CC BY
43
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
УДК 625.143.3
Р. М. ИОСИФОВИЧ1*
1 Каф. «Зал1знична колш та колшне господарство», Державний економшз-технолопчний ушверситет транспорту, вул. М. Лукашевича, 19, Кшв, Украша, 03049, тел. +38 (044) 591 51 47, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-00033892-3727
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ДЕФЕКТНИХ РЕЙОК ТИПУ Р50 13 ВИПРОБУВАННЯМИ НА ЦИКЛ1ЧНУ ВИТРИВАЛ1СТЬ
Мета. Стаття присвячена вивченню та оцшщ залишкового ресурсу для дефектних нетермозмщнених ре-йок типу Р50, що експлуатуються на кол1ях Ктвського метрополитену i вилучаються з експлуатацп через наявшсть дефектiв типу 11.1-2 на боковш викружцi поверхнi кочення голiвки рейки. Методика. Дослщжен-ня виконанi з застосуванням експериментальних методiв: випробування зразшв дефектних рейок на циктч-ну витривалiсть на пульсацiйнiй машинi та випробування зразшв дефектних рейок на статичне граничне навантаження на пдрамчному вертикальному пресi. Результата. Проведенi експерименти сввдчать про те, що на базi випробувань у 2 млн. циктв вiдбуваeться лише незначний розвиток (збшьшення розмiрiв) на 0,5-0,7 мм наявних дефекпв коду 11.2 у результат осипання часток викришеного металу на боковiй робочiй викружцi головки дослвдних зразкiв рейок. 1нтенсивного, тим бшьше катастрофiчного, розвитку дефектiв типу 11.2, або перетворення цих дефекпв у дефекти типу 21.2 або 30Г.2 не ввдбулося в жодному випадку. Наукова новизна. Вперше в Укрш'ш теоретичними розрахунками обгрунтовано велику вiрогiднiсть утво-рення дефектiв контактно-втомного походження у виглядi викришування та вищерблювання металу на по-верхш кочення рейки, бiля краю головки. Це вщбуваеться у результатi створення високого ступеню напру-женого нерiвноважного стиску в цiй зонi, за рахунок високих значень головних нормальних напружень -появи великих дотичних напружень у тiлi головки на глибиш 2,5-3,5 мм, якi перевищують межу текучостi й витривалостi металу. Проведет стендовi експериментальнi випробування дослщних зразкiв дефектних рейок на багатоциклову витривалiсть (на базi №=2,1х10 циклiв) iз перiодичним дефектоскопним контролем. Практична значимкть. У результатi експерименлв отриманi новi данi про спроможшсть опору рейок iз дефектами викришування на поверхш кочення голiвки за кодом 11.1-2 довготривалим циклiчним наванта-женням величиною рiвною експлуатацiйному колюному навантаженню на базi випробувань у 2 млн циктв. Тобто, дефектш рейки можуть мати залишковий ресурс не менше 30 млн. т. брутто. Ключовi слова: залiзнична колiя; рейка; дефекти; циктчш навантаження
Вступ
Мета
Ддачими техшчними умовами на експлуата-цда рейок метропол1тен1в регламентовано нор-мативний строк експлуатацИ рейок типу Р50 (нетермозмщнених) по дефектносп в межах Тнорм = 450 млн т брутто пропущеного тоннажу.
Однак, як показуе досв1д, дефектш рейки шсля виявлення можуть деякий час експлуатуватися в колИ до 1х вилучення i зам1ни. Тобто, таю рейки мають певний залишковий ресурс роботи без загрози безпещ руху по1зд1в. Вивчення д1йсного практичного залишкового ресурсу експлуата-цшно! роботи дефектних рейок становить знач-ний практичний 1нтерес i зможе дати мож-лив1сть запропонувати шдвищення фактичного ресурсу роботи рейок в коли.
Метою статп е виклад результат1в досл1-джень експериментальними методами залишкового ресурсу дефектних рейок типу Р50 (нетермозмщнених), що експлуатуються на ко-л1ях Ки1вського метрополитену i вилучаються 1з експлуатацИ через наявшсть дефекпв типу 11.1-2 на боковш викружщ поверхн1 кочення гол1вки рейки.
Методика
Для вир1шення завдання з п1двищення екс-плуатац1йного ресурсу рейок необхщно вико-нувати 1х досл1дження п1д час роботи в коли шд по1здами, а також дослщження 1х роботи п1д навантаженням шсля накопичення дефект-ност1 за кодом 11.1-2, що вивчаеться. Вивчення
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
поведшки дефектных рейок тд навантаженням прийнято виконувати методом випробувань на витривалють на пульсацшних машинах в умо-вах навантаження, близьких до експлуатацш-них в коли. Якщо дослщш зразки дефектних рейок добре витримують випробування на витривалють - е тдстава робити висновок про можливють шдвищення ресурсу !х роботи. Кр1м того, для вивчення граничних умов засто-совують метод випробувань дослщних зразюв на граничне навантаження. Саме таю методи експериментальних дослщжень застосоваш в ц1й робот для вивчення залишкового ресурсу дефектних рейок типу Р50, що експлуатуються на кол1ях Кшвського метропол1тену.
Phc. 1. EKonepHMemaflbHi 3pa3KH peH0K, ^0 6ynu npHHHaTi gna BHnp06yBaHb: № 1-6
Fig. 1. Experimental sample rails that were taken for testing: No. 1-6
3aranbH0Big0M0, ^o ge^eKrai peHKH niona BHaBneHHa MO^yTb geaKHH nao, go nnaH0B0i' 3a-MiHH, eKonnyaryBaraoa b K0nii. 3ane^H0 Big BHgy ge^eKTy Ta yM0B eKonnyara^i' TaKi peHKH MaroTb neBHHH, na0T0 g0B0ni 3HanHHH, 3anumK0BHH pe-oypo P060TH 6e3 3arp03H 6eзпeцi pyxy n0i'3giB. B yM0Bax HeoTani K0mTiB Ha H0Bi Marepianu Bep-XHb0i' 6yg0BH K0nii 3anHmK0BHH peoypo p060TH ge^eKTHHx peH0K 0TaH0BHTb 3HanHHH npaKTHH-hhh iHTepeo, T0My H0r0 BHBneHHro h npuoBaneHe цe g00nig^eHHa.
Зпдно з метою цiеi роботи як основну задачу було визначено завдання зробити оцшку за-лишкового ресурсу для дефектних рейок типу Р50 (нетермозмщнених), що експлуатуються на колiях Киiвського метрополiтену i вилученi з експлуатаци через наявнiсть дефектiв типу 11.1-2 на боковш викружцi поверхш кочення головки рейки.
Дефекти саме такого типу, як свщчать ре-зультати статистичного аналiзу, е найбiльш поширеними для рейок, що експлуатуються в колiях Киiвського метрополiтену. Звiсно, методика оцшки залишкового ресурсу пошкодже-них рейок мае враховувати як умови роботи рейки у коли метрополггену, так i характер на-явних дефектiв та ix можливий розвиток при подальшiй експлуатаци рейки.
Для експериментальних дослщжень довго-вiчностi рейок, в тому чи^ i залишковоi дов-говiчностi дефектних рейок, у вiтчизнянiй практищ прийнято використовувати випробування рейок на витривалють на пульсацiйниx машинах, створюючи потрiбнi умови взаемодii колеса i рейки, по можливостi найбшьш близькi до експлуатацiйниx. Дослiдження витривалост рейок з дефектами в процес випробувань на пульсацiйниx машинах дозволяють виконувати детальне вивчення меxанiзмiв утворення i роз-витку вказаних дефектов, i на основi цього, за рахунок конкретних пропозицiй, досягти реального прогресу у пiдвищеннi довговiчностi залiзничниx рейок.
Для виконання дослщжень залишкового ресурсу дефектних рейок на витривалють на пд-равлiчному пульсаторi були використанi зразки рейок типу Р50 (довжиною 1 200 мм), яю були наgанi службою коли, тунельних споруд i буд> вель метрополiтену. Всi дослiднi зразки були вирiзанi з дефектних рейок, яю в плановому порядку були вилучеш з головних колiй метро-полiтену при досягненнi розмiрiв дефекту за кодом 11.2, що вимагали обмеження швидкосто до 70 км/год - довжина нерiвностi понад 25 мм, глибина - до 4 мм включно (рис. 1).
Експериментальш випробування на циктч-ну витривалiсть дослiдниx зразкiв рейок вико-нувались для умов триточкового згину (рис. 2). При цьому експеримент виконували за двома рiзними схемами навантаження:
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
1 схема - рейка випробовувалась у зви-чайному положенш «головкою вверх», при якш в головщ рейки пщ навантаженням з'являлись стискаюч1 напруження, а у п1дошв1 рейки - ро-зтягуюч1 напруження ( рис. 2, а);
2 схема - рейка випробовувалась у перевернутому положенш «головкою вниз», при якш в головщ рейки створювалась зона розтя-гуючих напружень, а у п1дошв1 рейки - зона стискаючих напружень (рис. 2, б). Така схема бшьш прийнятна для перев1рки впливу розтя-гуючих напружень у верхшх шарах головки на процес накопичення втомних пошкоджень.
а—а
б-b
Рис. 2. Схема триточкового згину зразка рейки при випробуванш на циктчну витривал1сть:
а - за схемою №1 (головкою вверх); б - за схемою №2 (головкою вниз)
Fig. 2. Scheme of three-point bending sample rails when tested on fatigue hardiness:
a - the scheme No. 1 (head up); b - the scheme No. 2 (head down)
Для наведених схем теоретичним шляхом було встановлено таю параметри, необхщш для постановки експерименту. Для схеми № 1 (при навантаженш в звичайному положенш рейки головкою вверх) прийнята вщстань м1ж опорами - l= 1 000 мм, при цьому величина вертикально! сили може змшюватись у межах вщ сере-дньо! динам1чно! до максимально! динам1чно!
сили, тобто ^р0зр = рин/рин (pz =82,31 кН; РТ=90,0 кН).
Для схеми навантаження №2 (головкою вниз) прийнята вщстань м1ж опорами
1 =800 мм, величина вертикально! сили Р =3 000 кг.
Циктчне навантаження рейки реатзуеться на спещальних дослщницьких установках -пульсацшних машинах (пульсаторах). Експе-рименти виконувались за типовою методикою ВНД1ЗТ по визначенню втомно! циктчно! дов-гов1чност1 нових рейок на баз! випробувань
2 • 106 цикл!в навантаження з коефщентом асиметр!! циклу r =0,1 i частотою 5 Гц. За щею методикою визначають максимальне наванта-ження, за яким рейка у кожнш iз серiй дослщ-них зразюв витримуе базову кiлькiсть циктв навантаження без руйнування.
Установка для випробувань складалась
3 саме пульсатора ZDM-10Pu i опорно! плити, на якш розмщувався дослщний зразок рейки зi спецiальними кршленнями. Для виконання випробувань на пульсацшне навантаження, вщ-повiдно до розроблено! методики, установка була доукомплектована спещальними шаршр-ними опорами i роликом для передачi навантаження вщ пульсатора на рейку. Загальний вигляд випробувально! установки iз встановле-ним дослiдним зразком рейки наведено на рис. 3 а, б.
З 4-ох дослщних зразкiв рейок два зразки (№ 1 та 4) навантажувались за схемою № 1 (див. рис. 2, а) в дiапазонi змши сили P вщ Pnax =91 кН до Pmin =20 кН з частотою 5 Гц, форма циклу - синусо!дальна. Амплггудна величина сили вщповщала розрахованiй вище максимальнш динамiчнiй силi. Зусилля при-кладали за допомогою ролика дiаметром 90 мм. Контроль напружень здшснювали за допомогою фольгових тензорезисторiв, що наклеюва-лись на головку рейки симетрично вщносно осi ролика на вщсташ 50 мм.
Для реалiзацi! запланованих випробувань кожного зразка рейок базою випробувань у 2 млн циктв i з частотою 5 Гц потрiбно було витратити 111 годин безперервно! роботи пульсатора. Для контролю можливого розвитку де-фекпв у процесi циклiчного навантаження були передбачеш плановi зупинки пульсатора. Для цього використовували засоби ультразвуково! дiагностики. Такий контроль здiйснювався пе-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
рюдично тсля реал1зац11 4 -105, 8 -105, 1,2 -106, 1,6 -106 i 2 -106 циктв навантаження. Таким чином мшмальний термiн випробувань лише для одного дослщного зразка складав майже 1 мюяць.
а-а
б-b
Рис. 3. Загальний вигляд випробувально! установки i3 встановленим зразком рейки:
а - за схемою №1; б - за схемою №2
Fig. 3. General view of the test setup with established rails model:
a - the scheme No. 1; b - the scheme No. 2
Пюля проведення випробувань за схемою № 1 (рис. 2, а) для бшьш точно! ощнки залиш-кового ресурсу рейок були виконаш експери-ментальш дослщження циктчного згину рейок з реатзащею розтягуючих напружень у головцi рейки за схемою № 2 (див. рис. 2, б). З щею метою на згаданш випробувальнш установщ була дослiджена поведiнка двох зразюв рейки (№ 3 i 4) з дефектами типу 11.1-2 в умовах циктчно-го навантаження. Аналопчно до попередньо! схеми виконувався дефектоскошчний контроль зразкiв рейки.
Вщстань мiж шарнiрними опорами зразка рейки l = 800 мм i максимальна величина сили F = 31 кН вибирались таким чином, щоб на по-верхнi головки рейки дiяли напруження, що вщповщають експлуатацiйним (тобто у нашому випадку cmax = amax • 20% = 102 • 0,2 = 20,4 МПа) або трохи перевищують !х. Величина прольоту балки l вибрана трохи бшьшою, нiж мiжшпа-льна вщстань iз умов забезпечення розрахунко-вих розтягуючих напружень.
Експерименти були завершеш пiсля вико-нання повного циклу випробувань для ушх 4-ох дослiдних зразкiв рейок.
Результати експериментов показали, що на базi випробувань у 2 млн циктв розвиток дефектов типу 11.2 не вщбувались, також не заф> ксовано i появу поперечних трiщин (дефект типу 21). За результатами дефектоскошчного ультразвукового контролю не виявлено появи поперечних трщин (тобто дефектов типу 21) у дослщжених зразках. При цьому не виявлено також суттевого збшьшення розмiрiв наявних дефектiв типу 11.2. При середньому наванта-женш на одну вiсь вiзка вагона метро у 150 кН та середнш пропускнiй спроможностi 311 потя-гiв у день 2-106 циктв навантаження вщпов> дають пропущеному тоннажу у майже 30 млн т брутто (320 дшв експлуатацii).
Таким чином, можна вважати, що напру-ження в1д цикл1чного згину, р1вень яких в\дпов\-дае експлуатащйним, несуттево впливають на розвиток дефект1в в рейках. Вказаш висновки стосуються лише заданих умов циктчного навантаження.
Випробування на д1ю граничного вертикального навантаження. Оскшьки тд час експе-риментальних дослщжень рейок типу Р50 на гiдравлiчному пульсаторi типу 2БМ-10Ри за 2 млн циклгв пульсацшних навантажень не зафiксовано появи поперечних трщин за дефектами кодiв 21.2 i 30Г.2, тому було вир> шено продовжити випробування зразюв рейок методом руйнiвного контролю iз використан-ням вертикальних статичних навантажень до моменту зламу або гранично].' деформацп (стрiла вигину бiльше шж 35 мм для рейок типу Р50) зразка з одночасним дефектоскопним контролем за розвитком дефектов.
Випробування зразюв рейок при статичному поперечному триточковому вигиш викону-валися на Ки'вському рейкозварювальному пiдприемствi галузево' служби колii ДТГО «Пiвденно-Захiдна залiзниця», що оснащене гiдравлiчним пресом типу П-500 (рис. 4) для випробувань зварних стиюв рейок. Цей пдрав-лiчний прес обрано з урахуванням щентичносто випробувань зварних стикiв рейок i суцiльного вiдрiзка рейки.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Рис. 4. Гiдравлiчний прес типу П-500 Fig. 4. The hydraulic press-type P-500
Випробування дослщних зразшв рейок при статичному навантаженш на гiдравлiчному пресi типу П-500 виконувалися за кшька iдентичних циклiв.
У першому циклi (шльшсть циклiв визначалося за характером поведiнки зразка рейки тд час експерименту) випробувань виконувалися процедури в такш пооидовностг
1 - поступове завантаження зразка рейки за вщповщною схемою (прикладення вертикально! статично! сили до головки або шдошви рейки) статичною вертикальною силою з вь зуальним контролем по манометру величини наростання прикладеного навантаження;
2 - при досягненш встановлено! умовами експерименту величини статичного навантаження фшсуеться величина стрши вигину зразка рейки, прикладене навантаження зшмаеться, зразок рейки виводиться за межi гiдравлiчного преса i проводиться дефектоскопний контроль досл^ного зразка рейки;
3 - встановлення зразка рейки у прес i по-вторення процедур 1 i 2.
У другому та шших циклах випробувань вказана послдовнють процедур повторювалася до досягнення зламу або критично! деформацi! дослiдного зразка рейки.
Досл1дний зразок № 1. Глибина викришування металу на боковш робочiй викружцi головки рейки в середин дослiдного зразка рейки № 1 склада-ла Н = 1,4 мм. Завантаження вертикальним стати-чним навантаженням виконувалося на пдошву рейки. Перший цикл статичного завантаження ви-конувався до 40 тс, другий - до 80 тс. У третьому циклi при стрш вигину 7 мм i досягненш статичного завантаження 100 тс в^дбувся злам рейки.
На рис. 5 наведено вигляд поперечного перерь зу дослдаого зразка рейки № 1 з обох бок1в зламу.
Рис. 5. Вигляд зламу дослщного зразка рейки № 1
Fig. 5. Type scrapped research sample rails No. 1
За результатами виконаного експерименту злам дослщного зразка рейки № 1 вщбувся при навантаженш, що практично на порядок пере-вищуе реальнi експлуатацшш навантаження в умовах метрополiтену. Як видно iз рис. 5, по-верхня класичного кристалiчного зламу проходить через розшарування металу в робочш ви-кружцi головки дослщного зразка рейки № 1 (на рис. 5 видно горизонтальну полочку) i коро-зiйну пляму в пiдошвi з боку неробочо! гранi.
Досл!дяий зразок № 2. Глибина викришування металу на боковш робочш викружщ головки рейки в середиш досл^ного зразка рейки № 2 складала Н = 1,9 мм. Завантаження вертикальним статичним навантаженням виконува-лося на головку рейки. Перший цикл статичного завантаження виконувався до 40 тс, другий -до 80 тс. У третьому циклi при досягненш статичного завантаження 100 тс стрша вигину рейки досягла критичного значення 57 мм, що через техшчш можливост пресу не дало змоги продовжити експеримент до зламу рейки. При цьому вiдламався кусок пiдошви рейки з боку неробочо!грант
На рис. 6 наведено вигляд вилученого iз пресу вигнутого пiдошвою вверх дослiдного зразка рейки № 2 з вiдломленим куском тдошви з боку неробочо! гран рейки.
Рис. 6. Деформований зразок рейки № 2 Fig. 6. Deformed sample rails No. 2
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
За результатами виконаного експерименту стрша вигину дослщного зразка рейки № 2 при навантаженш 100 тс склала 57 мм, що переви-щуе нормативне значення стрiли вигину 35 мм на 63 %. Як видно iз рис. 7, поверхня вщламу-вання куска пiдошви рейки проходить через вм'ятину на кромщ пiдошви дослщного зразка рейки № 2, яка ймовiрнiше всього утворилася в результат тривало' ди елементiв промiжних скршлень.
Досл1дний зразок № 3. Глибина викришу-вання металу на боковш робочiй викружцi головки рейки в середиш дослiдного зразка рейки № 3 складала Н = 1,6 мм. Завантаження верти-кальним статичним навантаженням виконува-лося на головку рейки. Перший цикл статичного завантаження виконувався до 40 тс, другий -до 92 тс. У третьому цикл при досягненш статичного завантаження 156 тс стрша вигину рейки досягла критичного значення 62 мм, що через техшчш можливост пресу не дало змоги продовжити експеримент до зламу рейки.
На рис. 7 наведено вигляд вилученого iз пресу вигнутого тдошвою вверх дослщного зразка рейки № 3.
Рис. 7. Деформований зразок рейки № 3 Fig. 8. Deformed sample rails No. 3
За результатами виконаного експерименту стрша вигину дослщного зразка рейки № 3 при навантаженш 156 тс склала 62 мм, що переви-щуе нормативне значення стрши вигину 35 мм на 77 %.
Досл1дний зразок № 4. Глибина викришу-вання металу на боковш робочш викружш головки рейки в середиш дослщного зразка рейки № 4 складала Н = 2,3 мм. Завантаження верти-кальним статичним навантаженням виконува-лося на головку рейки. Перший цикл статичного завантаження виконувався до 60 тс, другий -до 95 тс. У третьому цикл при досягненш статичного завантаження 140 тс стрша вигину рейки досягла критичного значення 47 мм, що
через техн1чн1 можливост1 пресу не дало змоги продовжити експеримент до зламу рейки.
На рис. 8 наведено вигляд вилученого i3 пресу вигнутого пщошвою униз дослщного зразка рейки № 4.
Рис. 8. Деформований зразок рейки № 4 Fig. 8. Deformed sample rails No. 4
За результатами виконаного експерименту стрша вигину дослщного зразка рейки № 4 при навантаженш 140 тс склала 47 мм, що переви-щуе нормативне значення стрши вигину 35 мм на 34 %.
За результатами випробувань було побудо-вано (див. рис. 9) залежшсть стрши вигину вщ прикладеного завантаження для ушх дослщних зразюв рейок.
Г, ihi
а-а
1 = 0Мг?Р 10,0508
б-b
о
f, WW
1'гс
OJXln* ООЖя .
*
Р, ТС
Рис. 9. Залежшсть стрши вигину вщ прикладеного завантаження для дослщних зразшв рейок: а - № 1; б - № № 2, 3 i 4
Fig. 9. The dependence of applied boom bending
load rails prototypes:
a - No. 1; b - No. No. 2, 3 and 4
HayKa та nporpec тpaнcпopтy. Bíckhk Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2015, № 6 (60)
Результати
Рeзyльтaти eкcпepимeнтiв cвiдчaть пpo тe, щo на бaзi випpoбyвaнь у 2 млн цuклiв вщбува-eтьcя лишe нeзнaчний poзвитoк (збiльшeння poзмipiв) на 0,5—0,7 мм наявнж дeфeктiв кoдy 11.2 в peзyльтaтi ocипaння чacтoк викpишeнoгo мeтaлy на бoкoвiй poбoчiй викpyжцi гoлoвки дocлiдниx зpaзкiв peйoк. Iнтeнcивнoгo, тим 6í-льшe кaтacтpoфiчнoгo, poзвиткy дeфeктiв типу 11.2 aбo пepeтвopeння цж дeфeктiв в дeфeкти типу 21.2 aбo 30Г.2 нe вiдбyлocя в жoднoмy випадку.
Рeзyльтaти випpoбyвaнь на циктчну витри-вaлicть на бaзi 2 млн цuклiв з нaвaнтaжeнням, щo вiдпoвiдae eкcплyaтaцiйним динaмiчним кoлicним нaвaнтaжeнням вiд вaгoнiв мeтpoпo-
лiтeнy PduaX =90,0 kH, пoкaзaли, щo peйки з дe-фeктaми кoдy 11.2, яК вилyчeнi з eкcплyaтaцiï зпдвд з вимoгaми дiючиx ТУ, мoжyть мати за-лишкoвий pecypc eкcплyaтaцiï нe мeншe нiж N =2,0 млн цuклiв кoлicниx нaвaнтaжeнь (14o вiдпoвiдae пpиблизнo 25+30 млн т брутто npo-пyщeнoгo тoннaжy).
Рeзyльтaти eкcпepимeнтy cвiдчaть, щo при статичшму пoпepeчнoмy тpитoчкoвoмy заван-тaжeннi дocлiдниx зpaзкiв peйoк типу Р50 вщ-бyвaeтьcя тpaнcфopмaцiя дeфeктiв за кoдoм 11.2 в дeфeкти за кoдoм 30Г.2, aлe дocягти та-кж нaвaнтaжeнь в peaльниx yмoвax eкcплyaтa-ц^' мeтpoпoлiтeнy нeмoжливo.
Наукова новизна та практична значимкть
Bпepшe в Укра1ш тeopeтичними poзpaxyн-ками oбrpyнтoвaнo вeликy вipoгiднicть yтвo-peння дeфeктiв кoнтaктнo-втoмнoгo пoxoджeн-ня у виглядi викришування i вищepблювaння мeтaлy на пoвepxнi кoчeння peйки, бiля краю гoлoвки, в peзyльтaтi cтвopeння вито^го сту-пeня нaпpyжeнoгo нepiвнoвaжнoгo craœy в цiй зoнi, за paxy^K виcoкиx знaчeнь гoлoвниx нopмaльниx нaпpyжeнь i пoяви вeликиx дoтич-ниx нaпpyжeнь в тiлi гoлoвки на глибиш 2,5—3,5 мм, якi пepeвищyють мeжy тeкyчocтi i витpивaлocтi мeтaлy.
Bикoнaнi cтeндoвi eкcпepимeнтaльнi випpoбy-вання дocлiдниx зразюв дeфeктниx peйoк на бага-тoциклoвy витpивaлicть (на бaзi №=2,1x10 циклiв) з пepioдичним дeфeктocкoпним кoнтpoлeм.
Рeзyльтaти викoнaниx cтeндoвиx лaбopaтo-pниx випpoбyвaнь дocлiдниx зpaзкiв дeфeктниx peйoк з дeфeктaми кoнтaктнo-втoмнoгo типу, щo були вилyчeнi з eкcплyaтaцiï згiднo з дда-чими нopмaтивaми, дoзвoлили визначити зали-шкoвий pecypc для дeфeктниx peйoк типу Р50 для yмoв eкcплyaтaцiï мeтpoпoлiтeнy.
Ha ocнoвi викoнaниx дocлiджeнь poзpoблeнi нoвi нopмaтивнi тepмiни cлyжби peйoк типiв Р50 i Р65 для piзниx кaтeгopiй толш для yмoв eкcплyaтaцiï Kиïвcькoгo мeтpoпoлiтeнy; нoвi нopми збiльшeнo вiднocнo юнуючж на 33 %.
Висновки
1. При ^р^дичтому дeфeктocкoпнoмy кoнтpoлi тд чac eкcпepимeнтaльниx пyльca-цiйниx дocлiджeнь нe зaфiкcoвaнo пoявy aбo poзвитoк пoпepeчниx тpiщин за дeфeктaми ko-дiв 21.2 i 30Г.2.
2. Bипpoбyвaння зpaзкiв peйoк при cтaтичнoмy пoпepeчнoмy тpитoчкoвoмy вигинi пoкaзaли, щo peйки типу Р50 мeтpoпoлiтeнy вщговщають вcтaнoвлeним нaймeншим зна-чeнням гоказниюв мiцнocтi й плacтичнocтi, а caмe: pyйнiвнe нaвaнтaжeння при пpиклaдeннi вepтикaльнoï cтaтичнoï cили на гoлoвкy peйки 1 200 kH, на пдошву peйки 1 000 kH, стрша вигину 35 мм. При цьoмy при пpиклaдeннi дo peйки вepтикaльнoï cтaтичнoï cили 1 000 kH на пiдoшвy peйки cтaвcя пoпepeчний злам peйки, а при пpиклaдeннi дo peйки вepтикaльнoï cтaтичнoï етли бiльшe нiж 1 000 kH на гoлoвкy peйки вiдбyвaвcя вигин peйки бeз зламу з пepeвищeнням нaймeншoгo знaчeння cтpiли вигину на 34 % i бiльшe.
3. Рoзшapyвaння мeтaлy в poбoчiй викру-жцi гoлoвки дocлiдниx зpaзкiв pe^K вщбуваго-cя при cтaтичнoмy зaвaнтaжeннi близькo 800 kh.
4. При eкcпepимeнтaльниx дocлiджeнняx зpaзкiв peйoк типу Р50 ж cпocтepiгaлacя тран-cфopмaцiя дeфeктiв за кoдoм 11.2 в yтвopeння дeфeктiв за кoдoм 21.2. Oдним iз пoяcнeнь та-Koro peзyльтaтy мoжe бути нeзнaчнa глибина викришування мeтaлy пo poбoчiй викружщ го-лoвки peйoк в мющ пpиклaдeння вepтикaльнoï cтaтичнoï cили, яка при витонанш eкcпepимeн-ту ж пepeвищyвaлa 2,3 мм.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Агарков, О. В. Визначення контактних напру-жень в рейках типу Р50, яш експлуатуються в метрополией / О. В. Агарков, Р. М. Йосифо-вич // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. - 2015. -№ 4 (58). - С. 71-86. ао1: 10.15802^2015-/49209.
2. Барабошин, В. Ф. Конструкции пути в метрополитенах с использованием упругих элементов для снижения виброшумовых факторов / В. Ф. Барабошин, А. А. Глонти // Ж.-д. трансп. за рубежом. Серия : Путь и путевое хоз-во. Проектирование и стр-во. - 1979. - Вып. 5. -12 с.
3. Балух, Х. Диагностика верхнего строения пути : монография / Х. Балух. - Москва : Транспорт, 1981. - 451 с.
4. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. - Москва : Наука, 1965. - 856 с.
5. Бесстыковой путь / В. Г. Альбрехт, Е. М. Бром-берг, Н. Б. Зверев [и др.]. - Москва : Транспорт, 1982. - 206 с.
6. Борц, А. И. К вопросу о качестве и условиях испытаний рельсов / А. И. Борц, Е. А. Шур, В. А. Рейхарт // Путь и путевое хоз-во. - 2012.
- № 1. - С. 14-19.
7. Георгиев, М. Дефектостойкость железнодорожных рельсов : [пер. с болгар.] / М. Георгиев. - София : Транспорт, 1999. - 266 с.
8. Мелентьев, Л. П. Содержание и ремонт рельсов / Л. П. Мелентьев, В. Л. Порошин, С. И. Фадеев.
- Москва : Транспорт, 1984. - 231 с.
9. Метчел, А. Исследования и моделирование динамических сил взаимодействия пути и подвижного состава на ЭВМ : докл. на конф. Америк. общ. инж. механиков по ж.-д. технике :
Р. Н. ЙОСИФОВИЧ1*
1 Каф. «Железнодорожный путь и путевое хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта, ул. Н. Лукашевича, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (044) 591 51 47, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-3892-3727
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЕФЕКТНЫХ РЕЛЬСОВ ТИПА Р 50 ПО ИСПЫТАНИЮ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ВЫНОСЛИВОСТЬ
Цель. Статья посвящена изучению и оценке остаточного ресурса для дефектных рельсов типа Р50, эксплуатируемых на путях Киевского метрополитена, которые изымаются из эксплуатации из-за наличия дефектов типа 11.1-2 на боковой выкружке поверхности катания головки рельса. Методика. Исследования выполнены с применением экспериментальных методов: испытания образцов дефектных рельсов на циклическую прочность на пульсационной машине и испытания образцов дефектных рельсов на статическую предельную нагрузку на гидравлическом вертикальном прессе. Результаты. Проведенные эксперименты
[пер. с англ.] / А. Метчел. - Москва : Транспорт, 1969. - 11 с.
10. Техшчш умови на експлуатацш рейок на кол1ях Кшвського метрополитену / Е. I. Даш-ленко, М. I. Карпов, В. В. Косарчук [та ш.]. -Ки!в : Ки!в. метрополитен : ДЕТУТ, 2015. -17 с.
11. Тимошенко, С. П. Напряжения в железнодорожном рельсе / С. П. Тимошенкуо // Статист. и динам. проблемы теории упругости. - Киев : Наукова думка, 1975. - С. 318-355.
12. Цуканов, П. П. Установление норм периодичности смены рельсов и основные принципы повторного использования старогодных рельсов / П. П. Цуканов // Тр. ЦНИИ МПС. - Москва, 1965. - Вып. 292. - С. 184-231.
13. Шахунянц, Г. М. Испытания рельсов на выносливость / Г. М. Шахунянц, М. Б. Смирнова, Л. В. Глазкова // Тр. МИИТа. - Москва, 1977. -Вып. 543. - С. 30-37.
14. Яковлев, В. Ф. Измерение деформаций и напряжений деталей машин / В. Ф. Яковлев. -Москва ; Ленинград : Машгиз, 1963. - 192 с.
15. Numerical Analysis for predicting the rolling contact fatigue crack initiation in a railway wheel steel / M. Taraf, E. H. Zahaf, O. Oussouaddi, A. Zeghloul // Tribology Intern. - 2010. - Vol. 43. - Iss. 3. - P. 585-593. doi: 10.1016/j.triboint.-2009.09.007.
16. Seo, J. Effects of surface defects on rolling contact fatigue of rail / J. Seo, S. Kwon, D. Lee // Procedia Engineering. - 2011. - Vol. 10. - P. 1274-1278. doi: 10.1016/j.proeng.2011.04.212.
17. Seo, J. Numerical stress analysis and rolling contact fatigue of White Etching Layer on rail steel / J. Seo, S. Kwon, H. Jun, D. Lee // Intern. J. of Fatigue. - 2011. - Vol. 33. - Iss. 2. - P. 203-211. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2010.08.007.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
свидетельствуют о том, что на базе испытаний в 2 млн. циклов происходит лишь незначительное развитие (увеличение размеров) на 0,5-0,7 мм имеющихся дефектов кода 11.2 в результате осыпания частиц выкрошенного металла на боковой рабочей выкружке головки опытных образцов рельсов. Интенсивного, тем более катастрофического, развития дефектов типа 11.2, или преобразования этих дефектов в дефекты типа 21.2 или 30Г.2 не произошло ни в коем случае. Научная новизна. Впервые в Украине теоретическими расчетами обосновано большую вероятность образования дефектов контактно-усталостного происхождения в виде выкрашивания и выщербливания металла на поверхности катания рельса, у края головки. Это происходит в результате создания высокой степени напряженного неравновесного сжатия в этой зоне, за счет высоких значений главных нормальных напряжений и появления больших касательных напряжений в теле головки на глубине 2,5-3,5 мм, превышающих предел текучести и выносливости металла. Проведены стендовые экспериментальные испытания опытных образцов дефектных рельсов на многоцикловую выносливость (на базе № = 2,1х10 циклов) с периодическим дефектоскопным контролем. Практическая значимость. В результате экспериментов получены новые данные о способности сопротивления рельсов с дефектами выкрашивания на поверхности катания головки по коду 11.1-2 длительным циклическим нагрузкам величиной равной эксплуатационной колесной нагрузке на базе испытаний в 2 млн циклов. То есть, дефектные рельсы могут иметь остаточный ресурс не менее 30 млн т. брутто.
Ключевые слова: железнодорожный путь; рельс; дефекты; циклические нагрузки
R. M. YOSYFOVYCH1*
1 Dep. «Railway Track and Track Facilities», State Economic and Technological University of Transport, Lukashevich St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (044) 591 51 47, email [email protected], ORCID 0000-0003-3892-3727
RESIDUAL RESOURCE STUDY OF DEFECTIVE RAILS FOR TYPE P 50 CYCLE TEST OF ENDURANCE
Purpose. The paper is devoted to the study and evaluation of residual life for defective rails P50 operated on the roads of the Kyiv subway, which are taken out of service because of defects 11.1-2 on the side of the rolling surface of the rail head. Methodology. The studies were performed with the use of experimental methods: testing of samples of defective rails in the cyclical strength of the pulse machine and testing of defective rails in the static load limit on the hydraulic vertical press. Findings. The performed experiments indicate that on the tests basis in 2 million cycles is only a small development (increase in size) 0.5-0.7 mm of existing code defects 11.2 as a result of shedding the particles of crumble out metal on the side of the rails head of working prototypes. The intensity and the catastrophic development of defects, such as 11.2, or transformation of these defects in defects such as 21.2 or 30G.2 did not happen in any case. Originality. For the first time in Ukraine with the theoretical calculations substantiated the greater possibility of defects formation of contact fatigue origin in the form of spall and jag of metal on the surface of the rail, at the edge of the head. It is the result of the creation of a high degree of stress non-equilibrium compression in this area, due to the high values of principal normal stresses and appearance of large shear stresses in the body of the head at a depth of 2.5-3.5 mm, exceeding the yield strength and metal endurance. The tests of experimental prototypes of defective rails on high cycle endurance (based № = 2,1h10 cycles) with periodic defectoscopic control were conducted. Practical value. In experiments, the new data of the resistance ability to spall rail defects on the surface of the head of rolling on the code 11.1-2 long-term cyclic loading equal to operational magnitude at the wheel load test of 2 million cycles was obtained. That is, the defective rails can have residual life of not less than 30 million. t. gross.
Keywords: railroad; rail; defects; cyclic loading
REFERENCES
1. Aharkov O.V., Yosyfovych R.M. Vyznachennia kontaktnykh napruzhen v reikakh typu R50, yaki eksplua-tuiutsia v metropoliteni [Determination of contact stresses in the rails p50, which are operated in the metro]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 4 (58), pp. 71-86. doi: 10.15802/stp2015/49209.
2. Baraboshin V.F., Glonti A.A. Konstruktsii puti v metropolitenakh s ispolzovaniyem uprugikh elementov dlya snizheniya vibroshumovykh faktorov [Track design in the subways with the use of elastic elements to reduce
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
the vibration noise factors]. Zheleznodorozhnyy transport za rubezhom. Seriya: Put i putevoye khozyaystvovo. Proyektirovaniye i stroitelstvo [Railway transport abroad. Series: Track and track facilities. The design and construction], 1979, issue 5. 12 p.
3. Balukh Kh. Diagnostika verkhnego stroyeniyaputi [Diagnostics of permanent way]. Moscow, Transport Publ., 1981. 451 p.
4. Belyaev N.M. Soprotivleniye materialov [Structural resistance]. Moscow, Nauka Publ., 1965. 856 p.
5. Albrekht V.G., Bromberg Ye.M., Zverev N.B. Besstykovoyput [Continuous welded rail]. Moscow, Transport Publ., 1982. 206 p.
6. Borts A.I., Shur Ye.A., Reykhart V.A. K voprosu o kachestve i usloviyakh ispytaniy relsov [To the question of the quality and test conditions of the rails]. Put i putevoye khozyaystvovo - Track and Track Facilities, 2012, no. 1, pp. 14-19.
7. Georgiyev M. Defektostoykost zheleznodorozhnykh relsov [Defects resistance of rails]. Sofiya, Transport Publ., 1999. 266 p.
8. Melentev L.P., Poroshin V.L., Fadeyev S.I. Soderzhaniye i remont relsov [Maintenance and repair of rails]. Moscow, Transport Publ., 1984. 231 p.
9. Metchel A. Issledovaniya i modelirovaniye dinamicheskikh sil vzaimodeystviya puti i podvizhnogo sostava na EVM [Studies and modeling of dynamic forces of track and rolling stock interaction on the computer]. Moscow, Transport Publ., 1969. 11 p.
10. Danilenko E.I., Karpov M.I., Kosarchuk V.V., Tverdomed V.M., Boiko V.D., Molchanov V.M., Yosyfovych R.M. Metchel A. Tekhnichni umovy na ekspluatatsiiu reiok na koliiakh Kyivskoho metropolitenu [Technical specifications for operation of the rails on the tracks of the Kiev metro]. Kyiv, Kyivskyi metropoliten, DETUT Publ., 2015. 17 p.
11. Timoshenko S.P. Napryazheniya v zheleznodorozhnom relse [Stresses in a railway rail]. Statisticheskiye i dinamicheskiye problemy teorii uprugosti [Statistical and dynamic problems of the elasticity theory]. Kyiv, Naukova dumka Publ., 1975, pp. 318-355.
12. Tsukanov P.P. Ustanovleniye norm periodichnosti smeny relsov i osnovnyye printsipy povtornogo ispol-zovaniya starogodnykh relsov [Setting standards the periodicity of the shift rails and the basic principles of reuse of old rails]. Trudy Vserossiyskogo nauchno-issledovatelskogo instituta zheleznodorozhnogo transporta [Proc. of All-Russian Scientific Research Institute of Railway Transport], 1965, issue 292, pp. 184-231.
13. Shakhunyants G.M., Smirnova M.B., Glazkova L.V. Ispytaniya relsov na vynoslivost [Rails tests of endurance]. Trudy Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobshcheniya [Proc. of Moscow State University of Railway Engineering]. Moscow, 1977, issue 543, pp. 30-37.
14. Yakovlev V.F. Izmereniye deformatsiy i napryazheniy detaley mashin [Measurement of deformations and stresses of machine details]. Moscow, Leningrad, Mashgiz Publ., 1963. 192 p.
15. Taraf M., Zahaf E.H., Oussouaddi O., Ze-ghloul A. Numerical Analysis for predicting the rolling contact fatigue crack initiation in a railway wheel steel. Tribology Intern., 2010, vol. 43, issue 3, pp. 585-593. doi: 10.1016/j.triboint.2009.09.007.
16. Seo J., Kwon S., Lee D. Effects of surface defects on rolling contact fatigue of rail. Procedia Engineering, 2011, vol. 10, pp. 1274-1278. doi: 10.1016/j.proeng.2011.04.212.
17. Seo J., Kwon S., Lee D. Numerical stress analysis and rolling contact fatigue of White Etching Layer on rail steel. Intern. Journal of Fatigue, 2011, vol. 33, issue 2, pp. 203-211. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2010.08.007.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. Д. Петренком (Украгна); науковим KOMi-
тетом Млжнародног науково-практичног конференцИ' iменi д.т.н. Сокола Едуарда Миколайовича
«Безпека руху i науковi засади експертних до^джень транспортних пригод та iнженерних спо-руд»
Надшшла до редколегп 25.09.2015
Прийнята до друку 19.11.2015
