Введение
Статистические данные, приведенные в работе [1], говорят о том, что более 80% грузоперевозок приходится на железнодорожный транспорт. Учитывая это обстоятельство при разработке основных путей развития в данном направлении [2], необходимо опираться на перспективные методики исследования, позволяющие совершенствовать качество железнодорожных рельсов. Первые научные исследования рассматривали возможность увеличения срока службы износостойкости рельсовой продукции [3] с ростом его погонной массы. Следует отметить, что и в настоящее время ведутся работы по установлению оптимальных размеров рельсового профиля [4]. Другим направлением в этом вопросе является создание сталей с высоким содержанием углерода (в пределах 0,7–1,0%) с последующей термообработкой, позволяющей достигать напряжение сопротивлению разрыва от 1000 до 1400 МПа. Однако такие стали имеют низкую пластичность, поэтому научные исследования, связанные с разработкой и изучением свойств других сталей, позволяющих улучшить качество рельсов, по-прежнему являются актуальной задачей [5].
Очевидно, что проведение экспериментальных испытаний при изучении механических свойств при копровых испытаниях как новых, так и существующих марок сталей с наличием различных дефектов представляет определенные трудности, поэтому применение методов и систем автоматизированных программ проектирования даст возможность решать задачу определения напряженно-деформированного состояния оперативно с большой точностью [6].
Анализ научных публикаций и проведенный патентный поиск позволяют сделать заключение о том, что самой распространенной маркой стали является сталь Р65, а причиной разрушения рельсов служит наличие остаточных напряжений, вызванных присутствием дефектов, которые иногда приближаются к пределу текучести стали, способствуя быстрому развитию такого дефекта, как трещина [7, 8].
Цель исследования – изучение распределений напряжения по подошвенной линии рельса при использовании автоматизированных программ Ansys, Компас, Solidworks в условиях, максимально приближенных к нагрузкам при копровых испытаниях, которым присущи значительные деформации, происходящие при больших скоростях с применением прямого удара. Сравнение результатов, полученных при применении компьютерного проектирования, с результатами, полученными при копровых испытаниях технического отдела Западно-Сибирского металлургического комбината (ЗапСиб).
Материалы и методы исследования
На заводах, выпускающих рельсовую продукцию, остаточные напряжения (и в шейке, и в подошве) определяются в пробах по специальной методике, в которой не только исключаются торцы рельсов, но берутся рельсы разных плавок и ручьев разливок. Испытания проводятся на копровых установках, так как, во-первых, именно такие испытания в полной мере могут оценивать прочность рельсов, разрушающихся по хрупкому варианту, и, во-вторых, отражают реальные условия разрушения рельсов при действии на них усилий от колес подвижного состава. Основой этих испытаний является сбор статистики, которая устанавливает наиболее часто встречаемые дефекты, причины их появления, на базе которых разрабатываются рекомендации по их устранению.
Для изучения напряженно-деформированного состояния (НДС) в работе использовались программы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor Professional 2020 Компас, Ansys и Solidworks, которые дают возможность максимально приблизиться к реальным условиям нагружения рельсов с целью сравнения получаемых результатов. Оценивалось влияние возможного разрушения в зависимости от механических свойств марки стали, высоты подъема ударника и дефектов на поверхности. В создании модели нагружения и дефектов использовались данные, полученные при копровых испытаниях технического производственного отдела ЗапСиба.
Исследования проводились с учетом механических свойств материала рельса Э76ХФ, изготовленного из рельсового проката, который применяется для высокоскоростных и тяжелогруженых поездов, на профиле сечения рельса Р65, соответствующем ГОСТ Р 5185 – 2013. Для изучения изменения напряжения по профилю сечения рельса использовался метод конечных элементов, который, как известно, применяется при решении большого количества общеинженерных задач и является основой используемых программ в данном исследовании. Кроме того, этот метод отлично себя зарекомендовал при решении тех задач, в которых требуется определить напряжения в телах, находящихся под нагрузкой.
Результаты исследования и их обсуждение
При исследовании использовалась симметрия модели относительно плоскости приложения силы F и сечения рельса относительно вертикальной плоскости, т.е. рассматривалась одна четверная часть реального размера рельса. С учетом симметричности модели (рис. 1а), для анализа применялись такие расчетные значения, как: длина