References

pimi

Приборы и методы измерений

Devices and Methods of Measurements

2220-95062414-0473

BNTU

10.21122/2220-9506-2017-8-3-263-270

pimi-332

Research Article

Методы измерений, контроля, диагностики

Methods of measurements, monitoring, diagnostics

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

EVALUATION OF STRAIN-STRESS STATE OF THE RAILS IN THE PRODUCTION

Муравьев

В. В.

Muravev

V. V.

Тапков

К. А.

Tapkov

K. A.

Адрес для переписки: Тапков К.А. – Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, e-mail: izhjup@gmail.ru

Address for correspondence: Tapkov K.A. – Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Russia e-mail: izhjup@gmail.ru

izhjup@gmail.ru

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian Federation

2017

27092017

83263270

2017

Муравьев В.В., Тапков К.А.

Muravev V.V., Tapkov K.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://pimi.bntu.by/jour/article/view/332

Одной из наиболее частых причин разрушения многих металлических конструкций, в том числе и рельсов, является высокий уровень остаточных напряжений, которые могут достигать предела текучести, особенно в области дефектов. Знание величины внутренних напряжений в рельсах позволит получить информацию об их техническом состоянии, благодаря чему можно избежать аварийных ситуаций. Цель работы заключалась в создании модели напряженно-деформированного состояния рельса с учетом термического упрочнения головки и подошве и дальнейшего сопоставлении результатов моделирования с измерениями напряжений, полученных в ходе эксперимента.

Создание, а также расчет модели методом конечных элементов проводился в программной среде COMSOL. К головке и подошве рельса в продольном направлении были приложены силы, вызывающие сжимающие напряжения, к шейке рельса – силы, вызывающие растягивающие напряжения. Уровень напряжений, полученный при расчете модели рельса, был сопоставлен с соответствующим расхождением паза, который является информативным параметром при оценке уровня остаточных напряжений согласно действующему стандарту. Экспериментальные измерения выполнялись акустическим структуроскопом СЭМА, в основе которого лежит использование явления акустоупругости. Измерения выполнялись на пяти полнопрофильных пробах рельса.

Согласно результатам расчета модели, критическому уровню расхождения паза в 2 мм соответствует следующий уровень максимальных напряжений: –54 МПа в головке, 86 МПа в шейке и –62 МПа в шейке рельса. При проведении экспериментального исследования для различных рельсов получены следующие значения: от –48 МПа до –64 МПа в головке, от 54 МПа до 93 МПа в шейке рельса, от –59 МПа до –74 МПа в подошве рельса, погрешность измерения составила ±5 МПа.

Таким образом создана модель, позволяющая проводить анализ напряженно-деформированного состояния рельса и сопоставлять значение напряжений в рельсе с расхождением паза, выполненного в полнопрофильной пробе рельса. Результаты моделирования остаточных напряжений показали совпадение характера распределения напряжений с экспериментально полученными данными по пяти пробам рельсов.

High values of residual stresses is one of the most common reason of breaking lots of metal constructions, including rails. These stresses can reach values of flow limit, especially in the area of faults. Estimation of residual stresses values allows to get information about technical condition of the rail and also allow to avoid abnormal situations So, the aim of the research is creating the model of stress-strain state of the rail, which was hardened in its top and bottom, and to compare modeling results with experimental measurements of stresses and discrepancy of the housing.

For creating the model and making evaluations by finite element method we used a program COMSOL. Forces on the top and bottom of the rail cause tension stresses, forces on the web of the rail cause tensile stresses. We compared calculated values of stresses with discrepancy of the housing. The discrepancy of the housing is informative characteristic for estimating the residual stresses according to standards. For experimental measurements we used an acoustic structuroscope SEMA. This structuroscope uses the acoustoelastic phenomenon for measurements. We made measurements of the five rails.

According to the calculation results of the model, critical discrepancy of the housing in 2 mm corresponded to the following values of maximum stresses: –54 MPa in the top of the rail, 86 MPa in the web and –62 MPa in the bottom of the rail. Experimental measurements are the following: from –48 MPa to – 64 MPa in the top of the rail, 54 MPa to 93 MPa in the web of the rail, and –59 MPA to –74 MPa in the bottom of the rail. Absolute error was ±5 MPa.

Thus we created the model, which allowed to analyze strain-stress state and compare real values of stresses with discrepancy of the housing. Results of the modeling showed coincidence with structure of distribution of residual stresses in five probes of rails.

неразрушающий контрольакустоупругостьрельсмоделированиенапряженно-деформированное состояние

non-destructive testingacoustoelasticityrailmodelingstrain-stress state

Российский научный фонд (проект №15-19-00051, 2017)

Russian Science fond grant (project no. 15-19-00051, 2017)

References1

Громов, В.Е. Микроструктура закаленных рельсов / В.Е. Громов, А.Б. Юрьев, К.В. Морозов, Ю.Ф. Иванов. – Новокузнецк : Изд-во «Интер-Кузбасс», 2014. – 213 с.

Gromov V.E. Mikrostruktura zakalennykh rel'sov [Microstructure of hardened rails]. Novokuznetsk, InterKuzbass Publ., 2014, 213 p. (in Russian).

Бехер, С.А. Экспериментальная методика измерения динамических сил, действующих на рельсы подкранового пути в реальных условиях эксплуатации / С.А Бехер, А.О. Коломеец // Известия вузов. Строительство. – 2016. – № 3. – С. 110–118.

Beher S.A., Kolomeec A.O. [Experimental method of measurement of dynamic forces, applied to the rails of the crane in real conditions of using]. Izvestija vuzov. Stroitel’stvo [News of the universities. Construction], 2016, no. 3, pp. 110–118 (in Russian).

Неразрушающий контроль : справочник: в 7 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. – Т. 4 : в 3 кн. Кн. 1: Акустическая тензометрия / В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко [и др.]. – М. : Машиностроение, 2004. – 736 с.

Kluev V.V., Anisimov V.V., Katorgin B.I., Kucenko A.N. Nerazrushayushchii kontrol' : spravochnik v 7 t. [Non-destructive testing: directory in 7 volumes], vol.

Deputat, J. Experiences in Ultrasonic Measurement of Rail Residual Stresses / O. Orringer [et al.] (eds.); J. Deputat, J. Szelazek, A. Kwaszczynska-Klimek and A. Miernik // Residual Stress in Rails. – Kluwer academic publishers. – 1992. – No. 1. – Р. 169–183.

4, Moscow, Mashinostroenie Publ., 2004, 736 p. (in Russian). 4. Deputat J., Szelazek J., Kwaszczynska-KlimekA. and Miernik A. Experiences in Ultrasonic Measurement of Rail Residual Stresses. O. Orringer et al. (eds.). Residual Stress in Rails, Kluwer academic publishers, 1992, no. 1, pp. 169–183.

Степанова, Л.Н. Исследование напряженного состояния рельса с использованием акустоупругости и тензометрии / Л.Н. Степанова, С.А. Бехер, А.Н. Курбатов [и др.]. – Изв. вузов. Строительство. – 2013. – № 7. – С. 103–109.

Stepanova L.N., Beher S.A., Kurbatov A.N. [Research of strain-stress state of the rail by acoustoelasticity and tensometry]. Izvestija vuzov. Stroitel’stvo [News of the universities. Construction], 2013, no. 7, pp 103–109 (in Russian).

Муравьев, В.В. Электромагнитно-акустический метод исследования напряженно-деформированного состояния рельсов / В.В. Муравьев, Л.В. Волкова, А.В. Платунов, В.А. Куликов // Дефектоскопия. – № 7. – 2016. – С. 12–19.

Murav’ev V.V., Volkova L.V., Platunov A.V. and Kulikov V.A. An Electromagnetic-Acoustic Method for Studying Stress-Strain States of Rails. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2016, vol. 52, no. 7, pp. 370– 376.

Иванов, Ю.Ф. Формирование структурно-фазовых градиентов в рельсах при длительной эксплуатации / Ю.Ф. Иванов, К.В. Морозов, О.А. Перегудов [и др.] // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2015. – № 3. – С. 59–65.

Ivanov U.F., Morozov K.V., Peregudov O.A. [Developing of structural-phase gradients in rails during long time use]. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya [Problems of iron metallurgy and material science], 2015, no. 3, pp. 59–65 (in Russian).

Иванов, Ю.Ф. Эволюция структурно-фазовых состояний рельсов при длительной эксплуатации / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, О.А. Перегудов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2015. – Т. 58. – № 4. – С. 262–267.

Ivanov U.F., Gromov V.E., Peregudov O.A. [Evolution of structural-phase states of the rails in process of long time using]. Izvestiya vishih uchebnih zavedenij. Chernaja Metallurgia [Messenger of universities. Iron industry], 2015, vol. 58, no. 4, pp. 262–267 (in Russian).

Покровский, А.М. Численное моделирование температурно-структурного состояния железнодорожного рельса при его закалке / А.М. Покровский, Д.Н. Третьяков // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. – 2015. – № 7. – С. 1–13.

Pokrovsky A.M., Tretyakov D.N. [Numerical Modeling of temperature and structural state of rail during its hardening]. Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. [Science and education of Bauman MSTU. Electronic magazine], 2015, no. 7, pp. 1–13 (in Russian).

Никитина, Н.Е. Применение метода акустоупругости для определения напряжений в анизотропных трубных сталях / Н.Е. Никитина, А.В. Камышев, С.В. Казачек // Дефектоскопия. – 2015. – № 3. – С. 51–60.

Nikitina N.E., Kamyshev A.V., Kazachek S.V. [Applying acoustoelastic method for calculating stresses in anisotropic tube steels]. Defektoskopia [Defectoscopy], 2015, no. 3, pp. 51–60 (in Russian).

Whithers, P.J. Overview Residual stress / P.J. Whithers, H.K.H Bhadeshia. Part 1 – Measurement techniques // Material Science and Technology. – 2001. – Vol. 17. – P. 355–365.

Whithers P.J. Bhadeshia and H.K.H. Overview Residual stress. Part 1 – Measurement techniques, Material Science and Technology, 2001, no. 17, рр. 355–365. doi: 10.1179/026708301101509980

Бехер, С.А. Использование эффекта акустоупругости при исследовании механических напряжений в рельсах / С.А. Бехер, А.Н. Курбатов, Л.Н. Степанова // Вестник РГУПС. – № 2. – 2013. – С. 104–110.

Beher S.A., Kurbatov A.N., Stepanova L.N. [Using acoustoelastic effect during research mechanic stresses in rails]. Vestnik RGUPS [Messenger of RGUPS], no. 2, 2013, pp. 104–110 (in Russian).

Schneider, E. Ultrasonic Evaluation of Stresses in the Rims of Railroad Wheels / E. Schneider, R. Herzer // NDTnet. – June 1998. – Vol. 3, no. 6.

Schneider E., Herzer R. Ultrasonic Evaluation of Stresses in the Rims of Railroad Wheels. NDTnet, June 1998, vol. 3, no. 6.

Муравьев, В.В. Оценка остаточных напряжений в рельсах с использованием электромагнитно-акустического способа ввода-приема волн / В.В. Муравьев, Л.В. Волкова, В.Е. Громов, А.М. Глезер // Деформация и разрушение материалов. – 2015. – № 12. – С. 34–37.

Murav’ev V.V., Volkova L.V., Gromov V.E., Glezer A.M. Estimation of the Residual Stresses in Rails Using Electromagnetic–Acoustic Introduction–Reception of Waves. Russian Metallurgy (Metally), vol. 2016, no. 10, pp. 1002–1005. doi: 10.1134/S003602951610013X

Стрижак, В.А. Информационно-измерительная система возбуждения, приема, регистрации и обработки сигналов электромагнитно-акустических преобразователей / В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, С.А. Обухов, А.Б. Ефремов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2011. – № 1. – С. 243–250.

Strizhak V.A., Pryahin A.V., Obuhov S.A., Efremov A.B. [Information measurement system of exciting, receiving, registering and processing of electromagnetic acoustic transducer signals]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve [Intelligence systems in production], 2011, no. 1, pp. 243–250 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.