Оценка устойчивости и траектории развития трещин в рельсах под действием циклических нагрузок
Authors: Майер Сергей Сергеевич 
Published: December 2024

В данной работе рассматриваются методы анализа и прогнозирования развития подповерхностных трещин в головке рельса. Особое внимание уделено продольно-поперечным и поперечным трещинам, а также факторам, влияющим на их рост и изменение траектории. Цель исследования: разработка и уточнение аналитических и численных методов для прогнозирования траектории развития подповерхностных трещин в рельсах под воздействием циклических нагрузок. Основное внимание уделяется оценке возможности перерастания продольных трещин в поперечные и определению условий, при которых происходит это явление. Методы исследования: применение методов механики разрушения, аналитических расчетных схем и численного моделирования методом конечных элементов. Используются уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние рельса, и критерии устойчивости развития трещин. В расчетах учитываются параметры контактной нагрузки, влияющие на рост и изменение траектории трещины, такие как сила трения, величина контактного пятна и относительное положение трещины. Результаты: продольно-поперечные трещины в рельсах развиваются значительно быстрее, чем поперечные, что существенно увеличивает риск разрушения рельса. Установлено, что при определенных условиях возможно отклонение траектории развития трещины, приводящее к ее перерастанию в трещину нормального отрыва. В численных экспериментах выявлены критические параметры нагрузки и геометрии трещины, влияющие на вероятность ее нестабильного развития. Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы для улучшения прогнозирования и предупреждения разрушений рельсов в условиях эксплуатации, что способствует повышению безопасности железнодорожного транспорта. Модели и методики оценки могут быть интегрированы в системы диагностики и мониторинга состояния рельсовых путей, что позволит своевременно выявлять и устранять опасные дефекты.
This article examines methods for analyzing and predicting the development of subsurface cracks in the railhead. Particular attention is given to longitudinal-transverse and transverse cracks, as well as the factors influencing their growth and trajectory changes. The objective of the research is to develop and refine analytical and numerical methods for predicting the growth trajectory of subsurface cracks in rails under cyclic loading. The focus is on assessing the potential for longitudinal cracks to transition into transverse cracks and determining the conditions under which this phenomenon occurs. Research methods include the application of fracture mechanics, analytical calculation models, and numerical simulations using the finite element method. Equations describing the stress-strain state of the rail and crack growth stability criteria are employed. The calculations account for contact load parameters that influence crack growth and trajectory changes, such as friction force, contact patch size, and the relative position of the crack. Results show that longitudinal-transverse cracks in rails develop significantly faster than transverse cracks, substantially increasing the risk of rail failure. It is established that under certain conditions, the crack growth trajectory may deviate, leading to its transition into a normal separation crack. Numerical experiments identified critical load parameters and crack geometry affecting the likelihood of unstable crack growth. Practical significance: The study's findings can be used to improve the prediction and prevention of rail failures under operational conditions, thereby enhancing railway transport safety. The assessment models and methods can be integrated into rail track diagnostics and monitoring systems, enabling timely detection and elimination of hazardous defects.