Коссов Валерий Семёнович – доктор технических наук, профессор, генеральный директор
Коломна
Kossov, Valery S. – D.Sc. (Eng), Professor, General Director
Kolomna
Савин Александр Владимирович – доктор технических наук, доцент, проректор
Москва
Savin, Alexander V. – D. Sc. (Eng), Associate Professor, Vice-Rector
Moscow
Краснов Олег Геннадьевич – кандидат технических наук, заведующий отделом пути и специального подвижного состава
Коломна
Krasnov, Oleg G. – Ph.D. (Eng), Head of the Department of Track and Special Rolling Stock
Kolomna
В связи с внедрением на многих железных дорогах, в том числе и российских, тяжеловесного движения остро встал вопрос оценки влияния повышенных осевых нагрузок на контактно-усталостную долговечность рельсов.
Для создания научно обоснованного метода прогнозирования контактно-усталостной долговечности рельсов в зависимости от величин осевых нагрузок проведён комплекс теоретических исследований, описание которого приведено в настоящей статье. На конечно элементной модели прокатывания колеса по рельсу определено напряжённо-деформированное состояние зоны контакта. Установлено, что зона контакта при прокатывании колеса по рельсу испытывает сложное многоосное нагружение с одновременным действием нормальных и сдвиговых деформаций. На основании анализа моделей, описывающих многоосное усталостное повреждение, выбрана модель Брауна–Миллера, в которой учитывается одновременное действие нормальных деформаций на площадке контакта и максимальных сдвиговых деформаций, что наиболее полно описывает напряжённо деформированное состояние зоны контакта при прокатывании колеса по рельсу. Для применения модели Брауна–Миллера установлены деформационные кривые усталости для рельсовой стали. По результатам анализа методов определения параметров деформационных кривых, выполненного В. А. Трощенко, был применён модифицированный метод твёрдости Расла–Фатеми. На основании экспериментально определённых значений твёрдости на поверхности катания расчётно-экспериментальным путём выявлены параметры кривых упругой и пластической усталости. Для установления повреждающего действия нагрузки от прокатывания колеса по рельсу принято понятие относительного повреждения за цикл прокатки – величины, обратной числу циклов до образования контактно-усталостной трещины при заданной величине осевой нагрузки.
При принятии усреднённых характеристик показателей степени усталостной прочности и пластичности рельсовой стали и расчётных напряжений в зоне контакта «колесо–рельс» с учётом пластической коррекции по Нейберу в программном комплексе Fatigue проведены расчёты относительной повреждаемости поверхности катания рельсов контактно-усталостными дефектами. Получена полиноминальная зависимость относительной повреждаемости поверхности катания рельсов. Установленная функциональная зависимость относительной повреждаемости поверхности катания рельсов от величин вертикальных сил является основой для разрабатываемой методики прогнозирования контактно-усталостной долговечности рельсов.
Adoption of heavy haul traffic on many railroads, comprising Russian railways, has highlighted the relevance of assessing the effect of increased axial loads on the contact fatigue life of rails.
The article describes a set of theoretical studies carried out to create a scientifically substantiated method for predicting the contact fatigue life of rails depending on the values of axial loads. The stress-strain state of the contact area has been determined using the finite element model of wheel rolling on a rail. It has been found that the wheel-rail rolling contact area undergoes complex multiaxial loading with the simultaneous action of normal and shear strains. Based on the analysis of models describing multiaxial fatigue damage, the Brown–Miller model was chosen, which considers the simultaneous action of normal strains at the contact area and of maximum shear strains, which most fully describes the stress-strain state of the wheel-rail rolling contact area. To apply the Brown–Miller model, fatigue stress-strain curves for rail steel have been identified. Based on the analysis of methods for determining the parameters of stress-strain curves carried out by V. A. Troschenko, a modified Roessle– Fatemi hardness method has been applied. Based on the experimentally determined values of hardness on the rolling surface, the parameters of the curves of elastic and plastic fatigue have been revealed by calculation and experiment. To establish the damaging effect of the load from wheel rolling on a rail, the concept of relative damage per rolling cycle had been assumed which is the value inverse to the number of cycles preceding formation of a contact-fatigue crack at a given value of the axial load.
Calculations of the relative damage rate of the rolling surface of rails caused by contact fatigue defects were carried out with the Fatigue software package considering mean values of the indicators of the degree of fatigue strength and plasticity of rail steel and the calculated stresses in the wheel-rail contact area, as well as the plasticity correction using Neuber method. The polynomial dependence of relative damageability of the rolling surface of rails is obtained. The established functional dependence of relative damageability of the rolling surface of rails on the values of vertical forces can be used as the basis for the developed methodology for predicting the contact fatigue life of rails.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.