Подходы к моделированию возникновения поверхностных контактно-усталостных повреждений в рельсах

Контактно-усталостные повреждения рельсов наряду с их износом являются наиболее распространенными видами дефектов рельсов, в том числе рельсов нового поколения. За последние годы произошли существенные изменения в распределении видов контактно-усталостных повреждений как на российских, так и зарубежных железных дорогах, особенно на линиях с тяжеловесным движением. Поэтому актуальным является изучение механизмов и моделирование появления поверхностных контактно-усталостных повреждений рельсов. Данная статья посвящена обзору подходов к моделированию возникновения контактно-усталостных повреждений на рабочих поверхностях рельсов. Рассмотрены четыре вида подходов к моделированию: основанные на методах и подходах механики контактного взаимодействия; на получении количественных характеристик приспосабливаемости материалов к циклическому нагружению, устанавливаемых с помощью лабораторных испытаний; на применении критериев, имеющих физический смысл энергии, выделяющейся на контакте; прогнозирующие накопление пластической деформации в условиях циклического нагружения на базе серии стандартных испытаний рельсовых сталей, в том числе в зоне сварного стыка, и конечноэлементного моделирования. Сформулированы направления дальнейших исследований по образованию и развитию поверхностных контактно-усталостных дефектов в рельсах.

рельсы, поверхностные контактноусталостные повреждения, моделирование возникновения, сварной стык

1. Эволюция повреждаемости рельсов дефектами контактной усталости / Е.А. Шур, А.И. Борц, А.В. Сухов [и др.] // Вестник ВНИИЖТ. 2015. № 3. С. 3–9.

2. Шур Е. А. Повреждения рельсов. М.: Интекст, 2012. 191 с.

3. Изучение механизмов контактно-усталостных дефектов в рельсах / В.Н. Цвигун [и др.]. Новокузнецк: Центр СибГНУ, 2017. 133 с.

4. Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения. Управление содержанием системы колесо — рельс / пер. с англ. под ред С. М. Захарова. М.: Интекст, 2017. 420 с.

5. Magel E. Editorial for JRRT ICRI special edition // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F. Journal of Rail and Rapid Transit. May 2017. SAGE Publishing. DOI: 10.1177/0954409717710100.

6. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения. Вопросы взаимодействия колеса и рельса / пер. с англ. Дж. У. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен [и др.]. М.: Интекст, 2002. 408 с.

7. Grassie S. L. Squats and squat-type defects in rails: The Understanding to date // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F. Journal of Rail and Rapid Transit. 24 October 2011. DOI:10.1177/0954409711422189.

8. Heyder R., Brehmer M. Empirical studies of head check propagation on the DB network // Wear. 2014. Vol. 314. Р. 36–43.

9. Computer-aided simulation of the influence of track and vehicle parameters on wheel/rail interaction characteristics / S. M. Zakharov, I. G. Goryacheva, D. Yu. Pogorelov et al. // Proceedings of the 8th International conference on contact mechanics and wear of rail/wheel systems (Firenze, Italy, 15–18th September, 2009). Firenze, 2009. Р. 1075–1083.

10. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.

11. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. М.: Машиностроение,1999. 544 с.

12. Моделирование процессов контактирования, изнашивания и накопления повреждений в сопряжении колесо — рельс / В. М. Богданов [и др.] // Трение и износ. 1996. Т. 17. № 1. С. 12–27.

13. Сакало В.И., Сакало А.В. Выбор критерия для моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава // Четвертый научно-технический семинар «Компьютерное моделирование на железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (Брянск, 3–4 апр., 2018). Брянск, 2018. С. 63–70.

14. Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.

15. Горячева И.Г., Торская Е.В. Моделирование условий образования контактно-усталостных повреждений поверхности катания // Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / под. ред. С. М. Захарова. М.: Интекст, 2004. С. 58–97.

16. Goryacheva I.G., Zakharov S.M., Torskaya E.V. Rolling contact fatigue and wear of wheel/rail simulation // Proceedings of the Second International conference on railway technology research development and maintenance. Paper 0123456789. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 2014. 15 p.

17. Kabo E., Ekberg A. Prediction of RCF from laboratory tests // Concluding technical report INNOTRACK. [S. l.], 2010. P. 131–133.

18. Burstow M. A whole life rail model application and development for RSSB — continued development of an RCF damage parameter // Rail Standard and Safety Board. London, UK. 2004.

19. Rolling contact fatigue life prediction for rails and welds in heavy haul systems / Chung Lun Pun, D. Welsby, P. Mutton, W. Yan // Proceedings of the International Heavy Haul Conference IHHA-2015 (Perth, Australia, 2015). Perth, 2015.

20. Коган А.Я., Абдурашитов А.Ю. Прогнозирование отказов рельсов по дефектам контактно-усталостного происхождения // Вестник ВНИИЖТ. 2014. № 4. С. 3–7.

21. Modeling surface rolling contact fatigue crack initiation taking severe plastic shear deformation into account / G. Trummer, C. Marte, P. Dietmaier et al. // Wear. 2016. Vol. 352–353. P. 136–145.

22. Comparison of rolling contact fatigue crack initiation models under heavy haul conditions / G. Trummer, K. Six, A. Woelfle et al. // Proceedings of the International Heavy Haul Conference IHHA-2017 (Cape Town, SA, 2017). Cape Town, 2017. P. 79–84.

23. Rolling contact fatigue life prediction for rails and welds in heavy haul / Chung Lun Pun, D. Welsby, P. Mutton, W. Yan // Proceedings of the International Heavy Haul Conference IHHA-2017 (Cape Town, SA, 2017). Cape Town, 2017. P. 56–62.