Оценка возможности появления контактно-усталостных повреждений в колесах и рельсах с использованием критерия Данг Вана

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. 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. 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. 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.

1. Сакало 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.

2. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов / под ред. С. М. Захарова. М.: Интекст, 2004. 160 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Ekberg A. Rolling contact fatigue of railway wheels. PhD Thesis. Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology; 2000. p. 1-27.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Керенцев Д. Е. Повышение конструкционной прочности железнодорожных колес подвижного состава: дис.... канд. техн. наук: 01.02.06. Самара, 2016. 173 с.

11. 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.

12. Фимкин А. И., Долотказин Д. Б. Расчетно-экспериментальный метод определения продольных остаточных напряжений в железнодорожных рельсах // Вестник МИИТа: научно-технический журнал. 2001. № 6. С. 28-39

13. 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.