Прогнозирование контактно-усталостных повреждений рельсов расчетно-экспериментальными методами

Анализ причин выхода из строя рельсов в процессе эксплуатации показал, что среди них важное место занимают дефекты контактно-усталостного характера. Цель работы — применение современных численных методов для расчетной оценки срока службы рельсов до образования контактно-усталостной трещины на поверхности катания в зависимости от величин осевой нагрузки. Для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне контактного взаимодействия колеса и рельса использовали конечно-элементную модель, реализованную в программном комплексе MSC.Marc. Анализ НДС показал его сложный многоосный и непропорциональный характер. Для определения накопления контактно-усталостных повреждений на поверхности катания рельсов выбрана модель многоосной усталости Брауна – Миллера, реализованная в программном комплексе MSC.Fatigue. Данная модель опирается на предположения, что наибольшие усталостные повреждения в металле возникают на площадке с максимальным касательным напряжением. При этом учитывается влияние нормальных напряжений на этой площадке. Результаты сравнительного расчетного анализа ресурса рельсов подтверждают, что с повышением осевых нагрузок при прочих равных условиях срок службы снижается. При доле 20 % грузовых поездов с осевыми нагрузками 25 тс в суточном пакете следует ожидать снижения контактно-усталостной долговечности рельсов на 3 – 4 %. Представляется возможным совершенствование методики прогнозирования контактно-усталостной долговечности рельсов в части экспериментального определения усталостных и прочностных характеристик рельсовой стали в зависимости от степени упрочнения поверхности катания, их вероятностных свойств и использования интегрального закона распределения вертикальных сил с учетом структуры грузопотока, проходящего по участку.

1. Шур Е. А., Борц А. И., Сухов А. В. и др. Образование контактно-усталостных дефектов в головке рельсов / Железнодорожный транспорт. 2015. № 12. С. 34 – 38.

2. Лисицын А. И. Проблемы увеличения межремонтного ресурса рельсов с 700 до 1500 млн т брутто / Путь и путевое хозяйство. 2015. № 5. С. 13 – 15.

3. Лысюк В. С. Сравнительные испытания долговечности рельсов / Путь и путевое хозяйство. 2005. № 2. С. 23 – 25.

4. Богданов О. К., Ноздрачев Г. С. Анализ статистики ОДР с дефектом 21 / Путь и путевое хозяйство. 2017. № 2. С. 26 – 33.

5. Порошин В. Л. Оценка повреждаемости рельсов дефектами при повышении скоростей движения / Тр. ВНИИЖТ. 1979. Вып. 614. С. 54 – 65.

6. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. — М.: Мир, 1989. — 510 с.

7. Ахметзянов М. Х. О механизме развития контактно-усталостных повреждений в рельсах / Вестник ВНИИЖТ. 2003. № 2. С. 41 – 45.

8. Goryacheva I. G., Zakharov S. M., Torskaya E. V. Rolling contact fatigue and wear of wheel/rail simulation / Proceedings of the second International conference on rail technology research development and maintenance. Paper 0123456789. — Stirlingshire: Civil-Comp Press, 2014. — 15 p.

9. Trummer G., Six K., Woelfle A., et al. Comparison of rolling contact fatigue crack initiation models under heavy haul conditions / Proceedings of the International heavy haul conference IHHA-2017 (Cape Town, SA, 2017). Cape Town. 2017. P. 79 – 84.

10. Захаров С. М., Торская Е. В. Подходы к моделированию возникновения поверхностных контактно-усталостных повреждений в рельсах / Вестник ВНИИЖТ. 2018. Т. 77. № 5. С. 259 – 268.

11. Махутов Н. А., Резников Д. О., Коссов В. С., Оганьян Э. С., Волохов Г. М., Овечников М. Н., Протопопов А. Л. Методы определения ресурса нерезервируемых несущих элементов подвижного состава и пути / Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». 2017. № 3. С. 19 – 39.

12. Сакало В. И., Сакало А. В. Выбор критерия для моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава / IV научно-технический семинар «Компьютерное моделирование на железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (Брянск, 3 – 4 апреля 2018 г.). Брянск, 2018. С. 63 – 70.

13. Махутов Н. А., Сосновский Л. А., Кебиков А. А. Метод оценки механического состояния материала рельсов после длительной эксплуатации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. № 8. С. 49 – 54.

14. Brown M. W., Miller K. J. A theory for fatigue failure under multiaxial stress-strain conditions / Proceedings of the institute of mechanical engineers. 1973. Vol. 187. P. 745 – 755.

15. Chung Lun Pun, Welsby D., Mutton P., Yan W. Rolling contact fatigue life predictions for rails and welds in heavy haul / Proceedings of the International heavy haul conference IHHA-2017 (Cape Town, SA. 2017). Cape Town. 2017. P. 56 – 62.

16. Troshchenko V. T., Khamaza L. A. Deformation curves for fatigue steels and methods for determining its parameters. Message 1. Traditional methods / Strength issues. 2010. N 6. P. 26 – 44.

17. Коссов В. С., Волохов Г. М., Краснов О. Г., Овечников М. Н., Протопопов А. Л., Огуенко В. В. Влияние величины осевых нагрузок подвижного состава на контактно-усталостную долговечность рельсов / Вестник ВНИИЖТ. 2018. Т. 77. № 3. С. 149 – 156.