zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-4-46-55zldm-1191Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSПрогнозирование контактно-усталостных повреждений рельсов расчетно-экспериментальными методамиPrediction of contact-fatigue damage to rails using computational-experimental methodsМахутовН. А.MakhutovN. A.

Николай Андреевич Махутов

101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

Nikolay A. Makhutov

4, Maly Kharitonievsky per., Moscow, 101000

info@imash.ruКоссовВ. С.KossovV. S.

Валерий Семенович Коссов

140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 410

Valery S. Kossov

410, Oktyabrskoy Revolutsii ul., Kolomna, Moscow oblast’, 140402

vnikti@ptl-kolomna.ruОганьянЭ. С.OganyanE. S.

Эдуард Сергеевич Оганьян

140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 410

Eduard S. Oganyan

410, Oktyabrskoy Revolutsii ul., Kolomna, Moscow oblast’, 140402

vnikti@ptl-kolomna.ruВолоховГ. М.VolokhovG. M.

Григорий Михайлович Волохов

140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 410

Grigory M. Volokhov

410, Oktyabrskoy Revolutsii ul., Kolomna, Moscow oblast’, 140402

vnikti@ptl-kolomna.ruОвечниковМ. Н.OvechnikovM. N.

Михаил Николаевич Овечников

140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 410

Mikhail N. Ovechnikov

410, Oktyabrskoy Revolutsii ul., Kolomna, Moscow oblast’, 140402

vnikti@ptl-kolomna.ruПротопоповА. Л.ProtopopovA. L.

Андрей Леонидович Протопопов

140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 410

Andrey L. Protopopov

410, Oktyabrskoy Revolutsii ul., Kolomna, Moscow oblast’, 140402

vnikti@ptl-kolomna.ruИнститут машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наукРоссияMechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНаучно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного составаРоссияScientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling StockRussian Federation2020230420208644655Copyright © Махутов Н.А., Коссов В.С., Оганьян Э.С., Волохов Г.М., Овечников М.Н., Протопопов А.Л., 20202020Махутов Н.А., Коссов В.С., Оганьян Э.С., Волохов Г.М., Овечников М.Н., Протопопов А.Л.Makhutov N.A., Kossov V.S., Oganyan E.S., Volokhov G.M., Ovechnikov M.N., Protopopov A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1191

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.

Analysis of the operational data related to rails failure showed that contact-fatigue defects consistently hold a prominent place. The goal of the study is to show the possibilities of using modern numerical methods in calculation assessment of the service life of rails before the onset of contact fatigue crack formation on a running surface depending on the values of axial load. To calculate a stress-strain state in the area of contact interaction between the wheel and rail a detailed finite-element model implemented in the MSC. Marc software package is used. The analysis revealed complex multiaxial and non-proportional nature of the stress-strain state. The Brown – Miller multiaxial fatigue model implemented in the MSC. Fatigue software package was taken to determine accumulation of the contact fatigue damages on a rail running surface. The model is based on the assumption that maximum fatigue damages in the metal occur in the area with the maximum shear stress. The impact of normal stresses in this area is also taken into account. The results of a comparative computational analysis of the rail life time confirm that the service life decreases with increasing axial loads, all other conditions being the same. With a share of 20% of freight trains with axle loads of 25 tonf in a daily pattern one should expect a decrease in the contact fatigue life of rails by 3 – 4 %. It is possible to improve the method for prediction of the contact fatigue life of rails in terms of experimental definition of the fatigue and strength characteristics of the rail steel depending on the degree of hardening of the running surface, their probabilistic properties and the use of a cumulative distribution of vertical forces taking into account the structure of the freight traffic passing through the section.

дефекты рельсовконтактно-усталостная долговечностьмногоосная усталостьосевые нагрузкиспектр силмодель накопления поврежденийdefects of railscontact-fatigue lifemultiaxial fatigueaxle loadsforces rangedamage accumulation modelReferencesШур Е. А., Борц А. И., Сухов А. В. и др. Образование контактно-усталостных дефектов в головке рельсов / Железнодорожный транспорт. 2015. № 12. С. 34 – 38.Shur E. A., Borts A. I., Sukhov A. V., et al. The formation of contact-fatigue defects in the rail head / Zheleznodor. Transport. 2015. N 12. P. 34 – 38 [in Russian].Лисицын А. И. Проблемы увеличения межремонтного ресурса рельсов с 700 до 1500 млн т брутто / Путь и путевое хозяйство. 2015. № 5. С. 13 – 15.Lisitsyn A. I. Problems of increasing the overhaul period of rails from 700 to 1,500 million tons gross / Put’ Putevoe Khoz. 2015. N 5. P. 13 – 15 [in Russian].Лысюк В. С. Сравнительные испытания долговечности рельсов / Путь и путевое хозяйство. 2005. № 2. С. 23 – 25.Lysyuk V. S. Comparative tests of durability of rails / Put’ Putevoe Khoz. 2005. N 2. P. 23 – 25 [in Russian].Богданов О. К., Ноздрачев Г. С. Анализ статистики ОДР с дефектом 21 / Путь и путевое хозяйство. 2017. № 2. С. 26 – 33.Bogdanov O. K., Nozdrachev G. S. The statistical analysis of defective rails with defect 21 / Put’ Putevoe Khoz. 2017. N 2. P. 26 – 33 [in Russian].Порошин В. Л. Оценка повреждаемости рельсов дефектами при повышении скоростей движения / Тр. ВНИИЖТ. 1979. Вып. 614. С. 54 – 65.Poroshin V. L. The assessment of the rail damageability due to defects in case of increasing speeds / Trudy VNIIZhT. 1979. Issue 614. P. 54 – 65 [in Russian].Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. — М.: Мир, 1989. — 510 с.Johnson K. Contact mechanics. — Moscow: Mir, 1989. — 510 p. [Russian translation].Ахметзянов М. Х. О механизме развития контактно-усталостных повреждений в рельсах / Вестник ВНИИЖТ. 2003. № 2. С. 41 – 45.Akhmetzyanov M. Kh. About the mechanism of developing contact fatigue damages in rails / Vestn. VNIIZhT. 2003. N 2. P. 41 – 45 [in Russian].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.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.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.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.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.Zakharov S. M., Torskaya E. V. Approaches to simulate the occurrence of surface contact fatigue damages in rails / Vestn. VNIIZhT. 2018. Vol. 77. N 5. P. 259 – 268 [in Russian].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.Makhutov N. A., Reznikov D. O., Kossov V. S., Oganyan E. S., Volokhov G. M., Ovechnikov M. N., Protopopov A. L. Methods to determine the life time of non-redundant load-bearing elements of rolling stock and track / Byull. Ob’’ed. Uch. Soveta OAO «RZhD». 2017. N 3. P. 19 – 39 [in Russian].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.Sakalo V. I., Sakalo A. V. The choice of a criterion to simulate the accumulation of contact fatigue damages in wheels of railway rolling stock / IV scientific and technical workshop «Computer-aided simulation in railway transport: dynamics, strength, wear» (Bryansk, April 3 – 4, 2018). Bryansk, 2018. P. 63 – 70 [in Russian].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.Makhutov N. A., Sosnovsky L. A., Kebikov A. A. The method to assess the mechanical state of the rail material after the continuous operation / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2007. Vol. 73. N 8. P. 49 – 54 [in Russian].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.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.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.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.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.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.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.Kossov V. S., Volokhov G. M., Krasnov O. G., Ovechnikov M. N., Protopopov A. L., Oguenko V. V. The influence of rolling stock axial loads on the contact fatigue life time of rails / Vestn. VNIIZhT. 2018. Vol. 77. N 3. P. 149 – 156 [in Russian].

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