РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В АЛЮМИНОТЕРМИТНЫХ СТЫКАХ РЕЛЬСОВ
Путь и путевое хозяйство. 2022, № 9. С. 23—28.
Railway Track and Facilities. 2022;(9):23—28.
Конструкции и сооружения
Научная статья
УДК 621.791:625.143(045)
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В АЛЮМИНОТЕРМИТНЫХ СТЫКАХ РЕЛЬСОВ
Коссов Валерий Семенович1, Протопопов Андрей Леонидович2, Волохов Григорий Михайлович3, Краснов Олег Геннадьевич4, Огуенко Василий Николаевич5
1докт. техн. наук, проф., генеральный директор АО «ВНИКТИ». Коломна, Россия. E-mail: info@vnikti.com
2канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник отдела прочности АО «ВНИКТИ». Коломна, Россия. E-mail: protopopov-al@vnikti.com
3докт. техн. наук, заведующий отделением динамики и прочности подвижного состава и инфраструктуры АО «ВНИКТИ». Коломна, Россия, E-mail: volokhov-gm@vnikti.com
4канд. техн. наук, заведующий отделом пути и специального подвижного состава АО «ВНИКТИ». Коломна, Россия. E-mail: krasnov-og@vnikti.com
5канд. техн. наук, главный технолог АО «ВНИКТИ». Коломна, Россия, E-mail: oguenko-vn@vnikti.com
Аннотация. Разработана термомеханическая конечно-элементная модель процесса термитной сварки. В зоне сварки виртуально моделировались выполняемые операции, изменения температурного режима рельсов и сварного шва. Численным методом решены связанная термодинамическая и структурная задачи, позволившие определить остаточные напряжения в зоне влияния сварного шва. Установлено, что в поперечном сечении на поверхности головки и в подошве возникают благоприятные сжимающие напряжения, достигающие 340 и 250 МПа соответственно. Большие растягивающие остаточные напряжения появляются в средней центральной зоне шейки на расстоянии около 50 мм от оси сварного шва: продольные достигают 314 МПа, вертикальные – 325. Они увеличивают восприимчивость этой области к возникновению и распространению трещин под действием напряжений от колесных нагрузок.
Ключевые слова: конечно-элементная модель, алюминотермитный сварной стык, зона термического влияния, остаточные напряжения.
Для цитирования: Коссов В.С. Расчетная оценка остаточных напряжений в алюминотермитных стыках рельсов / В.С. Коссов, А.Л. Протопопов, Г.М. Волохов, О.Г. Краснов, В.Н. Огуенко // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 9. С. 23—28.
DESIGN AND CONSTRUCTION
Original article
CALCULATED ASSESSMENT OF RESIDUAL STRESSES IN ALUMINOTHERMIC WELDED JOINTS OF RAILS
Kossov Valery1, Protopopov Andrey2, Volokhov Grigory3, Krasnov Oleg4, Oguenko Vasily5
1D.Sci., Professor, General Director of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, info@vnikti.com
2Ph.D., Leading Researcher of Strength Department of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, protopopov-al@vnikti.com
3D.Sci., Head of Department of Dynamics and Strength of Rolling Stock and Infrastructure of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, volokhov-gm@vnikti.com
4Ph.D., Head of Department of Track and Special Rolling Stock of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, krasnov-og@vnikti.com
5Ph.D., Chief Manufacturing Engineer of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, oguenko-vn@vnikti.com
Abstract. A thermomechanical finite element model of the thermite welding process has been developed. In the welding zone, the operations performed, changes in the temperature regime of the rails and the weld were virtually simulated. The related thermodynamic and structural problems were solved numerically, which made it possible to determine the residual stresses in the zone of influence of the weld. It is established that favorable compressive stresses, reaching 340 and 250 MPa, respectively, occur in the cross section on the surface of the head and in the sole. Large tensile residual stresses appear in the middle central zone of the neck at a distance of about 50 mm from the axis of the weld: longitudinal reach 314 MPa, vertical — 325. They increase the susceptibility of this area to the occurrence and propagation of cracks under the influence of stresses from wheel loads.
Keywords: finite element model, aluminothermic welded joint, heat affected zone, residual stresses.
Citation: Kossov V.S. Calculated assessment of residual stresses in aluminothermic welded joints of rails / V.S. Kossov, A.L. Protopopov, G.M. Volokhov, O.G. Krasnov, V.N. Oguenko // Track and track facilities. 2022. № 9. Р. 23—28.
Список источников
1. Воронин Н.Н., Трынкова О.Н., Фомичева О.В. Алюмотермитная сварка рельсов зимой // Мир транспорта. 2012. № 4. С. 56—59.
2. Технология алюмотермитной сварки рельсов / H.H. Воронин, В.В. Засыпкин, В.И. Коненков, Э.В. Воробьев, О.Н. Трынкова. М.: МИИТ, 2008. 116 с.
3. Mutton P.J., Alvarez E.F. Failure modes in aluminothermic rail welds under high axle load conditions // Engineering Failure Analysis. 2004. Vol. 11, Iss. 2. Р. 151—166.
4. Weld defect formation in rail thermite welds / Y. Chen, F.V. Lawrence, C.P.L. Barkan, J.A. Dantzig // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F. Journal of Rail and Rapid Transit. 2006. Vol. 220, Iss. 3. Р. 373—384. DOI: 10.1243/0954409JRRT44.
5. Чечельницкий А.И., Ваганова О.Н. Анализ дефектности и изломов рельсов // Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия» (Новокузнецк, 26—27 сентября 2019 г.). Екатеринбург: УИМ, 2020. C. 94—114.
6. Причины изломов рельсов / Е.А. Шур, А.И. Борц, К.Л. Заграничек, С.А. Васильева // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 5. С. 9—14.
7. Причины образования дефектов типа «горячая трещина» в сварных термитных стыках и методы их обнаружения / В.Г. Климов, В.В. Ленкин, Д.В. Мищенко // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 10. С. 28—32.
8. A comparative study between FEA, trepanning and neutron strain difraction on residual stresses in flash-butt welded rails / D. Tawfik, P. Mutton, O. Kirstein, W.K. Chiu // Journal of Neutron Research. 2007. Vol. 15, Iss. 3, 4. P. 199—205. DOI: 10.1080/10238160802399670.
9. Tuchkova N. Prozessanalyse und simulationstechnische Optimierung des aluminothermischen Schweissens von Schienen: Doktoral thesis / Otto-von-Guericke-Universität. Magdeburg, 2011. 114 p. DOI: http: //dx.doi.org/10.25673/5377
10. Гудков А.В., Лыков А.М., Карамян К.А. Расчет процесса алюминотермитной сварки рельсов // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 2. С. 50—54.
11. Королев Р.А. Обоснование технологических параметров и обеспечение их контроля при алюмотермитной сварке: дис. канд. техн. наук: 05.03.06 / МГИУ. М., 2006. 201 с.
12. ГОСТ Р 57181—2016. Сварка рельсов термитная. Технологический процесс. Введ. 01.06.2017. Изм. 01.02.2020. М.: Стандартинформ, 2020. 20 с.
13. Residual stresses in thermite welded rails: significance of additional forging / B. Lennart Josefson, R. Bisschop, M. Messaadi, J. Hantusch // Welding in the World. 2020. Vol. 64, N 7. P. 1195—1212. DOI: http:/dx.doi.org/ 10.1007/s40194-020-00912-4
14. ГОСТ Р 51685—2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия (с изм. № 1). Введ.01.07.2014. Изм. 24.02.2016. М.: Стандартинформ, 2016. V. 19 с.