Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 49567 10.20295/2223-9987-2022-1-33-47 Общетехнические задачи и пути их решения GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH Общетехнические задачи и пути их решения Investigation of stress-strain state at contact of cylindrical surfaces of parts of railway rolling stock Исследование напряженно-деформированного состояния при контакте цилиндрических поверхностей деталей железнодорожного подвижного состава Кротов Сергей Викторович Krotov Sergey Viktorovich svk-19587@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Кононов Дмитрий Павлович Kononov Dmitriy Pavlovich d_kononov@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Ростовский государственный университет путей сообщения Ростов-на-Дону Россия Rostov State Transport University Rostov-on-Don Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University St. Petersburg Russian Federation 30 03 2022 30 03 2022 2022 1 33 47 30 03 2022 https://izvestiapgups.editorum.ru/en/nauka/article/49567/view

Цель: Исследование деформаций и напряжений при решении задач контактной прочности при взаимодействии железнодорожного колеса и рельса. Методы: Приведены основные методы определения напряженно-деформированного состояния при контакте двух цилиндрических тел. Использованы положения теории деформации упругих тел в постановке плоской задачи теории упругости. На основе методов интегрирования системы дифференциальных уравнений в работе дано решение в перемещениях при выполнении всех граничных условий пространственной контактной задачи теории упругости при качении и скольжении упругих тел из одинакового материала. Были проведены эксперименты по определению коэффициента крипа при фрикционном качении катков в условиях сухого трения. Результаты: Показана методика определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта с учетом зон скольжения. Выполнены расчеты составляющих напряжений аналитическим методом. Показано влияние нормальных и касательных сил на напряженно-деформированное состояние в зоне контакта. Показана опасность растягивающих напряжений. В данной работе, помимо силовых граничных условий, подробно формулируются и геометрические условия, которым должны удовлетворять взаимные перемещения и относительные скорости скольжения элементарных частиц материала в точках поверхности контактирующих тел. Определены касательные усилия в контакте и линейная деформация от их воздействия. Получены значения коэффициента крипа в функции от коэффициента тяги. Практическая значимость: Полученные результаты подчеркивают значительное влияние трения на снижение контактно-усталостной долговечности образцов и будут полезны в прогнозировании наступления отказа колеса или рельса при их взаимодействии.

Objective: Investigation of deformations and stresses in solving problems of contact strength in the interaction of a railway wheel and rail. Methods: The main methods for determining the stress-strain state at the contact of two cylindrical bodies are given. The provisions of the theory of deformation of elastic bodies are used in the formulation of the plane problem of the theory of elasticity. Based on the methods of integrating a system of differential equations, the paper provides a solution in displacements when all boundary conditions are met of the spatial contact problem of the theory of elasticity during rolling and sliding of elastic bodies of the same material. Experiments were carried out to determine the creep coefficient during friction rolling of rollers in dry friction conditions. Results: The method of determining the stress-strain state in the contact zone, taking into account the sliding zones, is shown. Calculations of the stress components are performed by the analytical method. The influence of normal and tangential forces on the stress-strain state in the contact zone is shown. The danger of tensile stresses is shown. In this paper, in addition to the force boundary conditions, geometric conditions are formulated in detail, which must satisfy the mutual displacements and relative sliding velocities of elementary particles of the material at the points of the surface of the contacting bodies. Tangential forces in contact and linear deformation from their impact are determined. The values of the creep coefficient as a function of the thrust coefficient are obtained. Practical importance: The results obtained emphasize the significant effect of friction on reducing the contact fatigue life of the samples and will be useful in predicting the occurrence of wheel or rail failure during their interaction.

 контактная прочность напряженно-деформированное состояние сцепление трение contact strength stress-strain state adhesion friction

Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М: Мир, 1989. - 510 с. Dzhonson K. Mekhanika kontaktnogo vzaimodeystviya [Mechanics of contact interaction]. Moscow: Mir Publ., 1989. 510 p. Fromm H. Arbeitsverlust, Formanderungen und Schlupf beim Rollen von treibenden und gebremsten Rädern oder Scheiben. Beitrag vig Analyse der Reibungsgasetee. Z. f. techn. Phys.-9 Jg.-1928.- S.299. Fromm H. Arbeitsverlust, Formanderungen und Schlupf beim Rollen von treibenden und gebremsten Rädern oder Scheiben. Beitrag vig Analyse der Reibungsgasetee. Z. f. techn. Phys.-9 Jg.-1928.- S. 299. Пинегин С. В. Контактная прочность и сопротивление качению / С. В. Пинегин. - М.: Машиностроение, 1969. - 243 с. Pinegin S.V. Kontaktnaya prochnost' i soprotivlenie kacheniyu [Contact strength and rolling resistance]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1969. 243 p. Ковальский, Б. С. Расчет деталей на местное сжатие / Б. С. Ковальский. - Харьков: ХВКИУ, 1967. - 222 с. Koval'skiy, B.S. Raschet detaley na mestnoe szhatie [Calculation of parts for local compression]. Khar'kov: KhVKIU Publ., 1967. 222 p. Вирабов Р.В. О реализации касательной силы в зоне контакта упругих тел при качении. - Машиноведение.- 1967.-№ 2.- с.93-106. Virabov R.V. O realizatsii kasatel'noy sily v zone kontakta uprugikh tel pri kachenii [On the implementation of the tangential force in the contact zone of elastic bodies during rolling]. Mashinovedenie [Mechanical engineering]. 1967, I. 2, pp. 93-106. Кротов С. В. Влияние трения на контактно-усталостную долговечность образцов из рельсовой и колесной стали/ С. В. Кротов, Д. П. Кононов, А. А. Соболев// Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2019. -Т. 16. -№ 2. - С. 212-219. Krotov S.V. Vliyanie treniya na kontaktno-ustalostnuyu dolgovechnost' obraztsov iz rel'sovoy i kolesnoy stali [Influence of friction on the contact-fatigue durability of specimens from rail and wheel steel]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Bulletin of the Petersburg University of Communications]. 2019, V. 16, I. 2, pp. 212-219. Krotov S. V. Application of the discriminant analysis at research of bearing ability of the wheel pair of the car / S. V. Krotov, V. P. Krotov // Transport problems.- Poland.- Gliwice.- V.6.- I.1.-2011.- P. 43-49. Krotov S. V. Application of the discriminant analysis at research of bearing ability of the wheel pair of the car / S. V. Krotov, V. P. Krotov // Transport problems.- Poland.- Gliwice.- V.6.- I.1.-2011.- P. 43-49. Кротов С. В. Показатели контактно-усталостной долговечности при взаимодействии колеса с рельсом в кривых участках пути/ С. В. Кротов, Д. П. Кононов, А. А. Соболев//Бюлл. рез. науч. исслед. - СПб.: ПГУПС.- 2019.- № 3.- С. 56-66. Krotov S.V. Pokazateli kontaktno-ustalostnoy dolgovechnosti pri vzaimodeystvii kolesa s rel'som v krivykh uchastkakh puti [Application of the discriminant analysis at research of bearing ability of the wheel pair of the car]. Byull. rez. nauch. issled. [Transport problems]. St. Petersburg: PGUPS Publ. 2019, I. 3, pp. 56-66. Кротов С. В. Контактно-усталостная долговечность рельсовой и колесной сталей / С. В. Кротов, Д. П. Кононов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2018. - Т. 15. - Вып. 1. - С. 54-61. Krotov S. V. Kontaktno-ustalostnaya dolgovechnost' rel'sovoy i kolesnoy staley [Indicators of contact-fatigue durability in the interaction of a wheel with a rail in curved sections of the track]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Byull. res. scientific research]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2018, V. 15, I. 1, pp. 54-61. Кононов Д. П. Использование фрактальных характеристик для анализа развития разрушения цельнокатаных колес / Д. П. Кононов, И. А. Иванов, С. В. Урушев, С. В. Кротов // Транспорт Российской Федерации. - 2018. - № 3 (76). - С. 68-71. Kononov D.P. Ispol'zovanie fraktal'nykh kharakteristik dlya analiza razvitiya razrusheniya tsel'nokatanykh koles [Contact-fatigue durability of rail and wheel steels / S. V. Krotov, D. P. Kononov]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Bulletin of the Petersburg University of Communications]. 2018, I. 3 (76), pp. 68-71. Кротов С. В. Основы теории несущей способности прессовых соединений колесных пар железнодорожных вагонов / С. В. Кротов // ФГОУ УМЦ ЖДТ. - М.- 2011. 152 с. Krotov S.V. Osnovy teorii nesushchey sposobnosti pressovykh soedineniy kolesnykh par zheleznodorozhnykh vagonov [Using fractal characteristics to analyze the development of the destruction of solid-rolled wheels]. FGOU UMTs ZhDT [Transport of the Russian Federation]. Moscow, 2011. 152 p. Кротов, С.В. исследование напряженного состояния в колесе вагона / С. В. Кротов, Д. П. Кононов // Бюлл. рез. науч. исслед. - СПб.: ПГУПС.- 2020.- № 3.- С. 26-40. Krotov, S.V. issledovanie napryazhennogo sostoyaniya v kolese [Fundamentals of the theory of the bearing capacity of press joints of wheel pairs of railway cars]. Byull. rez. nauch. issled. [FGOU UMC ZhDT]. St. Petersburg: PGUPS Publ. 2020, I. 3, pp. 26-40. Кротов С.В. Факторный анализ расчета несущей способности колесной пары вагона / С. В. Кротов, А. В. Сладковски //Транспорт Урала.-Екатеринбург.- 2012.-№ 2(33).-с. 36-40. Krotov S.V. Faktornyy analiz rascheta nesushchey sposobnosti kolesnoy pary vagona [study of the stress state in the wagon wheel]. Transport Urala [Byull. res. scientific research]. Ekaterinburg. 2012, I. 2(33), pp. 36-40. Воробьев А. А. Математическое моделирование параметров контакта колеса с рельсом для различных условий эксплуатации вагонов / А. А. Воробьев // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. - М.: Ин-т проблем естественных монополий, 2016. - № 1 (33). - С. 34-41. Vorob'ev A. A. Matematicheskoe modelirovanie parametrov kontakta kolesa s rel'som dlya razlichnykh usloviy ekspluatatsii vagonov [Mathematical modeling of wheel-rail contact parameters for different operating conditions of cars]. Vestnik Instituta problem estestvennykh monopoliy: Tekhnika zheleznykh dorog [Bulletin of the Institute of Problems of Natural Monopolies: Railway Engineering]. Moscow: In-t problem estestvennykh monopoliy Publ., 2016, I. 1 (33), pp. 34-41. Воробьев А. А. Контактное взаимодействие колеса и рельса / А. А. Воробьев // Вестник Иркутского государственного технического университета. - Иркутск: ИСТУ, 2009. - № 3 (39). - С. 42-47. Vorob'ev A.A. Kontaktnoe vzaimodeystvie kolesa i rel'sa [Contact interaction of wheel and rail]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Irkutsk State Technical University]. Irkutsk: ISTU Publ., 2009, I. 3 (39), pp. 42-47. Орлова А. М. Определение параметров контакта колеса с рельсом для различных условий эксплуатации полувагона / А. М. Орлова, А. А. Воробьев, А. В. Саидова, Д. Е. Керенцев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2015. - Вып. № 2 (43). - С. 74-84. Orlova A.M. Opredelenie parametrov kontakta kolesa s rel'som dlya razlichnykh usloviy ekspluatatsii poluvagona [Determination of wheel-rail contact parameters for various operating conditions of a gondola car]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of the St. Petersburg University of Communications]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2015, I. 2 (43), pp. 74-84.