Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии

DOI: 10.52150/2522-9117-2024-38-517-541

Бабаченко Олександр Іванович, чл.-кор. НАН України, д.т.н., с.н.с., директор, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-4710-0343. E-mail: office.isi@nas.gov.ua

Кононенко Ганна Андріївна, д.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна.
НТУ «Дніпровська політехніка», пр. Дмитра Яворницького, 19, м. Дніпро, 49005, Україна.
ORCID: 0000-0001-7446-4105. E-mail: perlit@ua.fm

Подольський Ростислав Вячеславович, Ph. D., н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна.
ORCID: 0000-0002-0288-0641. E-mail: rostislavpodolskij@gmail.com

Сафронова Олена Анатоліївна, м.н.с., аспірант, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-4032-4275. E-mail: safronovaaa77@gmail.com

Шпак Олена Адольфівна, мл.н.с.,Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. Email: okc.testcenter@ukr.net

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗВ’ЯЗКУ МІКРОСТРУКТУРИ ТА EКСПЛУАТАЦІЙНИХ ДЕФЕКТІВ КОЛЕСА І РЕЙКИ

Анотація. Безпека та економічна доцільність залізничного транспорту значною мірою визначаються надійністю та ефективністю роботи пари колесо-рейка. При цьому інтенсивність зношування елементів і швидкість розвитку втомних дефектів повинні бути такими, щоб забезпечувалася економічно доцільна експлуатація рухомого складу та шляхів. Експлуатаційна надійність та довговічність пари колесо-рейка забезпечується за раціонального балансу зношування та зносостійкості. Мета: виконати аналіз різних видів експлуатаційних дефектів, які виникають на поверхні кочення колеса та головки рейки та дослідити структурні зміни в області виникнення цих дефектів. Матеріал та методика досліджень. В роботі проводили аналіз мікроструктури в області робочої поверхні залізничних коліс та рейок, на яких утворились дефекти під час експлуатації. Досліджувані колеса марок 2, Т були виготовлені за ДСТУ ГОСТ 10791:2016; ER7, ER8 R8 – за EN 13262:2020. Залізничні рейки категорій R260Mn, R370Cr та U75 за EN13674-1:2016. Результати досліджень. Виконаний аналіз видів експлуатаційних дефектів, які виникають на робочій поверхні ободу колеса та головки рейки. Встановлено, що в основному дефекти, які утворюються під час експлуатації, пов’язані з накопиченням теплової та механічної втоми, зносом поверхні контакту колесо-рейка, пластичною деформацією, виникненням повзунів з утворенням мартенситу в зонах, які підлягають інтенсивній дії тепла під час гальмування. Показано, що контактна втома при коченні через різний розподіл результуючої сили для рейок, які підлягають в основному силам тяги, та для коліс, які більше підлягають дії сил гальмування, дефекти можуть виявлятися різною мірою. Щодо дефектів термічного походження, незважаючи на виявлені деякі відмінності (різний за зовнішнім виглядом характер вищербин і структурні відмінності металу в зоні, прилеглій до областей, що містять зазначений дефект), для коліс різних типів та рейок, природа утворення зазначеного дефекту однакова. Зносостійкість в першу чергу визначається рівнем міцності та твердості в парі колесо-рейка, при цьому колесо має бути менш зносостійким. Висновок. Вихідний структурний стан, хімічний склад, рівень механічних властивостей та їх рівномірність, залежать від способу виробництва та можуть впливати на опір утворенню експлуатаційних дефектів на робочій поверхні коліс та рейок. Для забезпечення раціональної ефективної експлуатації залізничного транспорту необхідно обґрунтовано обирати пару колесо-рейка, враховуючи призначення перевезень, рівень твердості, величину навантаження, швидкість руху, хімічний склад та твердість металу колеса та рейки.

Ключові слова: зношування, контактна втома кочення, твердість, залізничне колесо, залізнична рейка, тріщина, мікроструктура.

DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-517-541

Посилання для цитування: Дослідження зв’язку мікроструктури та експлуатаційних дефектів колеса і рейки / О. І. Бабаченко, Г. А. Кононенко, Р. В. Подольський, О. А. Сафронова, О. А. Шпак // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2024. Вип. 38. С. 517-541. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-517-541.

Перелік посилань

  1. Bhushan B. Modern Tribology Handbook, CRC Press. Boca Raton. 2001. Vol II. Р. 1271–1326.
  2. Deuce R. Wheel tread damage — An elementary guide. Technical report 100115000. Bombardier Transportation GmbH. 2007. 38 р.
  3. He C., Zhang P., Zhu R., Ye R., Li P., Liu J. Experimental study of the effects of temperature and humidity on the wear and damage behavior of U71Mn rail steel. Wear. 2003. Р. 524–525. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204827
  4. Узлов И. Г., Бабаченко А. И., Кононенко А. А., Сафронов А. Л. Эффективность различных показателей оценки надежности железнодорожных колес. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. № 1. С. 70-74.
  5. Державна Інструкція з огляду, обстеження та формування вагонних колісних пар. а адміністрація залізничного транспорту України «Укрзалізниця» Київ. 2006 р. 40 с.
  6. Wang X., Lei L., Yu H.A. Review on Microstructural Features and Mechanical Properties of Wheels/Rails Cladded by Laser Cladding. Micromachines. 2021. Vol. 12. Р. 152. https://doi.org/10.3390/mi12020152
  7. Lu P., Lewis S. R., Fretwell-Smith S., Engelberg D. L., Fletcher D. I., Lewis R. Laser Cladding of Rail; the Effects of Depositing Material on Lower Rail Grades. Wear. 2019. Р. 438–439. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203045
  8. Roy T., Lai Q., Abrahams R., Mutton P., Paradowska A., Soodi M., Yan W. Effect of Deposition Material and Heat Treatment on Wear and Rolling Contact Fatigue of Laser Cladded Rails. Wear. 2018. Р. 412–413. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.07.001
  9. Krishna V., Hossein-Nia S., Casanueva C., Stichel, S. Long term rail surface damage considering maintenance interventions. Wear. 2020. Vol. 460–461. Р. 203462. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203462
  10. Borja R., Albi S. E., Unai A., Jose M. M., Javier N. Prediction of Rolling Contact Fatigue Behavior in Rails Using Crack Initiation and Growth Models along with Multibody Simulations. Appl. Sci. 2021. Vol. 11. Р. 1026. https://doi.org/10.3390/app11031026
  11. Ekberg A., Åkesson B., Kabo E. Wheel/rail rolling contact fatigue—Probe, predict, prevent. Wear. 2014. Vol. 314. P. 2–12. https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.12.004
  12. Faccoli M., Zani N., Ghidini A., Petrogalli C. Tribological Behavior of Two High Performance Railway Wheel Steels Paired with a Brake Block Cast Iron. Tribol. Trans. 2021. No. 65. P. 296–307. https://doi.org/10.1080/10402004.2021.2011997
  13. Miranda R. S., Rezende A. B., Fonseca S. T., Fernandes F. M., Sinatora A., Mei P. R. Fatigue and Wear Behavior of Pearlitic and Bainitic Microstructures with the Same Chemical Composition and Hardness Using Twin-Disc Tests. Wear. 2022. Vol. 494-495. Р. 204253. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204253
  14. Zeng D., Qiao S., Chen X., Gong Y., Jiang B., Zhao H., Zhang J., Lu L. Rolling Contact Fatigue and Wear Behavior of a Vanadium Microalloyed Railway Wheel Steel under Dry Rolling / Sliding Condition. International Journal of Fatigue. 2024. Vol. 182. Р. 108207. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2024.108207
  15. Hu Y., Watson M., Maiorino M., Zhou L., Wang W. J., Ding H. H., Lewis R., Meli E., Rindi A., Liu Q. Y., Guo J. Experimental study on wear properties of wheel and rail materials with different hardness values. Wear. 2021. Vol. 182, Р. 203831. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203831
  16. Girsch G., Heyder R. Advanced pearlitic and bainitic high strength rails promise to improve rolling contact fatigue resistance. Proc. 7th World Cong. on ‘Railway Research. 2006. Р.1-9.
  17. Mazzu ` A., Petrogalli C., Lancini M., Ghidini A., Faccoli M. Effect of Wear on Surface Crack Propagation in Rail–Wheel Wet Contact. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018. No. 27. Р. 630–639. https://doi.org/10.1007/s11665-018-3185-1
  18. Farhangdoost K., Kavoosi M. Effect of Lubricant on Surface Rolling Contact Fatigue Cracks. Adv. Mat. Res. 2010. Vol. 97–101. P. 793–796.
  19. Crawshaw, Ph. The Permanent Way Institution. 1997. No.3. P. 232 – 239.
  20. Faccoli M., Petrogalli C., Ghidini A. SANDLOS® wheels for desert environments. The LRS TECHNO. 2017. No.10. P. 1-10.
  21. Осташ О. П., Анофрієв В. Г., Андрейко І. М., Мурадян Л. А., Кулик В. В. Про концепцію вибору сталей для високоміцних залізничних коліс. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2012. Т. 48, № 6.  С. 7-13.
  22. Andersson R., Ahlstrom J., Kabo E., Larsson F., Ekberg A. Numerical investigation of crack initiation in rails and wheels affected by martensite spots. Int J Fatigue. 2018. Vol. 114. Р. 238–51. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.05.023
  23. Zhang S. Y. Rail rolling contact fatigue formation and evolution with surface defects. Int J Fatigue. 2022. Vol. 158. P. 106762. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.106762
  24. Дацишин О., Глазов А. Оцінювання довговічності тіл кочення за утворенням типових контактно-втомних пошкоджень – пітингу і відшарування. Вісник ТНТУ. 2013. Том 71, №3. С.75-87.
  25. Узлов И. Г., Гасик М. И., Есаулов А. Т. Колесная сталь. К. : Техник. 1985. 168 с.
  26. Козловський А. І., Шрамко О. В., Данченко В. М., Узлов І. Г., Польський Г. М., Горб Є. В., Соловйов С. Е., Чуприна Л. В., Грінкевич В. О., Бабаченко О. І., Голубєва Л. В. Пат. 74116 Україна, МПК С2 В21J5/10, B21K1/28 Спосіб виробництва суцільнокатаних залізничних коліс /; замовник і патентовласник ВАТ «Нижньодніпровський трубопрокатний завод», Бюл. № 10. 4 с.
  27. Узлов И. Г., Узлов К. И., Перков О. Н. Высокопрочные железнодорожные колеса из микролегированной ванадием стали. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. №1. С. 84-88.
  28. Msomi V., Basson C.C. P., Mabuwa S. Microstructural analysis of rail tracks defects: case study. Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 892. P. 012002. https://doi.org/10.1088/1757-899X/892/1/012002
  29. Steenbergen M. Rolling contact fatigue in relation to rail grinding. Wear. 2016. Vol.356-357. P. 110-121. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.015
  30. Fei J., Zhou G., Zhou J., Zhou X., Li Z., Zuo D., Wu R. Research on the Effect of Pearlite Lamellar Spacing on Rolling Contact Wear Behavior of U75V Rail Steel. Metals. 2023. No. 13. P.237. https://doi.org/10.3390/met13020237
  31. Grassie S. L., Fletcher D. I., Gallardo Hernandez E. A., Summers P. Studs: a squat-type defect in rails. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2012. Vol. 226, No. 3. Р. 243–56. https://doi.org/10.1177/0954409711421462
  32. Liu C.-P., Liu P.-T., Pan J.-Z., Chen C.-H., Ren R.-M. Effect of Original Microstructure on Wear Property of ER9 Wheel Steel. Ironmak. Steelmak. 2021. No. 48. P. 133–141. https://doi.org/10.1080/03019233.2020.174128
  33. Hieu Nguyen B., Al-Juboori A., Zhu H., Zhu Q., Li H., Tieu K. Formation Mechanism and Evolution of White Etching Layers on Different Rail Grades. Int J Fatigue. 2022. Р. 107100. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107100
  34. Al-Juboori A. Characterisation of White Etching Layers formed on rails subjected to different traffic conditions. Wear. 2019. Vol.436–437. P.202998. https://doi. org/10.1016/j.wear.2019.202998.
  35. Steenbergen M. Rolling contact fatigue in relation to rail grinding. Wear. 2016. Vol. 356-357. Р.110-121. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.015
  36. Fei J., Zhou G., Zhou J., Zhou X., Li Z., Zuo D., Wu R. Research on the Effect of Pearlite Lamellar Spacing on Rolling Contact Wear Behavior of U75V Rail Steel. Metals. 2023. No.13. Р.237. https://doi.org/10.3390/met13020237
  37. Steenbergen M. Rolling contact fatigue in relation to rail grinding. Wear. 2016. Vol. 356-357. Р.110-121. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.015
  38. Grassie S. L., Fletcher D. I., Gallardo Hernandez E. A., Summers P. Studs: a squat-type defect in rails. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2012. Vol. 226, No. 3. Р. 243–56. https://doi.org/10.1177/0954409711421462
  39. Rocha R. C., Ewald H., Rezende A. B., Fonseca S. T., Mei P. R. Using twin disc for applications in the railway: A systematic review. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2023. No. 45. Р. 191. https://doi.org/10.1007/s40430-023-04104-1
  40. Fei J., Zhou G., Zhou J., Zhou X., Li Z., Zuo D., Wu R. Research on the Effect of Pearlite Lamellar Spacing on Rolling Contact Wear Behavior of U75V Rail Steel. Metals. 2023. No. 13. Р. 237. https://doi.org/10.3390/met13020237
  41. Rahaman M. L., Bernal E., Spiryagin M., Bosomworth C., Sneath B., Wu Q., Cole C., McSweeney T. An Investigation into the Effect of Slip Rate on the Traction Coefficient Behaviour with a Laboratory Replication of a Locomotive Wheel Rolling/Sliding along a Railway Track. Tribol. Int. 2022. Vol. 187. Р. 108773, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108773
  42. Pan R, Ren R, Chen C., Zhao X. The microstructure analysis of white etching layer on treads of rails. Eng Fail Anal. 2017. No. 82. Р. 39–46. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.06.018

No widgets added. You can disable footer widget area in theme options - footer options

Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Logo