Моделирование контактно-усталостной поврежденности рельсов в зоне сварного стыка

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. 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. 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. 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.

1. Пути 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

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

8. 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_12

9. 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.

10. 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.

11. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. 12-е изд. М.: Юрайт, 2020. 480 с.

12. Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985. 452 p. https://doi.org/10.1017/cbo9781139171731.

13. 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.

14. 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.

15. Борц А. И., Долгих Л. В., Заграничек К. Л. Испытания рельсов на выносливость // Путь и путевое хозяйство. 2013. No 2. С. 16–22