЛИЗУ Научно-производственное ...»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

КОНТАКТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ

ВАГОНОВ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ДИНАМИЧЕСКОГО К

КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОМУ АНАЛИЗУ

Научно-производственное объединение НПО «Интеграл», г.Челябинск

И.Н. Гиляжев, директор НПО Интеграл (г.Челябинск)

Э.Ю. Князев, руководитель технического отдела представительства MSC.Software Corporation, (г.Москва) В.М. Дубинин, зам. директора по информ.-техн. сопровождению (г.Челябинск)

1. Введение Задачи трибологического характера, рассматривающие процессы трения скольжения между контактными парами трения находят широкое распространение в классической инженерной деятельности. Тем не менее, данные процессы фрикционного взаимодействия в узлах и парах трения механических систем нельзя назвать простыми. Известно множество проводимых исследований в направлениях статического и динамического трения, предметом которых является установление количественного и качественного характера изнашивания; тем не менее, до сих пор реальные процессы, происходящие при контактных взаимодействиях, представляют собой нетривиальные явления, приводящие к переводу подвижного состава в неисправное состояние по причине возникновения недопустимых износов.

Накапливая большую часть кинетической энергии движущегося вагона, они способствуют преобразованию этой энергии в тепловую, которая выделяется на поверхностях трения (наиболее характерными из них являются взаимодействия тормозных колодок и поверхностей катания колесных пар). При этом процессы преобразования энергии происходят в довольно короткие интервалы времени.



Это происходит как и на ранних этапах начала торможения, когда контактные тела (грани тормозных колодок) только начинают касаться поверхности катания колес, так и в процессе реализации полного тормозного эффекта, приводящего к накоплению интенсивного износа. Данный фактор дополняется эффектом теплового расширения тел в контакте: как по окончанию предварительного процесса торможения, так и при накоплении равномерного износа колодки, когда радиусы контактного взаимодействия становятся практически одинаковыми. Затем, когда система охлаждается и присутствует значительное снижение температуры, происходят значительные термические деформации, что приводит к эффекту краевого опирания и неравномерного прижатия колодок к поверхностям катания колес.

Настоящая статья посвящена описанию возможностей совместного применения динамического и конечноэлементного анализов при исследовании трибологических процессов с целью прогнозирования эволюции профиля износа пар трения в установившихся режимах.

2. Описание верификационного эксперимента и особенности моделирования его динамической системы Для нахождения взаимосвязь задач динамики и трибологии износа, на базе лаборатории Южно-Уральского государственного технического университета (ЮУрГУ, г. Челябинск) была проведена серия практических экспериментов, моделирующих процессы торможения простейшей механической системы грузового вагона (тормозная колодка - колесо) по схеме «колодка – диск», (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальный стенд (трибомашина мод. УМТ-01) В рамках данного эксперимента основной целью являлось изучение процессов контактного износа, происходящих при достижении установившегося режима торможения, вследствие чего общее время каждого эксперимента составляло порядка 20 сек. Значения нормальной и фрикционной сил трения регистрировались на специальных измерительных устройствах стенда на всем интервале времени рабочей фазы эксперимента.





Стандартные образцы измерения контактного износа были приняты по типовой схеме трения «колодка-диск», которая является подобием тормозной механической системы вагона; образец «колодка» был выполнен из изотропного материала (аналог - Сталь 20); образец «вал», имитирующий подвижное колесо, также был представлен изотропным материалом (аналог Сталь 40) с более жесткими характеристиками по твердости (рис.

2):

Рис. 2. Конструкторские параметры диска (деталь - вал) и испытательного образца (деталь - колодка) В соответствии с принятой схемой измерения, испытательный образец «колодка» равномерно прижимается по нормали к поверхности трения вала с величиной прилагаемой силы в 500Н (50 кгс). Скорость вращения вала при эксперименте составляла порядка 400 об\мин, при этом угловая скорость вращения и нормальная сила прижатия от гидроцилиндра стенда поддерживались постоянными на протяжении всего эксперимента.

На иллюстрации (рис. 3) представлена характерная площадка износа на поверхности образца «колодка» по завершению одного из экспериментов. На ней наглядно представлено, что износ колодки формируется начальными профилями контактирующих поверхностей тел и его профиль не является симметричным: износ с левой стороны немного меньше износа с правой стороны. Асимметрия картины износа образована особенностью трения колодки и вала а также тем фактором, что интенсивность образующегося износа выше у колодки, имеющей более мягкий по свойствам материал. Это явление достаточно хорошо объясняется формой цилиндрического вала в контакте с телом колодки. Измеренное значение коэффициента трения на трибологическом стенде составило в среднем 0.38 для различных выборок эксперимента.

Рис. 3. Профиль износа поверхности образца после 20 сек. скольжения

Также, по результатам проведённых экспериментов можно было заметить, что и износ и распределение температур на поверхности образца происходил интенсивнее по краям непосредственно в зонах контакта, что также объясняет заниженный нагрев в центральной точке колодки ввиду отсутствия фактического контакта между сопрягаемыми телами на начальной стадии эксперимента.

С целью последующего моделирования износа контактирующих тел, практическая часть была дополнена динамической моделью этой механической системы (рис.4) с соблюдением всех геометрических и кинематических условий.

Рис. 4. Силовые факторы контактного взаимодействия в пакете динамического анализа системы На выходе динамического анализа были получены графические и табличные зависимости характеристик контактного взаимодействия (главный вектор и главный момент контактных сил) по условиям сопряжения «точкицилиндр». Данные характеристики являлись базовыми и рассчитывались с целью их последующей передачи в комплекс конечноэлементного анализа MSC.Mentat\Marc как одно из граничных возмущающих воздействий во временной области.

3. Конечно-элементное моделирование С целью более адекватного понимания процессов изнашивания с учетом температурного влияния в зоне контактного взаимодействия колодки и вала, была проведена серия конечноэлементных расчетов в термомеханической постановке в соответствии с предварительно разработанным алгоритмом (рис. 5). При этом каждый этап моделирования износа посредством МКЭ условно разбивался на четыре подзадачи.

На первоначальной стадии происходит процесс конечно-элементного расчета на уровне задачи структурной прочности. При этом образец прижимается к поверхности вала, который начинает вращаться с постоянной угловой скоростью, измеряемой при помощи датчиков стенда. Тепло от трения на каждом шаге (итерации) расчета изменяется на каждом контактном узле конечноэлементной сетки, которое передается далее по закономерностям тепломассопереноса сетки вала на колодку.

На последующих этапах расчета начальная температура перераспределяется в соответствии с результатами предыдущей итерации процесса расчета. На представленных блоках алгоритма, происходят дальнейшие конечно-элементные расчеты, однако при этом уже учитываются свойства применяющихся материалов относительно свойств теплового расширения.

На заключительном блоке итерационно рассчитывается поузловой износ, основанный на распределении контактных давлений, определяемых в соответствии с выражением (1) с учетом перестроения узлов контакта по нормали к поверхностям, что и является уникальной особенностью модели контактных взаимодействий, реализованных в пакете MSC.Mentat\Marc.

Применительно к рассматриваемой задаче контактного взаимодействия и с учетом имеющегося функционала MSC.Mentat\Marc модель абразивного износа представлена по классической закономерности Арчарда:

= ; (1)

– коэффициент износостойкости; - распределение нормальных сил контакта где по узлам; – путь относительного перемещения тел в контакте; - значение твердости.

–  –  –

Как только определятся значения поузловых износов, происходит перемещение контактных узлов на величину рассчитанных значений по нормали к поверхности контакта.

Поузловой износ на каждом изнашивающемся узле контактной площади также рассчитывается на основании схемы Арчарда и является следствием выражения (1):

hi Ws pit, (2) где hi - значение износа на стадии расчета; pi - распределение контактных давлений по узлам i; - скорость относительного скольжения; t - интервал времени моделирования на шаге.

Для выравнивания эффектов распределения пиковых контактных давлений, которые сопровождаются относительно высокими контактными температурами на поверхностях, при реализации алгоритма моделирования предусматривается внутренняя процедура сглаживания. Когда контактные пары входят в состояние взаимодействия, моделируется перемещения граничных узлов пропорционально действующим контактным давлениям, кинематическим параметрам выражения (2) а также свойствам применяющихся материалов по нормали к локальным поверхностям контакта.

–  –  –

Шаг по времени моделирования при термомеханическом анализе был подобран равным t = 0,1 сек, таким образом, полное время для каждого эксперимента (20 сек. скольжения), моделировалось последовательностью 200 шагов.

Сетка конечноэлементной модели в объемной постановке моделировалась посредством восьмиузловых гексаэдральных (3D) элементов различной конфигурации с учетом соответствия геометрии на ответных поверхностях контакта. Испытуемый образец «колодка» моделировался посредством 8-узловых объемных элементов размерности порядка 1 мм (рис.

6). В конечноэлементной модели учитывалась имеющая место асимметрия относительно схемы приложения нагрузок и возможных относительных перемещений по условиям закреплений. В контактной постановке задачи, вал моделировался аналогичными элементами без значительного влияния на условия контактного взаимодействия с учетом термомеханических факторов.

Нормальная возмущающая сила, как граничное условие, прикладывалась через горизонтальную поверхность импортом табличного описания из пакета динамического анализа через табличный процессор MS Excel©.

–  –  –

При структурном термомеханическом расчете методом конечных элементов параметр теплопроводящей способности среды, был принят равным 20 Вт/(м2K) и прикладывался к поверхностям образца за исключением поверхностей контакта.

Тепловыделение от трения аналитически описывалось следующим образом.

Суммарная мощность теплового потока определяется пропорционально работе силы трения в соответствии с (3):

–  –  –

Суммарный тепловой поток распределяется между двумя контактными телами во временной постановке. Как показали данные проводимых экспериментов, большая часть теплового потока анализируемой механической системы распределялась через вал - при этом распределение теплового потока изменялось по времени.

Значение коэффициента теплового распределения принималось в данном расчете как постоянное числовое значение; полное значение теплового потока определялось по зависимости (4):

–  –  –

- коэффициент пропорциональности теплового потока принимался: K пр 0.25.

Значения температурно-зависимых свойств среды в форме аналитических зависимостей по отдельно взятым интервалам температур были выведены на основании представленной выше таблицы 1.

4. Результаты моделирования параметров контактного взаимодействия На графической иллюстрации (рис. 7) отображается рассчитанное значение износа колодки после 20 секунд трения - скольжения. При детальном анализе графика видно, что износ имеет ассиметричный характер – собственно, как и результаты проведенных экспериментальных испытаний.

Правая сторона колодки имеет значение износа несколько большее, чем левая часть. С другой стороны, интенсивность износа не изменяется значительно в осевом направлении, что еще раз подтверждается данными проводимого эксперимента. Количественные сравнения результатов практического эксперимента и имитационного моделирования показывают незначительные расхождения в пределах инженерной точности верификационной модели.

Рис. 7. Визуализация износа образца после 20 секунд скольжения На рисунке 8 представлено распределение температур в тормозной колодке на конечной стадии моделирования. Можно видеть, что части около краев контактной области колодки имеют самую высокую температуру.

Рис. 8. Визуализация распределения температур после 20 секунд скольжения На верхней цилиндрической части обнаруживаются точки с высокими температурами в зонах их контакта по аналогии с точками на последнем цикле моделирования.

Длина площадки износа при эксперименте составила порядка 7 мм (правая часть) и 5 мм (левая часть), в случае моделирования МКЭ данные значения площадки износа составили 6 мм и 4.5 мм соответственно. Рисунок 9 отображает накопленные значения износа по поверхности контакта с начала моделирования по завершению 5, 10, 15 и 20 секунд трения-скольжения.

Как и было зафиксировано по результатам эксперимента, на начальной стадии расчета, только два ребра на поверхностях контакта колодки и вала находятся в контактном взаимодействии. Позднее, контакт переходит на несколько точек взаимодействия, когда стадия за стадией происходит изменение профиля вследствие износа и теплового расширения.

Можно сравнивать результаты, приведенные на рисунках 10 и 11 и выявить, что расположенные рядом контактные точки имеют более высокие амплитудные значения распределения температур, кроме того теплоотдача от трения пропорциональна контактным давлениям.

–  –  –

По результатам проведения расчетов МКЭ можно также определить, что зоны контакта перемещаются из начальной позиции в крайних положениях на среднюю часть с одновременным перемещением профиля износа и по краям.

5. Дальнейшие направления исследований контактных взаимодействий динамических моделей грузовых вагонов с учетом влияния процесса изнашивания Учитывая, что реальное поведение конструкций грузовых вагонов (рис.12) в эксплуатации сопровождается процессами равномерного и неравномерного формоизменения (износа) зон контакта вследствие упругих и пластических деформаций, в последнее время сверхактуальное значение принимает уточнение картины моделирования движения вагона с учетом происходящего изнашивания вследствие влияния конструкторских, технологических и эксплуатационных факторов.

Так, только упрощенная модель «среднестатистического» четырехосного вагона (модель-аналог – платформа мод. 13-401, рис.13) включает в себя в общей сложности порядка 180 зон контактного трения, форма и состояние которых существенно влияет на как на отдельно взятый экипаж, так и на динамику всего состава в целом.

Рис.12 – Исходная твердотельная сборка вагона-аналога (платформа мод. 13-401), CAD-уровень Рис.13 – Подсистемы контактных взаимодействий динамической модели грузовой вагон «Freight Wagon» (кузов, колесо-рельс, автосцепное и ударно-тяговое оборудование, гаситель колебаний, двухосная тележка), MBS-уровень Практическим подтверждением оценки изнашивания тел в контакте с учетом данных динамического анализа как входных параметров можно считать оценку изнашивания узла сопряжения пятник-подпятник вагона аналога (рис.14) с получением профиля изнашивания по отдельно взятому участку движения – прохождение платформой поворота радиусом R=200 м в течении 20 секунд движения в порожнем состоянии с допустимой скоростью.

Рис.14 – Твердотельная в разрезе (слева) и конечноэлементная (справа) модели узла сопряжения «пятник-подпятник» четырехосной платформы, CAE-уровень Рис. 15 – Фрагменты граничных условий и контактные тела (в центре) узла сопряжения пятник-подпятник, CAE – boundary conditions С учетом разработанной схемы нагружения CAE-модели (рис.14), где в качестве граничных условий выступали относительные перемещения контактирующих тел а также силовые факторы в зоне контакта (рис. 15) был проведен демонстрационный расчет изнашивания опорной и упорной поверхностей контакта, имитирующий реальный износ пятника вагона в эксплуатации. В качестве трибологических параметров, оцениваемых в результате расчета (рис.16), выступали поля: контактных давлений, нормальных и тангенциальных контактных сил, относительные перемещения, реакции внешних сил, эквивалентные напряжения, контакт-статус, суммарный износ, скорость изнашивания.

Рис. 16 – Результаты расчета изнашивания по поверхностям – по опорной (сверху) и упорной (снизу) с учетом перестроения профиля (в форме изолиний и числовых значений) По завершению расчетов формоизменения достигается главная цель имитационного моделирования: через нейтральный формат данных возможен возврат измененной формы тел в контакте на уровень динамического анализа, который далее позволит имитировать поведение механической системы (вагона) на определенный момент жизненного цикла, например, конечную стадию межремонтного пробега.

Таким образом, дополнение динамического анализа элементами конечноэлементного моделирования по зонам трения (рис.17) с учетом изнашивания сможет обеспечить:

- определение значений тепловых эффектов, возникающих в контакте;

- расчёт результирующего профиля изнашивания тел в контакте;

уточнение динамики рельсовых экипажей, например, на конец межремонтного пробега;

- учет влияния на динамику проводимых ремонтов подвижного состава с постановкой элементов модернизации (изменение геометрии, материалов, технологии производства, изготовления и пр.);

- задействовать в модели трения т.н. «третьи тела» и оценить их влияние на состояние контактной пары (продукты трения, наличие смазки, износостойких подкладок и т.д.);

- анализ процессов возникновения износов с учетом упругого или пластического характера их развития;

- оценку влияния внешних эксплуатационных факторов (скоростные режимы, план-профиль пути, степень нагруженности и т.д.) на динамику подсистем вагона с выходом на эволюцию профиля износа;

- изучение состояния тел в контакте с учетом задач контактной усталости и последующим выходом на т.н. конформные профили контактных тел;

- соизмерение технического уровня целесообразности перевода вагонов из рабочего в нерабочее состояние.

Рис.17 – Подсистемы контактных взаимодействий динамической модели «Freight Wagon»

(буксовый узел, боковые опоры кузова, колесо-рельс, пятник-подпятник, фрикционные клинья, автосцепное и ударно-тяговое оборудование, роликовый подшипник и пр.)

6. Выводы

Процесс контактного взаимодействия при относительном перемещении и внешней нагрузке на элементы простейшей механической системы вагона был промоделирован экспериментально, посредством динамической модели и при помощи методов конечноэлементного моделирования с учетом происходящего процесса изнашивания. При моделировании учитывался итерационный характер накопления износа, генерация теплового потока основывалась на явлении контактного трения, оценивалось влияние термическое расширения при дальнейшей реализации теплового расчета. На всех последующих интервалах расчета происходило установление фактического изменение профиля контактных поверхностей путем перемещения узлов КЭ сетки с учетом обновления геометрии, что является уникальной особенностью комплекса MSC.Mentat\Marc.

Это позволило с некоторой степенью достоверности промоделировать нестационарный процесс трения и оценить прогнозируемый износ с учетом эффектов теплового расширения на основании влияния контактных температурных контактных зон.

Связанные между собой динамические и конечно-элементные методы прогнозирования износа в дальнейшем могут быть применены для моделирования реальных процессов, подверженных влиянию конструкторских, технологических и эксплуатационных факторов, с целью повышения уровня безопасности работы подвижного состава на протяжении всего жизненного цикла.

7. Источники литературы

1. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. М: Машиностроение, 1984. 280 с.

2. Основы трибологии \ Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2001, 664 с.

3. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении.

М.: Наука 1967, 232 с.

4. MSC.Mentat\Marc2012 -Volume A: Theory and User Information\Mechanical Wear – s.203-220

5. Справочник по триботехнике \ Под ред. М. Хебды и А.В. Чичинадзе. М.:

Машиностроение. Варшава: ВКЛ. Т.1, 1989. 400с.; Т.2, 1990, 420с.; Т.3,

Похожие работы:

«Документ предоставлен КонсультантПлюс Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 ноября 2012 г. N 1647-ст НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАРТОФЕЛЬ СЕМЕННОЙ ПРИЕМКА И МЕТОДЫ АНАЛИЗА S...»

«Все права защищены. Книга или любая ее часть не может быть скопирована, воспроизведена в электронной или механической форме, в виде фотокопии, записи в память ЭВМ, репродукции или каким-либо иным способом, а также использована в любой информа...»

«Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2013 6) 425-437 ~~~ УДК 669.85.86 Восстановление синего оксида вольфрама водородом Л.П. Колмакова*, Н.Н. Довженко, О.Н. Ковтун Сибирский фед...»

«Ф Е Д Е Р А Л Ь Н О Е АГЕНТСТВО ПО Т Е Х Н И Ч Е С К О М У Р Е Г У Л И Р О В А Н И Ю И МЕ Т Р О Л О Г И И СВИДЕТЕЛЬСТВО об утверждении типа средств измерений RU.C.27.007.A № 43125 Срок действия до 01 декабря 2013 г.Н И Е О А И Т П С Е С ВИ М Р Н Й А М Н В Н Е И А РДТ ЗЕЕИ Проекторы измерительные ПИ 600ЦВ1 ИГТВТЛ ЗООИЕЬ Открытое...»

«УДК 378.147.85:004.9 © Богданова Т.Л. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ КАК ФОРМА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ Постановка проблемы. Одной из важнейших задач современной высшей школ...»

«Интернет-журнал "НАУКОВЕДЕНИЕ" Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Выпуск 3, май – июнь 2014 Опубликовать статью в журнале http:/...»

«руО ОТКРЫТОЕАКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕДОРОГИ" (ОАО "РЖД") РАСПОРЯЖЕНИЕ " 1 " апреля 2014г. №814р Москва Обутверждении Технологической инструкции Техническое обслуживание электровозов итепловозов вэксплуатации В целях актуализации требований при проведении работ в объем...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.