11. Влияние местных напряжений в рельсах на образование дефектов контактно-усталостного характера по рисункам 21 и 30

Металл головки рельса в зоне кон­такта, находясь в объемном сжатии, может выдержать большие давления без разрушения при расположении пло­щадки в средней части поверхности ка­тания и значительно меньшие — у края головки.

Опасными являются касательные напряжения, равные полуразности наи­большего σ₁ и наименьшего σ₃ глав­ных напряжении, достигающие своего максимума на глубине z₀= (0,2-г-0,5)a.

Чем больше разница между а и Ь, тем ближе к поверхности контакта за­легает точка с наибольшими касатель­ными напряжениями.

Для оценки прочности определяют эквивалентные напряжения (по теории прочности наибольших касательных напряжений):

внутри головки рельса на глубине z₀

на поверхности соприкосновения в центре эллипса

В конце большой оси эллипса

Коэффициенты n₁ и n₂ принимаются по графику в зависимости от отноше­ния r/R

По условию прочности эквивалент­ные напряжения не должны выходить за пределы контактной выносливости металла головки рельса. При больших динамических давлениях колес рельсы стандартного производства и прежде всего термически неупрочненные рель­сы типов Р50, Р65 и Р75 не удовлетво­ряют этому требованию — на грузонапряженных участках до 70 % одиноч­ного выхода рельсов составляет выход по дефектам головки, преимуществен­но по дефекту 21 из-за недостаточной контактной выносливости металла го­ловки.

ТО, зарождение трещины по дефекту 21 происходит в зоне боковой выкружки, примерно на глубине 5—12 мм (при воздействии вагонов с нагрузкой от ко­лесной пары на рельсы 250—270 кН — на большей глубине) и удалении от бо­ковой грани головки на 8—12 мм;

очаг дефекта зарождается, как пра­вило, в зоне расположения строчечных неметаллических включений (продук­тов раскисления и др.); возникновение дефектов раньше (при меньшей наработке) начинается в сечениях пути, где систематически реа­лизуются большие динамические силы взаимодействия из-за длительно неустраняемых неисправностей пути и в по­логих и средних кривых (R > 650 м).

30Г и 30В – горизонтальное/вертикальное расслоение металла в головке рельса

Причина – нарушение технологии изготовлении рельсов, наличие загрязнения рельсовой стали в виде крупных скоплений неметаллических включений, вытянутых вдоль проката

10. Местные напряжения в рельсах. Подголовочные напряжения, напряжения концентрации при переходе из головки в шейку рельса, напряжение в зоне болтовых отверстий

местные напряжения

• контактные на головке (колесо с рельсом, площадь контакта ≈1÷2 см²)

• напряжения концентрации в зонах болтовых отверстий

• напряжения концентрации в зонах перехода шейки к подошве рельса

• подголовочные напряжения в зоне перехода головки в шейку и шейки в головку. Причина – резкое изменение геометрии элемента

Местные напряжения оказывают су­щественное влияние на дефектность рельсов: контактные напряжения, на­пример, на зарождение и развитие по­перечных усталостных трещин в голов­ке (дефект 21 по классификации МПС), а концентрации напряжений в зоне болтовых отверстий (просверленных без раззенковки) вызывают усталост­ные трещины под углом 45° к ней­тральной оси рельса (дефект 53).

Напряжения в зоне перехода головки в шейку рельса.

При оценке надежнос­ти рельсов типов Р50 и Р65 со значи­тельно просроченным сроком службы и в других случаях важно определить напряжения, возникающие в зоне пере­хода головки в шейку рельса при загружении его колесной нагрузкой.

В 1949 г. В. Н. Даниловым был предложен аналитический метод расче­та номинальных напряжений под го­ловкой рельса при действии вертикаль­ной и горизонтальной нагрузок. Реше­ние основано на раздельном иссле­довании деформаций головки в плос­кости симметрии рельса, а также ее го­ризонтального изгиба и кручения.

В 1965 году в ЛИИЖТе разработан метод расчёта подголовочных напряжений

где h_ш – средняя высота шейки (между точками пересечения продолжения верхних граней подошвы и нижней грани головки)

d_ш – средняя толщина шейки (так, чтобы площади контуров слева и справа были бы равны)

d₁ – толщина шейки в критическом сечении

I – момент инерции головки относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести головки

I_к – момент инерции головки на кручение

- коэффициенты концентрации напряжений соответственно осевого сжатия и изгиба, зависят от r/ d₁ и от r/ d_ш

R – радиус выкружки

е – ексцентриситет приложения вертикальной нагрузки

Расчёты показывают, что эквивалентные напряжения на 4-6% меньше, чем σ_z, поэтому принято ориентироваться на σ_z

Напряжения концентрации при переходе из шейки в подошву рельса

Шейка с подошвой рельса сопрягается по радиусу, боль­шему, чем с головкой (20 мм для рель­сов Р50 и 25 мм для рельсов Р65 и Р75). Это сделано для того, чтобы при во­гнутом очертании подошвы или верх­ней постели подкладки, при которых может возникнуть опирание подошвы рельса краями на подкладку, избежать выколов подошвы.

При качественном изготовлении рельсов и скреплений напряжения кон­центрации в зоне перехода шейки в по­дошву рельса в 2—3 раза ниже, чем в зоне перехода головки в шейку рельса. Критическое сечение определяется ана­логично (графически) рассмотренному выше для подголовочных напряжений

Напряжение в зоне болтовых отверстий

Рельсовая нить в зоне механичес­кого стыка под воздействием колесной нагрузки прогибается больше, чем в средней части звена, вследствие недо­статочной жесткости накладок на изгиб, ослабления затяжки стыковых болтов, износа опорных поверхностей накладок и др.

Колесо при движении через стык ударяет по принимающему концу рель­са. Этому способствуют растянутые стыковые зазоры, смятие головки рель­са и др. На пути с деревянными шпала­ми в зависимости от состояния стыка сила удара достигает 150—300 кН; на пути с железобетонными шпалами она больше — зимой может доходить до 400—600 кН. В результате реализации больших сил взаимодействия имеют место изломы рельсов по болтовым от­верстиям.

Силу и скорость соударения колеса и принимающего конца рельса при проходе через стык В. Н. Данилов ре­комендует рассчитывать по формуле:

Где φ_уд - угол перелома рельсовой нити в стыке; (с ростом скорости уменьшается, так как колесо не успевает полностью опус­титься в стыковую неровность (время дейст­вия силы удара — десятитысячные доли се­кунды);

v_п - скорость движения поезда

Ск - жесткость системы "колесо—рельс" в зоне стыка; вертикальная и горизонтальная жесткости рельсовой нити в стыке пример­но в 1,25—1,5 раза меньше, чем в промежу­точной зоне;

Q_н — неподрессоренный вес, приходящийся на одно колесо;

Q_р — приве­денный вес рельса; для ориентировочной оценки можно принять Qp≈ (0,7—0,8)2 (Q — вес промежуточной зоны рельса);

g — ускорение свободного падения.

Трещины усталости в зоне болто­вых отверстий проходят обычно пер­пендикулярно направлению наиболь­ших нормальных напряжений — под углом около 45° к нейтральной оси рельса. Увеличение длины накладок приво­дит к снижению максимальных растя­гивающих напряжений в зоне болто­вых отверстий. Концентраторы напря­жений в виде заусенцев, образующихся при выходе сверла из шейки рельса, способствуют возникновению трещин. Раззенковка болтовых отверстий по­зволяет снять концентраторы напряже­ний, а обжатие отверстий конусными оправками — создать остаточные на­пряжения сжатия по контуру болтовых отверстий и снизить выход рельсов по этому дефекту. Четырехдырные на­кладки длиной 800 мм к рельсам типов Р65 и Р75 не обеспечивают надежную работу стыка, особенно в кривых ради­усом R < 650 м