25 февраля 2017
03:04

Формула прочности

Учёные РАН смоделировали процессы взаимодействия системы «колесо – рельс»

Учёные РАН смоделировали процессы взаимодействия системы «колесо – рельс». Компьютерному моделированию процессов изнашивания в системе «колесо – рельс» сейчас уделяют большое внимание в ведущих отечественных и зарубежных научных центрах.
Учёные РАН смоделировали процессы взаимодействия системы «колесо – рельс»

Ирина Горячева, академик РАН, заведующая лабораторией трибологии Института проблем механики (ИПМех) РАН
Компьютерному моделированию процессов изнашивания в системе «колесо – рельс» сейчас уделяют большое внимание в ведущих отечественных и зарубежных научных центрах.

– Ирина Георгиевна, чем вызван такой интерес учёных к данной проблеме?
– Изучение взаимодействия системы «колесо – рельс» – одна из сложнейших и интереснейших задач на стыке многих дисциплин: математического моделирования, механики, трибологии, физики, химии. Её решение поможет обеспечить безопасность движения поездов, увеличить вес грузовых составов, повысить эффективность работы железнодорожного транспорта в целом. Но, чтобы добиться успеха, нужно максимально полно представить процесс движения поезда по рельсам в виде математических формул и символов.
Специалисты нашей лаборатории трибологии ИПМех РАН уже много лет занимаются проблемами изнашивания в системе «колесо – рельс» и изучением процессов накопления повреждённости в металле. Чтобы вывести эти исследования на более высокий уровень, в сотрудничестве с коллегами из лабораторий транспортного металловедения ВНИИ железнодорожного транспорта и динамических систем Брянского государственного технического университета (БГТУ) мы недавно создали современный вычислительный комплекс моделирования динамики и изнашивания колёс и рельсов.

– Что он собой представляет?
– Автор динамической части комплекса профессор Дмитрий Погорелов (БГТУ) разработал систему автоматического генерирования уравнений движения подвижного состава на основе созданной конструкторами механической (для вагонов) или электромеханической (для локомотивов) схемы экипажа.
Сотрудники нашего института разработали теоретические методы решения контактных задач изнашивания (в частности, в системе «колесо – рельс», но на более простых с точки зрения динамики и точности моделях). Мы определяли закономерности изнашивания для различных материалов, решали контактные задачи с учётом так называемого «третьего тела» – промежуточной среды различного происхождения между двумя деформируемыми твёрдыми телами.
Группа компьютерного моделирования ВНИИЖТа, возглавляемая профессором Сергеем Захаровым, занималась проблемами взаимодействия колеса и рельса прежде всего с точки зрения практических результатов эксплуатации подвижного состава железных дорог.
Возможности нового комплекса уникальны. Теперь все параметры движения экипажа (сила тяги, скорость и т.д.) легко определять в каждый момент времени. То есть специалисты получили возможность полнее и точнее решать задачу имитации процесса перемещения локомотивов и вагонов по рельсам.
Прежде мы для этого использовали более простые модели, которые позволяли получить лишь приблизительные параметры движения. Сейчас учёные могут рассчитать даже сложные переходные процессы (например, вписывание подвижного состава в кривые разных радиусов) и определить «узкие места», где наиболее вероятен сход поезда с рельсов, и тому подобное.

Благодаря новому комплексу специалистам стало проще наблюдать за изменением формы профилей колёс и рельсов и рассчитывать накопление различных повреждений в них
– Какова точность проводимых вами расчётов?
– Прежде всего комплекс позволил заметно увеличить скорость проводимых вычислений параметров изнашивания колёс и рельсов. Ведь теперь мы смогли отойти от классического шага измерений (линейного отклонения поверхности между двумя точками) 0,1 мм, увеличив его до 0,2 мм без снижения точности расчётов. С помощью комплекса можно не только детально учитывать все особенности пути, локомотива и профилей колёс, но и определять обратное влияние изнашивания на динамическое поведение экипажа подвижного состава.
Проведённые в нынешнем году эксперименты позволяют утверждать, что новшество стало гибким, универсальным и адекватным инструментом исследования движения экипажей железнодорожного транспорта. В частности, в нём при расчёте величин износа колёс и рельсов предусмотрено исследование целых маршрутов движения поездов с одновременным использованием нескольких видов подвижного состава в различных условиях.
Учёным стало проще наблюдать за изменением формы профилей колёс и рельсов и рассчитывать накопление различных повреждений в них, что важно для анализа условий образования выщербин в металле при пропуске тяжеловесных составов. Также при помощи нашей разработки можно проследить влияние процесса изнашивания на накопление контактной усталости стали.
В зависимости от заказов железнодорожников в комплекс можно вводить дополнительные блоки и программы, которые позволят изучать, например, влияние новой конструкции тележки на параметры динамики движения и изнашивания колёс и рельсов.

– Приведите, пожалуйста, примеры задач, которые можно решить при помощи компьютерного моделирования.
– Комплекс позволяет проводить многопараметрический анализ движения колёсного экипажа подвижного состава. При этом на комбинированном участке пути (с кривыми различных радиусов и прямой) мы можем проводить исследования, имитируя износ гребня до 14 мм, а рельса – до 11 мм. Наша математическая модель воспроизводит движение самого сложного экипажа с сухим трением (грузовой вагон) на участке пути 650 метров и скорости 60 км/ч.
Чтобы рассчитать на компьютере, какой при этом будет износ металла, учёным потребуется около 5 минут. Более простые модели можно рассчитать в несколько раз быстрее. Всего для определения параметров износа гребня колеса на 8 мм потребуется от 200 до 400 подобных математических операций. В будущем мы планируем заняться решением других перспективных научных задач: моделированием волнообразного износа рельсов, определением некруглости колёс и многим другим.

Беседовал Роман Мартынов


Справка «Гудка»
    Сотрудники лаборатории трибологии ИПМех РАН в течение последних 10 лет совместно с коллегами из ОАО «ВНИИЖТ» проводят систематические исследования по проблеме взаимодействия колёс подвижного состава с рельсами.
    В их основе лежат теоретические разработки учёных лаборатории по механике контактного взаимодействия, теории изнашивания и контактной усталости. Они разработали трибодинамическую модель, связывающую динамику рельсового экипажа с износом колёс и рельсов.
    Лаборатория имеет парк оптических микроскопов, оснащённых современными системами визуального анализа изображений: электронный сканирующий микроскоп (увеличение до 160 000 раз), микротвердомер производства Японии, профилограф производства Германии и др.
    Специалисты лаборатории совместно с коллегами из ОАО «ВНИИЖТ» создали новый алюминиевый антифрикционный сплав марки АО10С2, который сейчас широко используют для изготовления подшипников скольжения на заводах России и Республики Беларусь.

Адрес редакции: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 38/2, строение 3
Телефоны: (499) 262-15-56, (499) 262-26-53 Реклама: (499) 753-4953
E-mail: gudok@css-rzd.ru; welcome@gudok.ru
Яндекс цитирования
Автором и владельцем сайта WWW.GUDOK.RU© является ОАО «Издательский дом «Гудок». Пожалуйста, ВНИМАТЕЛЬНО прочитайте Правила использования материалов нашего ресурса