Дослідження термонапруженого стану бандажів при тепловій посадці на колісний центр колісної пари локомотива ЧМЭ 3 із використанням сучасних CAD/CAE систем комп’ютерного моделювання

Abstract

У процесі експлуатації колісна пара тепловозу ЧМЭ 3 зазнає динамічних навантажень від конструкцій залізничної колії та статичних навантажень від ваги обладнання. Широко застосовуються колісні пари, в яких бандаж натягується на колісний центр методом нагрівання. Дана операція проводиться на спеціальному обладнанню методом рівномірного нагрівання бандажу із подальшим натягом бандажу на колісний центр і запресовкою бандажним кільцем. Щільність насадки бандажу на колісний центр перевіряється за поширенням звукової хвилі удару. При тепловому способі натягу бандажу на колісний центр виникають температурні напруження та деформації бандажу, які зумовлені впливом дії температури нагрівання бандажу. Тому у кваліфікаційній роботі проведено оцінювання рівня температурних напруження та деформацій, які виникають у бандажі при дії температури нагрівання. Об’єкт дослідження – бандажі колісних пар тепловозу ЧМЭ 3. Предмет дослідження – термонапружений стан бандажу при дії температури при тепловому натягу бандажу на колісний центр колісної пари. Мета дослідження – визначити термонапружений стану бандажів при тепловій посадці на колісний центр колісної пари тепловозу ЧМЭ 3 із використанням сучасних CAD/CAE систем комп’ютерного моделювання. За результатами кваліфікаційної роботи виконано такі задачі досліджень: -проведено аналіз механізму виникнення температурних напружень при натягу бандажу на колісний центр, методом температурного нагрівання; -побудовано модель бандажа колісної пари тепловозу ЧМЭ 3 у програмному комплексі SolidWorks; 6 -отримано розподіл температурного поля, температурних напружень та деформацій у бандажі колісної пари тепловозу ЧМЭ 3 методом скінченно-елементного моделювання у програмі SolidWorks. Встановлено, що величина температурних напружень, переміщень та деформацій бандажу колісної пари тепловозу із збільшенням температури нагрівання бандажу, при формуванні колісної пари, зростає. При нагрівання бандажу до температури t=250 ?C максимальна величина напружень склала 562 МПа, а до температури t=320 ?C, величина напружень склала 736,7 МПа. При заданих температурах максимальні значення переміщень склали відповідно 0,0432 мм і 0,0569 мм, а деформацій – 0,00134 мм та 0,00176 мм. Визначено, що рівень максимальних напружень перевищує 420 МПа, що може викликати зародження температурних тріщин. Тому проведення досліджень із визначення температурних напружень та деформацій бандажів колісних пар дозволить у майбутньому проводити оцінку міцності колісних пар із врахування температурної діє та покращити технологічні операції при формуванні колісних пар тепловим методом. Із цього випливає, що актуальною є задача оцінювання рівня температурних напружень та деформацій у бандажі колісної пари у залежності від величини температурного нагрівання бандажу при його посадці на колісний центр.During operation, the wheelset of the ЧМЭ 3 locomotive is subjected to dynamic loads from the railway track structures and static loads from the weight of the equipment. Wheelsets in which the tire is fitted onto the wheel center by heating are widely used. This operation is carried out using special equipment by uniformly heating the tire, followed by press fitting it onto the wheel center and securing it with a retaining ring. The fit tightness of the tire on the wheel center is verified by analyzing the propagation of the impact sound wave. In the thermal method of fitting the tire onto the wheel center, thermal stresses and deformations arise in the tire due to the effects of the heating temperature. Therefore, this qualification thesis assesses the level of thermal stresses and deformations that occur in the tire under the influence of heating. Object of the research – tires of the wheelsets of the ЧМЭ 3 locomotive. Subject of the research – the thermally stressed state of the tires under the effect of thermal fitting onto the wheel center of the locomotive wheelset. Purpose of the research – to determine the thermally stressed state of the tires during thermal fitting onto the wheel center of the ЧМЭ 3 locomotive wheelset using modern CAD/CAE computer modeling systems. The following research tasks were completed as part of the qualification thesis: The mechanism of thermal stress formation during the heating-based tire fitting process onto the wheel center was analyzed; A model of the ЧМЭ 3 locomotive wheelset tire was created using the SolidWorks software suite; The temperature field distribution, thermal stresses, and deformations in the wheelset tire of the ЧМЭ 3 locomotive were obtained using finite element modeling in SolidWorks. It was found that the values of thermal stresses, displacements, and deformations in the wheelset tire increase with higher heating temperatures during the wheelset assembly process. When heated to a temperature of t = 250 °C, the maximum stress reached 562 MPa, and at t = 320 °C, it increased to 736.7 MPa. At these 8 temperatures, the maximum displacement values were 0.0432 mm and 0.0569 mm, respectively, and the deformations were 0.00134 mm and 0.00176 mm. It was determined that the level of maximum stresses exceeds 420 MPa, which may cause the initiation of thermal cracks. Therefore, conducting studies to determine thermal stresses and deformations in wheelset tires will enable strength assessment of wheelsets under thermal effects in the future and improve the technological processes during wheelset assembly using the thermal method. This confirms the relevance of the task to evaluate the level of thermal stresses and deformations in the wheelset tire depending on the heating temperature during its fitting onto the wheel center.