Способ испытания образцов рельсов на усталость Советский патент 1992 года по МПК G01N3/34 G01N3/56 

Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для использования в железнодорожном транспорте, а также металлургии.

Известен способ 1 контактно-усталостных испытаний материалов в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации конструкции. При таком способе возникают касательные напряжения, вызывающие поверхностные или подповерхностные трещины.

Существенным недостатком этого аналога/является отсутствие продольных напряжений,возникающих при взаимодействии колеса с рельсом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа способ усталостных испытаний рельсов 2, по которому контактные напряжения вызывают с помощью ролика, посредством которого к образцу прикладывают циклическую изгибающую и продольную нагрузки, обеспечивающие перекатывание ролика по образцу рельса и создание наряду с изгибающей нагрузкой также и истирания,

К недостаткам прототипа можно отнести то, что при таком способе усталостных испытаний не обеспечиваются изменение отношения продольной и изгибающей нагрузок в интервале 0,5-0,052. характерное для эксплуатации рельсов, а также пропорциональное изменение поперечной и продольной нагрузок.

Целью изобретения является приближение условий испытания к эксплуатационным.

. Для достижения указанной цели к образцу прикладывают циклическую изгибающую нагрузку через ролик под углом 60-87°, создавая при этом контактные напряжения, равные контактным напряжениям, возникающим при эксплуатации рельсов.

Приложение нагрузки под углом позволяет создавать в образце продольные напряжения заданной величины и

i

Ј

VJ

XI W ON VI

ON

обеспечивает возможность пропорционального изменения изгибающей и растягивающей циклических нагрузок,

Действие прикладываемых нагрузок к образцу через вращающийся ролик позволяет создавать такие контактные напряжения, которые возникают при эксплуатации рельсов и пропорциональны изменяющимся циклическим приложенным нагрузкам.

По имеющимся у заявителя данным, в известных источниках информации отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые отличают заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию существенные отличия.

Для осуществления предложенного способа испытаний образцов рельсов на усталость с истиранием необходимо на испытательной машине образец расположить таким образом, чтобы он находился под уК- лом к оси приложения циклической нагрузки, в результате чего о образце при каждом цикле возникают продольные напряжения, которые вызывают его растяжение - сжатие. Выбирая условия испытания (диаметр ролика, размер образца), можно создать такие контактные напряжения, которые возникают при эксплуатации.

Выбор граничных параметров обусловлен тем, что при угле приложения нагрузки менее 60° в образце возникнут продольные напряжения, превышающие действительные значения в рельсах. При угле более 87° величина продольных напряжений настолько мала, что ее практически невозможно измерить.

На фиг. 1 показано расположение ролика и образца при минимальной нагрузке; на фиг. 2 - расположение ролика и образца при максимальной нагрузке.

По заявляемому способу в процессе испытания образцов рельсов на усталость с истиранием целесообразно изгибающую нагрузку Р прикладывать к образцу 1, расположенному на опорах 2, через вращающийся ролик 3 под углом а 60-87° к плоскости образца (фиг. 1, 2), создавая при этом заданные продольные усилия и контактные напряжения, равные контактным напряжениям, возникающим при эксплуатации рельсов. При этом продольные и контактные напряжения изменяются пропорционально изменению приложенной изгибающей нагрузке.

Изгибающее усилие прикладывается асимметрично с коэффициентом асимметрии, равным 0-0,1. В .момент минимальной нагрузки ролик 3 соприкасается с образцом 1 в точке А. При максимальной нагрузке

вследствие изгиба образца точка А переместится в точку А , а соприкосновение ролика с образцом будет наблюдаться в точке В. За каждый цикл нагружения ролик переместится на расстояние АВ в прямом и обратном направлении, вызывая износ образца, что еще более приближает испытания к условиям эксплуатации рельсов.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью любой испытательной машины, предназначенной для испытаний на циклический сосредоточенный изгиб, используя дополнительное приспособление 2 для крепления образца 1 под заданным уг5 лом ссоси приложения нагрузки к плоскости образца и ролик 3 для передачи усилия к образцу,

Так, например, при вертикальной нагрузке колеса на рельс 150 кН в нем возни0 кает горизонтальное усилие, равное 52 кН, и контактное напряжение 1370 МПэ. Для осуществления такого соотношения между вертикальной и горизонтальной составляющими нагрузку к образцу необходимо прикла5 дывать под углом « arccos 52/150 70°.

При воздействии ролика диаметром 40 мм и высотой 10 мм с учетом равенства контактных напряжений в рельсе и образце усилие, прилагаемое к образцу, вычисляет0 ся из соотношения

ак 0,418

где о к - контактное напряжение;. 5 Ро - прилагаемое усилие; Е - модуль Юн гаг

h и d - высота и диаметр ролика соответственно.

При о к 1370 МПа величина Р0 10,7 0 кН, а с учетом наклона полное приложенное напряжение равно Р Po/sin 70° 12 кН.

При толщине образца 15 мм и ширине

20 мм, расстояние между опорами 200 мм

стрела прогиба образца (расстояние АА) до5 стигает 2,6 мм, а перемещение ролика по

образцу - 1,35 мм.

Как показали данные опытной гтровер- ки, в результате использования заявляемого способа при данных условиях испытания 0 (приложение нагрузки 12 кН через ролик под разными углами к плоскости образца) число циклов до разрушения снижается на 25-30% (таблица) по сравнению с приложением нагрузки 10,6 кН под прямым углом к 5 плоскости образца.

Согласно данным проведенных испытаний заявляемое изобретение в сравнении с базовым объектом обладает следующими преимуществами;

а)позволяет создавать регулируемые продольные и контактные напряжения пропорционально изменяющимся изгибающим напряжениям:

б)максимально приближает усталостные испытания образцов к условиям эксплуатации рельсов;

в)позволяет определить более достоверную долговечность рельсов и повысить их надежность при эксплуатации;

г)не требует создания сложного и дорогостоящего оборудования.

Заявляемый способ испытания образцов рельсов на усталость с истиранием

0

5

представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволяет повысить надежность железнодорожных рельсов при их эксплуатации.

Формула изобретения Способ испытания образцов рельсов на усталость, заключающийся в том, что циклически прикладывают к образцу через ролик изгибающую и продольную нагрузку, отличающийся тем, что, с целью приближения условий испытания к эксплуатационным, угол между осью образца рельса и направлением изгибающей нагрузки выбирают от 60° до 87°.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в железнодорожном транспорте и металлургической промышленности. Целью изобретения является приближение условий испытания образцов рельсов к эксплуатационным. К образцу рельса прикладывают циклическую изгибающую нагрузку через подвижный ролик под углом 60-87°, создавая при этом контактные напряжения, равные контактным напряжениям, возникающим при эксплуатации рельсов. 2 ил.

Отношение горизонтальной и вертикальной составляющих нагрузок

59

0,515

0,500 0,342 0,052 0.035

90

Количество циклов до образования трещины, млн. циклов

Примечание

Отношение составляющих напряжений более 0.5 в рельсах не наблюдается

Сложно определить горизонтальную составляющую

Ы 2