Остаточные эксплуатационные напряжения на поверхности катания рельса Р65

Введение. Проблемы долговечности рельсов и методов ее прогнозирования в условиях возрастания грузонапряженности железных дорог продолжают быть актуальными. В области контакта колеса и рельса возникают высокие напряжения, вызванные усилиями их взаимодействия. Они учитываются при оценке контактной прочности рельсов, и для их расчета разработаны эффективные, апробированные методы. Кроме контактных напряжений рельсы содержат в себе остаточные технологические напряжения, возникающие при холодной правке и термоупрочнении, однако эти напряжения претерпевают изменения в процессе эксплуатации рельса. Эти напряжения недостаточно хорошо изучены. Расчетно-экспериментальными методами получены распределения технологических остаточных напряжений во внутренних точках рельса. Эксплуатационные остаточные напряжения исследованы рентгеновским методом в основном для рельсов, изготовленных из зарубежных марок сталей с большим сроком эксплуатации. Целью работы является определение остаточных эксплуатационных напряжений на поверхности катания рельса Р65 при продолжительном силовом воздействии колес тяжеловесных грузовых вагонов.

Материалы и методы. Для определения эксплуатационных остаточных напряжений на поверхности катания рельса использован отрезок рельса длиной 750 мм. Он находился в эксплуатации в течение 20 лет в пути с тяжеловесным движением. Измерение деформаций выполнено с помощью метода электротензометрии. Для измерения использовались тензорезисторы с базой 5 мм  

и сопротивлением 52,4 Ом. В продольном направлении параллельно оси рельса было наклеено 9 тензорезисторов, а в поперечном 4 тензорезистора. Для определения остаточных напряжений использован метод релаксации напряжений.

Результаты. Получены распределения продольных и поперечных эксплуатационных остаточных напряжений по ширине поверхности катания рельса, а затем выполнен их анализ.

Обсуждение и заключение. Полученные значения продольных и поперечных эксплуатационных остаточных напряжений в точках поверхности катания рельса хорошо согласуются с результатами, полученными другими авторами с использованием рентгеновских методов. При исследовании остаточных напряжений в рельсах с достаточно большим сроком эксплуатации рентгеновскими методами установлено, что наибольшие напряжения примерно одинакового значения возникают в подповерхностном слое толщиной около 10 мм. В этом слое существует наибольшая вероятность зарождения усталостных трещин. Учет полученных остаточных напряжений в методах моделирования процессов накопления контактно-усталостных повреждений позволит их усовершенствовать и повысить достоверность получаемых результатов.

1. Фимкин А. И., Долотказин Д. Б. Расчетно-экспериментальный метод определения продольных остаточных напряжений в железнодорожных рельсах // Вестник Московского института инженеров ж.-д. транспорта (МИИТ). 2001. № 6. С. 28–39.

2. Luzin V., Rathod C., Wexler D., Boyd P., Dhanasekar M. Residual Stresses in Rail-Ends from the in-Service Insulated Rail Joints Using Neutron Dif fraction. Materials Science Forum. 2013;768–769:741–746. https://doi.org/10.4028/www.scientif ic.net/MSF.768-769.741.

3. Тимошенко С. П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975. 575 с.

4. Takahashi Sh., Sasaki T., Kondoh Y., Hirose Y. Residual stress evaluation of railway rails. Materials Science Forum, Residual Stresses VII: ECRS 7. Proceedings of the 7 th European Conference on Residual Stresses, 13–15 September 2006, Berlin, Germany. p. 381–386.

5. Комплексный подход к прогнозированию работоспособности и ресурса рельсов нового поколения / И. Г. Горячева [и др.] // Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО ≪РЖД≫. 2017. № 5–6. С. 16–26. EDN: https://www.elibrary.ru/ynebje.

6. Moazam M. A., Honarpisheh M. Residual Stresses Measurement in UIC 60 Rail by Ring-Core Method and Sectioning Technique. AUT Journal of Mechanical Engineering. 2018;2(1):97–104. https://doi.org/10.22060/mej.2017.12879.5457.

7. Skyttebol A., Josefson B. L., Ringsberg J. W. Fatigue crack growth in a welded rail under the inf luence of residual stresses. Engineering Fracture Mechanics. 2005;72:271–285. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2004.04.009.

8. Cai Zhipeng, Nawafune Masashi, Ma Ninshu, Qu Yuebo, Cao Bin, Murakawa Hidekazu. Residual Stresses in Flash Butt Welded Rail. Transactions of JWRI. 2011;40(1):79–87.

9. Mortazavian E., Wang Z., Teng H. Finite element investigation of residual stresses during laser powder deposition process as an innovative technique to repair worn rails. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2022;237(1):21–32. https://doi.org/10.1177/09544097221089410.

10. Li Y., Chen J., Wang J., Zhao H., Chen L. Study on the residual stress distribution of railway rails. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2020; 234(23):4682–4694. https://doi.org/10.1177/0954406220927069.

11. Żak S., Woźniak D. Controlling the State of Residual Stresses in Railway Rails by Modifying Pass Design of Straightening Rollers. Archives of Metallurgy and Materials. 2023;68(1):57–70. https://doi.org/10.24425/amm.2023.141473.

12. Talamini B., Gordon J., Perlman A.B. Finite Element Esti mation of the Residual Stresses in Roller-Straightened Rail. Proceedings of the ASME 2004 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Rail Transportation. Anaheim, California, 13-19 November, 2004, USA. p. 123–131. https://doi.org/10.1115/IMECE2004-61850.

13. Thadsoongnoen K., Hasap A., Noraphaiphipaksa N., Kanchanomai C. Numerical Investigation of Residual Stress Formation Me cha nisms in Flash-Butt Welded Rail. Metals. 2023; 13(8):1359. https://doi.org/10.3390/met13081359.

14. Kelleher J., Prime M. B., Buttle D., Mummery P. M., Webster P. J., Shackleton J., Withers P. J. The measurement of residual stress in railway rails by dif fraction and other methods. Journal of Neutron Research. 2003;11(4):187–193. https://doi.org/10.1080/10238160410001726602.

15. Jun T.S., Hofmann F., Belnoue J., Song X., Hofmann M., Korsunsky A. M. Triaxial residual strains in a railway rail measured by neutron dif fraction. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2009;44(7):563–568. https://doi.org/10.1243/03093247JSA545.

16. Sasaki T., Takahashi S., Kanematsu Y., Satoh Y., Iwafuchi K., Ishida M., Morii Y. Measurement of residual stresses in rails by neutron dif fraction. Wear. 2008;265(9–10):1402–1407. https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.04.047.

17. Mortazavian E., Wang Z., Teng H. Measurement of Residual Stresses in Laser 3D Printed Train Rail using X-Ray Dif fraction Technique. Proceedings of the ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Volume 2A: Advanced Manufacturing, 1–5 November, 2021. P. 9. https://doi.org/10.1115/IMECE2021-69822.

18. Oliveira B. S, Rodrigues L. A. S, Costa E. S, Braga E. M, Reis M. A. L. X-ray dif fraction analysis of residual stresses in the premium rails welded by f lash butt process. Soldagem & Inspecao. 2020;25(26):1–9. https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI25.29.

19. Hwang Y.-I., Kim G., Kim Y.-I., Park J.-H., Choi M. Y., Kim K.-B. Experimental Measurement of Residual Stress Distribution in Rail Specimens Using Ultrasonic LCR Waves. Applied Sciences. 2021;11(19):9306. https://doi.org/10.3390/app11199306.

20. Prime M. B. Cross-Sectional Mapping of Residual Stresses by Measuring the Surface Contour After a Cut. Journal of Engi neering Materials and Technology. 2001;123(2):162–168. https://doi.org/10.1115/1.1345526.

21. Johns T. G., Sampath S. G., Bell J. C., Davies K. B. Engineering Analysis of Stresses in Railroad Rails. U.S. Department of Transportation. FRA/ORD-81/51. Final Report. 1981. 414 p.

22. Сакало В. И., Сакало А. В. Определение остаточных напряжений в железнодорожном рельсе методом электротензометрии // Шестой научно-технический семинар ≪Компьютерное моделирование на железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ≫, Брянск, 9–13 сентября 2024. Брянск: БГТУ, 2024. С. 78–81. EDN: https://www.elibrary.ru/hmwulp.