Инженеры компании UST Inc. постоянно работают над совершенствованием струнного рельса, стремясь создать изделие с низким погонным весом и высокими эксплуатационными характеристиками. Упор делается на долговечность, износостойкость, надежное сцепление с поверхностью рельса.
Юникар U4-430 на испытаниях в ЭкоТехноПарке, Марьина Горка (Беларусь) / © Unitsky String Technologies Inc.
Чтобы определить способ улучшения этих характеристик, инженеры изучили влияние геометрических параметров стального колеса и гибкого струнного рельса на полимерное покрытие. Также в ходе эксперимента специалисты ставили цель найти оптимальные параметры контактной пары «колесо – рельс».
В качестве модели гибкого рельса во время исследований выступала плоская струна из стальных проволок, собранных в один ряд и защищенных от внешнего воздействия полимерным составом (полиуретаном).
Такая конструкция обладает низким удельным весом, отличается невысоким уровнем шума при движении юнимобилей по струнному рельсу.
В качестве критериев оптимизации характеристик были выбраны следующие показатели:
• максимальный уровень контактных напряжений в паре «цилиндрическое колесо – полимерная головка рельса»;
• максимальный размах напряжений в несущих стальных проволоках (струнах) при воздействии циклической вертикальной нагрузки от колес подвижного состава.
Для расчетов была выбрана параметрическая твердотельная конечно-элементная модель контактной пары «цилиндрическое колесо — полимерная головка рельса».
В состав модели вошли гибкий рельс с предварительно напряженными проволоками и сектор колеса, передающий вертикальное усилие от веса юнимобиля.
В ходе расчетов и экспериментов белорусские инженеры определяли:
• влияние диаметра проволок на величину размаха напряжения. Это определяющий критерий выбора конструктивных параметров. Он позволяет оценить усталостную выносливость несущих элементов рельса в зависимости от размаха напряжений в проволоках рельса, образующихся под воздействием колес подвижного состава. Расчеты показали, что минимально допустимый диаметр проволок — 4 мм при условии увеличения их количества до 20, что соответствует ширине рельса примерно 100 мм. Рекомендуемый диаметр проволок – 5 мм при их количестве 12 и ширине рельса 75 мм;
• влияние ширины контакта «колесо — рельс» на уровень контактных напряжений. Влияние ширины на контактное напряжение изучалось для следующих значений параметра: 50, 60, 75, 90 и 100 мм.
Результаты расчета указывают на обратно пропорциональную нелинейную зависимость уровня контактных напряжений стального колеса с полимерным слоем рельса от ширины контакта. Для того чтобы избежать чрезмерного износа полимерного слоя, рекомендовано применять рельс шириной не менее 75 мм;
• влияние толщины полимерного слоя на уровень контактных напряжений. Инженеры провели моделирование пятна напряжений в зоне контакта «колесо – рельс» в зависимости от различной толщины полимерного слоя над стальными проволоками. Оно показало, что изменение толщины полимерного слоя незначительно влияет на уровень контактных напряжений в контактной паре «стальное колесо — полимерный рельс». При увеличении толщины в 2 раза — с 5 до 10 мм — контактные напряжения снижаются на 18 процентов;
• влияние упругих свойств материалов колеса и рельса на уровень контактных напряжений и величину пятна контакта. Было смоделировано контактное взаимодействие пары «колесо — рельс» при различных сочетаниях упругих свойств материалов. Специалисты рассмотрели 12 комбинаций, где модуль упругости для полимерного слоя рельса принимался 50, 200 и 1000 МПа, для колеса — 50, 200, 1000 и 200 000 МПа. Показателем оптимальности было выбрано произведение максимального уровня контактных напряжений и площади пятна контакта. Чем меньше данный показатель, тем меньше удельное сопротивление качению колеса по рельсу, а значит, и энергозатраты на движение юнимобиля. Сочетание материалов со значением модуля упругости 1000 МПа как для рельса, так и для колеса определено как оптимальное.
Эксперимент доказал, что долговечность несущих элементов легкого рельса определяется величиной изгибающего момента под колесом подвижного состава. Для обеспечения их требуемой надежности рекомендуется ограничить нагрузку на колесо до 2500 Н, а суммарную площадь проволок одного рельса при однорядном расположении выбрать не менее 2,3 см2.
По результатам расчета пятен контакта для различных сочетаний материалов колеса и рельса был предложен показатель, характеризующий удельное сопротивление качению колеса по рельсу. И здесь оптимальна контактная пара, где модуль упругости полимерной головки рельса равен модулю упругости материала колеса.
