Sprężysto-tłumiąca więź kontaktowa w numerycznych symulacjach drgań układu pociąg – tor

• Autorzy: Lalewicz Piotr , Bryja Danuta

Warianty tytułu

EN

Visco-elastic contact spring in numerical simulations of train – track system vibrations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W sprzężonym układzie pociąg – tor, kontakt pomiędzy podukładami występuje na styku każdego koła z szyną. Najpopularniejszym obecnie modelem kontaktu stosowanym w symulacjach numerycznych drgań jest idealnie sprężysta, zlinearyzowana więź Hertz’a bazująca na teorii kontaktowej Hertz’a. W bogatszych wariantach modelu kontaktowego uwzględnia się dodatkowo dyssypację energii na styku koła z szyną. W literaturze brakuje porównań tych modeli wskazujących na skutki zastosowania konkretnego rozwiązania. Zasadniczym celem niniejszej pracy jest analiza porównawcza skutków zastosowania dwóch wybranych więzi kontaktowych w symulacjach numerycznych drgań układu pociąg – tor. Rozważono standardową zlinearyzowaną więź sprężystą typu Hertz’a i więź sprężysto-tłumiącą zdefiniowaną przez autorów, bazującą na tłumieniu histerezy. Skutki zastosowania tych więzi kontaktowych zbadano na podstawie porównania wyników symulacji pionowych drgań toru z nierównością progową, przez którą przejeżdża pociąg stanowiący zespół pojazdów kolejowych. Na podstawie wykonanych analiz numerycznych postawiono tezę, że zastosowanie modelu kontaktowego koło – szyna wzbogaconego o tłumienie histerezy jest sensowne wtedy, gdy badania są ukierunkowane na stan wytężenia toru i efekty zmęczeniowe w torze i pojeździe kolejowym. Stwierdzono ponadto, że pominięcie tłumienia w strefie kontaktu nieco zaniża prawdopodobieństwo wystąpienia utraty kontaktu, a więc nie prowadzi do prawidłowej identyfikacji tego zjawiska.

EN

In train – track coupled systems, interaction between subsystems occurs in wheel-rail contact. The most common contact model is perfectly elastic, linearized Hert’z spring. It has wide range of application in numerical simulations. In more detailed interaction models, the energy dissipation in wheel-rail contact is taken into account. There are no known comparisons of these models in the literature, that would indicate the effects of a specific solution application. In this paper, the main purpose is to analyze and compare the effects of two contact models in terms of numerical simulations of train – track vibrations. The reference contact model taken into account is linearized, perfectly elastic Hert’z spring. The second spring, proposed by the authors is enriched with viscous element based on hysteresis damping. Application of both models, and its effects were examined in plane, train – track vibrations simulations with threshold inequality excitation in the middle of the track length. Concluding from the analyzes performed, it was found that viscoelastic contact model application is important, when track stresses and fatigue are being investigated. In addition, it was found that neglecting the damping element in contact model reduces the probability of the wheel – rail contact loss phenomenon, and thus leads to incorrect identification of its occurrence.

Słowa kluczowe

PL

kontakt; koło; szyna; Kontakt Hertza; zlinearyzowane więzi kontaktowe; dynamika układów; pociąg; tor

EN

wheel; rail; contact; Hertz contact; linearized contact spring; train; track; dynamic

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej
• Czasopismo: Przegląd Komunikacyjny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 76, nr 6/7
• Strony: 14--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Lalewicz Piotr

• Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Katedra Dróg, Mostów, Kolei i Lotnisk

autor

Bryja Danuta

• Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Katedra Dróg, Mostów, Kolei i Lotnisk

Bibliografia

• [1] Bosso N., Spiryagin M., Gugliotta A., Somá A., Mechatronic modeling of real-time wheel-rail contact, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2013.
• [2] Xu L., Zhai W., A three-dimensional model for train-track-bridge dynamic interactions with hypothesis of wheel-rail rigid contact, Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, vol. 132, 471-489.
• [3] Zhai W., Vehicle – Track coupled dynamics theory and applications, Springer, Science Press Beijing, 2020
• [4] Zhai W., Sun X., A detailed model for investigating vertical interaction between railway vehicle and track, International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 1994, vol. 23, 603-615
• [5] Zhai W., Two simple fast integration methods for large – scale dynamic problems in engineering, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1996, vol. 39, 4199-4214
• [6] Podwórna M., Klasztorny M., Wpływ cech pojazdów szynowych na odpowiedź dynamiczną mostu belkowego, Drogi i Mosty, 2011, nr. 3, 63-87.
• [7] Xu X. Y., Li Y. L., Dynamic analysis of wind-vehicle-bridge system based on rigid-flexible coupling method, Advances in Civil, Environmental, and Materials Research ACEM16, 28.08.2016.
• [8] Esveld C., Modern railway track, MRT-Productions, The Netherlands, 2014.
• [9] Pombo J., Ambrosio J., Silva M., A new wheel – rail contact model for railway dynamics, Vehicle System Dynamics, 2007, vol 45, 165-189.
• [10] Lankarani H., Nikravesh P., A contact force model with hysteresis damping for impact analysis of multibody systems, Journal of Mechanical Design, 1990, vol 112, 369-376.
• [11] Johnson K. L., Contact mechanics, Cambridge University Press, Cambridge, 1985.
• [12] Knothe K., Stichel S., Rail vehicle dynamics, Springer, Cham, 2017.
• [13] Sun Y.Q., Dhanasekar M., A dynamic model for the vertical interaction of the rail track and wagon system, International Journal of Solids and Structures, 2002, vol 39, s. 1337-1359.
• [14] Skrinjar L., Slavic J., Boltezar M., A review of continuous contact– force models in multibody dynamics, International Journal of Mechanical Science, 2018, vol 145, 171-187.
• [15] Shabana A., Zaazaa K. Escalona J. Sany J. Development of elastic force model for wheel/rail contact problems, Journal of Sound and Vibration, 2004, vol 269, 295-325.
• [16] Lee T., Wang A., On the dynamics of intermittent – motion mechanisms, Part I. Dynamic model and response, Journal of Mechanisms Transmissions and Automation in Design – Transactions of the ASME, 1983, vol 105, 534-540.
• [17] Bryja D., Chojnacki W., Dwustronna więź kontaktowa Hertz’a w numerycznej analizie drgań sprzężonego układu pociąg-tor, Przegląd Komunikacyjny, 2019, r. 74, nr 11, 2-7.
• [18] Klasztorny M., Dynamika mostów belkowych obciążonych pociągami szybkobieżnymi, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2005.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).