vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2023-82-1-47-57vestnikvniizht-681Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTМоделирование контактно-усталостной поврежденности рельсов в зоне сварного стыкаSimulation of contact-fatigue damage to rails in a welded rail joint areahttps://orcid.org/0000-0001-5654-7441ТорскаяЕ. В.TorskayaE. V.

Елена Владимировна Торская, д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник, лаборатория трибологии, Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН)

Author ID: 13427

119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 101, корп. 1

Elena V. Torskaya, Dr. Sci. (Phys. and Math.), Professor of the Russian Academy of Sciences, Leading Researcher, Tribology Laboratory, Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Author ID: 13427

119526, Moscow, 101, bldg. 1, Vernadskiy Ave.

torskaya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9387-6818ЦукановИ. Ю.TsukanovI. Yu.

Иван Юрьевич Цуканов, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, лаборатория трибологии, Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН)

Author ID: 721434

119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 101, корп. 1

Ivan Yu. Tsukanov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Tribology Laboratory, Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Author ID: 721434

119526, Moscow, 101, bldg. 1, Vernadskiy Ave.

https://orcid.org/0000-0002-5938-5633МещеряковаА. Р.MeshcheryakovaA. R.

Альмира Рифовна Мещерякова, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, лаборатория трибологии, Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН)

Author ID: 963641

119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 101, корп. 1

Almira R. Meshcheryakova, Cand. Sci. (Phys. and Math.), Junior Researcher, Tribology Laboratory, Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Author ID: 963641

119526, Moscow, 101, bldg. 1, Vernadskiy Ave.

https://orcid.org/0000-0001-8702-4264ЗаграничекК. Л.ZagranichekK. L.

Константин Львович Заграничек, заведующий лабораторией, НЦ «Рельсы, сварка и транспортное материаловедение»

Author ID: 808109

129626, г. Москва, ул. 3я Мытищинская, д. 10

Konstantin l. Zagranichek, Head of Laboratory, Rails, Welding and Transport Material Research Centre

Author ID: 808109

129626, Moscow, 10, 3rd Mytishchinskaya St.

https://orcid.org/0000-0002-5235-7816ЗахаровС. М.ZakharovS. M.

Сергей Михайлович Захаров, д-р техн. наук, профессор, научный консультант, НЦ «Рельсы, сварка и транспортное материаловедение»

Author ID: 731500

129626, Россия, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, д. 10

Sergey M. Zakharov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academic Advisor, Rails, Welding and Transport Material Research Centre

Author ID: 731500

129626, Moscow, 10, 3rd Mytishchinskaya St.

https://orcid.org/0000-0003-4248-195XШурЕ. А.ShurE. A.

Евгений Авелевич Шур, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, НЦ «Рельсы, сварка и транспортное материаловедение»

Author ID: 764128

129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, д. 10

Evgeniy A. Shur, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher, Rails, Welding and Transport Material Research Centre

Author ID: 764128

129626, Moscow, 10, 3rd Mytishchinskaya St.

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН (ИПМех РАН); Научно-технологический университет «Сириус»РоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences; Sirius University of Science and TechnologyRussian FederationНаучно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)РоссияRailway Research InstituteRussian Federation2023050420238214757Copyright © Торская Е.В., Цуканов И.Ю., Мещерякова А.Р., Заграничек К.Л., Захаров С.М., Шур Е.А., 20232023Торская Е.В., Цуканов И.Ю., Мещерякова А.Р., Заграничек К.Л., Захаров С.М., Шур Е.А.Torskaya E.V., Tsukanov I.Y., Meshcheryakova A.R., Zagranichek K.L., Zakharov S.M., Shur E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/681Введение

Введение. Целью исследования является изучение процесса образования и накопления контактно-усталостных повреждений в зоне сварного стыка и выявление степени влияния наличия и характера деформации поверхности катания рельса в зоне сварного соединения, полученного электроконтактной сваркой, на возникновение и развитие контактно-усталостных повреждений, в том числе на количество циклов до зарождения трещины, которое определяет ресурс сварного стыкового соединения.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в поверхностных слоях материала при циклически изменяющемся поле напряжений использован подход, при котором в качестве критерия накопления рассматривается величина амплитудных значений максимальных касательных напряжений. В рамках данного подхода были реализованы следующие этапы: определение параметров распределения плотности вероятности нагрузки от колес на рельсы; решение контактной задачи о качении колеса по рельсу с учетом формоизменения рельса в области смятия; моделирование процесса накопления повреждений.

Результаты

Результаты. Смятие материала рельса в зоне сварного стыка приводит, с одной стороны, к возникновению дополнительной динамической нагрузки, увеличивающей контактные и внутренние напряжения, с другой — к увеличению площади контакта за счет выполаживания головки рельса, что снижает напряжения при контакте. В зависимости от глубины смятия, начальной поврежденности, характера нагружения процесс накопления контактно-усталостных повреждений может как ускоряться, так и замедляться.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Подтверждается необходимость устранения термообработкой зон пониженной твердости в местах сварных стыков, приводящих к образованию седловин, трещин и выкрашиваний. Уменьшение размера разупрочненной зоны до размеров пятна контакта практически исключит образование импульсных неровностей, а в случае их образования при контакте не будет дополнительной динамической нагрузки. Вариантом решения проблемы является интенсификация процесса нагрева при локальной термической обработке после сварки, отказ от отдельной локальной термической обработки рельсов после сварки и совмещение ускоренного охлаждения головок рельсов с общим процессом сварки.

Introduction

Introduction. The aim is to study the formation and accumulation of contact-fatigue damage in a welded rail joint area and to determine the degree of influence of the presence and deformation behaviour of the rail tread surface on an electrically welded joint on the occurrence and development of contact-fatigue damage, including the number of cycles to crack formation, which determines the service life of the welded joint.

Materials and methods

Materials and methods. In order to simulate the accumulation of contact-fatigue damage in the material surface under cyclical stress the authors take an approach that considers the peak values of the maximum shear stresses as an accumulation criterion. The following stages have been implemented as part of the given approach: determine the distribution of the probability density of wheel load on the rails; solve the contact problem of a rolling wheel considering the rail shape change in the collapse area; simulate the damage accumulation process.

Results

Results. The collapse of the rail material in a welded rail joint area causes, on the one hand, an additional dynamic load that increases the contact and internal stresses, and on the other hand, increases the contact area due to the flattening of the rail head, which reduces contact stresses. Depending on the depth of collapse, initial damage, nature of loading, the accumulation of contact-fatigue damage can both accelerate and slow down.

Discussion and conclusion. It is confirmed that need for heat treatment to eliminate zones of reduced hardness in welded rail joint areas resulting in saddling, cracks and spalling. Reducing the weakened zone to the size of the contact spot will practically prevent the formation of impulse irregularities, and their formation upon contact would eliminate additional dynamic load. The problem may be solved by intensifying local heat treatment after welding, bandoning separate local heat treatment of rails after welding, and combining accelerated cooling of rail heads with the general welding process.

рельсовый стыкдинамическая нагрузкаконтактная задачаконтактно-усталостные поврежденияrail jointdynamic loadcontact problemcontact-fatigue damageИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, НТУ «Сириус», ОАО «РЖД» и образовательного Фонда «Талант и успех» в рамках научного проекта No 20-38-51005.The reported study was funded by Russian Foundation for Basic Research (RFBR), Sirius University of Science and Technology, JSC Russian Railways and Educational Fund “Talent and success” (Project No. 20-38-51005).ReferencesПути устранения повышенной повреждаемости рельсов в зоне сварных стыков / Е. А. Шур [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2019. Т. 78, No 4. С. 210–217 https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-4-210-217.Shur E. A., Fedin V. M., Borts A. I., Ronzhina Yu. V., Fimkin A. I. Methods of elimination of rails increased damage in the area of weld joints. Russian Railway Science Journal. 2019;78(4):210-217. (In Russ.) https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-4-210-217.Burstow M. C. A model to predict and understand rolling contact fatigue in wheels and rails. In: Proceedings of the 7th World Congress on Railway Research, WCRR 2006, 4–8 June 2006, Montreal, Canada. Montreal; 2006. P. 7.Burstow M. C. A model to predict and understand rolling contact fatigue in wheels and rails. In: Proceedings of the 7th World Congress on Railway Research, WCRR 2006, 4–8 June 2006, Montreal, Canada. Montreal; 2006. P. 7.Trummer G., Marte C., Dietmaier P., Sommitsch C., Six K. Modeling surface rolling contact fatigue crack initiation taking severe plastic shear deformation into account. Wear. 2016;352-353:136-145. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.008.Trummer G., Marte C., Dietmaier P., Sommitsch C., Six K. Modeling surface rolling contact fatigue crack initiation taking severe plastic shear deformation into account. Wear. 2016;352-353:136-145. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.008.Pun C. L., Welsby D., Mutton P., Yan W. Rolling contact fatigue life prediction for rails and welds in heavy haul systems. In: Proceedings of the 11th International Heavy Haul Association Conference, IHHA 2017, 2–6 September 2017, Cape Town, South Africa. New York: Curran Associates, Inc.; 2017. P. 56–63.Pun C. L., Welsby D., Mutton P., Yan W. Rolling contact fatigue life prediction for rails and welds in heavy haul systems. In: Proceedings of the 11th International Heavy Haul Association Conference, IHHA 2017, 2–6 September 2017, Cape Town, South Africa. New York: Curran Associates, Inc.; 2017. P. 56–63.Сакало В. И., Сакало А. В. Критерии для прогнозирования контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава и рельсах // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2019. Т. 78, No 3. С. 141–148. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-141-148.Sakalo V. I., Sakalo A. V. Criteria for predicting the initiation of rolling contact fatigue damage in the railway wheels and rails. Russian Railway Science Journal. 2019;78(3):141-148. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-141-148.Коган А. Я. Оценка интенсивности бокового и вертикального износов рельсов под проходящими поездами // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2017. Т. 76, No 3. С. 138–145. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2017-76-3-138-145.Kogan A. Y. Evaluation of the intensity of lateral and vertical wear of rails under passing trains. Russian Railway Science Journal. 2017;76(3):138-145. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2017-76-3-138-145.Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.Goryacheva I. G. Mekhanika friktsionnogo vzaimodeystviya [The mechanics of frictional interaction] Moscow: Nauka; 2001. 478 p. (In Russ.)Контактно-усталостные повреждения материала рельсов в области сварных стыков / Е. В. Торская [и др.] // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25, No 5. С. 12–25 http://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_5_12Torskaya E. V., Goryacheva I. G., Muravieva T. I., Shcherbakova O. O., Tsukanov I. Yu., Meshcheryakova A. R., et al. Rolling contact fatigue damage in welded rail steel joints. Physical Mesomechanics. 2022;25(5):12-25. (In Russ.). http://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_5_12.Мещерякова А. Р., Цуканов И. Ю. Влияние смятия в зоне сварных стыков рельсового пути на контактное взаимодействие в системе «колесо — рельс» // Трение и износ. 2022. Т. 43, No 2. С. 192–201. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2022-43-2-192-201.Meshcheryakova A. R., Tsukanov I. Yu. Influence of Flattening in the Zone of Welded Joints of a Railway on Contact Interaction in the Wheel — Rail System. Journal of Friction and Wear. 2022;43(2):192-201. (In Russ.)]. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2022-43-2-192-201.Коссов В. С., Краснов О. Г., Акашев М. Г. Влияние смятия в зоне сварных стыков на силовое воздействие подвижного состава на путь // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2020. Т. 79, No 1. C. 9–16. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2020-79-1-9-16.Kossov V. S., Krasnov O. G., Akashev M. G. The impact of deformation in the zone of welded joints on the force action of the rolling stock on the track. Russian Railway Science Journal. 2020;79(1):9-16. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2020-79-1-9-16.Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. 12-е изд. М.: Юрайт, 2020. 480 с.Gmurman V. E. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika: ucheb. posobie dlya vuzov [The Probability Theory and Mathematical Statistics: тextbook for universities]. 12th ed. Moscow: Urait; 2020. 480 p. (In Russ.).Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985. 452 p. https://doi.org/10.1017/cbo9781139171731.Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985. 452 p. https://doi.org/10.1017/cbo9781139171731.Carter F. W. On the action of a locomotive driving wheel. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 1926;112(760):151-157. https://doi.org/10.1098/rspa.1926.0100.Carter F. W. On the action of a locomotive driving wheel. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 1926;112(760):151-157. https://doi.org/10.1098/rspa.1926.0100.Вершинский С. В., Данилов В. Н., Хусидов В. Д. Динамика вагона: учеб. для вузов ж.-д. транспорта / под ред. С. В. Вершинского. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1991. 360 с.Vershinskiy S. V., Danilov V. N., Khusidov V. D. Dinamika vagona: ucheb. dlya vuzov zh.-d. transporta [Car dynamics: тextbook for railway universities]. 3rd ed., upd. and rev. Moscow: Transport; 1991. 360 p. (In Russ.).Борц А. И., Долгих Л. В., Заграничек К. Л. Испытания рельсов на выносливость // Путь и путевое хозяйство. 2013. No 2. С. 16–22Borts A. I., Dolgikh L. V., Zagranichek K. L. Ispytaniya rel'sov na vynoslivost' [Rail durability testing]. Railway Track and Facilities. 2013;2:16-22. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.