К вопросу определения относительной контактно-усталостной повреждаемости поверхности катания рельсов

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.

1. Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Морозов К. В., Перегудов О. А., Попова Н. А., Никоненко Е. Л. Механизмы упрочнения рельсов при длительной эксплуатации // Проблемы чёрной металлургии и материаловедения. – 2015. –№4. – С. 98–104. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25017048. Доступ 12.01.2021.

2. Громов В. Е., Иванов Ю. Ф., Морозов К. В., Перегудов О. А., Алсараева К. В., Попова Н. А., Никоненко Е. Л. Изменение структуры и свойствповерхностных слоёв головки рельсов после длительной эксплуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2015. – Т. 12. – № 2. – С. 203–208. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23613452. Доступ 12.01.2021.

3. Добужская А. Б., Галицын Г. А., Сырейщикова В. И. Исследование структуры рельсов с разной стойкостью к образованию контактно-усталостных дефектов //Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов: Сб. науч. тр. ОАО «УИМ». – Екатеринбург. – 2006. – С. 64–81.

4. Марков Д. П. Контактная усталость колёс и рельсов // Вестник ВНИИЖТ. – 2001. – № 6. – С. 8–14.

5. Ахметзянов М. Х. О механизме развития контактно-усталостных повреждений в рельсах // Вестник ВНИИЖТ. – 2003. – № 2. – C. 41–45.

6. Коссов В. С., Краснов О. Г.,Акашев М. Г. Влияние смятия в зоне сварных стыков на силовое воздействие подвижного состава на путь // Вестник ВНИИЖТ. – 2020. – Т. 79. – № 1. – С. 35–43. [Электронный ресурс]: https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/download/382/293. Доступ 12.01.2021.

7. Коссов В. С., Волохов Г. М., Краснов О. Г., Овечников М. Н., Протопопов А. Л., Огуенко В. В. Влияние величины осевых нагрузок на контактно-усталостную прочность рельсов // Вестник ВНИИЖТ. – 2018. – Т. 77. – № 3. – C. 149–156. [Электронный ресурс]: https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/182. Доступ 12.01.2021.

8. Meggiolaro, M. A., Pinho de Castro, J. T., Hao Wu. Invariant-based and Critical-plane Rainflow Approaches for Fatigue Life Prediction Under Multiaxial Variable Amplitude Loading. 3rd International Conference on Material and Component Performance under Variable Amplitude Loading (VAL 2015), Prague, March 23–26, 2015. Procedia Engineering, Vol. 101, pp. 69–76.

9. Сакало А. В. Математическое моделирование контактных напряжений фрагментов на упругом основании с использованием конечно-элементных моделей // Дис… на соиск. уч. степ. канд. техн. наук / Брянский государственный технический университет. – Брянск, 2009. – 143 с.

10. Manson, S. S. Fatigue: A complex subject – some simple approximation. Experimental Mechanics, 1965, Vol. 5, pp. 193–226.

11. Brown, M., Miller, K. J. Theory for fatigue under multiaxial stress-strain conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1973, Vol. 187, Iss. 65, pp. 745–756.

12. Shamsaei, N., Fatemi, A., Socie, D. F. Multiaxial fatigue evaluation using discriminating strain paths. International Journal of Fatigue, 2011, Vol. 33, Iss. 4, pp. 597–609. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2010.11.002.

13. Smith, R. N., Watson, P., Topper, T. H. A stressstrain parameter for the fatigue of metals. Journal of Materials Science, 1970, Vol. 5, No. 4, pp. 767–778.

14. Горохов В. А. Численное моделирование упругопластического моделирования конструкций из нержавеющих сталей и графитов при квазистатическом терморадиационном нагружении // Дис… канд. физ.-мат. наук. – Нижний Новгород, 2007. – 113 с. [Электронный ресурс]: http://www.unn.ru/pages/disser/209.pdf. Доступ 12.01.2021.

15. Коссов В. С.,Краснов О. Г.,Огуенко В. Н. Повышение надёжности рельсов при эксплуатации в условиях низких температур // Труды XVI междунар. науч.-техн. конф. (чтений памяти проф. Г. М. Шахунянца) «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Секция 2. Железнодорожный путь для высокоскоростного движения и высоких осевых нагрузок. – М., 2019. – С. 82–87.

16. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказания, предотвращения / Пер. с англ. – Мир, 1984. – 624 с.

17. Ramberg, W., Osgood, W. R. Description of Stress Strain Curves by Three Parameters. National Advisory Committee for Aeronautics, Technical Note No. 902, 1943. [Электронный ресурс]: http://www.apesolutions.com/spd/public/NACA-TN902.pdf. Доступ 12.01.2021.

18. Бураго Н. Г., Журавлев А. Б., Никитин И. С. Модели многоосного усталостного разрушения и оценка долговечности элементов конструкций//Известия РАН. Механика твёрдого тела. – 2011. –№6. – С. 22–33. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17232791. Доступ 12.01.2021.

19. Трощенко В. Т., Хамаза Л. А. Деформационные кривые усталости сталей и методы определения их параметров // Проблемы прочности. – 2010. – № 6. – С. 26–39.