Оценка напряженного состояния в окрестности трещин при эксплуатации рельсов

• Автор: Горбунов, Максим Александрович
• Шифр специальности: 05.22.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 182 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСАХ

1.1. Контактные напряжения

1.2. Напряжения изгиба.

1.3. Температурные напряжения

1.4. Остаточные напряжения

Выводы
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ ФУНКЦИЙ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РЕЛЬСЫ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЯХ ОТ ДЕЙСТВИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ КОЛЕСАМИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЭКИПАЖА В ПРЯМЫХ И КРИВЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ
2.1. Вертикальные колебания рельса как балки под воздействием подвижной динамической нагрузки.

2.2. Статистические характеристики случайных функций изгибающих

моментов, действующих на рельсы в вертикальной плоскости от действия вертикальных динамических сил, при колебаниях подпрыгивания, галопирования, виляния, относа и боковой качки экипажа
2.3. Вынужденные колебания рельса при кручении и горизонтальном изгибе в случае движения по нему переменных во времени горизонтальных нагрузок
2.4. Статистические характеристики случайных функций изгибающих
моментов, действующих на рельсы в горизонтальной плоскости от действия боковых динамических сил, при колебаниях виляния, относа и боковой качки экипажа.
2.5. Статистические характеристики случайных функций изгибающих
моментов, действующих на рельсы в горизонтальной плоскости от действия внецентренно приложенных вертикальных динамических сил, при колебаниях подпрыгивания, галопирования, виляния, относа и боковой качки экипажа
2.6. Статистические характеристики случайных функций изгибающих
моментов, действующих на рельсы в горизонтальной плоскости от совместного действия горизонтальной и внецентренно приложенной
вертикальной динамической нагрузки, при колебаниях подпрыгивания, галопирования, виляния, относа и боковой качки экипажа
2.7. Расчет непрерывных по протяженности пути случайных функций изгибающих моментов, действующих на рельсы при проходе экипажа в кривых участках пути, по дополненной программе ВЭИП
Выводы.
ГЛАВА 3. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН В РЕЛЬС АХ
3.1. Классификация дефектов в рельсах
3.2. Поперечные трещины в головке рельса.
3.2.1. Поперечные трещины в головке рельса, вызванные внутренними пороками флокенами, газовыми пузырями, скоплениями неметаллических включений
3.2.2. Поперечные усталостные трещины в головке рельса, возникшие от внутренней или наружной продольной трещины, образовавшейся
вследствие недостаточной контактноусталостной прочности металла
3.2.3. Поперечные трещины в головке рельса, возникшие от
термомеханических повреждений изза боксования или юза.
3.2.4. Поперечные трещины в головке рельса вследствие ударов по рельсу инструментом, рельсом о рельс, других механических повреждений
3.2.5. Поперечные трещины в головке рельса изза нарушений технологии сварки рельсов и обработки сварных стыков, приведшие к отказу рельса.
3.3. Поперечные трещины в подошве рельса.
3.3.1. Трещины и выколы в подошве изза ударов и других механических повреждений.
3.3.2. Трещины в подошве в зоне сварного стыка изза нарушений
технологии сварки рельсов
3.3.3. Поперечные коррозионноусталостные трещины в подошве рельса
Выводы.
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСАХ С ПОПЕРЕЧНЫМИ ТРЕЩИНАМИ ПЕРВОГО ТИПА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
4.1. Общие положения механики разрушения
4.2. Типы трещин и коэффициенты интенсивности напряжений
4.3. Методы определения коэффициентов интенсивности напряжений
4.4. Выбор программного обеспечения для моделирования дефектных рельсов
4.5. Конечно элементные модели дефектных рельсов. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в рельсах с поверхностными трещинами по кодам ,, под действием вертикального, горизонтального изгиба и температурных напряжений. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в головке рельса от действия изгибной нагрузки как в самостоятельном элементе конструкции.
4.6. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в рельсах с внутренними трещинами по кодам , , под действием вертикального, горизонтального изгиба и температурных напряжений. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в головке рельса от действия изгибной нагрузки как в самостоятельном элементе конструкции.
4.7. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в рельсах с поверхностными трещинамипо кодам ,, под действием вертикального, горизонтального изгиба, температурных и остаточных напряжений. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в подошве рельса от действия изгибной нагрузки как в самостоятельном элементе конструкции
Выводы.
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН В ПОДОШВЕ РЕЛЬСА ПОД ПРОХОДЯЩИМ ЭКИПАЖЕМ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников


Разработана и практически реализована методика определения силовых факторов, действующих на рельсы по протяженности пути реального очертания при движении по нему экипажа, ответственных за развитие поперечных трещин в рельсах. Разработаны математические модели рельсов типа Р с типичными разновидностями поперечных трещин, определяющие НДС в их окрестности. Определены коэффициенты интенсивности напряжений для конкретных трещин нормального отрыва на этапах развития их фронтов от действия единичных изгибных и температурных нагрузок, остаточных напряжений для дефектов подошвы рельса. Разработаны функции, позволяющие аналитически определять коэффициент интенсивности напряжений первого типа в дефектных рельсах типа Р с конкретной геометрией поперечных трещин в зависимости от вида и величины воздействующих на них эксплуатационных силовых факторов. Объектом исследования является рельсы типа Р, находящиеся в эксплуатации, с типичными разновидностями поперечных трещин. НДС в вершине трещины в линейноупругих телах в рамках линейной механики разрушения. Р с типичными разновидностями поперечных трещин, геометрия развития фронтов которых соответствует их эксплуатационному развитию. Для различных кодов ,,,,,,, дефектов, в зависимости от силовых факторов, действующих на дефектный с рельс, численно определены коэффициенты интенсивности напряжения первого типа К. К1 в дефектных рельсах, а также асимметрию цикла нагружения с учетом реальных характеристик экипажа, его скорости движения и различных конструкций пути. Эти данные позволяют произвести оценку живучести рельсов в эксплуатационных условиях их работы, а также определить критические величины различных усталостных трещин. Достоверность полученных результатов и выводов. ВЭИП была успешно верифицирована в ВНИИЖТе на основании сопоставления результатов расчетов с данными натурных испытаний воздействия на путь конкретных типов подвижного состава, проводившихся отделением КИ ВНИИЖТ в течение многих лет. НДС в окрестности поперечных трещин в рельсах, верифицировалась на готовых опубликованных решениях. В частности, моделировались полоса конечной ширины с поперечной краевой трещиной, а также рельс европейского профиля типа 1ЛС с поперечной трещиной в головке. Расхождение в результатах расчета НДС в окрестности трещин по сравнению с опубликованными решениями не превышает 5 для рассматриваемого диапазона размеров трещин. Результаты работы используются при проведении сертификационных испытаний рельсов типа Р всех категорий качества с целью определения их циклической трещиностойкости Рельсы железнодорожные широкой колеи. Стендовые испытания по определению условного предела выносливости и трещиностойкости. Практически реализованы алгоритмы с использованием выходных данных, которых возможно произвести оценку скоростей развития поперечных трещин в эксплуатации, а также критических величин дефектов различных кодов. Полученные результаты могут быть использованы при расчете периодичности дефектоскопирования рельсов в пути, в частности, с учетом температуры. Р с типичными разновидностями поперечных трещин, встречающимися в эксплуатации, в зависимости от вида и величины эксплуатационного нагружения. Апробация работы. ОАО ВНИИЖТ в и годах, г. ОАО РЖД в г. Рельсовая Комиссия октября г. Новокузнецк. ОАО ВНИКТИ августа г. Коломна, Московская область. Публикации. По материалам работы опубликовано 6 печатных работ, из них в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России2. ГЛАВА 1. Контактные напряжения возникают по площадке контакта колеса с рельсом и в непосредственной близости от него в головке рельса и в ободе колеса рис. Колесо соприкасается с головкой рельса по некоторой площадке за счет упругого обжатия металла контактирующих тел. Рис. На головку рельса колесо передает нормальные и касательные составляющие контактной нагрузки. Величины и закон распределения напряжений по площадке контакта зависят от динамической нагрузки колеса, соотношения нормальной Р, и касательных составляющих т вектора колесной нагрузки, радиусов головки рельса г и колеса , формы их износа, состояния пути и колес подвижного состава и др.