Науковий вісник НГУ

Визначення причин ушкодження поверхні кочення при експлуатації залізничних коліс

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №2 2025

Останнє оновлення: 28 квітня 2025

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1472

Authors:

І. О. Вакуленко, orcid.org/0000-0002-7353-1916, Дніпровський державний технічний університет, м. Кам’янське, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

С. О. Плітченко*, orcid.org/0000-0002-0613-2544, Український державний університет науки і технологій, м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

A. Ф. Йилмаз, orcid.org/0000-0001-5784-0121, Карабюцький університет, м. Карабюк, Туреччина, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025, (2): 106 - 112

https://doi.org/10.33271/nvngu/2025-2/106

Abstract:

Мета. Обґрунтування механізму утворення ушкоджень поверхні кочення залізничних коліс різного рівня міцності для визначення оптимального структурного стану вуглецевої сталі.

Методика. Матеріалом для дослідження були сталі фрагментів ободу залізничних коліс із концентрацією вуглецю 0,61 і 0,69 % та інших хімічних елементів у межах марочного складу. Зразки для механічних випробувань піддавали термічному зміцненню для отримання різного структурного стану. Мікроструктуру досліджували під світловим і електронним мікроскопами, з використанням методик кількісної металографії. Знос металу визначали за умов сухого тертя, з різним ступенем проковзування, на машині типу СМЦ-2. Твердість оцінювали за методикою Роквелла, а мікротвердість структурних складових на мікротвердомірі типу ПМТ-3.

Результати. На основі аналізу взаємодії колеса з рейкою визначено, що виникаюча неоднорідність розподілу пластичної деформації й температури розігріву у площині контактної поверхні обумовлені розвитком процесів проковзування. Розігрів металу до температур, вищих початку фазових перетворень, і наступне прискорене охолодження визначають механізм структурних перетворень. Різниця між сусідніми ділянками поверхні кочення з різним структурним станом і відповідним рівнем міцності визначає умови формування осередку руйнування залізничного колеса при експлуатації.

Наукова новизна. Розігрів металу до температур, вищих початку фазових перетворень від проковзування колеса по рейці, та наступне примусове охолодження є причиною утворення градієнту структур від перлітних до мартенсито-бейнітних. Циклічний характер зміни структурного стану металу від одночасного впливу підвищених температур, високих пластичних деформацій і фазових перетворень відповідає розвитку процесів малоциклової втоми. Пластична деформація ділянки поверхні кочення з мартенситною або бейнітною структурою супроводжується пом’якшенням, а з перлітною – процесом зміцнення.

Практична значимість. Отримані результати розвитку фазових перетворень у вуглецевій сталі при навантаженні коченням стануть у нагоді при визначенні оптимального структурного стану залізничних коліс різного рівня міцності.

Ключові слова: залізничне колесо, поверхня кочення, температура, деформація зсуву, твердість

References.

1. Bondarenko, I., Lukoševičius, V., Keršys, R., & Neduzha, L. (2024). Investigation of dynamic processes of rolling stock–track interaction: experimental realization. Sustainability, 15, 5356. https://doi.org/10.3390/su15065356

2. Zirek, A., & Onat, A. (2020). A novel anti-slip control approach for railway vehicles with traction based on adhesion estimation with swarm intelligence. Railway Engineering Science, 28, 346-364. https://doi.org/10.1007/s40534-020-00223-w

3. Shretha, S., Spiryagin, M., & Wu, Q. (2019). Friction condition characterization for rail vehicle advanced breaking system. Mechanical systems and signal processing, 134, 106324. https://doi.org/10.1016/J.ymssp.2019.106324

4. Hu, Y., Zhou, L., Ding, H. H., Tan, G. X., Lewis, R., Liu, Q. Y., Guo, J., & Wang, W. J. (2020). Investigation on wear and rolling contact fatigue of wheel-rail materials under various wheel/rail hardness ratio and creepage conditions. Tribology International, 143, 106091. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.106091

5. Liu, P., Quan, Y., Wan, J., & Yu, L. (2021). Experimental investigation on the wear and damage behaviors of machined wheel-rail materials under dry sliding conditions. Materials (Basel), 14(3), 540. https://doi.org/10.3390/ma14030540

6. Vakulenko, I., Plitchenko, S., Bolotova, D., & Asgarov, Kh. (2023). Influence hot plastic deformation on the structure and properties of carbon steel of the railway wheel. Scientific Journal of Silesian University of Technology, Series Transport, 121, 257-266. https://doi.org/10.20858/sjsutst.2023.121.16

7.  Liu, M., Fan, Y., Gui, X., Hu, J., Wang, X., & Gao, G. (2022). Relationship between microstructure and properties of 1,380 MPa grade bainitic rail steel treated by online bainite-based quenching and partitioning concept. Metals, 12, 330. https://doi.org/10.3390/met12020330

8. Malvezzi, M., Pugi, L., Papini, S., Rindi, A., & Toni, P. (2013). Identification of a wheel–rail adhesion coefficient from experimental data during braking tests. Proceedings Institution Mechanical Engineers, Part F: Journal Rail Rapid Transit, 227, 128-139. https://doi.org/10.1177/0954409712458490

9. Molyneux-Berry, P., Davis, C., & Bevan, A. (2014). The influence of wheel/rail contact conditions on the microstructure and hardness of railway wheels. The Scientific World Journal, Article ID 209752. https://doi.org/10.1155/2014/209752

10.      Vakulenko, I. O., Vakulenko, L. I., Bolotova, D. M., Kurt, B., Asgarov, H., & Colova, O. (2022). Influence structure on the plasticity of carbon steel of the railway wheel rim in operation. Scientific Journal of Silesian University of Technology, Series Transport, 115, 183-192. https://doi.org/10.20858/sjsutst.2022.115.13

11.      Pereira, H. B., Alves, L. H. D., Rezende, A. B., Mei, P. R., & Goldenstein, H. (2022). Influence of the microstructure on the rolling contact fatigue of rail steel: Spheroidized pearlite and fully pearlitic microstructure analysis. Wear, 498-499. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204299

12.      Seo, J.-W., Hur, H.-M., & Kwon, S.-J. (2022). Effect of mechanical properties of rail and wheel on wear and rolling contact fatigue. Metals, 12, 630. https://doi.org/10.3390/met12040630

13.      Langueh, A., Brunel, J-F., Charkaluk, E., Dufrenoy, P., Tritsch, J-B., & Demilly, F. (2013). Effects of sliding on rolling contact fatigue of railway wheels. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 36, 515-525. https://doi.org/10.1111/ffe.12020

14.      Vakulenko, I., Bolotova, D., Perkov, O., & Lisniak, А. (2016). Influence of hot reduction parameters on the steel austenite structure of a railway wheel. Scientific Journal of Silesian University of Technology, Series Transport, 93, 141-148. https://doi.org/10.20858/sjsutst.2016.93.15

15.      Gao, G., Liu, R., Fan, Y., Qian, G., Gui, X., Misra, R. D. K., & Bai, B. (2022). Mechanism of subsurface microstructural fatigue crack initiation during high and very-high cycle fatigue of advanced bainitic steels. Journal of Materials Science and Technology, 108, 142-157. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.060

16.      Gao, M. X., Song, H., Yang, J., & Fu, L. J. (2019). Study on residual stress and strain during rail rolling contact of straight U75V rail. Metalurgija, 58(3-4), 203-206.

17.      Qiu, J., Zhang, M., Tan, Z., Gao, G., & Bai, B. (2019). Research on the microstructures and mechanical properties of bainite/martensite rail treated by the controlled-cooling process. Materials (Basel), 12(19), 3061. https://doi.org/10.3390/ma12193061

18.      Chepil, R., Vira, V., Kulyk, V., Kharchenko, Y., & Duriagina, Z. (2018). The peculiarities of fatigue process zone formation of structural materials, Diagnostyka, 19(4), 27-32. https://doi.org/10.29354/diag/94754

19.      Liu, M., Wang, J., Zhang, Q., Hu, H., & Xu, G. (2021). Optimized properties of a quenching and partitioning steel by quenching at fine martensite start temperature. Metals and Materials International, 27, 2473-2480. https://doi.org/10.1007/s12540-020-00726-5

20.      Soares, H., Zucarelli, T., Vieira, M., Freitas, M., & Reis, L. (2016). Experimental characterization of the mechanical properties of railway wheels manufactured using class B material. Procedia Structural Integrity, 1, 265-272. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2016.02.036

21.      Voor, G. V. (2015). Introduction to Quantitative Metallography. Solutions for Materials Preparation, Testing and Analysis. Buehler, a division of Illinois Tool Works, 1(5), 1-4.

22.      Makino, T., Kato, T., & Hirakawa, K. (2012). The effect of slip ratio on the rolling contact fatigue property of railway wheel steel. International Journal of Fatigue, 36(1), 68-79. https://doi.org/10.1016/
j.ijfatigue.2011.08.014

23.      Cvetovski, K., Ahlstrom, J., & Persson, C. (2012). Subsurface crack networks and RCF surface cracks in pearlitic railway wheels. 9 ^th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems (CM ′12), (pp. 27-30). August 2012, Chengdu, China. Retrieved from https://research.chalmers.se/en/publication/236496

24.      Sandström, J. (2012). Subsurface rolling contact fatigue damage of railway wheels – a probabilistic analysis. International Journal of Fatigue, 37, 146-152. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.11.002

25.      LUMITOS AG (2020). Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Retrieved from https://www.chemie.de/lexikon/Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.html#Darstellung_der_Phasen_im_Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.

• < Попередня
• Наступна >