Способ износоусталостных испытаний материала рельса системы колесо-рельс

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗНОСОУСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛА РЕЛЬСА СИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(72) Авторы Сенько Вениамин Иванович Сосновский Леонид Адамович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(57) Способ износоусталостных испытаний материала рельса системы колесо-рельс, заключающийся в том, что образец, изготовленный из материала рельса в виде кольца с радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях, приводят во вращение и одновременно воздействуют на него вращающимся контробразцом, выполненным в виде усеченного конуса с ребордой у большего основания, ось вращения которого параллельна оси вращения образца, при этом воздействуют контробразцом на образец путем передачи ему одновременно контактной и осевой нагрузки, обеспечивая одновременное возбуждение как контактных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия 10326 1 2008.02.28 поверхностей катания образца и контробразца, так и фрикционных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия реборды контробразца с боковой поверхностью образца до достижения предельной величины износа в зоне контактного взаимодействия, по которой определяют износоусталостные характеристики испытуемого материала, причем величину изгибных и контактных напряжений в образце варьируют путем изменения угла между образующей конусной поверхности и осью контробразца. Изобретение относится к области определения механических свойств материалов, а именно к износоусталостным испытаниям материалов и силовых систем, и может найти широкое применение при проведении испытаний, приближенных к условиям эксплуатации системы колесо-рельс. Известен способ испытания материалов на контактно-механическую усталость, сущность которого состоит в том, что цилиндрический образец приводят во вращение, воздействуют на его боковую поверхность вращающимся роликом, ось которого параллельна оси образца, и сообщают ролику дополнительное возвратно-поступательное движение вдоль оси образца, а в плоскости действия ролика к образцу прикладывают изгибающую нагрузку, что приближает условия испытаний к условиям эксплуатации, например, системы колесо-рельс 1. Недостаток такого способа испытаний состоит в том, что контактные и изгибные напряжения возбуждаются при воздействии соответствующих двух независимых нагрузок,тогда как в процессе эксплуатации, например, системы колесо-рельс они возникают при действии единой нагрузки. Другой недостаток указанного способа состоит в том, что в результате испытаний определяют лишь сопротивление контактно-механической усталости, тогда как для испытаний на фрикционно-механическую усталость, реализуемую при трении реборды колеса по боковой поверхности рельса, требуется другое оборудование и другие образцы. Известен способ износоусталостных испытаний материалов, при котором цилиндрический образец приводят во вращение, нагружают его изгибающей силой, прижимают к его цилиндрической поверхности с противоположных сторон два вкладыша, создают нагрузку на вкладыши с помощью присоединенных к ним инерционных масс и сообщают вкладышам дополнительное вращение относительно образца 2. Недостаток такого способа испытаний состоит в том, что фрикционные и механические напряжения возбуждаются при воздействии соответствующих двух независимых нагрузок, тогда как в процессе эксплуатации системы колесо-рельс они возникают при действии единой нагрузки. Другой недостаток указанного способа состоит в том, что в результате определяют лишь сопротивление фрикционно-механической усталости, тогда как для испытаний на контактно-механическую усталость требуется другое оборудование и другие образцы. Задача изобретения заключается в обеспечении возможности проведения испытаний,приближенных к условиям эксплуатации силовой системы колесо-рельс за счет более полного воспроизводства реального напряженного состояния в испытуемой паре трения и ее геометрического подобия. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе износоусталостных испытаний образец, изготовленный из материала рельса в виде кольца с радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях, приводят во вращение и одновременно воздействуют на него вращающимся контробразцом, выполненным в виде усеченного конуса с ребордой у большего основания, ось вращения которого параллельна оси вращения образца, при этом воздействуют контробразцом на образец путем передачи ему одновременно контактной и осевой нагрузки, обеспечивая одновременное возбуждение как контактных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия поверхностей катания 2 10326 1 2008.02.28 образца и контробразца, так и фрикционных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия реборды контробразца сбоковой поверхностью образца до достижения предельной величины износа в зоне контактного взаимодействия, по которой определяют износоусталостные характеристики испытуемого материала, причем величину изгибных и контактных напряжений в образце варьируют путем изменения угла между образующей конусной поверхности и осью контробразца. Новыми признаками заявляемого способа испытания материалов на контактномеханическую усталость являются обеспечение одновременной передачи через контробразец к образцу контактной и осевой нагрузки, что обеспечивает одновременное возбуждение в зонах взаимодействия соответственно как контактно-механических, так и фрикционно-механических напряжений конструктивное выполнение образца в виде кольца с радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях и контробразца в виде усеченного конуса с ребордой у большего основания, что позволяет при изменении угла между образующей конусной поверхности и осью контробразца варьировать величину изгибных и контактных напряжений в системе вследствие соответствующего изменения эксцентриситета. Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема проведения испытаний. На фигуре показана модель силовой системы колесо-рельс, представляющая собой цилиндрический образец 1, выполненный в виде кольца с радиусами кривизны 11 и 12 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и контробразец 2, представляющий собой усеченный конус 3 с ребордой 4 у большего основания. Взаимодействие образца с контробразцом осуществляется в зонах контактного 5 и фрикционного 6 взаимодействия. Способ осуществляется следующим образом. Испытуемый образец 1, выполненный в виде кольца с радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях 110 и 120, приводят во вращение с угловой скоростью 1, затем вращающийся с угловой скоростью 2 контробразец 2 в виде конусной поверхности 3 с ребордой 4 у большего основания, ось вращения которого параллельна оси вращения образца, прижимают к образцу контактной нагрузкойи осевой нагрузкой . Контактная нагрузкаодновременно возбуждает в зоне взаимодействия 5 поверхностей образца и контробразца изгибающие и контактные напряжения, а осевая нагрузка- фрикционные и изгибные напряжения в зоне взаимодействия реборды контробразца с боковой поверхностью образца. При этом зона контактного взаимодействия 5 отстоит от вертикальной оси симметрии образца (плоскости действия силы ) на расстоянии эксцентриситета е, что позволяет, изменяя уголмежду образующей конусной поверхности и осью контробразца, дополнительно варьировать величину изгибных и контактных напряжений в системе. Испытания проводили на испытательной машине СИ-03 М, техническая характеристика которой соответствует ГОСТ 30755-2001. Машину оборудовали приспособлением для изучения повреждений (увеличение до 50), а также приспособлением для измерения размеров повреждений на дорожке катания. Испытания проводили по схеме, показанной на фигуре. Частота вращения образца - 3000 мин-1. Диапазон изменения контактной нагрузкисоставлял 30-2000 Н, осевой нагрузкисоставлял 30-200 Н. Образец изготавливали из стали М 74, а контробразец - из стали 25 ХГТ. Образец имел радиусы 1116 мм и 1250 мм, а контробразец имел диаметр 250 мм и угол 10. В ходе испытаний измеряли сближение осей образца и контробразца (суммарный износ) и крутящий момент. Испытания вели до наступления предельного состояния, за которое принимали достижение предельной величины износа (сближение осей)100 мкм в зоне контактного взаимодействия. Усталостные характеристики определяли по количеству циклов до достижения предельного состояния. В результате экспериментов установ 3 10326 1 2008.02.28 лено, например, что при 1000 Н и 40 Н предельное состояние достигается за 3,2106 циклов. Предлагаемое изобретение дает возможность проведения испытаний, приближенных к условиям эксплуатации силовой системы колесо-рельс за счет более полного воспроизводства реального напряженного состояния, при минимальных затратах на их проведение. Источники информации 1. А.с. СССР 1656400, МПК 01 3/56, 1991. 2. А.с. СССР 1341538, МПК 01 3/56, 1987. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4