автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Расчетная оценка остаточного ресурса железнодорожных рельсов с поперечными трещинами

На правах рукописи

СУРОВИН Павел Геннадьевич

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ С ПОПЕРЕЧНЫМИ ТРЕЩИНАМИ

05.23.17 «Строительная механика» и 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2004

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель:

лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, докт. техн. наук, профессор Марат Халикович Ахметзянов

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, профессор Николай Иванович Карпущенко

докт. техн. наук, профессор Вениамин Николаевич Максименко

Ведущая организация:

Московский государственный

университет путей сообщения

Защита состоится 25 июня 2004г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д.218.012.01 в Сибирском государственном университете путей сообщения по адресу: 630049, Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191 в ауд. 226.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан «21» мая 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета.^..—

докт. техн. наук, профессор Попов A.M.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На стадии изготовления и в процессе эксплуатации в рельсах возникают дефекты различного типа. Наиболее опасными являются поперечные трещины. В работе на базе исследования напряженного состояния в зоне этих трещин исследуется степень их опасности и остаточный ресурс рельса с такими дефектами.

Актуальность проблемы. По действующим в настоящее время нормам, остродефектный рельс подлежит немедленной замене. Однако опыт эксплуатации показывает, что рост трещин происходит с относительно малой скоростью, поэтому возникает вопрос о возможности пропуска поездов по дефектным рельсам, может быть, с некоторыми ограничениями. Положительный ответ может позволить производить замену рельсов в плановом порядке, а так же уточнить сроки дефектоскопии рельсов.

На железных дорогах США дефектоскопирование рельсов производится с периодичностью 36 млн. т. пропущенного тоннажа. На Российских железных дорогах этот период гораздо меньше - около 2 млн. т. При этом относительное число изломов рельсов примерно одинаковое. Этот факт свидетельствует об избыточности контроля дефектов рельсов в России при прочих равных условиях.

В стратегической программе обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс», принятой на конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути» (24-25 ноября 2003г., Щербинка), одной из задач указана «разработка концепции управления риском де-фектообразования колес и рельсов». Решение этой проблемы невозможно без создания методики оценки остаточного ресурса дефектных рельсов.

До настоящего времени оценка остаточного ресурса рельсов с различными дефектами проводились только лабораторными испытаниями полнопрофильных рельсовых проб на пульсаторах и на экспериментальном кольце ВНИИЖТа, т.е., экспериментальными методами. Часто лабораторные эксперименты проводились в условиях нагружения, отличающегося от реальной работы рельсов в пути. Расчетные работы, как правило, заканчивались определением коэффициентов интенсивности напряжений (КИН), расчет скорости развития трещин проводился редко.

Цель работы - создание методики оценки остаточного ресурса рельса с поперечными усталостными трещинами на основе положений механики разрушения.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующих результатах.

Усовершенствована методика определения КИН. С этой целью впервые применено решение о растяжении бесконечной пластины с эллиптическим отверстием для определения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины при смешанном типе иагружения. Данный метод позволяет обрабатывать данные численных

РОС НАЦИОНЛЛЬ

библиотека С.птрфрг 09 109 *7м»

тальные данные, полученные оптическими методами исследования напряжений.

Создана методика оценки остаточного ресурса для рельсов с поперечными трещинами. Впервые расчетным путем получены зависимости критического размера дефектов от остаточных напряжений и продольной силы.

Экспериментально изучены закономерности развития усталостных трещин смешанного типа в поле сжимающих напряжений. Показано, что усталостные трещины распространяются по траекториям главных напряжений. На основании результатов этого исследования построена модель поворота внутренней продольной трещины в головке рельса и перехода ее в поперечную.

Усовершенствован метод измерения продольных температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути с помощью фотоупругих датчиков. Впервые для этой цели применен метод фотометрирования Разработан электронный прибор для снятия показаний с датчиков Указаны направления дальнейшего совершенствования прибора.

Проведенные исследования позволяют заложить научные основы прогнозирования остаточного ресурса рельсов и планирование дефектоскопии.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением расчетных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными

На защиту выносятся:

По специальности 05.23.17 «Строительная механика»:

1. Усовершенствованная методика определения коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения тел с трещиной.

2. Методика оценки остаточного ресурса дефектного рельса.

3. Данные о направлении развития усталостных трещин в поле сжимающих напряжений.

По специальности 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»:

4. Данные о коэффициентах интенсивности напряжений в железнодорожных рельсах с поперечными трещинами (дефекты 21, 24, 69) и их критические размеры.

5. Данные об остаточном ресурсе железнодорожного рельса с поперечными трещинами.

6. Механизм поворота фронта внутренней продольной трещины и переход ее в дефект 21.

7. Методика фотометрирования и устройство для съема информации с фотоупругих датчиков продольной силы в рельсе.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались на семинарах в СГУПСе, на научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2001 г), на региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (Новосибирск, 2002г.); на научно-практической конферен-

ции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути» (Щербинка, 2003г.) и на международной конференции «Fracture at multiple dimension», (Москва, 2003г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 научных статьях и материалах региональных, Всероссийских и международных конференций, в том числе 2 - в рецензируемых журналах.

Личный вклад автора. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежат: постановка задач исследований, разработка основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, результаты выполненных исследований.

Автору принадлежит определяющий вклад в разработку методики оценки остаточного ресурса дефектного рельса, в разработку принципиальных оптических схем прибора для измерения усилий в рельсах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В главах приведен краткий обзор работ, имеющих непосредственное отношение к их содержанию. В конце каждой главы сформулированы основные выводы по результатам исследований. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, в том числе 55 рисунков, 17 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и общие направления работы, приводится краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены основные нагрузки, действующие на рельс.

Проведен анализ контактных напряжений, изгиба и кручения рельса при воздействии колес подвижного состава, дана оценка остаточных напряжений и продольной силе, возникающей в бесстыковом пути при изменениях температуры.

Все нагрузки можно разделить на две группы: постоянные, которые не изменяются во времени или изменяются медленно, и циклические, изменяющиеся во времени по периодическому закону. Продольную температурную силу и остаточные напряжения следует отнести к постоянным, а контактные напряжения и изгиб рельса под колесом - к циклическим. Постоянные напряжения сами по себе не могут вызвать зарождения и развития усталостных дефектов. Для этого необходимо циклическое воздействие. Постоянные напряжения изменяют асимметрию цикла нагружения и скорость распространения трещин.

Расчет рельса на кручение показал, что максимальный крутящий момент составляет около 10% от изгибающего, что позволяет пренебречь кручением.

Расчет продольной силы по изменению температуры не учитывает несовершенство закрепления и возможный угон пути. В работе получил развитие метод измерения продольной силы в рельсовых плетях бесстыкового пути с

помощью метода фотоупругих покрытий (датчиков). Если на рельс наклеить фотоупругий датчик, то деформации рельса и датчика будут равны. Главные деформации рельса определяются выражениями:

О)

где - коэффициент температурного расширения, - изменение температуры, Е - модуль упругости, V - коэффициент Пуассона, А - площадь поперечного сечения рельса. При прохождении поляризованного света через напряженный фотоупругий датчик, луч получает оптическую разность хода 5 (ОРХ), которая зависит от разности деформаций:

5 = (е,-£2)2/с,

(2)

где: / - толщина датчика, С - оптико-механическая постоянная материала датчика

Подставим (1) в (2), получим:

Выражения (3) не содержат изменения температуры, следовательно, фотоупругий датчик не требует дополнительной термокомпенсации. Все величины, входящие в (3), кроме ОРХ, известны. Значение ОРХ определяется фо-тометрированием с использованием специального прибора - полярископа, собранного по V-образной схеме (рис. 1).

Интенсивность света на выходе из скрещенного полярископа (плоскости пропускания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны) определяется формулой:

где: - интенсивность света на входе полярископа, - длина волны используемого света.

Чтобы определить ОРХ достаточно измерить интенсивность света на выходе из полярископа. Для измерения интенсивности света был разработан макет прибора, который прошел лабораторные и полевые испытания.

Для повышения точности измерений разработаны новые оптические схемы. В первую очередь, источником погрешности является нестабильность осветителя и загрязненность поверхности датчика. Это приводит к измене-

нию /о- Для устранения этого фактора предложено применить два канала измерения - в скрещенном и параллельном полярископе (плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны). Интенсивность света второго канала описывается выражением:

Однако во втором канале измерения будет присутствовать интенсивность света 1\, отраженного от поверхности датчика. В первом канале этот свет погашен анализатором, а во втором он проходит анализатор без потерь:

2 я8 ,

"С Т" ( )

Для учета влияния отраженного луча следует ввести третий канал измерения. Одним из возможных вариантов оптической схемы третьего канала может быть полярископ, показанный на рис. 2. Интенсивность света на выходе из такого полярископа

(8)

(9)

Из выражений (4-9) ОРХ определяется неоднозначно т.к. интенсивность света зависит от ОРХ по периодическому закону. Следовательно, для определения продольной силы можно либо подбором толщины датчика обеспечить при максимальном усилии в рельсовой плети значение ОРХ ограничить 8 5 у2 • либо провести фотометрирование интенсивности света на

выходе из полярископа в двух длинах волн Хо и Хь По измеренным интен-сивностям в двух длинах волн определяются только дробные части ОРХ Полную оптическую разность хода представим как сумму двух слагаемых: дробной и целой части:

5 = 6, +т\}.

Откуда:

Здесь неизвестными являются целые части ОРХ п и т. В диссертации разработана методика решения неопределенного уравнения (11), что позволяет однозначно определить ОРХ.

Во второй главе проведен анализ поперечных трещин, возникающих в железнодорожных рельсах. Рассмотрены причины зарождения и развития дефектов 21, 24 и 69. Дефекты рельсов оказывают значительное влияние на работоспособность рельсов в пути. Основную опасность представляют дефекты в виде поперечных усталостных трещин, которые образуются при повторно-переменных нагрузках. Такие дефекты могут привести к разрушению рельса под поездом и явиться причиной аварии.

Процессы зарождения и развития дефектов являются одним из важнейших факторов, определяющих срок службы рельсов. Основная масса трещин приходится на контактно-усталостные дефекты в головке рельса (внутренние поперечная и продольная трещины), по которым изымается до 30% остродефектных рельсов. Трещина 21 является одним из наиболее опасных дефектов - около 37% изломов рельсов под поездами происходит по сечению, пораженному поперечной контактно-усталостной трещиной

В третьей главе рассмотрены вопросы определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) для трещин смешанного типа.

В параграфе 3.1. приведен краткий обзор методов определения КИН и основные соотношения, применяемые для аппроксимации данных численных расчетов и результатов экспериментов.

Для определения КИН численными и экспериментальными методами, как правило, используется асимптотическое решение Вестергаарда, которое справедливо в малой окрестности фронта трещины. При этом для получения достаточной точности определения КИН необходимо рассматривать зону, непосредственно прилегающую к вершине трещины. Однако в этой зоне и численные методы и экспериментальные дают большую погрешность, связанную со значительным градиентом напряжений.

В параграфе 3.2. разработана методика определения КИН с использованием решения о растяжении пластины с эллиптическим отверстием (рис. 3).

Если малая полуось эллипса стремиться к нулю, то эллипс вырождается в отрезок прямой линии, моделирующий трещину. Для получения произвольного напряженного состояния на бесконечности используется сумма че-

иЕ/(ас) 1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

--

р"2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 г/с

Рис.4. Распределение перемещений по берегу трещины при растяжении пластины: 1 - решение Вестергаарда; 2 - численный расчет; 3 - решение для пластины с эллиптическим отверстием.

расстояние от вершины трещины до точки на берегу трещины. Знак плюс относится к одному берегу, знак минус - к другому.

На рис. 4. приведено распределение перемещений и по берегу трещины, которые получены из асимптотического решения Вестергаарда, численною расчета методом конечных элементов и по (12). Аппроксимация данных численного расчета по методу конечных элементов выражениями (12) показала удовлетворительную точность. Сравнение производилось с известными решениями. При исследованиях методом

фотоупругости можно использовать выражение для напряжений:

Разность главных напряжений, выраженная через комплексные потенциалы имеет вид:

Размер трещины, ы

Рис. 6. Аппроксимация поправочной функции для коррозионно-усталостной трещины в подошве рельса (а), поперечной контактно-усталостной трещины в головке рельса (б) и трещины от термомеханического повреждения (в). 1 - от продольной силы, 2 - от остаточных напряжений, 3 - от изгиба.

о,-оа= 2

_Э2 2-

Ф) + д2

хО)

.(14)

д21 дг2

Применяя выражение (14) можно методом наименьших квадратов подобрать три параметра нагружения и размер большой полуоси эллиптического отверстия, что позволяет для плоской трещины любой геометрии определить КИН К\ и

Пример исследования показан на рис. 5.

Эффективность и

достоверность методики

проверена на ряде тестовых задач:

- численный расчет пластины с наклонной трещиной (полученная погрешность - 2,5%);

- численный расчет пластины конечной ширины с трещиной (полученная погрешность - 1%);

- численный расчет пластины с трещиной, нагруженной сосредоточенными силами, приложенными к берегам трещины (полученная погрешность - 2,8%);

- экспериментальное исследование напряженного состояния пластины с трещиной методом фотоупругости

(полученная погрешность - 0,7% для КИН нормального отрыва и 15% для КИН сдвига).

В параграфах 3.3 - 3.6 выполнены расчеты КИН для поперечной коррозионно-

усталостной трещины в подошве рельса (дефект 69), поперечной контактно-усталостной трещины в головке рельса (дефект 21), трещины от термомеханического повреждения в головке рельса (дефект 24) и внутренней продольной трещины под поверхностью катания (дефект 11). Расчеты выполнялись отдельно от следующих воздействий: продольная сила, изгибающий момент, остаточные напряжения (для дефекта 69), для дефектов 21 и 24 дополнительно определялись КИН от контактных напряжений. Внутреннюю продольную трещину рассчитывался только на воздействие контактных напряжений. Для дефектов 21, 24 и 69 получена эмпирическая зависимость КИН от размеров трещины в виде:

где: I - размер трещины, а - номинальные напряжения, для остаточных напряжений для растяжения и для изгиба

/(/) = а/3 +Ыг +с1 + с1 - поправочная функция (рис. 6).

Расчеты показали, что КИН от остаточных напряжений для дефекта 69 изменяется от 11,3 МПа-7м до 34,5 МПа-\/м в зависимости от размера трещины; для дефекта 21 - от 10,4 МПа-Ум до 21,8МПа>/м , причем зависимость немонотонна, что связано со сменой знака остаточных напряжений; для дефекта 24 от -30,8 МПал/м до 42МПа-\/м с немонотонной зависимостью. КИН от продольной силы 1 кН изменяется от 0,0055 МПа-Ум до 0,0166 МПа-Ум для дефекта 69, от 0,0124 МПа-Ум доО,021 МПал/м для дефекта 21 и от 0,031 МПал/м до 0,105 МПа-\/м для дефекта 24. КИН от изгибающего момента 1 кНм изменяется от 0,08 МПал/м до 0,31МПа-*/м для дефекта 69, от -0,237 МПал/м до -0,3 36МПал/м для дефекта 21 и от -0,75 МПа -Ум до-1,81 МПа «Ум для дефекта 24.

Контактные напряжения дают значения КИН для дефекта 21 гораздо меньшие, чем изгиб, продольная сила и остаточные напряжения. Таким образом, контактными напряжениями можно пренебречь и сделать вывод: дефект 21 развивается от циклически действующих напряжений изгиба на фоне постоянных остаточных напряжений и продольной силы.

В четвертой главе разработана методика оценки остаточного ресурса рельса с поперечными трещинами.

Если в теле имеются трещины, то его разрушение может происходить по двум механизмам: статическое разрушение при однократном воздействии разрушающей нагрузки и усталостное разрушение при многократном воздействии относительно небольшой нагрузки (значительно меньшей, чем разрушающая). Поэтому, чтобы установить критический размер трещины, при расчете остаточного ресурса тел с трещинами необходимо рассмотреть как статическую прочность, так и усталостную.

Для расчета остаточного ресурса дефектного рельса необходимо определить критический размер трещины, т.е. такой, при котором произойдет хрупкий долом рельса под нагрузкой. При линейной постановке задачи, КИН от суммы нагрузок равен сумме КИН от отдельных нагрузок. Условие статической прочности Ирвина применительно к расчету рельса, примет вид:

где: Кл, Ко, Кц - КИН от воздействия локомотива, от остаточных напряжений и от температурной продольной силы соответственно, Кс - критический КИН. Вагоны по сравнению с локомотивами имеют меньшее значение осевой нагрузки, поэтому при расчете хрупкой прочности рельса определяющим фактором является воздействие локомотива.

Для расчета усталостной прочности условие прочности имеет вид:

где: Квтах -максимальный КИН от воздействия вагонов, К/с - критический КИН при усталостном разрушении. Для рельсовой стали

Необходимость введения второго условия прочности связана с тем, что при усталостном разрушении критический КИН несколько меньше, чем при хрупком. Воздействие локомотива не учитывается, поскольку при усталостном разрушении имеет значение средняя амплитуда КИН, а не максимальная. Доля локомотива в циклическом нагружении не превышает 3%, поэтому его воздействием можно пренебречь. Из выражений (16, 17) можно определить два значения размера трещины, из которых критическим следует считать наименьший.

Для описания скорости роста трещины используется уравнение Пэриса-Формэна:

81 АЬК" дЫ {1-г)К/с-АК'

(18)

где: - эмпирические коэффициенты,

коэффициент асиммет-

рии цикла. Для рельсовой стали

Дефектный рельс необходимо заменить до полного исчерпания ресурса. Для этого было введено понятие «опасный размер дефекта». Будем считать опасным такое состояние рельса, при котором скорость роста трещины такова, что размер дефекта достигает критического размера за время, достаточное для замены рельса. Для определения опасного размера трещины необходимо проинтегрировать выражение (18):

, у(1-гкс-аг.

А(ЬКУ

-ЛI,

(19)

где: - число циклов нагружения, необходимое для увеличения трещины от опасного размера до критического, - критический размер дефекта,

б)

I

I р

8".

а

10

И0 ТОО 250

Отточшк ги.1^ пенна, ИПа

/-1

1 . -400

0 400 800 "И)

Лродолькц сила, кН

Ряс. 7. Зависимость критической (1) и опасной (2) длины трещины ог остаточных напряжений (а) и продольной силы (б) для дефекта 69.

б)

38

1 36

ё ■и

а 17

В1

¡1 10

в.

78

26

1 /

2 -----

60

76 92 108 124 140 Остаточные напряжения, МПа

200 400 600 800 1000 1200 1400 Продольная сила, кН

Рис.8. Зависимость критического (1) и опасного (2) размеров дефекта 21 от продольной силы (а) и остаточных напряжений (б).

20

16

12

I 8 I

Л

Г

2^

72 88 104 120 70 82 94 106 118

Продольная сила, кН Остаточные напряжошя, МПа

Рис.9. Зависимость критического (1) и опасного (2) размеров дефекта 24 от продольной силы (а) и остаточных напряжений (б).

130

опасный размер дефекта Решая уравнение (19) относительно /оп при заданном числе циклов N можно найти опасный размер дефекта. Изменив пределы интегрирования в (19) от начального размера трещины до опасного можно определить остаточный ресурс дефектного рельса.

На рис. 7-9 показана зависимость критического и опасного размера дефектов в зависимости от продольной силы и остаточных напряжений. По этой методике были рассчитаны критический и опасный размеры и остаточный ресурс рельсов с дефектами 21, 24 и 69. Изгибающий момент принят равным 20 кИм, продольная сила 800 кН, остаточные напряжения в подошве рельса 250 МПа, в головке рельса - 130 МПа.

Для дефекта 21 получен критический размер, равный 32,4 мм (42% площади головки рельса). Для начальной трещины размером 12 мм (4,6%) остаточный ресурс составил 2633 тыс. циклов (285 суток при грузонапряженности 50 млн. т. в год). Для дефекта 24 критический размер равен 6,7 мм, а остаточный ресурс при начальном размере трещины 2 мм - 1992 тыс. циклов (195 суток). Критический размер дефекта 69 составил 8,9 мм, а остаточный ресурс при начальном размере трещины 2 мм - 2897 тыс. циклов (284 суток).

Рассмотрена возможность подкрепления дефектного места накладками. При этом остаточный ресурс рельса с дефектом 69 увеличивается на 63%, с дефектом 2 1-на5 1%ис дефектом 24 - на 121%.

В пятой главе рассмотрены особенности развития усталостных трещин смешанного типа на образцах из рельсовой стали. Для изучения роста трещин смешанного типа испытывались образцы, геометрия которых показана на рис. 10,а. Образцы имели два симметрично расположенных надреза ши-

Рис. 10. Геометрия образца при испытании на чистый сдвиг и вид усталостных трещин, развивающихся из вершины надреза.

риной 0,8 мм и длиной Ь =45 и 60 мм В процессе циклического нагружения из четырех концентраторов развивались усталостные трещины На рис 10,6 представлен вид усталостной трещины у вершины надреза после 53 тыс циклов нагружения Из каждой вершины надреза развивались по две усталостные трещины Сравнение результатов эксперимента с численным расчетом показывает, что усталостные трещины в данном случае направление развития трещин совпадает с траекториями главных напряжений

С целью исследования зарождения и развития усталостных трещин поперечного сдвига в поле сжимающих напряжений было проведено испытание образца (рис 11,а) Усталостные трещины, развивались под углом 42,9° к первоначальной ориентации надреза (рис 11,6)

Исследование излома образца после разрушения показало, что усталостная трещина развивалась в одной плоскости Фронт трещины оказался вогнутый Таким образом, усталостная трещина поперечного сдвига в зоне сжимающих напряжений начинает свое движение со свободной поверхности образца, в отличие от усталостных трещин нормального отрыва, где разрушение начинается в срединной плоскости пластины Это объясняется тем, что при растяжении в срединной плоскости пластины в результате стеснения поперечных деформаций область пластического деформирования меньше по сравнению точками, лежащими на поверхности пластины, поэтому разрушение начинается в средних точках При сжатии в срединной плоскости по тем же причинам реализуется объемное напряженное состояние близкое к всестороннему сжатию, поэтому разрушение начинается с поверхности пластины, фронт усталостной трещины имеет вогнутую форму

Для исследования усталостных трещин продольного сдвига испытывал-ся образец, который отличался от предыдущего только типом концентратора В пластине с каждого края были изготовлены два острых надреза, расположенных под утлом 45° к плоскости пластины Изучение поверхности усталостной трещины после разрушения образца показало, что на начальном этапе зарождается множество трещин, ориентированных под 50-30° к плоскости

образца и распространяющихся в различных направлениях. По мере продвижения трещины сливаются, меняют ориентацию и направление роста. В конечном итоге фронт усталостной трещины становится плоским и ориентируется в направлении, перпендикулярном направлению приложенной нагрузки.

При симметричном цикле на-гружения касательными напряжениями из вершины концентратора зарождаются две трещины. Таким образом, в подповерхностном слое от контактных циклических воздействий будут накапливаться усталостные дефекты, показанные на рис. 12,а) направленные по главным напряжениям. Эти дефекты постепенно сливаются и формируют внутреннюю продольную трещину (рис. 12,6).

Если в зоне образования внутренней продольной трещины концентрация начальных дефектов мала, то подповерхностная продольная трещина может трансформироваться в поперечную (дефект 21), т.к. слияние дефектов будет невозможным. Начальное направление поперечной трещины будет примерно совпадать с направлением квазиглавных напряжений в плоскости ух. Расчет показывает, что направление развития образовавшегося дефекта 21 происходит под углом 65° к продольной оси рельса. Реальные дефекты растут под углом около 70°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке методики оценки остаточного ресурса дефектного рельса. В заключении отметим основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Разработана методика определения коэффициентов интенсивности напряжений в плоских телах при смешанном типе нагружения. Эффективность и достоверность методики проверена на ряде тестовых задач:

- численный расчет пластины с наклонной трещиной;

- численный расчет пластины конечной ширины с трещиной;

- численный расчет пластины с трещиной, нагруженной сосредоточенными силами, приложенными к берегам трещины;

- экспериментальное исследование пластины с трещиной методом фотоупругости.

Во всех случаях сравнение с известными результатами показало, что точность получаемых результатов достаточна для решения рассматриваемых задач.

2. Рассчитаны коэффициенты интенсивности напряжений для поперечных трещин в рельсах при воздействии изгиба, продольной температурной силы и остаточных напряжений, а для дефектов 21 и 24 - еще и контактных напряжений. Размер дефекта 69 принимался равным от 3 мм до 21 мм (длина большой полуоси), дефекта 21 - от 15 мм до 30,5 мм (площадь дефекта от 7,7% до 35% площади головки рельса) и для дефекта 24 - от 1,5 мм до 12 мм.

Предложена аппроксимирующая зависимость для поправочной функции в виде полинома третьей степени.

3. Разработана методика определения остаточного ресурса рельсов на базе механики разрушения. По разработанной методике выполнены расчеты остаточного ресурса рельсов, пораженных дефектами 21, 24 и 69. Показано влияние остаточных напряжений и температурной продольной силы на критический и опасный размеры трещин и на остаточный ресурс дефектных рельсов. Рассмотрена эффективность подкрепления дефектного сечения накладками. Даны рекомендации по назначению сроков дефектоскопирования рельсов. Полученные данные об остаточном ресурсе свидетельствуют о возможности значительного увеличения интервала между проверками рельсов дефектоскопными средствами.

Дальнейшее развитие методики требует более точного определения коэффициентов, входящих в уравнение Пэриса, дополнительных расчетов КИН для других видов дефектов. Так же необходимо контролировать остаточные напряжения в рельсах, поскольку они в значительной мере зависят от технологии производства, а исследования остаточных напряжений проводились 35 лет назад.

Чтобы уточнить периодичность дефектоскопирования следует выполнить исследование надежности работы рельсов с дефектами с учетом случайного характера нагрузок, действующих на рельс и случайного положения дефекта, а так же вероятности определения наличия дефекта.

4. Экспериментально исследовано направление развития усталостных трещин в образцах из рельсовой стали при различных видах смешанного на-гружения. Показано, что направление распространения трещин совпадает с траекториями номинальных главных напряжений. На основании этих экспериментов построена модель развития дефекта 11 и показана возможность изменения направления распространения такой трещины с переходом в дефект 21. Дана оценка минимального размера начальных микродефектов, из которых возможно развитие макротрещин.

При проходе колеса по рельсу траектории главных напряжений изменяется, однако при некотором положении колеса они совпадают с плоскостью трещины. В этот момент и происходит продвижение фронта дефекта.

5. Усовершенствован метод измерения продольных сил в рельсовых плетях бесстыкового пути с применением фотоупругих покрытий. Разработан прибор для снятия показаний с датчиков. Указаны пути дальнейшего совершенствования метода. Рассмотрена возможность использования двух длин волн для однозначного определения ОРХ в фотоупругом покрытии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Surovin P.G., Tikhomirov V.M. Research of the direction of propagation fatigue cracks from sharp concentrators of stress // Proc. Conf. «Fracture at multiple dimension», Moscow. 2003. P. 76

2. Ахметзянов М.Х., Тихомиров В.М., Суровин П.Г. Определение коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения трещины//Известия высших учебных заведений. Строительство. №1, 2003г. с. 19-25

3. М.Х.Ахметзянов, П.Г.Суровин. Исследование причин развития поперечных контактно-усталостных трещин в железнодорожных рель-сах//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003г. с. 49.

4. П.Г.Суровин, В.М.Тихомиров. К оценке остаточного ресурса рельса с дефектом 69.1-3.//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003г. с. 45-52.

5. П.Г.Суровин, А.П.Шабанов. О решении проблемы некорректности обратной задачи фотоупругости//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003 г. с. 52-61.

6. М.Х. Ахметзянов, П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. Распространение контактно-усталостных трещин в рельсах с позиций механики разрушение/сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 94-96.

7. П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. К оценке остаточного ресурса рельса с дефектом 69.1-3//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 178-180.

8. П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. Исследование направления развития контактно-усталостных трещин в рельсах Р65//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 181-183.

9. М X. Ахметзянов, П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Определение коэффициентов интенсивности напряжений методом фотоупругости.//материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» Новосибирск, 2002г. с. 131-136.

10.П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Исследование закономерностей роста усталостных трещин смешанного типа.//тезисы научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» Новосибирск, 2002г. с.208.

11 .П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Развитие усталостных трещин смешанного типа в образцах из стали.//ПМТФ. 2004. Т.45, №1. с. 135-142.

Подписано в печать 13.05.2004 1,25 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1239 Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191

1112886

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ напряженно-деформированного состояния рельсов

1.1. Контактные напряжения в рельсах

1.2. Изгибные напряжения в рельсах

1.3. Продольные силы в рельсах

1.3.1. Применение фотоупругого покрытия в качестве датчика продольной силы

1.3.2. Прибор для снятия показаний с фотоупругого датчика

1.3.3. Использование многолучевого полярископа для повышения точности измерения продольной силы

1.3.4. Фотометрирование в двух длинах волн для решения проблемы некорректности целого порядка полос

1.4. Остаточные напряжения в рельсах

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Трещины в рельсах и причины их появления и развития

2.1. Классификация дефектов рельсов

2.2. Поперечная контактно-усталостная трещина в головке рельса

2.3. Внутренняя продольная трещина в головке рельса

2.4. Трещина от термомеханического повреждения в головке рельса

2.5. Поперечная коррозионно-усталостная трещина в подошве рельса

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Определение коэффициентов интенсивности 51 напряжений в рельсах с трещинами

3.1. Методы определения КИН

3.2. Использование решения о растяжения бесконечной 54 * пластины, ослабленной эллиптическим отверстием

3.3. Определение КИН для коррозионно-усталостной 66 трещины в подошве рельса

3.4. Определение КИН для поперечной контактно- 70 усталостной трещины в головке рельса

3.5. КИН для поперечной трещины в головке рельса от 74 термомеханического повреждения

3.6. КИН для внутренней продольной трещины в головке 77 Ф рельса

3.7. Выводы по главе

Глава 4. Оценка остаточного ресурса рельса

4.1. Методика оценки остаточного ресурса

4.2. Остаточный ресурс рельса с дефектом

4.3. Остаточный ресурс рельса с дефектом

4.4. Остаточный ресурс рельса с дефектом

4.5. Рекомендации по срокам дефектоскопирования рельсов ^

4.6. Выводы по главе

Глава 5. Исследование направления роста контактно- 98 усталостных трещин

5.1. Эллиптические надрезы (трещины)

5.2. Усталостные трещины при симметричном сдвиге

5.3. Развитие усталостных трещин поперечного сдвига в поле 104 сжимающих напряжений

5.4. Развитие усталостных трещин продольного сдвига в поле 106 сжимающих напряжений 5.5. Исследование направления развития дефекта 11.1

5.6. Выводы по главе

Актуальность проблемы. По действующим в настоящее время нормам, остродефектный рельс подлежит немедленной замене. Однако опыт эксплуатации показывает, что рост трещин происходит с относительно малой скоростью, поэтому возникает вопрос о возможности пропуска поездов по дефектным рельсам, возможно, с некоторыми ограничениями. Положительный ответ может позволить производить замену рельсов в плановом порядке, а так же уточнить сроки дефектоскопии рельсов.

На железных дорогах США дефектоскопирование рельсов производится с периодичностью 36 млн. т. пропущенного тоннажа [1,2]. На Российских железных дорогах этот период гораздо меньше - около 2 млн. т. [3]. При этом относительное число изломов рельсов примерно одинаковое. Этот факт наводит на мысль об избыточности контроля дефектов рельсов в России при прочих равных условиях.

В стратегической программе обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс», принятой на конференции «современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути» (24-25 ноября 2003г., Щербинка), одной из задач указана «разработка концепции управления риском де-фектообразования колес и рельсов». Решение этой задачи невозможно без создания методики оценки остаточного ресурса дефектных рельсов.

До настоящего времени исследование остаточного ресурса рельсов с различными дефектами проводились только испытанием полнопрофильных рельсовых проб на пульсаторах, т.е., экспериментальными методами. Часто такие эксперименты проводились в условиях нагружения, отличного от реальной работы рельсов в пути. Расчетные работы, как правило, заканчивались определением коэффициентов интенсивности напряжений (КИН), расчет скорости развития трещин не проводился.

Цель работы - создание методики оценки остаточного ресурса рельса с поперечными усталостными трещинами на основе положений механики разрушения.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующих результатах.

Усовершенствована методика расчетного и экспериментального определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Для этой цели впервые применено решение о растяжении бесконечной пластины с эллиптическим отверстием для определения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины при смешанном типе нагружения. Данный метод позволяет обрабатывать данные численных расчетов тел с дефектами и экспериментальные данные, полученные оптическими методами исследования напряжений.

Создана методика оценки остаточного ресурса для рельсов с поперечными трещинами. Впервые расчетным путем получены зависимости критического размера дефектов от остаточных напряжений и продольной силы.

Впервые экспериментально исследовано направление развития усталостных трещин смешанного типа в поле сжимающих напряжений. Показано, что усталостные трещины распространяются по траекториям главных напряжений. На основании результатов этого исследования построена модель поворота внутренней продольной трещины в головке рельса и перехода ее в поперечную.

Усовершенствован метод измерения продольных температурных усилий в рельсовых плетях бесстыкового пути с помощью фотоупругих датчиков. Впервые для этой цели применен метод фотометрирования. Разработан электронный прибор для снятия показаний с датчиков.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением расчетных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались на семинарах в СГУПСе; на научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2001 г); на региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (Новосибирск, 2002г.); на научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути» (Щербинка, 2003г.) и на международной конференции «Fracture at multiple dimension», (Москва, 2003г.). На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная методика определения коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения тела с трещиной.

2. Данные о коэффициентах интенсивности напряжений в железнодорожных рельсах с поперечными трещинами (дефекты 21, 24, 69) и их критические размеры.

3. Методика оценки остаточного ресурса дефектного рельса.

4. Механизм поворота фронта дефекта 11 и переход его в дефект 21.

5. Использование фотометрирования для съема информации с фотоупругих датчиков продольной силы в рельсе.

Работа состоит из шести глав.

Первая глава посвящена анализу нагрузок, действующих на рельс. На рельс действуют разнообразные нагрузки: продольная сила, возникающая от изменения температуры; изгибающий момент, возникающий от изгиба рельса под колесом; контактные напряжения, возникающие при воздействии колеса на рельс, и др.

Все нагрузки можно разделить на две группы: постоянные, которые не изменяются во времени или изменяются медленно, и циклические, изменяющиеся во времени по периодическому закону. Продольная температурная сила и остаточные напряжения следует отнести к постоянным, а контактные напряжения и изгиб рельса под колесом - к циклическим.

Степень опасности дефектов в рельсах в значительной мере зависит от продольных сил, действующих в рельсовых плетях. Расчет этих усилий по изменению температуры дает значительные погрешности, так как не учитываются возможный угон рельсов, неравномерность температуры плети в момент закрепления, и некоторые другие факторы. Поэтому задача создания надежного и простого метода измерения температурной продольной силы, учитывающего все возможные эксплуатационные факторы, является актуальной.

Широко используемые в инженерной и научной практике методы измерения продольной силы, такие как применение механических тензометров и индикаторов, тензорезисторов [4, 5] мало пригодны для долговременных измерений в полевых условиях. Проволочный вибратор Британских железных дорог, по частоте собственных колебаний которого можно определить продольную силу, при установке требует сверления рельса. Методы магнитной индукции, акустоупругости, дифракции рентгеновских лучей [6,7] кроме продольной силы фиксируют и остаточные напряжения, что может привести к значительным погрешностям при определении температурных усилий.

Кроме перечисленных можно отметить еще два способа, которые применяются на железных дорогах Германии [8] и США [9]. В первом случае измеряются продольные и поперечные деформации рельса с помощью меток на подошве. Для снятия показаний используется специальный микроскоп, на показания которого влияет температура внешней среды. Сложная система снятия отсчета с учетом температурных деформаций самого микроскопа приводит к существенному увеличению времени снятия одного отсчета (до 10 минут).

Во втором случае продольную силу измеряют по прогибу участка рельсовой плети, освобожденного от связей. Здесь для корректного измерения необходимо проводить тарировочные испытания на специальном нагрузочном оборудовании. Этот метод обладает существенным недостатком: пропуск поездов по участку со снятыми связями невозможен.

При использовании фотоупругого покрытия съем информации возможен как визуально, с использованием различных методов компенсации, так и фо-тометрированием. Второй вариант предпочтительнее, поскольку может быть автоматизирован.

Постоянные напряжения сами по себе не могут вызвать зарождения и развития усталостных дефектов. Для этого необходимо циклическое воздействие. Постоянные напряжения могут только влиять на коэффициент асимметрии цикла нагружения, что приводит к изменению предела выносливости материала и скорости распространения трещин.

Во второй главе рассмотрены наиболее опасные виды дефектов железнодорожных рельсов и указаны возможные механизмы и причины их возникновения и развития.

Дефекты рельсов оказывают значительное влияние на работоспособность рельсов в пути. Основную опасность представляют дефекты в виде поперечных усталостных трещин, которые образуются при повторно-переменных нагрузках. Такие дефекты могут привести к разрушению рельса под поездом и явиться причиной аварии.

Процессы зарождения и развития дефектов являются одним из важнейших факторов, определяющих срок службы рельсов. Основная масса трещин приходится на контактно-усталостные дефекты в головке рельса (поперечная трещина 21.1-3 и продольная 11.1-3 по принятой классификации), по которым изымается до 30% остродефектных рельсов [10]. Трещина 21.1-3 является одним из наиболее опасных дефектов - около 37% изломов рельсов под поездами происходит по сечению, пораженному поперечной контактно-усталостной трещиной [11].

С ростом погонной массы рельсов и жесткости пути изменилось распределение дефектов. Если в 1950г. было изъято 1,6% дефектных рельсов по контактно-усталостным дефектам в головке рельса и 68% - по повреждениям шейки, то в 1970г. - 17,6% и 41,1% соответственно, а в 2000г. - 16,2% и 4,5% [12].

Третья глава посвящена вопросам определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) и выполнены расчеты КИН для дефектов 21.1-3, 24.1-3 и 69.1-3.

Усталостное разрушение рельсов происходит без заметных пластических деформаций. Это позволяет использовать линейную механику разрушения для оценки прочности и остаточного ресурса дефектных рельсов.

В современной механике разрушения существует несколько критериев разрушения тел с трещинами. Один из основных - силовой критерий Ирвина [13]. Согласно этому критерию разрушение происходит, если коэффициент интенсивности напряжений (КИН) достигает критического значения:

К>КС. (1)

Другой критерий - энергетический критерий Гриффитса [14,15]. Для идеально упругого тела при подрастании трещины на bS соблюдается условие энергетического баланса

ЬГ = GbS, (2) где: 5Г - поверхностная энергия, требуемая для образования новой поверхности площадью bS,G- удельный приток энергии в вершину трещин. По критерию Гриффитса, разрушение происходит, если

G>GC. (3)

Для линейно-упругого тела эти критерии, как показал Ирвин, эквивалентны, и можно сделать переход от одного к другому:

EG = К] (l - v2) + К2П (l - v2)+ К)и (1 + v), (4) где: Е - модуль упругости материала, Kj, Кп, Кщ, - КИН нормального отрыва, поперечного сдвига и продольного сдвига соответственно, v - коэффициент Пуассона материала.

Для оценки прочности дефектных рельсов и их остаточного ресурса с применением механики разрушения необходимо знать величины коэффициентов интенсивности напряжений для различных трещин. Как правило, строгое решение задачи нагружения тела с трещиной невозможно в виду математических трудностей. Поэтому для нахождения напряженно-деформированного состояния материала вблизи дефектов используют различные численные методы и экспериментальные исследования. В основном, для определения КИН при численных расчетах и при обработке экспериментальных данных применяется решение о центральном растяжении бесконечной пластины с трещиной, которое впервые получил Вестергаард [16]. Однако, это решение справедливо только в малой окрестности вершины трещины, где численный расчет и экспериментальные измерения дают значительную погрешность из-за большого градиента напряжений.

Для описания напряженно-деформированного состояния можно использовать и другие решения. Например, возможно применение решения о растяжении бесконечной пластины с эллиптическим отверстием, которое получил Инглис [17]. Если одну из полуосей устремить к нулю, то при предельном переходе эллипс вырождается в прямую линию, и описывает трещину. Как показывают исследования, такое решение гораздо лучше аппроксимирует перемещения и напряжения около трещины.

Четвертая глава посвящена разработке методики оценки остаточного ресурса дефектного рельса на основе уравнений, описывающих скорость развития усталостных трещин.

Для оценки остаточного ресурса необходимо знать, как изменяется скорость роста усталостной трещины в зависимости от свойств материала рельса, внешних нагрузок на путь и геометрии пути и рельсов.

В общем виде, методика оценки остаточного ресурса, на базе аппарата механики разрушения, любого тела с трещиной должна содержать несколько пунктов. Во-первых, необходимо найти зависимость КИН от размеров трещины; во-вторых, определить максимально допустимый размер трещины; в-третьих, установить зависимость скорости роста трещины от КИН, и, наконец, необходимо проинтегрировать выражение для скорости роста трещины.

С целью недопущения излома рельса под поездом необходимо заменить рельс несколько раньше, до исчерпания остаточного ресурса, поэтому кроме критического размера дефекта, введено понятие опасного размера. Опасный размер - такой размер, при котором остаточный ресурс меньше некоторого заранее установленного значения, достаточного для замены дефектного рельса.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию направления развития усталостных трещин при нагружении смешанного типа на образцах из рельсовой стали.

Наличие в элементах конструкций различного рода дефектов, а также технологических концентраторов напряжений становится причиной появления и локализации пластических деформаций, которые в процессе эксплуатации в условиях циклического нагружения являются очагами зарождения усталостных трещин. Характер этого процесса определяет долговечность конструкций.

Во всех известных исследованиях предполагается, что для материалов с высоким уровнем прочности (сталь, алюминиевые и титановые сплавы) скорость роста трещины не зависит от вида напряженного состояния. Однако даже при однородном растяжении тонких пластин фронт усталостной трещины не прямолинейный в результате различной степени стеснения деформаций по ширине пластины, от плоского напряженного состояния на поверхности до плоской деформации во внутренних точках.

Механизмы распространения усталостных трещин поперечного и продольного сдвига, а также трещин смешанного типа мало изучены, в отличие от трещин нормального отрыва. Известна одна особенность распространения таких трещин - они меняют свое направление по отношению к первоначально инициированному надрезу (трещине). Для определения этого направления предлагаются различные критерии. В основном это локальные критерии, основанные на асимптотическом распределении напряжений в окрестности вершины трещины или острого надреза [18,19]. Экспериментальные исследования докритического роста и дальнейшего неустойчивого распространения трещин смешанного типа показали справедливость предложенных критериев для хрупких материалов (плексиглас, стекло) [20].

Направление развития трещин смешанного типа при циклическом на-гружении в конструкционных материалах (сталь, сплавы алюминия) отличается от медленного подрастания трещин при статическом нагружении [21], однако практически все известные эксперименты проводились при знакопостоянном цикле нагружения. Проблема распространения усталостных трещин в зоне сжимающих номинальных напряжений недостаточно исследована. В реальных конструкциях, например, при взаимодействии колеса и железнодорожного рельса, в основном наблюдаются знакопеременные циклические нагрузки, а усталостные трещины развиваются в зоне преимущественно сжимающих напряжений.

На базе этих экспериментов определены неблагоприятные сочетания нагрузок, т.е., таких сочетаний, при которых, вероятно, и происходит элементарный акт развития трещины. Рассмотрен возможный механизм развития дефекта 11.1 -3 и перехода его в дефект 21.1-3.

Основные результаты проведенных исследований можно сформулировать следующим образом:

- трещины смешанного типа стремятся в процессе роста ориентироваться в поле напряжений таким образом, чтобы отсутствовал сдвиг берегов трещины;

- когда концентрация растягивающих и сжимающих напряжений одного порядка (образцы 1-го типа), то усталостная трещина растет в направлении, перпендикулярном максимальным главным напряжениям;

- когда концентрация сжимающих напряжений выше чем растягивающих, то усталостная трещина развивается в направлении, перпендикулярном минимальным главным напряжениям (образцы 2-го и 3-го типов);

- в исследуемых случаях усталостная трещина в конечном итоге развивалась в направлении траекторий главных напряжений минимальных по модулю (либо аз, либо ai);

- в образцах с острыми надрезами в однородном поле напряжений усталостные трещины растут в одном макро-направлении, которое даже в момент старта не совпадает с направлением, рассчитанным по асимптотическим локальным критериям;

- усталостные трещины в поле сжимающих циклических напряжений начинают движение из точек, выходящих на свободную поверхность образца, где реализуется плоское напряженное состояние.

На основании экспериментов по распространению усталостных трещин предложен возможный механизм роста дефекта 11.1-3 и перехода его в дефект 21.1-3, и условия реализации указанного механизма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дефекты рельсов оказывают значительное влияние на работоспособность и надежность железнодорожного пути. Однако закономерности их образования и развития до сих пор мало исследованы, что не позволяет оценить влияние дефектов на эксплуатационную стойкость рельсов и дать научно обоснованные рекомендации по содержанию пути с дефектными рельсами. Настоящая работа посвящена расчету дефектных рельсов на прочность и остаточный ресурс на основе механики разрушения.

В качестве основных результатов работы отметим следующие: 1. Для оценки остаточного ресурса дефектного рельса необходимо знать КИН для различных трещин. Однако, при определении КИН традиционными методами (численными и экспериментальными) имеется рад трудностей. Так, при использовании метода конечных элементов, в вершине трещины необходимо разбивать тело на большое количество элементов, что приводит к увеличению времени расчета. При использовании поляризационно-оптических методов определения напряжений трудно избежать значительной погрешности, связанной с большим градиентом напряжений в вершине трещины. Для устранения этих недостатков предложено использовать решение о растяжении пластины с эллиптическим отверстием. В этом случае можно использовать данные на удалении от вершины трещины.

Разработана методика определения коэффициентов интенсивности напряжений в плоских телах при смешанном типе нагружения. Эффективность и достоверность методики проверена на ряде тестовых задач:

- численный расчет пластины с наклонной трещиной;

- численный расчет пластины конечной ширины с трещиной;

- численный расчет пластины с трещиной, нагруженной сосредоточенными силами, приложенными к берегам трещины;

- экспериментальное исследование пластины с трещиной методом фотоупругости.

Во всех случаях сравнение с известными результатами показало, что точность получаемых результатов достаточна для решения наиболее распространенных задач.

2. Рассчитаны коэффициенты интенсивности напряжений для поперечных трещин в рельсах при воздействии изгиба, продольной температурной силы и остаточных напряжений, а для дефектов 21 и 24 - еще и контактные напряжения. Размер дефекта 69 принимался равным от 3 мм до 21 мм (длина большой полуоси), дефекта 21 - от 15 мм до 30,5 мм (площадь дефекта от 7,7% до 35% площади головки рельса) и для дефекта 24 - от 1,5 мм до 12 мм.

Предложена аппроксимирующая зависимость для поправочной функции в виде полинома третьей степени.

3. Разработана методика определения остаточного ресурса рельсов на базе механики разрушения. По разработанной методике выполнены расчеты остаточного ресурса рельсов, пораженных дефектами 21, 24 и 69. Показано влияние остаточных напряжений и температурной продольной силы на критический и опасный размеры трещин и на остаточный ресурс дефектных рельсов. Рассмотрена эффективность подкрепления дефектного сечения накладками. Полученные данные об остаточном ресурсе свидетельствуют о возможности значительного увеличения интервала между проверками рельсов дефектоскопными средствами. Даны рекомендации по назначению сроков дефектоскопирования рельсов.

Дальнейшее развитие методики требует более точного определения коэффициентов, входящих в уравнение Пэриса, дополнительных расчетов КИН для других видов дефектов. Так же необходимо контролировать остаточные напряжения в рельсах, поскольку они в значительной мере зависят от технологии производства, а исследования остаточных напряжений проводились 35 лет назад.

Для дефекта 21 получен критический размер, равный 32,4 мм (42% площади головки рельса). Для начальной трещины размером 12 мм (4,6%) остаточный ресурс составил 2633 тыс. циклов (285 суток). Для дефекта 24 критический размер равен 6,7 мм, а остаточный ресурс при начальном размере трещины 2 мм - 1992 тыс. циклов (195 суток). Критический размер дефекта 69 составил 8,9 мм, а остаточный ресурс при начальном размере трещины 2 мм - 2897 тыс. циклов (284 суток).

На опасный и критический размеры дефекта 24 значительное влияние оказывают продольная сила и остаточные напряжения. Влияние их на дефекты 21 и 69 менее значительно.

Установка накладок на дефектное место повышает остаточный ресурс на 63%для дефекта 69, на 51% для дефекта 21 и на 121% для дефекта 24.

Чтобы уточнить периодичность дефектоскопирования следует выполнить исследование надежности работы рельсов с дефектами с учетом случайного характера нагрузок, действующих на рельс и случайного положения дефекта, а так же вероятности определения наличия дефекта.

4. Экспериментально исследовано направление развития усталостных трещин в образцах из рельсовой стали при различных видах смешанного нагруже-ния. Показано, что направление распространения трещин совпадает с траекториями номинальных главных напряжений. На основании этих экспериментов построена модель развития дефекта 11 и показана возможность изменения направления распространения такой трещины с переходом в дефект 21. Дана оценка минимального размера начальных микродефектов, из которых возможно развитие макротрещин.

Исследование направления роста усталостных трещин позволяет объяснить наклон дефекта 21 и механизм поворота дефекта 11 и перехода его в дефект 21. Установлено, что усталостные трещины в рельсовой стали развиваются по направлению главных напряжений. При проходе колеса по рельсу это направление изменяется. Однако при некотором положении колеса траектории главных напряжений совпадают с плоскостью трещины. В этот момент и происходит продвижение фронта дефекта.

5. Усовершенствован метод измерения продольных сил в рельсовых плетях бесстыкового пути с применением фотоупругих покрытий. Разработан прибор для снятия показаний с датчиков. Указаны пути дальнейшего совершенствования метода. Рассмотрена возможность использования двух длин волн для однозначного определения ОРХ в фотоупругом покрытии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Surovin P.G., Tikhomirov V.M. Research of the direction of propagation fatigue cracks from sharp concentrators of stress // Proc. Conf. «Fracture at multiple dimension», Moscow. 2003. P. 76

2. Ахметзянов M.X., Тихомиров B.M., Суровин П.Г. Определение коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения тре-щины//Известия высших учебных заведений. Строительство. №1, 2003г. с. 1925

3. М.Х.Ахметзянов, П.Г.Суровин. Исследование причин развития поперечных контактно-усталостных трещин в железнодорожных рель-сах//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003г. с. 4-9.

4. П.Г.Суровин, В.М.Тихомиров. К оценке остаточного ресурса рельса с дефектом 69.1-3.//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003г. с. 45-52.

5. П.Г.Суровин, А.П.Шабанов. О решении проблемы некорректности обратной задачи фотоупругости//Экспериментально-расчетные методы исследования задач прочности. Сб. научных трудов под ред. М.Х.Ахметзянова. Новосибирск, 2003г. с. 52-61.

6. М.Х. Ахметзянов, П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. Распространение контактно-усталостных трещин в рельсах с позиций механики разруше-ния//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 94-96.

7. П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. К оценке остаточного ресурса рельса с дефектом 69.1-3//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 178-180.

8. П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. Исследование направления развития контактно-усталостных трещин в рельсах Р65//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 181-183.

9. М.Х. Ахметзянов, П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Определение коэффициентов интенсивности напряжений методом фотоупругости.//материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» Новосибирск, 2002г. с. 131-136.

10. П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Исследование закономерностей роста усталостных трещин смешанного типа.//тезисы научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» Новосибирск, 2002г. с.208.

11. П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Развитие усталостных трещин смешанного типа в образцах из стали.//ПМТФ. 2004. Т.45, №1. с. 135-142.

1. Track Safety Standards, Part 213, Subpart A to F, Class of Track 1-5. Department of Transportation Federal Railroad Administration, 1999.

2. Risk Based Ultrasonic Rail Test Scheduling on Burlington Northern Santa Fe. The Permanent Way Institution. 2001. Vol. 119.-2-1. 164-178/

3. C.A. Колотушкин, В.А. Рейхарт. Дефектоскопия рельсов на кольце//Путь и путевое хозяйство №9, 2002г. с.27-28.

4. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций. Справочник. М.: Машиностроение, 1983. с. 248.

5. Экспериментальная механика. Книга I/ под. ред. А. Кабаяси. М.: Мир, 1990. с. 20-21.

6. Экспериментальная механика. Книга II/ под. ред. А. Кабаяси. М.: Мир, 1990. 552 с.

7. Виногоров Н.П., Савин А.В. Определение напряженного состояния пле-тей//Путь и путевое хозяйство, №4, 2001г., с.16-20.

8. Хобергер Г., Шнис И. Метод измерения продольных напряжений и температуры рельсовых плетей.// Железные дороги мира, №6, 1989. с. 38-43.ъ

9. Киш А., Сашаведам Дж. Измерение продольных сил рельсовых плетей.// Железные дороги мира, №5, 1989. с. 58-62.

10. Порошин B.JI. Особенности развития в рельсах поперечных тре-щин//Повышение эффективности и надежности работы рельсов. Сб. научных трудов под ред. Крысанова Л.Г. М, 1990, с. 63-71.

11. Соловьев С.И. Помнить о высокой ответственности//Путь и путевое хозяйство, 1987. №8. с. 16-18.

12. B.C. Лысюк, В.Н. Сазонов, Л.В. Башкатова. Прочный и надежный железнодорожный путь. М.:ИКЦ Академкнига, 2003г. - 589с.

13. Irwin G.R. Analysis of stresses and strains near the end of crack traversing a plate//J. Appl. Mech.-1957/-vol.24.-№3.-p.361-364.

14. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solid//Phil. Trans. Roy. Soc. A.-1921. 221. №2. p.163-198.

15. Griffith A. A. The theory of rupture.- Proc. First int. Congr. Appl. Mech. Delft.-1924.-p.55-63.

16. H.M.Westergaard, Bearing Pressures on Crack, ASME Trans., J. Appl. Mech., 6 (1939), A49-A53.

17. С. E. Inglis. Stresses in plate to the presence of cracks and sharp corners // Transaction of the Institute of Natural Architects. 1913. V. 60.P. 219-230.

18. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

19. Георгиев М.Н., Межова Е.М., Морозов Е.М., Рейхарт В.А. О механизме развития контактно-усталостных трещин в железнодорожных рельсах // Зав. лаб. 2000. Т. 66. № 9. С. 50-52.

20. В.З. Партон, Е.М. Морозов Механика упругопластического разрушения.-2-е изд., М.Наука. 1985. 504с.

21. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

22. Н.М. Беляев. Труды по теории упругости и пластичности. М, 1957г.

23. Яковлев В.Ф. Исследование контактных напряжений колеса и рельса под действием вертикальных и касательных сил./ Труды ЛИИЖТ. Вып. 187. Л.,1962. с. 3-89.

24. Яковлев В.Ф. О применимости теории Герца-Беляева к расчету контактных напряжений в боковых выкружках головки рельса и гребне колеса./ Труды ЛИИЖТ. Вып. 210. Л.,1963. с. 121-123.

25. Ахметзянов М.Х., Агуленко В.Н. Исследование контактных напряжений в железнодорожных рельсах методом фотоупругих составных моде-лей//Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1982. с. 61-67.

26. Александров А.Я., Шушунов В.В. Определение контактных напряжений в железнодорожных рельсах с помощью метода компенсирующих нагрузок/Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1984. с. 5-8.

27. Ахметзянов М.Х., Тихомиров В.М., Шабанов А.П. «Применение фотоупругих датчиков для измерения температурных усилий в рельсах бесстыкового пути»// Строительная механика и инженерные сооружения. Новосибирск, 1995.

28. Метод фотоупругости. Под ред. Н.А.Стрельчука, Г.Л.Хесина. т.1. М.Стройиздат, 1975. с.298-306.

29. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука. 1973. 576 стр.

30. Абен Х.К. Интегральная фотоупругость. Таллин, Валгус, 1975г, 218с.

31. Эделыытейн Е.И. О методе компенсации Сенармона//Исследования по упругости и пластичности/ЛГУ. JL, 1963. вып. 2 с. 153-166.

32. Эделыытейн Е.И. О методе определения целого числа порядков в монохроматическом свете//Вест. Ленингр. Ун-та. 1975. №13. с. 112-119.

33. Волькович И.Б. К определению величины разности хода. Материалы VIII Всесоюзной конференции по методу фотоупругости. Таллин, 25-28 сентября 1979 г. Таллин, 1979, Т.2, с. 27-29.

34. Михелович Ш.Х. Теория чисел. М. "Высшая школа", 1967, 336 с.

35. Щапов Н.П. Результаты изучения различных вариантов опытных рельсов повышенной работоспособности //Тр. ВНИИЖТ. Вып. 314. Транспорт. 1966. С. 5—19.

36. Ахметзянов М.Х., Кушнеров В.А. Определение остаточных напряжений в железнодорожных рельсах//Тр. НИНЖТа, вып. 62. Новосибирск, 1967. с. 268-284.

37. Конюхов А.Д. Изменение напряженного состояния головки рельсов в эксплуатации/ Труды ВНИИЖТ. Вып. 314. М.: Транспорт, 1966. с. 195201.

38. Митюшин Н.Т. Конструкции верхнего строения пути: Устройство пути и способы его лечения. Т.1, часть 2. М.Трансжелдориздат, 1937.с. 196204.

39. Шахунянц Г.М. Верхнее строение пути: Техническая библиотечка железнодорожника. Путевое хозяйство. Вып. 3. М: Трансжелдориздат, 1939. с. 129-131.

40. Николаев Р.С. Одна из причин развития пятен усталости в рель-сах//Техника железных дорог. 1950. №1. с. 21-25.

41. М.Н. Георгиев, Н.Я. Межова, Е.М.Морозов, В.А. Рейхарт. О механизме развития контактно-усталостных трещин в железнодорожных рель-сах.//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №9 2000г. т. 66.

42. Суровин П.Г. Исследование местных напряжений в рельсах при неправильном опирании на железобетонные шпалы.//Мат. науч.-практ. Конф. «Транссиб-99». Новосибирск, 1999г. с. 460-463.

43. Резервы повышения надежности работы рельсов в пути. Аналитический обзор. Алма-Ата:КазНИИНКИ, 1992г. с.71.

44. В.З. Партон, Е.М. Морозов Механика упругопластического разрушения.-2-е изд., М.:Наука. 1985. 504с.

45. Sanford R. J., Dally J. W. A general method for determining mixed-mode stress intensity factors from isochromatic fringe patterns // Engeng. Fracture Mech. 1979. 11 P. 621-633.

46. Theocaris P. S., Spyropoulos C. P. Photoelastic determinations of complex stress intensity factors for saint cracks under biaxial loading with higher-order term effects // Acta. Mech. 1983. 48. P. 57-70.

47. Разумовский И. А. Определение коэффициента интенсивности напряжений К\, Къ и Кщ поляризационно-оптическими методами в однородных и кусочно-однородных деталях и образцах с трещинами // Зав. лаб. 1988. № 6. С. 58-64.

48. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.:Наука.1975. 576с.

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

50. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. Под ред. Ю. Мураками. в 2-х томах. Том 1. М.:Мир.1990. 448с.

51. Дж. Ф. Нотт. Основы механики разрушения. М.:Металлургия.1978.257с.

52. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. СПб.: Профессия, 2002. 300с.

53. Ахметзянов М.Х., Тырин В.П., Шабанов А.П. Оценка эффективности усиления остродефектного рельса накладками//Строительная механика железнодорожных конструкций. Новосибирск, 1990г. с.60-67.

54. Ярема С.Я, Микитишин С.И. Аналитическое описание диаграмм усталостного разрушения материалов.//ФХММ, 1975, №6, с. 47-55.

55. Williams J. G., Ewing P. D. Fracture under complex stress the angled crack problems // Intern. J. Fract. Mech. 1972. V. 8, N 4. P. 441-446.

56. Леган М. А. Определение разрушающей нагрузки, места и направления разрыва с помощью градиентного подхода // ПМТФ.1994. Т. 35, № 5. С. 117-124.

57. Chingshen Li. Vector CTD criterion applied to mixed mode fatigue crack growth // Fatigue Fract. Mater. Struct. 1989. V. 12, N1. P. 59-65.

58. Yokobori А. Т., Yokobori Т., Sato K., Syoji K. Fatigue crack growth under mixed mode I and II // Fatigue Fract. Mater. Struct. 1985. V. 8, N8. P. 315325.

59. Шур E.A. Повреждения рельсов. M.: 1971. 110 с.

60. Surovin P.G., Tikhomirov V.M. Research of the direction of propagation fatigue cracks from sharp concentrators of stress // Proc. Conf. «Fracture at multiple dimension», Moscow. 2003. P. 76.

61. П.Г. Суровин, В.М.Тихомиров. Исследование направления развития контактно-усталостных трещин в рельсах Р65//сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Щербинка, 2003г. с. 181-183.

62. П.Г. Суровин, В.М. Тихомиров. Исследование закономерностей роста усталостных трещин смешанного типа.//тезисы научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» Новосибирск, 2002г. с.208.