Остаточные напряжения в железнодорожных колесах: EN 13262

Европейский стандарт EN 13262 задает требования к железнодорожным колесам для европейских железнодорожных сетей. Стандарт применяется к цельным железнодорожным колесам, которые изготавливаются ковкой и прокаткой из вакуумированной колесной стали, и имеют термически упрочненный обод.

Европейский стандарт EN 13262

Последняя редакция Европейского стандарта на железнодорожные колеса имеет необычное обозначение EN 13262:2004+А1:2008. Эта редакция заменяет предыдущую редакцию EN 13262:2004. Добавка «+А1:2008» означает, что в 2008 году в стандарт внесены  изменения по сравнению с предыдущей редакцией первоначальной стандарта от 2004 года. Одно из важных изменений – введение испытания на вязкость разрушения образца из обода колеса.

Остаточные напряжения в ободе колеса

Требования стандарта EN 13262 к остаточным напряжениям в железнодорожных колесах сводятся к следующему.

1) Термическая обработка колеса должна формировать в ободе поле сжимающих тангенциальных (окружных) остаточных напряжений.
2) Уровень тангенциальных сжимающих остаточных напряжений вблизи поверхности катания должен быть в интервале от 80 до 150 Н/мм2.
3) Эти тангенциальные остаточные напряжения должны быть равны нулю на глубине от 35 до 50 мм от поверхности катания.
4) Остаточные напряжения по глубине обода колеса в плоскости круга катания должны находиться в пределах, указанных на рисунке ниже.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-trebovaniyaРисунок – Допустимые значения тангенциальных остаточных напряжений
в ободе колеса в плоскости круга катания

Два метода определения остаточных напряжений

Испытания производятся на целом колесе после его термической обработки.

Цель методов испытаний заключается в определении изменения уровня тангенциальных остаточных напряжений от поверхности катания в глубину обода.

Стандарт рекомендует два метода определения остаточных напряжений в ободьях колес:
1) разрушающий тензометрический метод;
2) неразрушающий ультразвуковой метод.
Ниже кратко представлена сущность тензометрического метода.

Тензометрия остаточных напряжений

Принцип тензометрического метода

1) Метод включает операции резки колеса с постепенным освобождением остаточных напряжений, которые присутствуют в ободе колеса.

2) Изменение остаточного напряженного состояния в результате каждой операции резки колеса оценивается на поверхности колеса путем измерения локальных деформаций с применением тензометрических датчиков.
3) Изменение напряженного состояния внутри обода получают путем линейной экстраполяции напряженного состояния, замеренного на поверхности обода.
4) Определение остаточных напряжений производят только в одном радиальном сечении, поскольку из опыта известно, что термическая обработка колеса обеспечивает однородное в окружном направлении остаточное напряженное состояние.

Выполнение тензометрии обода колеса

Последовательность выполнения тензометрического метода определения остаточных напряжений в ободе колеса заключается в следующем.

Шаг 1 (рисунок 1)

Установка (наклейка) тензодатчиков:
а) в тангенциальном и осевом направлениях:
— в точке 1 на поверхности катания симметрично переходу обода в диск;
б) в тангенциальном и радиальном направлениях:
— в точках 2Е на наружной стороне и 2I на внутренней стороне обода;
— в точках 3E на наружной стороне и 2I на внутренней стороне перехода обода в диск.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-tenzodatchikiРисунок 1 – Исходная установка тензодатчиков на железнодорожное колесо

Шаг 2 (рисунок 2)

1) Операция резки №1 для вырезки темплета с тензодатчиками.
2) Измерение деформаций тензодатчиков после операции резки №1.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-rez1Рисунок 2 – Операция резки колеса №1

Шаг 3 (рисунок 3)

1) Установка дополнительного тензодатчика 4.
2) Операция резки №2.
3) Измерение деформаций на датчиках 1 и 4 после операции резки №2.
4) Измерение толщин h1 и h2.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-rez2Рисунок 3 – Установка тензодатчика 4 на вырезанный в результате операции №1 темплет колеса. Операция резки колеса №2. Измерение толщин h1 и h2.

Шаг 4 (рисунок 4)

1) Установка датчика 5.
2) Операция резки №3.
3) Измерение деформаций на датчиках 1 и 5 после операции резки №3.
4) Измерение толщин h1 и h2.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-rez3Рисунок 4 – Установка тензодатчика 5 на вырезанный в результате операции темплет обода. Операция резки колеса №3. Измерение толщин h1 и h2

Тангенциальные остаточные напряжения поверхности качения    

1) Вычисление изменения тангенциальных напряжений во всех точках с наклеенными датчиками после каждой их трех операции резки по формулам:

σij = – E/(1– ν2)(eтанг ji + νeji),

где Е = 210000 МПа – модуль упругости стали,
ν = 0,28 – коэффициент Пуассона стали,
eтанг ji – тангенциальные (окружные) деформации,
eji– осевые или радиальные деформации,
i – номер операции резания (от 1 до 3),
j – точки измерения (от 1 до 5).

2) Вычисление на основании данных, полученных по пункту 1) с применением экстраполяции изменения тангенциальных напряжений  в точках 1 и В после каждой операции резания (рисунок 5).

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-vychislenie1ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-vychislenie2ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-vychislenie3Рисунок 5

3) Величина остаточного тангенциального напряжения в точках 1 и В вычисляется как алгебраическая сумма изменения тангенциального напряжения в точках 1 и В соответственно после каждой операции резания (рисунок 6):

σ1 = σ11 + σ12 + σ13
σВ = σВ1  + σВ2 + σВ3

Окончательный график распределения остаточных тангенциальных напряжений по толщине обода строится как отрезок прямой линии, проходящий через ординаты  σ1  и  σВ   в точках 1 и В на рисунке 6.

ostatochnye-napryazheniya-zheleznodorozhnyx-kolesax-vychislenie-finalnoeРисунок 6