Строительство и архитектура \ Управление надежностью железнодорожного пути

Не спешите наказывать монтера. Стратегия текущего содержания пути в Великобритании. Гидравлический способ удаления покрытий, страница 90

Рис. 7. Излом рельса типа SBB IV из стали марки 1100 по овальному пятну, начавшийся в зоне дефекта 2222 (а), и пять примеров излома по овальному пятну (б)

На рис. 7, б показаны несколько вариантов излома по овальному пятну. Различия становятся понятными, если учесть воздействие поездной нагрузки на характер напряженного состояния. На рис. 8 показано распределение в головке рельса растягивающих продольных напряжений после правки, величина которых достигала 250 Н/мм2. Вследствие динамических воздействий при эксплуатации и связанной с ними пластической деформации растягивающие напряжения превращаются в сжимающие. После пропуска 60 млн. т поездной нагрузки напряжения, измеренные на поверхности катания, также составили 250 Н/мм2, но имели обратный знак, т. е. стали напряжениями сжатия. Распространяясь от поверхности катания в глубину, эти напряжения снижаются и на глубине около 7 мм снова переходят в напряжения растяжения, достигающие максимального значения 150 Н/мм2 на глубине 17 мм. При роликовой правке к ним добавляются внутренние напряжения, которые изменяют первоначальное распределение напряжений в рельсе.

Рис. 8. Распределение продольных внутренних напряжений после роликовой правки (жирная линия), а также продольных напряжений (тонкие линии) в рельсе типа МСЖД 60 из стали марки 1100 после пропуска 60 млн. т поездной нагрузки при различных температурах

На высоте перехода от головки рельса к шейке напряжения снова становятся сжимающими. Они накладываются на вызываемые сезонными колебаниями температуры, а также знакопеременные напряжения, возникающие в эксплуатации. Зона растягивающих напряжений при температуре +20 °C простирается на глубину 7 – 45 мм. Летом (+52 °C) этот диапазон несколько меняется — 10 – 32 мм, а зимой расширяется от 3,5 мм до начала шейки. Вследствие растягивающих статических и знакопеременных динамических напряжений зимой максимальная скорость роста трещин наблюдается на глубине 10 – 25 мм.

По мере приближения к нижней поверхности головки рельса динамические и статические растягивающие напряжения уменьшаются, трещины растут медленнее. С приближением трещины к нижней поверхности головки рельса значительно повышаются напряжения в ее вершине. Распространяясь в направлении к поверхности катания, усталостная трещина попадает в зону действия возрастающих напряжений сжатия, что замедляет ее рост. В результате процесс развития усталостной трещины, вызывающей излом по овальному пятну, прекращается.

Зимой более высокие напряжения, обусловленные температурой, не только приводят к повышению скорости роста трещины, но одновременно снижают ее критическую для излома глубину.

При растягивающих внутренних напряжениях на поверхности катания, равных 50 Н/мм2, их максимальное значение внутри головки рельса составляет только 25 Н/мм2 против 150 Н/мм2 при напряжениях растяжения на поверхности катания 250 Н/мм2. Летом напряжения полностью смещаются в область сжатия; зимой максимальное значение напряжений растяжения составляет 125 Н/мм2, а при величине внутренних напряжений на поверхности катания 250 Н/мм2 максимум составляет 260 Н/мм2.

Снижение уровня внутренних напряжений после роликовой правки приводит к следующему:

  • пониженные растягивающие напряжения, возникающие на глубине 5 – 9 мм в месте дефекта 2222, или уже имеющиеся там сжимающие напряжения уменьшают вероятность возникновения излома по овальному пятну;
  • вследствие незначительных растягивающих или большой временнóй фазы сжимающих напряжений рост трещин замедляется, а иногда и прекращается;
  • уменьшение зоны действия растягивающих напряжений способствует ограничению площади распространения трещин;
  • вероятность своевременного выявления трещин при ультразвуковом контроле достаточно высока, так как трещины из-за замедленного роста редко достигают критической длины в течение интервала между проверками.
Скачать файл