Оцінювання довговічності тіл кочення за утворенням типових контактно-втомних пошкоджень – пітингу і відшарування

Abstract

Розроблено комплексну методологію дослідження процесів руйнування в зоні контакту тіл кочення та оцінювання їх довговічності за критеріями формування типових контактно-втомних пошкоджень – пітингу та відшарування – з урахуванням експлуатаційних умов пари кочення та характеристик циклічної тріщиностійкості матеріалів на розрив та поперечний зсув. Запропоновано розрахункові алгоритми, на основі яких обчислено коефіцієнти інтенсивності напружень (КІН) для крайових та поверхневих тріщин, побудовано карти контактування їх берегів і траєкторії поширення тріщин, які формують втомні поверхневі пошкодження. Оцінено залишкову контактну довговічність приповерхневої зони залізничних рейок і коліс та опорних валків вальцювальних станів за утворенням пітингу і відшарування. Показано ступінь її залежності від таких експлуатаційних параметрів, як тертя – змащування в контакті кочення, тертя між берегами тріщини, інтенсивність навантаження пари кочення та характеристики тріщиностійкості матеріалів. Також прогнозовано форми і розміри частинок викришування та відшарувань. Роботу виконано в рамках лінійної механіки руйнування.

The methodology for a computer investigation of fracture processes in the contact zone of rolling bodies and evaluating their residual durability according to criteria of formation of the typical contact fatigue damages – pitting and spalling, has been developed, taking into account a operating conditions of rolling pair and characteristics of cyclic crack growth resistance of material by transversal shear and normal opening. This methodology is based on the concepts of two-stage assessment model of solids durability by the cracks development under their cyclic contacting. It is assumed, that in a contact zone the nearsurface macrocracks, that form damages, are propagated by transverse shear mechanism during the initial (first) stage, and during the second stage – by the normal opening mechanism. The resource of model is expanded for the first stage due to a solutions of new contact problems for bodies with cracks, whose faces are contacting in a compression area (smooth contact, shear with friction, stick) under a moving load on the rolling surface, and for the second stage – due to modeling of a fluid wedging action, that enters into a crack. A computational algorithms have been developed and the propagation paths of cracks, that form surface fatigue damages, have been constructed on their bases. The residual contact durability has been estimated by formation of pitting and spalling damages in the nearsurface area of railway rails and wheels and support rollers of rolling mills. The degree of their contact durability dependence on operational parameters such, as friction-lubrication in contact, friction between a crack faces, load intensity of a rolling pair and the characteristics of cyclic crack growth resistance of materials by shear and opening, has been shown. The curves for the contact fatigue of a wheel-rail pair elements by a pitting development, have been constructed. The growth (length) of horizontal subsurface cracks in nearsurface area of a rail and roller steels depending on the rolling cycles number, has been predicted. Based on the received results, a shape and a size of pitting and spalling particles, depending on operational conditions and characteristics of a rolling bodies cyclic crack growth resistance, have been predicted also. The investigation has been made in the framework of linear fracture mechanics.