Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1, Анализ напряженно-деформированного 14
состояния рельсов
Контактные напряжения в рельсах 14
Изгибные напряжения в рельсах 16
Продольные силы в рельсах 19
1.3.1. Применение фотоупругого покрытия в качестве датчика 20
продольной силы
Прибор для снятия показаний с фотоупругого датчика
Использование многолучевого полярископа для 27
повышения точности измерения продольной силы
1.3.4. Фотометрирование в двух длинах волн для решения 30
проблемы некорректности целого порядка полос
Остаточные напряжения в рельсах 34
Выводы по главе 38
Глава 2. Трещины в рельсах и причины их появления и 41
развития
Классификация дефектов рельсов 41
Поперечная контактно-усталостная трещина в головке 42 рельса
Внутренняя продольная трещина в головке рельса 46
Трещина от термомеханического повреждения в головке 47 рельса
Поперечная коррозионно-усталостная трещина в подошве 48 рельса
2.5. Выводы по главе
Глава 3. Определение коэффициентов интенсивности 51
напряжений в рельсах с трещинами
Методы определения КИН 51
Использование решения о растяжения бесконечной 54 пластины, ослабленной эллиптическим отверстием
Определение КИН для коррозионно-усталостной 66 трещины в подошве рельса
Определение КИН для поперечной контактно- 70 усталостной трещины в головке рельса
КИН для поперечной трещины в головке рельса от 74 термомеханического повреждения
КИН для внутренней продольной трещины в головке 77 рельса
Выводы по главе 80
Глава 4. Оценка остаточного ресурса рельса 82
Методика оценки остаточного ресурса 82
Остаточный ресурс рельса с дефектом 69 85
Остаточный ресурс рельса с дефектом 21 90
Остаточный ресурс рельса с дефектом 24 92
Рекомендации по срокам дефектоскопирования рельсов
Выводы по главе 96
Глава 5. Исследование направления роста контактно- 98
усталостных трещин
5.1. Эллиптические надрезы (трещины) 98
Усталостные трещины при симметричном сдвиге 101
Развитие усталостных трещин поперечного сдвига в поле 104 сжимающих напряжений
Развитие усталостных трещин продольного сдвига в поле 106 сжимающих напряжений
Исследование направления развития дефекта 11.1-3 108
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
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 (КИП), 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:
Усовершенствованная методика определения коэффициентов интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения тела с трещиной.
Данные о коэффициентах интенсивности напряжений в железнодорожных рельсах с поперечными трещинами (дефекты 21, 24, 69) и их критические размеры.
Методика оценки остаточного ресурса дефектного рельса.
Механизм поворота фронта дефекта 11 и переход его в дефект 21.
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 55 соблюдается условие энергетического баланса
5Г = <Ж, (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:
ЕО = Кі{\-у2)+Кі(\-у2)+КЇп(і + у), (4)
где: Е - модуль упругости материала, Kj, Кп, Кш, ~ 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 матема-
тических 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 распростране-
ния 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,
