vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2023-82-3-224-235https://elibrary.ru/lfugjwvestnikvniizht-721Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTОценка возможности появления контактно-усталостных повреждений в колесах и рельсах с использованием критерия Данг ВанаAssessment of the risk of contact fatigue damage in wheels and rails using the Dang Van criterionhttps://orcid.org/0009-0008-7747-581XСакалоВ. И.SakaloV. I.

Сакало Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор, кафедра подъемно-транспортных машин и оборудования, БГТУ.

241035, Брянск, бульвар 50 лет Октября, д. 7

Author ID: 174319

Vladimir I. Sakalo - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Lifting and Transport Machines and Equipment, Bryansk State Technical University.

241035, Bryansk, 7, Blvd. 50-let Oktyabrya

Author ID: 174319

https://orcid.org/0000-0002-9137-9620СакалоА. В.SakaloA. V.

Сакало Алексей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, кафедра подъемно-транспортных машин и оборудования, БГТУ.

241035, Брянск, бульвар 50 лет Октября, д. 7

Author ID: 556528

Alexey V. Sakalo - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Lifting and Transport Machines and Equipment, Bryansk State Technical University.

241035, Bryansk, 7, Blvd. 50-let Oktyabrya

Author ID: 556528

sakalo@umlab.ruБрянский государственный технический университетРоссияBryansk State Engineering UniversityRussian Federation202329092023823224235Copyright © Сакало В.И., Сакало А.В., 20232023Сакало В.И., Сакало А.В.Sakalo V.I., Sakalo A.V.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/721Введение

Введение. Под действием динамических нагрузок в материалах колес и рельсов возникают высокие контактные напряжения, приводящие к развитию процессов изнашивания и накопления контактно-усталостных повреждений. Для расчетов на контактную усталость и прогнозирования процессов накопления повреждений предложен ряд подходов. В одном из них используется критерий Данг Вана. Его реализация требует применения трудоемких итерационных процедур, в связи с чем он применяется для оценки контактной усталости в отдельных точках колеса и рельса. С целью упрощения расчетов и получения более обширной информации авторами предложен инженерный метод, позволяющий определять возможность появления контактно-усталостных повреждений для узлов подконтактного слоя, представленного конечно-элементной моделью, при неограниченном количестве реализаций контакта колеса и рельса.

Материалы и методы

Материалы и методы. Подход базируется на использовании критерия Данг Вана с введением некоторых допущений. В качестве амплитуды касательных напряжений принята амплитуда наибольших касательных напряжений. Компоненты технологических и эксплуатационных остаточных напряжений задаются с использованием результатов экспериментальных исследований или полученных расчетными методами. Информация об условиях в контакте колеса и рельса получена путем моделирования движения экипажа. Расчеты выполнены с учетом изменения профилей колеса и рельса в процессе моделирования, вызванного износом.

Результаты

Результаты. Получены итоги тестирования для некоторых случаев контакта колеса и рельса, а также определения показателя возможности появления контактно-усталостных повреждений для колеса и рельса при достаточно большом количестве реализаций контакта. Результаты расчетов представлены в виде изолиний значения показателя для точек слоя, прилегающего к поверхностям катания.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Предложенный подход может быть использован для определения возможности появления контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава и рельсах, в частности при решении задач оптимизации профилей колес и рельсов по критериям износа и контактной усталости.

Introduction

Introduction. Dynamic loads cause high contact stresses in the materials of wheels and rails, which leads to their wear and accumulation of contact fatigue damage. A number of approaches were proposed for calculations of contact fatigue and prediction of damage accumulation processes. One of them uses the Dang Van criterion. It involves time-consuming iterative procedures, so it is used to assess contact fatigue at individual points of wheel and rail. In order to simplify calculations and obtain more extensive information, the authors proposed an engineering method that allows determining the risk of contact fatigue damage for sub-contact layer nodes represented by a finite element model, with an unlimited number of wheel — rail contact implementations.

Materials and methods

Materials and methods. The approach is based on the use of the Dang Van criterion with the introduction of some assumptions. The amplitude of the largest shear stresses is taken as the amplitude of the shear stresses. The components of technological and operational residual stresses are set using the results of experimental studies or those obtained by calculation methods. Information about wheel — rail contact conditions was obtained by modeling of the vehicle movement. Calculations were performed considering changes in wheel and rail profiles during the modeling process caused by wear. Results. The test results were obtained for some cases of wheel — rail contact, as well as for determining the contact fatigue damage risk indicator for the wheel and rail with a sufficiently large number of contact implementations. The calculation results are presented in the form of isolines of the value of indicator for the points of the layer adjacent to the tread surfaces.

Discussion and conclusion. The proposed approach can be used to determine the risks of contact fatigue damage in railway wheels and rails, in particular, to optimise wheel and rail profiles according to wear and contact fatigue criteria.

колеса грузовых вагоноврельсыкомпоненты напряжениянаибольшее касательное напряжениетехнологические и эксплуатационные остаточные напряжениякритерий Данг Ванапоказатель возможности появления контактно-усталостных поврежденийrailway wheelsrailsstress componentshighest shear stresstechnological and operational residual stressesDang Van criterioncontact fatigue damage risk indicatorReferencesСакало В. И., Сакало А. В., Коссов В. С. Механика контактного взаимодействия колеса и рельса. М.; Берлин: Директ-Медиа, 2021. 376 с. EDN: https://www.elibrary.ru/jychir.Sakalo V. I., Sakalo A. V., Kossov V. S. Mechanics of contact interaction of wheel and rail. Moscow, Berlin: Direct-Media; 2021. 376 p. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/jychir.Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / под ред. С. М. Захарова. М.: Интекст, 2004. 160 с.Zakharov S. M., ed. Contact-Fatigue Damage of Freight Car Wheels. Moscow: Intex; 2004. 160 p. (In Russ.).Захаров С. М., Торская Е. В. Подходы к моделированию возникновения поверхностных контактно-усталостных повреж-дений в рельсах // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2018. Т. 77, № 5. С. 259-268 https://doi.org/10.21780/2223-9731-2018-77-5-259-268.Zakharov S. M., Torskaya E. V. Approaches to modeling occurrence of rolling contact fatigue damages in rails. Russian Railway Science Journal. 2018;77(5):259-268. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2018-77-5-259-268.Dang Van K., Griveau B., Message O. On a New Multiaxial Fatigue Limit Criterion: Theory and Application. In: Brown M. W., Miller K. J., ed. Biaxial and Multiaxial Fatigue, EGF 3. UK, London: Mechanical Engineering Publications; 1989. p. 479-496.Dang Van K., Griveau B., Message O. On a New Multiaxial Fatigue Limit Criterion: Theory and Application. In: Brown M. W., Miller K. J., ed. Biaxial and Multiaxial Fatigue, EGF 3. UK, London: Mechanical Engineering Publications; 1989. p. 479-496.Dang Van K., Cailletaud G., Fiavenot J. F., Le Douaron A. and Lieurade H. P. Criterion for high cycle fatigue failure under multiaxial loading. In: Brown M. W., Miller K. J., ed. Biaxial and Multiaxial Fatigue, EGF 3. UK, London: Mechanical Engineering Publications; 1989. p. 459-478.Dang Van K., Cailletaud G., Fiavenot J. F., Le Douaron A. and Lieurade H. P. Criterion for high cycle fatigue failure under multiaxial loading. In: Brown M. W., Miller K. J., ed. Biaxial and Multiaxial Fatigue, EGF 3. UK, London: Mechanical Engineering Publications; 1989. p. 459-478.Ekberg A. Rolling contact fatigue of railway wheels. PhD Thesis. Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology; 2000. p. 1-27.Ekberg A. Rolling contact fatigue of railway wheels. PhD Thesis. Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology; 2000. p. 1-27.Kim T.-Y., Kim H.-K. Three-dimensional elastic-plastic finite element analysis for wheel - rail rolling contact fatigue. International Journal of Engineering and Technology. 2014;6(3):1593-1600.Kim T.-Y., Kim H.-K. Three-dimensional elastic-plastic finite element analysis for wheel - rail rolling contact fatigue. International Journal of Engineering and Technology. 2014;6(3):1593-1600.Ciavarella M., Monno F., Demelio G. On the Dang Van fatigue limit in rolling contact fatigue. International Journal of Fatigue. 2006;28(8):852-863. https://doi.org/10.1016/j.afatigue.2005.11.002.Ciavarella M., Monno F., Demelio G. On the Dang Van fatigue limit in rolling contact fatigue. International Journal of Fatigue. 2006;28(8):852-863. https://doi.org/10.1016/j.afatigue.2005.11.002.Dang Van K., Maitournam M.H. On some recent trends in modeling of contact fatigue and wear in rail. Wear. 2002;253(1-2):219-227. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00104-7.Dang Van K., Maitournam M.H. On some recent trends in modeling of contact fatigue and wear in rail. Wear. 2002;253(1-2):219-227. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00104-7.Керенцев Д. Е. Повышение конструкционной прочности железнодорожных колес подвижного состава: дис.... канд. техн. наук: 01.02.06. Самара, 2016. 173 с.Kerentsev D. E. Improving the structural strength of railway wheels of rolling stock. Cand. Sci. (Eng.) thesis: 01.02.06. Samara; 2016. 173 p. (In Russ.).Takahashi S., Sasaki T., Kondoh Y., Hirose Yu. Residual stress evaluation of railway rails. [S. l.]: JCPDS - International centre for diffraction data; 2009. p. 240-247.Takahashi S., Sasaki T., Kondoh Y., Hirose Yu. Residual stress evaluation of railway rails. [S. l.]: JCPDS - International centre for diffraction data; 2009. p. 240-247.Фимкин А. И., Долотказин Д. Б. Расчетно-экспериментальный метод определения продольных остаточных напряжений в железнодорожных рельсах // Вестник МИИТа: научно-технический журнал. 2001. № 6. С. 28-39Fimkin A. I., Dolotkazin D. B. Experimental determination of the longitudinal residual stresses in railway rails. Vestnik moskovskogo instituta inzhenerov zheleznodorozhnogo transporta. 2001;(6):28-39. (In Russ.).Kovalev R., Lysikov N., Mikheev G. Pogorelov D., Simonov V., Yazykov V., et al. Freight car models and their computer-aided dynamic analysis. Multibody System Dynamics. 2009;22(4):399-423. https://doi.org/10.1007/s11044-009-9170-6.Kovalev R., Lysikov N., Mikheev G. Pogorelov D., Simonov V., Yazykov V., et al. Freight car models and their computer-aided dynamic analysis. Multibody System Dynamics. 2009;22(4):399-423. https://doi.org/10.1007/s11044-009-9170-6.

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