Кривые контактной усталости рельсовой стали

Введение. Проблема контактно-усталостных повреждений рельсов приобрела особую актуальность в связи с ростом грузонапряженности железных дорог. Эффективным методом исследования влияния различных факторов на образование повреждений является метод математического моделирования динамики движения и процессов накопления контактно-усталостных повреждений в материале рельса. При моделировании процессов накопления повреждений используется кривая зависимости количества циклов нагружения колеса или расчетного сечения рельса до появления контактно-усталостных разрушений от значения выбранного критерия контактной усталости. Такая кривая может быть получена только экспериментальным путем.

Материалы и методы. Проведены стендовые испытания на контактную усталость образцов из рельсовой стали в форме роликов. Установка для испытаний оригинальной конструкции позволяла создавать нагрузку на ролики до 4000 Н. Обработка опытных данных выполнена с помощью метода конечных элементов. Задача перекатывания образца и контртела решалась в упругопластической постановке.

Результаты. Выполнено исследование влияния размеров и формы контактирующих поверхностей образцов для испытаний на контактную усталость на распределение контактных давлений. Сконструирована и изготовлена установка для испытаний на контактную усталость по схеме качения ролика по ролику. Проведены испытания образцов из рельсовой стали на контактную усталость. Обработка результатов выполнена с помощью метода конечных элементов, построены кривые контактной усталости рельсовой стали по трем критериям: комбинированному, критерию Данг Вана, амплитудному значению максимального касательного напряжения.

Обсуждение и заключение. В результате применения разработанного методического подхода были получены кривые контактной усталости рельсовой стали. Кривые могут быть использованы в моделировании процесса накопления контактно-усталостных повреждений в материале рельса при различных нагрузках на ось, динамических нагрузках, возникающих при движении подвижного состава в кривых и прямых участках пути, различных профилях катания колес и рельсов.

1. Бурков Д.Н., Ваганова О.Н. Актуальные проблемы рельсового хозяйства // Путь и путевое хозяйство. 2022. №8. С. 2–7.

2. Захаров С.М., Торская Е.В. Подходы к моделированию возникновения поверхностных контактно-усталостных повреждений 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.

3. Сакало В.И., Сакало А.В. Критерии для прогнозирования возникновения контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава и рельсах // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2019. Т. 78, №3. С. 141–148. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-141-148.

4. 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.

5. Akaoka J., Hirasawa K. Fatigue Phenomena under Rolling Contact Accompanied with Sliding. Bulletin of JSME. 1959;2(5):43-50. https://doi.org/10.1299/jsme1958.2.43.

6. Ishida M., Abe N. Experimental study on rolling contact fatigue from the aspect of residual stress. Wear. 1996;191:65-71.

7. Liu C.R., Choi Y. Rolling contact fatigue life model incorporating residual stress scatter. International Journal of Mechanical Sciences. 2008;50(12):1572-1577. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2008.10.008.

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

9. Clayton P., Su X. Surface initiated fatigue of pearlitic and bainitic steels under wear lubricated rolling/sliding contact. Wear. 1996;200:63-73.

10. Su X., Clayton P. Ratchetting strain experiments with a pearlitic steel under rolling/sliding contact. Wear. 1997;205:137-143.

11. Сакало В. И., Сакало А.В. Контактная усталость рельсовых и колесных сталей. Лабораторные испытания // Пятый научно-технический семинар «Компьютерное моделирование на железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ», Брянск, 4–6 октября 2022. Брянск: БГТУ, 2022. С. 99–102.

12. Ramalho A. Wear modelling in rail—wheel contact. Wear. 2015;330-331:524-532.

13. Zhao X., Wang Z., Wen Z., Wang H., Zeng D. The initiation of local rolling contact fatigue on railway wheels: An experimental study. International Journal of Fatigue. 2020;132:105354. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105354.

14. Повышение стойкости вагонных колес в эксплуатации карбонитридным упрочнением стали / Л.М. Школьник [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1994. №6. С. 40–44.

15. Марков Д.П. Повышение твердости колес подвижного состава // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 1995. №3. С. 10–17.

16. 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.

17. Sakalo V., Sakalo A., Rodikov A., Tomashevskiy S. Computer modeling of processes of wear and accumulation of rolling contact fatigue damage in railway wheels using combined criterion. Wear. 2019;432-433: 102900. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.05.015.