Касимов Бауыржан Рахмедиевич – к.т.н., доцент Казахского университета путей сообщения (Алматы, Казахстан)

ИССЛЕДОВАНИЕ РОСТА ВНУТРЕННИХ ПРОДОЛЬНЫХ ТРЕЩИН В РЕЛЬСЕ В ЗОНЕ ВЫКОЛОВ

Основной задачей железнодорожного транспорта является бесперебойное и устойчивое обеспечение потребностей в перевозках всех отраслей народного хозяйства страны. Сложное экономическое положение, характерное для последних лет работы железных дорог, на первый план выдвигает наряду о техническими и экономические задачи. Ограниченность средств на оздоровление материально-технической базы выдвигает задачу выделения приоритетов, из которых важнейшим является вопрос оздоровления путевого хозяйства. И самым главным фактором в пользу приоритета путейских проблем является необходимое обеспечения безопасности движения поездов.

Во многом устойчивость перевозочного процесса и безопасность движения зависят от состояния рельсового хозяйства. За последние годы вырос средний вес рельсов в АО «НК «КТЖ» до 62,8 кг/пог.м, увеличилась доля термически упрочненных рельсов до 80 %, а рельсов I группы до 30 %.

Согласно статистическим данным наиболее часто среди дефектов поверхности катания рельсов встречаются выкрашивания. Исследование напряженного состояния рельсов в зоне выколов будет не полным без детального рассмотрения и анализа картины напряжений, возникающих на концах внутренней продольной трещины (ВПТ), ведь именно от них начинается разрушение некоторых образцов рельсов при испытаниях. Оценка действия различных видов нагружения на ВПТ поможет более глубоко понять механизм образования выколов и выщербин и объяснить, почему не встречаются в одном сечении дефекты 11 и 21.

Одним из важнейших критериев опенки напряженного состояния конструкций с трещинами является коэффициент интенсивности напряжений (КИН) [1]. Он не только определяет напряженное состояние в вершине трещины, но и может быть использован для прогнозирования скорости роста трещины. Поэтому целью настоящего исследования является определение коэффициентов интенсивности напряжений в точках фронта ВПТ.

Как известно, в общем случае нагружения напряженное состояние у вершины трещины можно представить как суперпозицию трех простых случаев - нормальный отрыв, продольный и поперечный сдвиг. В каждом из трех случаев поле напряжений вблизи вершины определяется по формулам:

(1)

где K_I, K_II, K_III - коэффициент интенсивности напряжений для соответствующего случая нaгружений;

r , q - полярные координаты точки с началом в вершине трещин.

Экспериментальные значения КИН могут быть определены с помощью поляризационно-оптических методов [2-3]. Наибольшей точностью при определении значение коэффициентов интенсивности напряжений и их комбинаций обладает примененный в работе метод составных моделей [4-5], который позволил исследовать напряженное состояние в точке А вершины трещины (рисунок 1).

Рисунок 1 – Геометрия подповерхности трещины

Стрелкой на рисунке 1 отмечено направление развития трещины. С целью определения вида нагружения стояла необходимость провести следующие эксперименты;

а) продольная трещина в поле растягивающих и сжимающих напряжений для оценки возможных значений K_I;

б) исследование сдвиговых напряжений в поперечном сеччении рельса с трещиной для значений K_II и определение наиболее опасного положения трещины заглубления и угла наклона к вертикали a;

в) оценка КИН в точке А фронта о учетом результатов предыдущих экспериментов.

Анализ напряженного состояния в точке А продольной трещины (рисунок 1) был проведен по методу составных моделей с фотоупругими вклейками. Для этого из оргстекла была изготовлена модель рельса Р65 в натуральную величину длиной 150 мм. Заглубление и ориентация трещины в соответствии с результатами, полученными в плоской модели, составляли 6 мм и угол 30° к горизонтали. Трещина имитировалась овальной в плане прорезью длиной 50 мм, шириной 10 мм и толщиной 0,15 мм, которая прорезалась перед вклейкой выделенной части головки рельса в модель. Вклейкой является пластина толщиной 2 мм из эпоксидного компаунда, ориентированная под углом 45° к плоскости трещины. Такая ориентация вклейки связана с тем, что при продольном сдвиге напряжения s_x, s_y, s_z, t_xy равны 0. Отличными от нуля являются только напряжения t_xz t_yz. Следовательно, если вклейка расположена в плоскости ху, то напряжения от продольного сдвига не внесут никакого вклада в картину полос интерференции в ней.

При расположении вклейки под углом 45⁰ в плоскости трещины в картину полос внесут свой вклад напряжения как от продольного, так и от поперечного сдвига. Картины полос во вклейке, полученные при нагружении модели в поперечном сечении, совпадающим с плоскостью симметрии трещины, при смещении зоны контакта на 12,5 мм и 17,5 мм. Определение значений K_II и К_III проводилось путем сравнения экспериментальных картин полос с теоретическими, путем суперпозиции решений уравнений, для поперечного по формулам

(2)

и продольного сдвигов:

(3)

и формулы поворота осей на 45° для определения компонента тензора напряжений во вклейке.

На картине полос измерялись координаты r и q 30-ти точек, лежащих на плоскостях целого и половинного порядков. Затем использовались формулы (2) и (3), в этих точках вычислялась разность главных напряжений при различных значениях K_II и К_III . За искомые значения K_II и К_III принимались те, при которых суммарное среднеквадратическое отклонение теоретически рассчитанной разности главных напряжений от экспериментально полученной, было минимальным. В результате при смещении зоны контакта от оси рельса на 12,5 мм значения K_II и К_III равнялись при расчете на реальный рельс (нагрузка на ось 200 кН) 61 Н/мм^3/2 и 300 Н/мм^3/2 соответственно, а при смещении на 17,5 мм 105 Н/мм^3/2 и 520 Н/мм^3/2 Как видно из приведенных результатов, при увеличении смещения зоны контакта абсолютные значения K_II и К_III возрастают, но отношение между ними остается практически постоянным, равным K_II/К_III » 5 ¸ 6. Таким образом, основной вклад в концентрацию напряжений около вершины трещины вносят напряжения типа продольного сдвига, вызванные контактом колеса и рельса.

Выводы. Рост ВПТ происходит под действием контактных напряжений. При проходе колеса над ВПТ величина отрицательна. Следовательно, появление и рост поперечных усталостных трещин происходит, когда вершина внутренней продольной трещины находится в зоне обратной волны и контактные напряжения отсутствуют. Этим можно объяснить то, что в пути практически не встречается выщербины (дефект 11) и поперечные усталостные трещины (дефект 21) в одном сечении рельса.

Список использованных источников

1. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука. -1974. - 640 с.

2. Александров А.Я., Ахметзянов И.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. - М.: Наука. 1973. -576 с.

3. Sandord R.J., Dally J.W., Ageneral method for determining mixed-mode stress insiti factors from isohomatic fring patterns.-Eng. Froct Mech., 1979 .v. II.-p. 521-623

4. Ходырев Ю.А., Тырин В.П. Оценка напряженного состояния рельсов, имеющих продольную трещину в готовке // Тез.докл. ХХХVI научно-технической конференции. - Хабаровск.: ХабИИЖТ. - 1989. Том 2. - С.176-178.

5. Ахметзянов М.Х., Клепиков А.С., Тырин В.П. Напряженное состояние у фронта продольной трещины в головне рельса // В кн.: Напряжения и деформации в железнодорожных конструкциях. - Новосибирск.: НИИЖТ. - 1988. – С. 61-67.