Способ испытания на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА КОНТАКТНО-МЕХАНИЧЕСКУЮ УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛА РЕЛЬСА СИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС-ОСНОВАНИЕ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(72) Авторы Ожигар Геннадий Петрович Сосновский Леонид Адамович Замятнин Владимир Олегович Матвецов Виктор Иванович Сырокваш Анатолий Александрович Щербаков Сергей Сергеевич Кебиков Александр Анатольевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет транспорта(57) 1. Способ испытания на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание, заключающийся в том, что выполняют цилиндрический образец из головки рельса в виде кольца с дискретно расположенными на его внутренней 10327 1 2008.02.28 поверхности, консольно закрепленными в основании и имитирующими шпалы выступающими элементами прямоугольного сечения, позволяющими имитировать упругость полотна, приводят образец во вращение и одновременно воздействуют на его рабочую поверхность вращающимся контробразцом в виде ролика, ось вращения которого параллельна оси вращения образца, осуществляют одновременно возбуждение контактных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия образца с контробразцом контактной нагрузкой, прижимающей контробразец к образцу, до достижения предельной величины износа в зоне контактного взаимодействия, по которой определяют усталостные характеристики испытуемого материала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно четырем. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно трем. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно двум. Изобретение относится к области определения механических свойств материалов, а именно к испытаниям на контактно-механическую усталость материалов и силовых систем, и может найти широкое применение при проведении испытаний, приближенных к условиям эксплуатации силовых систем колесо-рельс-основание. Известен способ испытания материалов на контактно-механическую усталость, который состоит в том, что цилиндрический образец, одним концом закрепленный в шпинделе, на другом конце которого приложена изгибающая нагрузка, приводят во вращение и одновременно к зоне наибольшего напряжения прижимают вращающийся контробразец в виде ролика. Наступление предельного состояния характеризуется либо появлением усталостных макротрещин заданного размера и разрушением образца, либо возникновением критической плотности ямок выкрашивания (питтингов), предельного износа образца и контробразца, образованием волнообразных повреждений, либо теми и другими критериями одновременно 1. Недостаток такого способа испытаний состоит в том, что контактные и изгибные напряжения возбуждаются при воздействии различных нагрузок, тогда как в процессе эксплуатации, например, системы колесо-рельс - при действии единой нагрузки. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ износоусталостных испытаний материалов, 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 2. Но применительно к силовым системам, для которых требуется исследовать остаточный ресурс (например ресурс рельсов после пропуска некоторого тоннажа), указанное изобретение имеет тот важный недостаток, что при вырезке образца из натурного изделия неизбежно снимается его рабочий поверхностный слой, так что изменение свойств материала в зоне дорожки катания не может быть оценено, а также данный способ позволяет проводить испытания лишь при определенной жесткости испытуемого объекта, тогда как в натурной системе рельс-основание она меняется при переходе от надшпальной области к междушпальному пролету. 2 10327 1 2008.02.28 Задача изобретения заключается в обеспечении возможности проведения испытаний,приближенных к условиям эксплуатации силовой системы колесо-рельс-основание за счет более полного воспроизводства реального напряженного состояния в образце, изготовление которого возможно непосредственно из рельса, имеющего любую наработку. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе испытаний на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание выполняют цилиндрический образец из головки рельса в виде кольца с дискретно расположенными на его внутренней поверхности, консольно закрепленными в основании и имитирующими шпалы выступающими элементами прямоугольного сечения, позволяющими имитировать упругость полотна, приводят образец во вращение и одновременно воздействуют на его рабочую поверхность вращающимся контробразцом в виде ролика,ось вращения которого параллельна оси вращения образца, осуществляют одновременно возбуждение контактных и изгибных напряжений в зоне взаимодействия образца с контробразцом контактной нагрузкой, прижимающей контробразец к образцу, до достижения предельной величины износа в зоне контактного взаимодействия, по которой определяют усталостные характеристики испытуемого материала. Задача решается также тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно четырем. А также тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно трем. В третьем варианте задача решается тем, что используют образец, в котором количество дискретно расположенных на внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно двум. Новыми признаками заявляемого способа испытания на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание являются осуществление одновременного возбуждения контактных и изгибных напряжений, с возможностью их изменения при переходе от надшпальной области к междушпальному пролету, в зоне взаимодействия образца с контробразцом контактной нагрузкой, что приближает условия испытаний к условиям эксплуатации силовых систем выполнение образца из головки рельса в виде кольца с дискретно расположенными на его внутренней поверхности, консольно закрепленными в основании и имитирующими шпалы выступающими элементами прямоугольного сечения, позволяющими имитировать упругость полотна, при этом количество дискретно расположенных на внутренней поверхности образца выступающих элементов прямоугольного сечения равно четырем, трем и двум. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 иллюстрируется схема испытаний на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание на фиг. 2 изображена испытательная схема ролик-образец в разрезе А-А на фиг. 1 на фиг. 3 показан вариант исполнения образца, в котором количество дискретно расположенных на его внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно четырем на фиг. 4 показан вариант исполнения образца, в котором количество дискретно расположенных на его внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно трем на фиг. 5 показан вариант исполнения образца, в котором количество дискретно расположенных на его внутренней поверхности выступающих элементов прямоугольного сечения равно двум. Способ испытаний на контактно-механическую усталость материала рельса системы колесо-рельс-основание заключается в следующем. 10327 1 2008.02.28 Испытуемый образец 1 приводят во вращение с угловой скоростью 1, затем вращающийся с угловой скоростью 2 контробразец 2, ось вращения которого параллельна оси вращения образца, прижимают к рабочей поверхности контактной нагрузкой . Контактная нагрузкаодновременно возбуждает в зоне взаимодействия образца и контробразца изгибающие и контактные напряжения. При вращении образца происходит поочередный переход от надшпальной области (максимальная жесткость) к середине пролета (минимальная жесткость), тем самым имитируя изменение жесткости в системе рельс-основание. Изменение количества дискретно расположенных на внутренней поверхности образца выступающих элементов приводит к возможности изменения величины изгибных и контактных напряжений в соответствии с требованиями к различным условиям испытаний. Пример конкретного выполнения образца Образец 1 представляет собой кольцо, имитирующее рельс, с дискретно расположенными на его внутренней поверхности выступающими элементами 3, имитирующими шпалы, которые через консоли 4 переходят в основание 5. Образец вырезается из головки рельса типа Р 50 так, что рабочие зоны кольца оказываются расположенными на дорожке катания, в подповерхностном слое рельса и в практически неповрежденном, исходном рельсе. Таким образом, обеспечивается возможность при испытании одного-единственного образца сравнить свойства материала до и после эксплуатации. При проведении испытаний основание образца устанавливают в специальном приспособлении и затем закрепляют в шпинделе испытательной машины. Диаметр образца составляет 30 мм. Размеры выступающих элементов на внутренней поверхности образца определяются исходя из геометрического подобия с натурным расположением в системе рельс-основание. Момент сопротивления кольца при этом определенным образом соотносится с моментом сопротивления рельса. 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 фиг. 1. Частота вращения образца - 3000 мин-1. Частота вращения контробразца (колеса) 900 мин-1. Диапазон изменения контактной нагрузкисоставлял 30-2000 Н. Контробразец изготавливали из стали 25 ХГТ диаметром 100 мм. 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. Испытанию были подвергнуты 2 образца с четырьмя выступающими элементами на его внутренней поверхности. Образец 1 испытывали в заведомо тяжелых условиях при нагрузках порядка 130 Н и степени проскальзывания 50 . Такие условия предварительно были выбраны исходя из того, что опыт проведения подобного рода испытаний отсутствовал вовсе. Программа нагружения приведена в табл. 1. Таблица 1 ступени Контактная нагрузка Контактные напряжения Длительность ступени нагружения,р 0, МПа нагружения, цикл 1 40 1200 1 000 000 2 133 1800 394 903 Испытания образца 2 планировались как длительные, т.е. требовалось получить долговечность порядка 10 млн. циклов. Программа нагружения приведена в табл. 2. 4 Таблица 2 Контактные напряжения Длительность ступени р 0, МПа нагружения, цикл 1200 1 000 000 1524 1 000 000 1630 1 000 000 1723 1 000 000 1807 1 000 000 1884 1 000 000 1955 1 000 000 2022 1 000 000 2171 1 000 000 2302 459 485 В результате возникло характерное повреждение - остаточная деформация и износ на дорожке катания, а также образовались ямки выкрашивания, подобно тому как это бывает при эксплуатации рельсов. Таким образом, предложенный способ обеспечивает возможность проведения испытаний с широким спектром нагрузок, с моделированием всех основных силовых факторов натурной силовой системы, позволяет уменьшить затраты на проведение испытаний и отработку натурных изделий. Источники информации 1. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 30754-2001. Трибофатика. Методы износоусталостных испытаний. Испытания на контактно-механическую усталость. - Мн. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002. - С. 32. 2. А.с. СССР 1656400, МПК 01 3/56, 1991 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5