Актуальные проблемы в машиностроении №2 2015

375 / 460

Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. №2 Материаловедение
в машиностроении
____________________________________________________________________
375
УДК 621.01
АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН
В РЕЛЬСАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОНТАКТНОЙ НАГРУЗКИ*
В.Н. ЦВИГУН, канд. техн. наук, инженер
С.В. КОНОВАЛОВ, доктор техн. наук, доцент
В.М. НЕФЕДОВ, ст. преподаватель
Р.С. КОЙНОВ, инженер
(СибГИУ, г. Новокузнецк)
Коновалов С.В. – 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42,
Сибирский государственный индустриальный университет,
e-mail:
Выполнен анализ распространения поперечных подповерхностных трещин в
материале на примере рельсов при действии контактной нагрузки. Показано наиболее
вероятное направление роста поперечных подповерхностных трещин: мелкие трещины на
глубине, равной (0,25 – 0,50) полудлины контактной площадки будут расти вверх, но мелкие
трещины на глубине 0,1 полудлины контактной площадки имеют уровень напряжений
меньший, чем трещины на глубине верхней вершины, равной (0,25 – 0,50) полудлины
контактной площадки. Глубокие трещины (при глубине верхней вершины трещины равной
полудлине контактной площадки и более) будут расти в трех зонах под контактной
площадкой, т.е. нижняя вершина внутренней поперечной трещины растет вниз (при
отношении коэффициентов интенсивности напряжений при отрыве и сдвиге К1/К2, равном 65
%/35 %); такое сочетание К1 /К2 вызывает более быстрый рост усталостной трещины, чем при
К1=100 % или К 2=100 %.
Ключевые слова: усталость, трещина, рельс, контактная нагрузка, деформация.
Введение
Известно, что от взаимодействия контактной пары «колесо – рельс» зависит
функционирование железнодорожных составов [1-4]. Поэтому изучение отношения
коэффициентов интенсивности напряжений при отрыве и сдвиге (К1/К2 ) у вершины
вертикальной подповерхностной трещины при контакте качения имеет важное значение во
многих задачах. Сложная картина роста контактных трещин затрудняет решение проблем
питтинга и спаллинга для прокатных валков, рельсов, колес, подшипников качения,
шестерен, упрочнения ударами шаров после лазерного нагрева, после обкатки роликами и
др. ситуаций. К сожалению, проблемы, возникающие при теоретических расчетах, связаны
со сложной картиной развития трехмерных трещин контактной усталости. Это связано с тем,
что материал нагружен пульсирующими очень высокими напряжениями вблизи и выше
предела текучести. Наличие дефектов приводит к зарождению новых трещин, их ветвлению,
остановке одних и ускорению роста других (растут менее энергоемкие трещины).
Связи с этим настоящая работа посвящена оценке коэффициентов интенсивности
напряжений при отрыве и сдвиге К1 и К2 у вершин трещин при контакте качения и поиску
опасных зон с высокими напряжениями, а также анализу направлений распространения
трещины в головке рельса.
* Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной
поддержки молодых российских ученых - докторов наук (проект МД-2920.2015.8) и государственного
задания № 3.1496.2014/K.