ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

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. 

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

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

14. 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.

15. 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.