Оценка напряженно-деформированного состояния рельсов при изготовлении

Abstract

Одной из наиболее частых причин разрушения многих металлических конструкций, в том числе и рельсов, является высокий уровень остаточных напряжений, которые могут достигать предела текучести, особенно в области дефектов. Знание величины внутренних напряжений в рельсах позволит получить информацию об их техническом состоянии, благодаря чему можно избежать аварийных ситуаций. Цель работы заключалась в создании модели напряженно-деформированного состояния рельса с учетом термического упрочнения головки и подошве и дальнейшего сопоставлении результатов моделирования с измерениями напряжений, полученных в ходе эксперимента. Создание, а также расчет модели методом конечных элементов проводился в программной среде COMSOL. К головке и подошве рельса в продольном направлении были приложены силы, вызывающие сжимающие напряжения, к шейке рельса – силы, вызывающие растягивающие напряжения. Уровень напряжений, полученный при расчете модели рельса, был сопоставлен с соответствующим расхождением паза, который является информативным параметром при оценке уровня остаточных напряжений согласно действующему стандарту. Экспериментальные измерения выполнялись акустическим структуроскопом СЭМА, в основе которого лежит использование явления акустоупругости. Измерения выполнялись на пяти полнопрофильных пробах рельса. Согласно результатам расчета модели, критическому уровню расхождения паза в 2 мм соответствует следующий уровень максимальных напряжений: –54 МПа в головке, 86 МПа в шейке и –62 МПа в шейке рельса. При проведении экспериментального исследования для различных рельсов получены следующие значения: от –48 МПа до –64 МПа в головке, от 54 МПа до 93 МПа в шейке рельса, от –59 МПа до –74 МПа в подошве рельса, погрешность измерения составила ±5 МПа. Таким образом создана модель, позволяющая проводить анализ напряженно-деформированного состояния рельса и сопоставлять значение напряжений в рельсе с расхождением паза, выполненного в полнопрофильной пробе рельса. Результаты моделирования остаточных напряжений показали совпадение характера распределения напряжений с экспериментально полученными данными по пяти пробам рельсов.