vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2026-85-2-135-151https://elibrary.ru/achyfvestnikvniizht-947Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТАTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTОсобенности усталостного разрушения упругих клемм промежуточных рельсовых скрепленийInvestigation of fatigue fracture features in elastic clamps of railway fastening systemshttps://orcid.org/0000-0001-7717-0719БотвинаЛ. Р.BotvinaL. R.

Людмила Рафаиловна БОТВИНА, д‑р техн. наук, главный научный сотрудник

119334, г. Москва, Ленинский проспект, д. 49

Ludmila R. BOTVINA, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

119334, Moscow, 49, Leninsky Ave.

https://orcid.org/0000-0002-0326-3071ДеминаЮ. А.DeminaYu. A.

Юлия Андреевна ДЕМИНА, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

119334, г. Москва, Ленинский проспект, д. 49

Yulia A. DEMINA, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science

119334, Moscow, 49, Leninsky Ave.

https://orcid.org/0009-0008-1831-6093БерезинВ. О.BerezinV. О.

Вадим Олегович БЕРЕЗИН, аспирант кафедры «Путь и путевое хозяйство»

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Vadim O. BEREZIN, Postgraduate, Track and Track Facilities Department

127994, Moscow, bldg. 9, 9, Obraztsova St.

https://orcid.org/0000-0002-0631-4794ТютинМ. Р.TyutinМ. R.

Марат Равилевич ТЮТИН, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

119334, г. Москва, Ленинский проспект, д. 49

Marat R. TYUTIN, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science

119334, Moscow, 49, Leninsky Ave.

ЗамуховскийА. В.ZamukhovskyА. V.

Александр Владимирович ЗАМУХОВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство»

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Alexander V. ZAMUKHOVSKY, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Track and Track facilities Department

 127994, Moscow, bldg. 9, 9, Obraztsova St.

 

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наукРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of SciencesRussian FederationРоссийский университет транспорта (РУТ (МИИТ))РоссияRussian University of TransportRussian Federation202614062026852135151Copyright © Ботвина Л.Р., Демина Ю.А., Березин В.О., Тютин М.Р., Замуховский А.В., 20262026Ботвина Л.Р., Демина Ю.А., Березин В.О., Тютин М.Р., Замуховский А.В.Botvina L.R., Demina Y.A., Berezin V.О., Tyutin М.R., Zamukhovsky А.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/947Введение

Введение. Проблема повышения качества и продления эксплуатационного ресурса рельсовых скреплений, в частности, упругих клемм, стала наиболее острой в настоящее время. Причиной является развитие высокоскоростного и грузонапряженного движения поездов. В эксплуатации упругая клемма воспринимает преднагрузку монтажным усилием и динамическое нагружение циклами догружения и частичной разгрузки, обусловленное воздействием подвижного состава. Усталостная долговечность является наиболее важным параметром, определяющим надежность клеммы и безопасность движения поездов. Цель настоящего исследования — анализ основных механизмов усталостного разрушения трех клемм, испытанных при различных режимах циклического нагружения (по  стандартной и ускоренной методикам испытаний) путем исследования изломов.

Материалы и  методы

Материалы и  методы. В  качестве объекта исследования была выбрана упругая клемма ЦП 369.102 (клемма ЖБР‑65). Испытания были выполнены и стандартным методом, удовлетворяющим требованиям ГОСТ 33186–2014, и ускоренным методом Локати. При анализе изломов клеммы применялся фрактографический метод.

Результаты

Результаты. Установлено подобие процессов, приводящих к усталостному разрушению для клемм, подвергнутых испытаниям по стандартному и ускоренному методам. Проведен фрактографический анализ изломов трех упругих клемм. Для каждой из клемм представлен анализ механизма усталостного разрушения. У одной клеммы, испытанной по стандартному методу, в очаге зарождения трещины было найдено неметаллическое включение.

Обсуждение и  заключение

Обсуждение и  заключение. Во  всех рассмотренных случаях разрушение сопровождалось зарождением усталостных микротрещин от неметаллических включений или дефектов на поверхности прутка клеммы. Действующий на данный момент стандарт не нормирует загрязненность неметаллическими включениями сталей, предназначенных для изготовления клемм. Целесообразно провести дополнительные исследования для оценки влияния неметаллических включений на усталостную долговечность клемм.

Introduction

Introduction. In this article, a study was conducted focusing on the investigation of fatigue fracture characteristics of elastic clamps used in railway fastening systems, which were subjected to fatigue tests following standard and accelerated methodologies. The problem of improving the quality and extending the service life of rail fasteners, particularly elastic clamps, has become the most acute at the present time. The reason is the development of high-speed and heavy train traffic. In operation, the elastic clamp perceives preloading by mounting force and dynamic loading by cycles of preloading and partial unloading due to the impact of rolling stock. Fatigue life is the most important parameter determining clamps reliability and train safety. The purpose of this study is to analyse the main mechanisms of fatigue fracture of three clamps tested under various cyclic loading modes (according to standard and accelerated test methods) by examining fatigue fracture surfaces.

Materials and methods

Materials and methods. The elastic clamp CP 369.102 (clamp ZhBR-65) was chosen as the object of the study. The tests were performed using both the standard method that meets the requirements of GOST 33186–2014 and the accelerated Locati method. Fractographic method was used in the analysis of clamps fatigue fracture surfaces.

Results

Results. The similarity of processes leading to fatigue fracture has been established for clamps tested using standard and accelerated methods. A fractographic analysis was conducted on the fatigue fracture surfaces of three elastic clamps. An analysis of the fatigue fracture mechanism is provided for each clamp. For the clamp tested by the standard method, a non-metallic inclusion was found at the crack initiation site.

Discussion and conclusion. In all studied cases, the fracture of the clamps was accompanied by the initiation of fatigue microcracks originating from inclusions or defects on the lateral surface (the rod surface of the clamp). Current standard does not normalise contamination with non-metallic inclusions intended for the manufacture of clamps. It is reasonable to conduct additional studies in order to assess the influence of non-metallic inclusions in the steel on the fatigue durability of the clamps.

промежуточное рельсовое скреплениеклеммафрактографиясложное напряженно-деформированное состояниесреднее напряжение циклаизломусталостная долговечностьintermediate rail fasteningclampfractographycomplex stress-strain conditionmean stressfracturefatigue durabilityавторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.the authors received no financial support for the research, authorship, and publication of this article.ReferencesБеляев М.С., Кошкин С.Б., Горбовец М.А. Определение предела усталости жаропрочного сплава способом ступенчатого изменения нагрузки // Авиационные материалы и технологии. 2011. №1 (18). С. 27–30. EDN: https://elibrary.ru/rnecun.Belyaev M.S., Koshkin S.B., Gorbovets M.A. Determination of superalloy fatigue strength by the loading step change method. Aviation Materials and Technologies. 2011;(1(18)):27–30. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/rnecun.Pollak R., Palazotto A., Nicholas T. A simulation-based investigation of the staircase method for fatigue strength testing. Mechanics of Materials. 2006;38(12):1170–1181. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2005.12.005.Pollak R., Palazotto A., Nicholas T. A simulation-based investigation of the staircase method for fatigue strength testing. Mechanics of Materials. 2006;38(12):1170–1181. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2005.12.005.Spiteri P., Ho S., Lee Y.-L. Assessment of bending fatigue limit for crankshaft sections with inclusion of residual stresses. International Journal of Fatigue. 2007;29(2):318–329. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.03.009.Spiteri P., Ho S., Lee Y.-L. Assessment of bending fatigue limit for crankshaft sections with inclusion of residual stresses. International Journal of Fatigue. 2007;29(2):318–329. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.03.009.Locati L. Le prove di fatica come ausilio alla progettazione ed alla produzione. Metallurgia Italiana. 1955;47(9):301–308.Locati L. Le prove di fatica come ausilio alla progettazione ed alla produzione. Metallurgia Italiana. 1955;47(9):301–308.Prot E. M. L’essai de fatigue sous charge progressive. Une nouvelle technique d’essai des matériaux. Revue de Métallurgie. 1948;45(12):481–489. https://doi.org/10.1051/metal/194845120481.Prot E. M. L’essai de fatigue sous charge progressive. Une nouvelle technique d’essai des matériaux. Revue de Métallurgie. 1948;45(12):481–489. https://doi.org/10.1051/metal/194845120481.Enomoto N. A method for determining the fatigue limit of metals by means of stepwise load increase tests. Proceedings — American Society for Testing and Materials. 1959;59:711–722.Enomoto N. A method for determining the fatigue limit of metals by means of stepwise load increase tests. Proceedings — American Society for Testing and Materials. 1959;59:711–722.Березин В.О., Замуховский А.В. Об актуальности методики ускоренных усталостных испытаний упругих клемм // Путь и путевое хозяйство. 2026. №4. С. 14–17. EDN: https://elibrary.ru/sqethr.Berezin V.O., Zamukhovsky A.V. The relevance of developing a methodology for accelerated fatigue testing of elastic clamps. Railway Track and Facilities. 2026;(4):14–17. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/sqethr.Чернов В.А., Даниленко Д.В., Цыганская Л.В., Комиченко С.О., Ефимов В.П. Ускоренный метод испытания боковых рам инновационной тележки модели 18-9891 // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2025. Т. 22, №3. С. 643–656. https://doi.org/10.20295/1815-588X-2025-3-643-656. EDN: https://elibrary.ru/zuyqes.Chernov V.A., Danilenko D.V., Cyganskaya L.V., Komichenko S.O., Efimov V.P. Accelerated test method for the side frames of the 18-9891 model innovative bogie. Proceedings of Petersburg Transport University. 2025;22(3):643–656. (In Russ.). https://doi.org/10.20295/1815-588X-2025-3-643-656. EDN: https://elibrary.ru/zuyqes.Brodbeck M., Spiegel A., Hunt J., Gruenert J. Mechanical fatigue analysis comparing two locking plates in a metaphyseal fracture model of the distal ulna. Journal of Musculoskeletal Disorders and Treatment. 2016;2(3):16–19. https://doi.org/10.23937/2572-3243.1510018.Brodbeck M., Spiegel A., Hunt J., Gruenert J. Mechanical fatigue analysis comparing two locking plates in a metaphyseal fracture model of the distal ulna. Journal of Musculoskeletal Disorders and Treatment. 2016;2(3):16–19. https://doi.org/10.23937/2572-3243.1510018.Topoliński T., Nowicki K. Verification of selected hypotheses attempting to explain the effect of fatigue damage build-up in trabecular bones. AIP Conference Proceedings. 2016;1780(1):020009. https://doi.org/10.1063/1.4965941.Topoliński T., Nowicki K. Verification of selected hypotheses attempting to explain the effect of fatigue damage build-up in trabecular bones. AIP Conference Proceedings. 2016;1780(1):020009. https://doi.org/10.1063/1.4965941.Бойцов Б.В. Статистический анализ точности метода ускоренных испытаний // Заводская лаборатория. 1972. Т. 38, №9. С. 1129–1132.Boytsov B.V. Statistical analysis of the accuracy of the accelerated testing method. Industrial Laboratory. 1972;38(9):1129–1132. (In Russ.).Veramiayuk S., Paczkowska M. Analysis of factors influencing the fatigue strength of railway fastening clips. Advancements in Civil Engineering and Technology. 2025;6(4). https://doi.org/10.31031/ACET.2025.06.000644.Veramiayuk S., Paczkowska M. Analysis of factors influencing the fatigue strength of railway fastening clips. Advancements in Civil Engineering and Technology. 2025;6(4). https://doi.org/10.31031/ACET.2025.06.000644.Wang X.-W., Hu Q.-F., Zhang Ch.-L., Chen L., Zhu Ch. Y., Tao B., Jiang B., Liu Y. Zh. Optimization of heat treatment for 38Si7 spring steel with excellent mechanical properties and controlled decarburization. Materials. 2022;15(11):3763. https://doi.org/10.3390/ma15113763. EDN: https://elibrary.ru/zhcfke.Wang X.-W., Hu Q.-F., Zhang Ch.-L., Chen L., Zhu Ch. Y., Tao B., Jiang B., Liu Y. Zh. Optimization of heat treatment for 38Si7 spring steel with excellent mechanical properties and controlled decarburization. Materials. 2022;15(11):3763. https://doi.org/10.3390/ma15113763. EDN: https://elibrary.ru/zhcfke.Cui Zh. N., Kang Y. L., Guo M. Zh., Li B. Sh., Qui Q.-Q., Liu R. D., Liu H.-B. Effect of process parameters on microstructure and properties of 1500 MPa grade hot formed steel without boron but containing niobium. Materials Science Forum. 2019;944:283–293. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.944.283.Cui Zh. N., Kang Y. L., Guo M. Zh., Li B. Sh., Qui Q.-Q., Liu R. D., Liu H.-B. Effect of process parameters on microstructure and properties of 1500 MPa grade hot formed steel without boron but containing niobium. Materials Science Forum. 2019;944:283–293. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.944.283.Xiao H., Guo X., Wang H., Ling X., Wu S. Fatigue damage analysis and life prediction of E-clip in railway fasteners based on ABAQUS and FE SAFE. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(3):168781401876724. https://doi.org/10.1177/1687814018767249.Xiao H., Guo X., Wang H., Ling X., Wu S. Fatigue damage analysis and life prediction of E-clip in railway fasteners based on ABAQUS and FE SAFE. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(3):168781401876724. https://doi.org/10.1177/1687814018767249.Березин В.О., Замуховский А.В., Ефимов А.А. Выбор расчетных методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и среднего напряжения цикла для локализации места зарождения усталостной трещины в упругой клемме // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №3. С. 199–214. https://doi.org/10.21780/2223- 9731-2025-84-3-199-214. EDN: https://elibrary.ru/izmvxi.Berezin V.O., Zamukhovsky A.V., Efimov A.A. Selection of calculation methods for accounting complex stress-strain state and mean cycle stress for the origin of fatigue crack in elastic clamp localisation. Russian Railway Science Journal. 2025;84(3):199–214. (InRuss.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-3-199-214. EDN: https://elibrary.ru/izmvxi.Park Y. Ch., An Ch., Sim H. B., Kim M., Hong J. K. Failure analysis of fatigue cracking in the tension clamp of a rail fastening system. International Journal of Steel Structures. 2019;19:1570–1577. https://doi.org/10.1007/s13296-019-00231-5. EDN: https://elibrary.ru/oiozcc.Park Y. Ch., An Ch., Sim H. B., Kim M., Hong J. K. Failure analysis of fatigue cracking in the tension clamp of a rail fastening system. International Journal of Steel Structures. 2019;19:1570–1577. https://doi.org/10.1007/s13296-019-00231-5. EDN: https://elibrary.ru/oiozcc.Kim S. H., Fang X. Ju., Park Y. Ch., Sim H. B. Evaluation of structural behavior and fatigue performance of a KR-type rail clip. Applied Sciences. 2021;11(24):12074. https://doi.org/10.3390/app112412074. EDN: https://elibrary.ru/dpczcv.Kim S. H., Fang X. Ju., Park Y. Ch., Sim H. B. Evaluation of structural behavior and fatigue performance of a KR-type rail clip. Applied Sciences. 2021;11(24):12074. https://doi.org/10.3390/app112412074. EDN: https://elibrary.ru/dpczcv.Ostash O.P., Chepil’ R.V., Hrybovs’ka V.I. On the determining parameters of serviceability of the elastic clamps of rail fasteners. Materials Science. 2017;53:55–61. https://doi.org/10.1007/s11003-017-0043-5. EDN: https://elibrary.ru/xnwvcm.Ostash O.P., Chepil’ R.V., Hrybovs’ka V.I. On the determining parameters of serviceability of the elastic clamps of rail fasteners. Materials Science. 2017;53:55–61. https://doi.org/10.1007/s11003-017-0043-5. EDN: https://elibrary.ru/xnwvcm.Akiniwa Y., Stanzl-Tschegg S., Mayer H., Wakita M., Tanaka K. Fatigue strength of spring steel under axial and torsional loading in the very high cycle regime. International Journal of Fatigue. 2008;30(12):2057– 2063. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.07.004.Akiniwa Y., Stanzl-Tschegg S., Mayer H., Wakita M., Tanaka K. Fatigue strength of spring steel under axial and torsional loading in the very high cycle regime. International Journal of Fatigue. 2008;30(12):2057– 2063. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.07.004.Karr U., Schönbauer B.M., Sandaiji Y., Mayer H. Effects of non-metallic inclusions and mean stress on axial and torsion very high cycle fatigue of SWOSC-V spring steel. Metals. 2022;12(7):1113. https://doi.org/10.3390/met12071113. EDN: https://elibrary.ru/tzwjrb.Karr U., Schönbauer B.M., Sandaiji Y., Mayer H. Effects of non-metallic inclusions and mean stress on axial and torsion very high cycle fatigue of SWOSC-V spring steel. Metals. 2022;12(7):1113. https:// doi.org/10.3390/met12071113. EDN: https://elibrary.ru/tzwjrb.Murakami Y., Endo M. Effects of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength. International Journal of Fatigue. 1994;16(3):163–182. https://doi.org/10.1016/0142-1123(94)90001-9.Murakami Y., Endo M. Effects of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength. International Journal of Fatigue. 1994;16(3):163–182. https://doi.org/10.1016/0142-1123(94)90001-9.Ali R., Shehbaz T., Felicis D.D., Sebastiani M., Bemporad E. Investigations into fatigue failure in E-type fastening clips used in railway track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2021;235(7):898–905. https://doi.org/10.1177/0954409720967802.Ali R., Shehbaz T., Felicis D.D., Sebastiani M., Bemporad E. Investigations into fatigue failure in E-type fastening clips used in railway track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2021;235(7):898–905. https://doi.org/10.1177/0954409720967802.БерезинВ.О., ЗамуховскийА.В., ЕфимовА.А., ГречаникА.В. Валидация конечно-элементной модели клеммы узла промежуточного рельсового скрепления // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №2. С. 113–125. EDN: https://elibrary.ru/qyogfn.Berezin V.O., Zamukhovsky A.V., Efimov A.A., Grechanik A.V. Validation of finite-element model of clamp of rail fastening system. Russian Railway Science Journal. 2025;84(2):113–125. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/qyogfn.Андреев В.Е., Кудряшов Е.В. Создание контактной сети КС 400 для российских высокоскоростных железнодорожных магистралей // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №4. С. 235–250. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-235-250. EDN: https://elibrary.ru/dywrie.Andreev V.E., Kudryashov E.V. Design and construction of the KS 400 overhead contact line for Russian high speed railways. Russian Railway Science Journal. 2025;84(4):235–250. (InRuss.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-235-250. EDN: https://elibrary.ru/dywrie.Andreev V.E., Kudryashov E.V. Design and construction of the KS 400 overhead contact line for Russian high speed railways. Russian Railway Science Journal. 2025;84(4):235–250. (InRuss.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-235-250. EDN: https://elibrary.ru/dywrie.Romanov A.V., Kiselev A.A. Strength and stability of continuous welded rail track of ballastless track superstructure of Moscow – Saint Petersburg high-speed main line. Russian Railway Science Journal. 2025; 84(4):262–272. (In Russ.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-262-272. EDN: https://elibrary.ru/fqcvmj.Романов А.В., Киселев А.А. Прочность и устойчивость безбалластной конструкции верхнего строения бесстыкового пути высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Санкт-Петербург // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №4. С. 262–272. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-262-272. EDN: https://elibrary.ru/fqcvmj.Korenkov D.A., Ivannikov M.A., Zagitov E.D. Design and maintenance technology for railway track providing 2.5 billion gross tons of passing tonnage. Railway Track and Facilities. 2024;(12):2–6. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/mknjnq.Кореньков Д.А., Иванников М.А., Загитов Э.Д. Разработка конструкции и технологий содержания железнодорожного пути, обеспечивающих наработку 2,5 млрд т брутто пропущенного тоннажа // Путь и путевое хозяйство. 2024. №12. С. 2–6. EDN: https://elibrary.ru/mknjnq.Linhart V., Mikulova D., Cerny I. Effect of inclusions on fatigue strength of heat treated components. Communications. 2010;12(4):55–61. https://doi.org/10.26552/com.C.2010.4.55-61.

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