Особенности усталостного разрушения упругих клемм промежуточных рельсовых скреплений

Введение. Проблема повышения качества и продления эксплуатационного ресурса рельсовых скреплений, в частности, упругих клемм, стала наиболее острой в настоящее время. Причиной является развитие высокоскоростного и грузонапряженного движения поездов. В эксплуатации упругая клемма воспринимает преднагрузку монтажным усилием и динамическое нагружение циклами догружения и частичной разгрузки, обусловленное воздействием подвижного состава. Усталостная долговечность является наиболее важным параметром, определяющим надежность клеммы и безопасность движения поездов. Цель настоящего исследования — анализ основных механизмов усталостного разрушения трех клемм, испытанных при различных режимах циклического нагружения (по  стандартной и ускоренной методикам испытаний) путем исследования изломов.

Материалы и  методы. В  качестве объекта исследования была выбрана упругая клемма ЦП 369.102 (клемма ЖБР‑65). Испытания были выполнены и стандартным методом, удовлетворяющим требованиям ГОСТ 33186–2014, и ускоренным методом Локати. При анализе изломов клеммы применялся фрактографический метод.

Результаты. Установлено подобие процессов, приводящих к усталостному разрушению для клемм, подвергнутых испытаниям по стандартному и ускоренному методам. Проведен фрактографический анализ изломов трех упругих клемм. Для каждой из клемм представлен анализ механизма усталостного разрушения. У одной клеммы, испытанной по стандартному методу, в очаге зарождения трещины было найдено неметаллическое включение.

Обсуждение и  заключение. Во  всех рассмотренных случаях разрушение сопровождалось зарождением усталостных микротрещин от неметаллических включений или дефектов на поверхности прутка клеммы. Действующий на данный момент стандарт не нормирует загрязненность неметаллическими включениями сталей, предназначенных для изготовления клемм. Целесообразно провести дополнительные исследования для оценки влияния неметаллических включений на усталостную долговечность клемм.

1. Беляев М.С., Кошкин С.Б., Горбовец М.А. Определение предела усталости жаропрочного сплава способом ступенчатого изменения нагрузки // Авиационные материалы и технологии. 2011. №1 (18). С. 27–30. EDN: https://elibrary.ru/rnecun.

2. Pollak R., Palazotto A., Nicholas T. A simulation-based investigation of the staircase method for fatigue strength testing. Mechanics of Materials. 2006;38(12):1170–1181. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2005.12.005.

3. Spiteri P., Ho S., Lee Y.-L. Assessment of bending fatigue limit for crankshaft sections with inclusion of residual stresses. International Journal of Fatigue. 2007;29(2):318–329. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.03.009.

4. Locati L. Le prove di fatica come ausilio alla progettazione ed alla produzione. Metallurgia Italiana. 1955;47(9):301–308.

5. Prot E. M. L’essai de fatigue sous charge progressive. Une nouvelle technique d’essai des matériaux. Revue de Métallurgie. 1948;45(12):481–489. https://doi.org/10.1051/metal/194845120481.

6. Enomoto N. A method for determining the fatigue limit of metals by means of stepwise load increase tests. Proceedings — American Society for Testing and Materials. 1959;59:711–722.

7. Березин В.О., Замуховский А.В. Об актуальности методики ускоренных усталостных испытаний упругих клемм // Путь и путевое хозяйство. 2026. №4. С. 14–17. EDN: https://elibrary.ru/sqethr.

8. Чернов В.А., Даниленко Д.В., Цыганская Л.В., Комиченко С.О., Ефимов В.П. Ускоренный метод испытания боковых рам инновационной тележки модели 18-9891 // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2025. Т. 22, №3. С. 643–656. https://doi.org/10.20295/1815-588X-2025-3-643-656. EDN: https://elibrary.ru/zuyqes.

9. Brodbeck M., Spiegel A., Hunt J., Gruenert J. Mechanical fatigue analysis comparing two locking plates in a metaphyseal fracture model of the distal ulna. Journal of Musculoskeletal Disorders and Treatment. 2016;2(3):16–19. https://doi.org/10.23937/2572-3243.1510018.

10. Topoliński T., Nowicki K. Verification of selected hypotheses attempting to explain the effect of fatigue damage build-up in trabecular bones. AIP Conference Proceedings. 2016;1780(1):020009. https://doi.org/10.1063/1.4965941.

11. Бойцов Б.В. Статистический анализ точности метода ускоренных испытаний // Заводская лаборатория. 1972. Т. 38, №9. С. 1129–1132.

12. Veramiayuk S., Paczkowska M. Analysis of factors influencing the fatigue strength of railway fastening clips. Advancements in Civil Engineering and Technology. 2025;6(4). https://doi.org/10.31031/ACET.2025.06.000644.

13. Wang X.-W., Hu Q.-F., Zhang Ch.-L., Chen L., Zhu Ch. Y., Tao B., Jiang B., Liu Y. Zh. Optimization of heat treatment for 38Si7 spring steel with excellent mechanical properties and controlled decarburization. Materials. 2022;15(11):3763. https://doi.org/10.3390/ma15113763. EDN: https://elibrary.ru/zhcfke.

14. Cui Zh. N., Kang Y. L., Guo M. Zh., Li B. Sh., Qui Q.-Q., Liu R. D., Liu H.-B. Effect of process parameters on microstructure and properties of 1500 MPa grade hot formed steel without boron but containing niobium. Materials Science Forum. 2019;944:283–293. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.944.283.

15. Xiao H., Guo X., Wang H., Ling X., Wu S. Fatigue damage analysis and life prediction of E-clip in railway fasteners based on ABAQUS and FE SAFE. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(3):168781401876724. https://doi.org/10.1177/1687814018767249.

16. Березин В.О., Замуховский А.В., Ефимов А.А. Выбор расчетных методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и среднего напряжения цикла для локализации места зарождения усталостной трещины в упругой клемме // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №3. С. 199–214. https://doi.org/10.21780/2223- 9731-2025-84-3-199-214. EDN: https://elibrary.ru/izmvxi.

17. Park Y. Ch., An Ch., Sim H. B., Kim M., Hong J. K. Failure analysis of fatigue cracking in the tension clamp of a rail fastening system. International Journal of Steel Structures. 2019;19:1570–1577. https://doi.org/10.1007/s13296-019-00231-5. EDN: https://elibrary.ru/oiozcc.

18. Kim S. H., Fang X. Ju., Park Y. Ch., Sim H. B. Evaluation of structural behavior and fatigue performance of a KR-type rail clip. Applied Sciences. 2021;11(24):12074. https://doi.org/10.3390/app112412074. EDN: https://elibrary.ru/dpczcv.

19. Ostash O.P., Chepil’ R.V., Hrybovs’ka V.I. On the determining parameters of serviceability of the elastic clamps of rail fasteners. Materials Science. 2017;53:55–61. https://doi.org/10.1007/s11003-017-0043-5. EDN: https://elibrary.ru/xnwvcm.

20. Akiniwa Y., Stanzl-Tschegg S., Mayer H., Wakita M., Tanaka K. Fatigue strength of spring steel under axial and torsional loading in the very high cycle regime. International Journal of Fatigue. 2008;30(12):2057– 2063. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2008.07.004.

21. Karr U., Schönbauer B.M., Sandaiji Y., Mayer H. Effects of non-metallic inclusions and mean stress on axial and torsion very high cycle fatigue of SWOSC-V spring steel. Metals. 2022;12(7):1113. https://doi.org/10.3390/met12071113. EDN: https://elibrary.ru/tzwjrb.

22. Murakami Y., Endo M. Effects of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength. International Journal of Fatigue. 1994;16(3):163–182. https://doi.org/10.1016/0142-1123(94)90001-9.

23. Ali R., Shehbaz T., Felicis D.D., Sebastiani M., Bemporad E. Investigations into fatigue failure in E-type fastening clips used in railway track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2021;235(7):898–905. https://doi.org/10.1177/0954409720967802.

24. БерезинВ.О., ЗамуховскийА.В., ЕфимовА.А., ГречаникА.В. Валидация конечно-элементной модели клеммы узла промежуточного рельсового скрепления // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №2. С. 113–125. EDN: https://elibrary.ru/qyogfn.

25. Андреев В.Е., Кудряшов Е.В. Создание контактной сети КС 400 для российских высокоскоростных железнодорожных магистралей // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №4. С. 235–250. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-235-250. EDN: https://elibrary.ru/dywrie.

26. Andreev V.E., Kudryashov E.V. Design and construction of the KS 400 overhead contact line for Russian high speed railways. Russian Railway Science Journal. 2025;84(4):235–250. (InRuss.). https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-235-250. EDN: https://elibrary.ru/dywrie.

27. Романов А.В., Киселев А.А. Прочность и устойчивость безбалластной конструкции верхнего строения бесстыкового пути высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Санкт-Петербург // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, №4. С. 262–272. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2025-84-4-262-272. EDN: https://elibrary.ru/fqcvmj.

28. Кореньков Д.А., Иванников М.А., Загитов Э.Д. Разработка конструкции и технологий содержания железнодорожного пути, обеспечивающих наработку 2,5 млрд т брутто пропущенного тоннажа // Путь и путевое хозяйство. 2024. №12. С. 2–6. EDN: https://elibrary.ru/mknjnq.