name: Научное обоснование методики оценки остаточных напряжений в дифференцированно-упрочненных рельсах на основе явления акустоупругости и математического моделирования
keyword_list: моделирование наработка рельса трещина рельс напряжённо-деформированное состояние
abstract: Объект исследования: методика неразрушающего контроля напряжённо-деформированного состояния рельса методом акустоупругости.
  Предмет исследования: оценка развития дефекта на основе данных математического моделирования по критерию остаточных напряжений, измеренных средствами неразрушающего контроля на основе явления акустоупругости при расположении преобразователя со стороны поверхности катания.
  Цель работы: научное обоснование оценки напряжённого состояния и разработка методики оценки развития дефекта в виде трещины в головке рельсов по критерию остаточных напряжений на основе эффекта акустоупругости с использованием электромагнитно-акустического способа ввода-приема объемных волн.
  Методы исследования
  В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические и экспериментальные исследования. Работа выполнялась с применением математического моделирования методом конечных элементов в программной среде Comsol Multiphysics, также в теоретических исследованиях был использован аналитический метод. В основе экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния использован эффект акустоупругости с применением методов статистической обработки результатов исследований.
  Основные результаты:
  1. Получена зависимость, описывающая связь остаточных технологических напряжений по элементам рельса (головка, шейка, подошва), и напряжения, полученные с использованием структуроскопа СЭМА при вводе волн со стороны поверхности катания. Согласно полученной модели проведено сопоставление уровня напряжений, полученные с использованием структуроскопа СЭМА методом акустической тензометрии, применяемой методикой контроля остаточных напряжений в шейке рельса, где напряжения оцениваются по косвенному параметру – расхождению паза, сопоставление с применяемой методикой контроля остаточных напряжений в средней части подошвы, где напряжения оцениваются тензорезистивным методом. Недопустимое расхождение паза в 2 мм и более соответствует σ>-80 МПа при установке датчика со стороны поверхности катания. Недопустимое значение остаточных напряжений в подошве в 250 и более МПа соответствует σ<-50 МПа при установке датчика со стороны поверхности катания. 
  2. Проведённое моделирование показало отсутствие влияния трещины длиной 2 мм на НДС рельса при отсутствии нагрузки со стороны подвижного состава. В то же время при наличии нагрузки со стороны подвижного состава в малой области края острой трещины могут появляться напряжения до 4540 МПа, превышающие предел текучести применяемой стали Э76ХФ (не менее 800 МПа), что ведёт к ускоренному развитию существующего дефекта.
  3. Определено, что наличие производственного дефекта в виде поверхностной трещины в головке рельса раскрытием 0,1 мм и глубиной 0,5 мм не оказывает влияние на развитие усталостной трещины в головке рельса, при наличии производственного дефекта в виде трещины раскрытием 0,1 мм и глубиной 1 мм рельс переходит в остродефектное состояние при наработке 1511 млн. тонн брутто взамен 1883 млн. тонн брутто при отсутствии трещины, при наличии производственного дефекта в виде трещины раскрытием 0,1 мм и глубиной 2 мм и 3 мм на поверхности катания рельс переходит в дефектную категорию по критерию выкрашивания при наработке 186 млн. тонн брутто. При этом трещина глубиной 3 мм и раскрытием 0,1 мм, находящаяся вне поверхности катания, не оказывает влияния на развитие усталостной трещины и выкрашивание поверхности головки. 
  4. Предложена методика неразрушающего контроля остаточных напряжений в рельсе, основанная на эффекте акустоупругости, позволяющая соотнести разрушающие и неразрушающие методы контроля опасного напряжённого состояния рельса по критерию остаточных напряжений в шейке рельса (при измерении со стороны поверхности катания σ<-80 МПа), и по критерию остаточных напряжений в подошве рельса (при измерении со стороны поверхности катания σ>-50 МПа). Отмечается, что в случае соответствия напряжений в рельсе указанным и при отсутствии поверхностных трещин раскрытием не более 0,1 мм и глубиной не более 1 мм наработка рельса в остродефектное состояние составляет не менее 1500 млн. тонн брутто.
  5. Предложена математическая модель, позволяющая оценить остаточную наработку рельса до перехода в остродефектное состояние по критерию развития усталостной трещины в головке рельса в зависимости от остаточных технологических напряжений и наработки рельса при различных значениях ΔT – разницы между фактической температурой и температурой закрепления рельса.
  Научная новизна работы:
  1. Предложена основанная на эффекте акустоупругости неразрушающая методика, согласно которой уровень измеренных остаточных напряжений минус 50 МПа ¬ - минус 80 МПа соответствует критериям расхождения паза в шейке рельса в 2 мм и критерию наличия напряжений в средней части подошвы не более 250 МПа.
  2. Установлено наличие обратной линейной зависимости между значениями напряжений, получаемых методом акустической тензометрии при прозвучивании со стороны поверхности катания, и напряжениями в шейке рельса, оцениваемых по расхождению прорезанного паза в образце рельса. Расхождение паза не более 2 мм соответствует уровню остаточных напряжений по сечению рельса не менее минус 80 МПа.
  3. Установлено наличие прямой линейной зависимости между значениями напряжений, получаемых методом акустической тензометрии при прозвучивании со стороны поверхности катания и напряжениями в поверхностном слое подошвы рельса, оцениваемых тензорезистивным методом после вырезки темплета из образца рельса. Значение напряжений в подошве не более 250 МПа соответствует уровню остаточных напряжений по сечению рельса не более минус 50 МПа. 
  4. Предложена математическая модель оценки остаточной наработки рельса до перехода в остродефектную категорию по критерию роста усталостной трещины в головке рельса в зависимости от уровня остаточных технологических напряжений и наработки рельса при различных значениях разности между фактической температурой и температурой закрепления рельса.
chairman_dissertation_council.name: Вячеслав
chairman_dissertation_council.surname: Дементьев
chairman_dissertation_council.patronymic: Борисович
chairman_dissertation_council.position: Руководитель института механики
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Доцент
chairman_dissertation_council.wos_research_id: -
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 57190964116
chairman_dissertation_council.rinc_id: 9508
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Михаил
organization_supervisor.surname: Альес
organization_supervisor.patronymic: Юрьевич
organization_supervisor.position: Директор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 59.39.33
rubrics.name: Приборы для измерения акустических свойств сред и материалов
rubrics.code: 59.45.29
rubrics.name: Приборы для неразрушающего контроля изделий и материалов акустическим методом
rubrics.code: 81.09.81
rubrics.name: Испытание материалов. Дефектоскопия
oecds.code: 02.05.QF
oecds.name: MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING
speciality_codes.name: Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
speciality_codes.code: 05.11.13
supervisors.fio: Муравьев В.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Бехер С.А.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Мосягин В.В.
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: УДМФИЦ УРО РАН
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ "УДМУРТСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК"
protection_organization.ogrn: 1021801151481
protection_organization.supervisor_name: МИХАИЛ
protection_organization.supervisor_surname: АЛЬЕС
protection_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГБОУ ВО "ИжГТУ имени М.Т. Калашникова", ИжГТУ имени М.Т. Калашникова
author_organization.name: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова"
author_organization.ogrn: 1021801145794
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения