бабулер85

Определение остаточных напряжений в старогодных рельсах

ЛОКТЕВ А.А., Российский университет транспорта (МИИТ), докт. физ.-мат. наук, ГРИДАСОВА Е.А., Дальневосточный федеральный университет, канд. техн, наук, КОРОЛЕВ В.В., МИИТ, канд. техн, наук

В рельсовом хозяйстве по мере наработки пропущенного тоннажа происходят износ, смятие, коррозия, образование дефектов, приводящие к частичному отказу рельса и ограничению скорости движения поездов или полному отказу, при котором невозможен пропуск поездов.
В рельсах наиболее распространены контактно-усталостные дефекты. По данным отчетной формы ПО-4, процент выхода из строя по дефектам контактно-усталостного происхождения (10, 11, 13, 21, 30) фактически неизменен и превышает 70 %. Современная политика ОАО «РЖД» и крупных предприятий, имеющих внутризаводские и подъездные пути, ориентирована на применение ресурсосберегающих технологий в различных областях эксплуатационной деятельности, в том числе в содержании путевого хозяйства [1, 2]. Важной технологией, используемой в содержании рельсошпальной решетки, является «спасение» рельсовых плетей с помощью их переукладки из кривых участков пути в прямые, а также внутреннего и наружного рельсов в кривых участках пути определенной грузонапряженности с регламентированным боковым износом [2, 3]. Считается, что наиболее рационален перенос плетей с предпредель-ным боковым износом 13—14 мм (рис. 1).
После закрепления анкерного участка на неподвижном конце плети гидравлическим натяжным прибором (рис. 2) ее растягивают с доведением зазора в стыке, на котором установлен прибор, до нормативного значения [3, 4]. Одновременно ударным механизмом бьют в торец клина. При этом усилие передается на плеть, и она перемещается.
Перед повторным использованием рельсовых плетей предлагаем провести ряд исследований. Для этого можно использовать математическую модель динамического поведения рельсового сегмента и методику высокочастотных испытаний с изучением микроструктуры и микротвердости образцов старогодных рельсов [4, 5].


Чтобы вычислить внешнюю нагрузку, передаваемую от подвижного состава на рельсовую плеть, и напряжения в задаваемых точках рельса, надо определить зависимость между силой взаимодействия Р(т) колеса и рельса, механическими свойствами материалов и геометрическими параметрами конструкции верхнего строения пути. Эти зависимости можно выявить с помощью функционального выражения [5—7], описывающего контакт колеса и рельса в разные моменты времени, используя модель Герца (результат решения задачи деформирования рельсовой плети с учетом данной зависимости представлен в виде кривой 1 на рис. 3), линейно упругую модель (кривая 2), вязкоупругую модель с экспоненциальным ядром релаксации (кривая 3).
В другую группу аналитических зависимостей для контактной силы входят модели, функциональные соотношения которых содержат несколько выражений для разных этапов [6, 8—12]. Для этапов начала нагружения рельсовой плети, его максимальных значений и разгрузки применяются упругопластические модели Кильчевского (кривая 4) и Александрова—Кадомцева (кривая 8). В моделях с разгрузкой начало взаимодействия колеса и рельса до выхода на пик силы описывается выражением Герца, а после — выражением, характеризующим затухание (кривая 7). При совмещении ветвей нагружения и разгрузки, полученных за счет фактических условий совместности, используются модель Абрате (кривая 9), линеаризованная модель с изменяющимися механическими параметрами для разных этапов нагружения (кривая 11), модель Шимасу (кривая 10), эмпирическая модель (кривая 6). Трехфазная модель получается из условия совместности энергетических параметров разных этапов нагружения (кривая 5).
Перечисленные модели динамического контакта учитывают местное смятие материалов рельса и колеса, определяют геометрические и механические характеристики взаимодействующих тел, время релаксации для вязкоупругого взаимодействия, коэффициент вязкого сопротивления, пластические константы материалов, максимальное значение контактной силы перед началом этапа разгрузки, максимальное смятие материала в области взаимодействия, текущее и предельное значения смятия, контактную жесткость, которая зависит от радиуса колеса и имеющихся дефектов на колесной паре (ползуны, навары, трещины и т.д.).
Моделирование динамического поведения рельсовой плети в пределах двух смежных шпал под действием колесной пары подвижного состава предлагается выполнять при помощи уравнений для ортотропного плоского элемента, предварительно напряженного внешними продольной силой, действующей вдоль рельсовой плети, изгибающим моментом, вектор которого направлен вдоль рельса, и крутящим моментом, вектор которого направлен вдоль шпалы.

Для решения системы уравнений в пространстве изображений представим функцию внешней нагрузки, в которую входит сосредоточенная сила взаимодействия колеса и рельса Р(т), а также неизвестные линейные и угловые перемещения в виде разложений в ряды по полиномам Лежандра с учетом отсчитываемой вдоль плети координаты точки, в которой происходит динамический контакт. Эта динамическая задача решается, если известны соотношения нагрузки от колеса и перемещений в конкретном месте контакта, а также в заданной точке определения искомых кинематических и геометрических параметров деформирования.
Результаты решения функциональных уравнений показаны на рис. 3 в виде графических зависимостей безразмерной контактной силы от безразмерного времени для различных моделей контакта. При этом приняты следующие параметры: приведенная масса колеса — 12 т; приведенные модули упругости сегмента рельсошпальной решетки в направлении рельса и шпалы — соответственно 150 и 100 ГПа; модули упругости в горизонтальной плоскости — 40 ГПа, в вертикальных плоскостях, направленных вдоль рельса и вдоль шпалы, — соответственно 70 и 50 ГПа; коэффициенты Пуассона в двух перпендикулярных направлениях — 0,3 и 0,25; скорость движения экипажа — 16,67 м/с; высота профиля рельса — 0,18 м; размер контактной области — 0,02 м; размер рассматриваемого сегмента рельса — 0,8 м. Внешние усилия предварительного напряжения соответствуют состоянию обычной рельсовой плети в кривой большого радиуса при использовании гидравлического натяжного устройства.


Точки, отмеченные на рисунке кружками, показывают значения силы взаимодействия колеса и рельса, которые определены по результатам обработки экспериментальных данных. Различные кривые, полученные с использованием разных соотношений для контактной задачи, позволяют выбирать оптимальные соотношения в зависимости от геометрических, механических и конструкционных характеристик участка пути, эксплуатационных параметров и величин искомых функций, которые необходимо достичь (максимум контактной силы, время контакта, нагружения и разгрузки, общее совпадение графической зависимости и т.д.).
Фрагменты эксплуатировавшихся рельсов изучают на предмет возможности их повторного использования на различных участках магистральных, приемо-отправочных, станционных путей и путей промышленных предприятий. Процедура оценки этой возможности состоит из двух основных этапов: высокочастотные испытания для ускорения моделирования жизненного цикла рельсовой плети с последующим анализом изменившейся микроструктуры стали и модотирование динамического поведения старогодного рельса под планируемыми нагрузками [10, 12]. Из первичного образца, отрезанного от торца фрагмента рельсовой плети, из области головки изготавливаются 10 вторичных образцов, из подошвы —15 и из зоны шейки — восемь (рис. 4).
После подготовки образцов (рис. 5) проводятся циклические высокочастотные испытания при симметричном цикле нагружения на ультразвуковой установке. Экспериментальные образцы имеют форму тела вращения с цилиндрическими концами и средней частью с образующей, являющейся дугой большого радиуса. При испытаниях образец вводится в резонансные колебания частотой до 20 кГц. Испытание завершается, когда образец из-за структурных изменений выходит из резонанса. Параметры режимов высокочастотных испытаний заносят в таблицу, в которой Да — амплитуда цикла напряжений.
При нарушении маркировки и опознавательной информации исследуемой части рельса предварительно проводят химический анализ металла и испытания на статическое растяжение для определения основных механических характеристик. Это дает возможность идентифицировать образец. Результаты исследований по процентному содержанию элементов в основном и наплавляемом (при содержании в образце сварного шва старогодной рельсовой плети) металле заносят в отдельную таблицу.
Затем измеряется микротвердость по всей ширине образца — от его центра к хвостовику с шагом 100 мкм, а на расстоянии 1000 мкм от центра шаг увеличивают до 500 мкм. Данный метод позволяет выделить зоны локального повышения микротвердости, которые могут стать концентраторами напряжений и негативно сказываться на материале при последующих нагружениях.
Металлографические исследования (оптическая металлография) дают возможность оценить микроструктуру образца и ее изменение (образование белого слоя), выявить внутренние дефекты и концентраторы напряжений, а также причины разрушения — образование микротрещин под действием высокочастотных вибраций (рис. 6) [8, 9, 13].

Для исследования используется наиболее нагруженная часть образца — шейка рельса длиной 27±1 мм, которая подготавливается с помощью вырезки, запрессовки в акриловую смолу для удобства закрепления на оборудовании, шлифовки и полировки, а также травления. Образцы шлифуются на абразивной бумаге зернистостью Р180— Р1200 и полируются на алмазных суспензиях (размер частиц 9—1 мкм). В результате должно получиться продольное сечение образца, максимально близкое к его оси.
Электронная микроскопия отобранных образцов проводится при увеличениях 5000* и 25000*. Изображения позволяют оценить структуру перлита в различных точках поперечного сечения рельса, выявить локализацию разрушения и состояния зерен.
Проведенное обследование оформляется в виде отчета специализированной лабораторией, имеющей соответствующее оборудование, программно-аппаратное обеспечение и кадровый состав подтвержденной квалификации.
Отчет по результатам высокочастотных испытаний должен содержать:

• оценку возможности разрушения с появлением «белого слоя», микротвердость которого превышает 1000 HV, при совместном влиянии высокочастотных вибраций и реальных амплитуд давления (800 МПа), действующих в системе «колесо—рельс»;
• целенаправленное измерение микротвердости в зоне трещин при диапазоне амплитуд давления 700—770 МПа и ниже (сварные соединения);
• оценку возможности накопления приводящих к разрушению повреждений;
• число циклов нагружения, при которых не выявлено никаких структурных изменений.

Контроль по описанной схеме предлагается проводить перед укладкой старогодных рельсов в путь и сваркой в плети. При этом первичными образцами являются отрезки с начала и конца рельсов (один рельс на 25 поставляемых), а также участок сварного стыка (один образец длиной 20 см на 50 сварных стыков). Первичный образец доставляется в специализированную лабораторию, и затем из него изготовляются вторичные образцы для статических и динамических испытаний (по три — из области головки и подошвы и два — из области шейки). Для измерения микротвердости из каждого вторичного образца вырезается участок из средней части или из области вблизи зоны разрушения.
Важный параметр, позволяющий оценить возможность повторного использования рельса, — число циклов динамического нагружения, которые выдерживает опытный образец до своего разрушения при высокочастотных воздействиях. Значение его микротвердости и указанных параметров вычисляются по описанной методике с помощью построения графических кривых (см. рис. 3) и с учетом установленной вероятности отказа. При этом учитываются эксплуатационные параметры участка пути, на котором планируется использовать испытываемые рельсы.

Список источников

1. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А. Методика проектирования гиперболических фрез для репрофилирования старогодных рельсов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Технологическая системотехника. 2005. № 4. С. 32—35.
2. Ромен Ю.С., Суслов О.А., Валяева А.А. Определение сил взаимодействия в системе колесо—рельс на основании измерения напряжений в шейке рельса // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2017. Т. 76. № 6. С. 354-361.
3. Певзнер В.О., Потапов А.В. Влияние разности подуклонки рельсов в створных сечениях на боковой износ рельсов // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2012. Т. 5. № 5(5). С. 78—82.
4. Коган А.Я., Черняков Е.А. Оценка достаточного условия устойчивости колеса на рельсе с учетом вероятностного характера влияющих на нее некоторых факторов // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2008. № 2. С. 36—41.
5. Локтев А.А. Удар вязкоупругого тела по упругой изотропной пластинке // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13. № 3. С. 417—425.
6. Rossikhin Yu.A., Shitikova M.V., Loktev А.А. The analysis of thin-walled building structures subjected to impact excitation // 4th International Ph.D. Symposium in Civil Engineering. Munich: Springer, 2002. C. 487—492.
7. Исследование микроструктуры рельсовой стали при высокочастотных динамических воздействиях / А.А. Локтев, В.В. Королев, И.В. Шишкина, Е.А. Гридасова, П.А. Никифоров, К.Ю. Тальских // Путь и путевое хозяйство. 2019. № 5. С. 11—15.
8. Gridasova Е., Nikiforov Р., Loktev A. The influence of high-frequency cyclic loading on the mechanical properties of steel // Materials Science Forum. 2018. Vol. 945. P. 549-555. DOI: https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.549.
9. Loktev A.A., Korolev V.V., Shishkina I.V. High frequency vibrations in the elements of the rolling stock on the railway bridges // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. URL: https://iopscience. iop. org/ article/10.1088/1757-899X/463/3/O32O19.
10. Локтев A.A., Виноградов B.B., Бучкин B.A. Модели взаимодействия колеса и рельса при высоких скоростях движения // Мир транспорта. 2016. Т. 14. № 1 (62). С. 54—60.
11. Россихин Ю.А., Шитикова М.В., Локтев А.А. Удар шара о нелинейно упругий буфер, установленный на плите перекрытия // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2004. № 11 (551). С. 16-22.
12. Loktev А.А., Loktev D.A. Transverse impact of a ball on a sphere with allowance for waves in the target // Technical Physics Letters. 2008. Vol. 34. № 11. P. 960-963.
13. Влияние высокочастотных вибраций в системе «колесо-рельс» на структуру рельсовой стали М76 / Е.А. Гридасова, А.А. Локтев, П.А. Никифоров, К.Ю. Тальских. // Наука и техника транспорта. 2019. № 2. С. 40—46.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАРОГОДНЫХ РЕЛЬСАХ
Ключевые слова: остаточные напряжения, старогодные рельсы, высокочастотные испытания, микроструктура, микротвердость.
Локтев Алексей Алексеевич — докт. физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Транспортное строительство» Российского университета транспорта (МИИТ). Москва, Россия. E-mail: aaloktev@yandex ru
Гридасова Екатерина Александровна — канд. техн, наук, доцент кафедры Сварочного производства Дальневосточного федерального университета. Владивосток, Россия.
E-mail: olvin@list.ru
Королев Вадим Вадимович — канд. техн, наук, доцент кафедры «Транспортное строительство» Российского университета транспорта (МИИТ). Москва, Россия.
E-mail: Korolevadim@mail.ru
Аннотация. В статье авторы предлагают перед повторным использованием рельсовых плетей провести ряд исследований с помощью математической модели динамического поведения рельсового сегмента и методики проведения высокочастотных испытаний с изучением микроструктуры и микротвердости образцов старогодных рельсов.
Ссылка для цитирования: Локтев А.А., Гридасова Е.А., Королев В.В. Возможность определения остаточных напряжений в рельсах перед повторным использованием их в пути посредством высокочастотных испытаний /А.А. Локтев, Е.А. Гридасова, В.В. Королев //Путь и путевое хозяйство. 2020. № 3. С. 30—33.

DETERMINATION OF RESIDUAL STRESSES IN RAILS
Keywords: residual stresses, old rails, high frequency tests, microstructure, microhardness.
Loktev Alexey — D.Sci., Professor, head of department «Transport construction», Russian University of Transport. Moscow, Russia. E-mail: aaloktev@yandex.ru
Gridasova Catherine — Ph.D., associate Professor of welding production Department, Far Eastern Federal University. Vladivostok, Russia. E-mail: olvin@list.ru
Korolev Vadim — Ph.D., associate Professor of department «Transport construction», Russian University of Transport. Moscow, Russia. E-mail: Korolevadim@mail.ru
Abstract. In the article the author proposes to conduct a number of studies before reusing rail lashes, proposes a mathematical model of the dynamic behavior of the rail segment and a technique for conducting high-frequency tests with the study of the microstructure and microhardness of samples of old-fashioned rails.
Citation: Loktev A.A., Gridasova C.A., Korolev V.V. Possibility of determination of residual stresses in rails before their re — use in a way by means of high-frequency tests. Put i putevoe hoziaystvo, 2019, 3, pp. 30—33. (in Russian)