blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-6-653-659blackmet-2819Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESО результатах трибологических исследований железнодорожных рельсовOn the results of tribological studies of railway railsОлифиренкоИ. А.OlifirenkoI. A.

Иван Андреевич Олифиренко, главный специалист по физическим методам исследования дирекции по рельсовому прои­з­водству научно-производственного центра, АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»; аспирант кафедры металлургии черных металлов и химической технологии, Сибирский государственный индустриальный университет

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Россия, 654043, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, шоссе Космическое, 16

Ivan A. Olifirenko, Chief Specialist in Physical Research Me­thods, Directorate for Rail Production of the Research and Production Center, JSC EVRAZ United West Siberian Metallurgical Plant; Postgraduate of the Chair of Ferrous Me­­tal­­lurgy and Chemical Technology, Siberian State Industrial University

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

16 Kosmicheskoe Route, Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

Ivan.Olifirenko@evraz.comhttps://orcid.org/0000-0003-1310-1284ОсколковаТ. Н.OskolkovaT. N.

Татьяна Николаевна Осколкова, д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов и химической технологии

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Tat’yana N. Oskolkova, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Ferrous Me­­tallurgy and Chemical Technology

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

oskolkovatatiana@yandex.ruПолевойЕ. В.PolevoiE. V.

Егор Владимирович Полевой, к.т.н., начальник бюро металловедения и термической обработки технического отдела рельсовой площадки

Россия, 654043, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, шоссе Космическое, 16

Egor V. Polevoi, Cand. Sci. (Eng.), Head of Bureau of Metal Science and Heat Treatment of Technical Department of the Rail Site

16 Kosmicheskoe Route, Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

egor.polevoj@evraz.comСибирский государственный индустриальный университет; АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияSiberian State Industrial University; JSC EVRAZ United West Siberian Metallurgical PlantRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»РоссияJSC EVRAZ United West Siberian Metallurgical PlantRussian Federation202415122024676653659Copyright © Олифиренко И.А., Осколкова Т.Н., Полевой Е.В., 20242024Олифиренко И.А., Осколкова Т.Н., Полевой Е.В.Olifirenko I.A., Oskolkova T.N., Polevoi E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2819

Большое влияние на потребительские свойства рельсов оказывает стойкость металла к образованию дефектов контактной усталости и развитию износа. Наиболее значимыми факторами, лимитирующими срок службы рельсов в кривых участках железнодорожного пути, являются износ рельсов наружных нитей и развитие дефектов контактной усталости во внутренних нитях пути. В связи с этим при разработке новой продукции важное значение приобретают методы достоверной лабораторной оценки стойкости рельсового металла. В работе описывается изменение характера повреждаемости рельсов различных категорий твердости дефектами контактной усталости, проводится оценка их износостойкости. Исследование дефектов и прогнозирование ресурса рельсов требуют комплексного подхода. Приводится краткое описание моделирования условий образования и накопления контактно-усталостных дефектов. Рассматриваемые параметры оказывают влияние на износостойкость рельсового металла различного химического состава. В процессе испытаний изменяются микроструктура рельсов и характер роста трещин. Авторы провели сравнительный анализ полученных данных, характеризующих износостойкость рельсовых сталей различных категорий твердости. Основой методики оценки износостойкости железнодорожных рельсов является физическое моделирование процесса адгезионно-деформационного механизма трения образцов на роликовой машине трения (трибометр). При проведении лабораторных испытаний исследуемых категорий рельсов машина трения автоматически выдает и фиксирует целый ряд вычислительных параметров, показанных в работе. Проведенные исследования являются перспективными с практической точки зрения. Полученные результаты могут быть использованы для развития теории по увеличению срока службы дифференцированно упрочненных рельсов производства АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

Metal resistance to the formation of contact fatigue defects and wear development has a great influence on the consumer properties of rails. The most significant factors limiting the service life of rails in curved sections of the railway track are wear of rails of the outer threads and development of contact fatigue defects in the inner threads of the track. In this regard, methods of reliable laboratory assessment of the rail metal resistance become important in the development of new products. The paper describes the change in the nature of damage to rails of various hardness categories by contact fatigue defects, and evaluates their wear resistance. The study of defects and forecasting of the rail resource require an integrated approach. The paper provides a brief description of modeling the conditions of formation and accumulation of contact fatigue defects. The parameters under consideration have an effect on the wear resistance of rail metal of various chemical compositions. During the testing, the rails microstructure and the nature of crack growth change. The authors made a comparative analysis of the data obtained characterizing the wear resistance of rail steels of various hardness categories. The basis of the methodology for assessing the wear resistance of railway rails is the physical modeling of adhesion-deformation mechanism of friction of the samples on a roller friction machine (tribometer). During laboratory tests of the studied categories of rails, the friction machine automatically outputs and records a number of computational parameters shown in the work. The conducted research is promising from a practical point of view. The results obtained can be used to develop a theory to increase the service life of differentially hardened rails produced by JSC EVRAZ United West Siberian Metallurgical Plant.

трибометризносизносостойкостьрельсытвердостьконтактно-усталостные дефектытрениемикроструктурадеформированная структураtribometerwearwear resistancerailshardnessdefectsfrictionmicrostructuredeformed structureReferencesYokoyama H., Mitao S., Yamamoto S. Wear and rolling contact fatigue behavior in pearlitic and bainitic rail steels. In: 7th International Heavy Haul Conf. Fukuyama, Japan: Materials & Processing Research Center; 2001:551–557.Yokoyama H., Mitao S., Yamamoto S. Wear and rolling contact fatigue behavior in pearlitic and bainitic rail steels. In: 7th International Heavy Haul Conf. Fukuyama, Japan: Materials & Processing Research Center; 2001:551–557.Горячева И.Г., Шур Е.А., Борц А.И., Захаров С.М. Исследование механизмов повреждаемости рельсов нового поколения и моделирование их возникновения. Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО РЖД. 2017;(4):25–27.Goryacheva I.G., Shur E.A., Bortz A.I., Zakharov S.M. New generation rails damageability mechanisms evaluation and damage occurrence design. Bulletin of the Joint Scientific Council of Russian Railways. 2017;(4):25–27. (In Russ.).Горячева И.Г., Захаров С.М., Коган А.Я., Торская Е.В., Шур Е.А., Абдурашитов А.Ю., Борц А.И., Заграничек К.Л. Комплексный подход к прогнозированию работоспособности и ресурса рельсов нового поколения. Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО РЖД. 2017;(5-6):16–26.Goryacheva I.G., Zakharov S.M., Kogan A.Ya., Tors­kaya E.V., Shur E.A., Abdurashitov A.Yu., Borts A.I., Zagranichek K.L. Complex approach to forecasting the opera­bility and resource of new generation rails. Bulletin of the Joint Scientific Council of Russian Railways. 2017;(5-6): 16–26. (In Russ.).Полевой Е.В., Юнин Г.Н., Юнусов А.М., Добужская А.Б., Галицын Г.А. К вопросу об износостойкости рельсов. Сталь. 2019;(7):62–65.Polevoy E.V., Yunin G.N., Yunusov A.M., Dobuzhskaya A.B., Golitsyn G.A. On the issue of wear resistance of rails. Stal’. 2019;(7):62–65. (In Russ.).Jendel T. Prediction of wheel profile wear – comparisons with field measurements. Wear. 2002;253(1-2):89–99. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00087-XJendel T. Prediction of wheel profile wear – comparisons with field measurements. Wear. 2002;253(1-2):89–99. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00087-XЗаграничек К.Л., Борц А.И., Перков И.Е. Сравнительная оценка сопротивления износу дифференцированно термоупрочненных рельсов общего и специального назначения в лабораторных условиях. В кн.: 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; 2020:94–114. (In Russ.).Zagranichek K.L., Bortz A.I., Peshkov I.E. Comparative assessment of wear resistance of differentially heat-strengthened rails for general and special purposes in laboratory conditions. In: Improving the Quality and Operating Conditions of Rails and Rail Fasteners. Collection of Scientific Reports based on the Materials of the Meeting of the Non-Profit Partnership “Rail Commission” (Novokuznetsk, September 26-27, 2019). Yekaterinburg: UIM; 2020:94-114. (In Russ.).Shur E.A., Borts A.I., Bazanova L.V. Fatigue life of damaged rails. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1431(1):012071. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1431/1/012071Shur E.A., Borts A.I., Bazanova L.V. Fatigue life of damaged rails. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1431(1):012071. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1431/1/012071Совершенствование рельсовых сталей. Железные дороги мира. 2016;(1):74–76.Improvement of rail steels. Zheleznye dorogi mira. 2016;(1): 74–76. (In Russ.).Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения: управление содержанием системы колесо – рельс / Пер. с англ. под ред. С.М. Захарова. Москва: Интекст; 2017:420.Generalization of the World Experience of Heavy-Weight Movement: Control of the Wheel – Rail System. Trans. from Eng. Zakharov S.M. ed. Moscow: Intext; 2017:420. (In Russ.).Dang Van, Maitournam M.H., Moumni Z., Roger F. A comprehensive approach for modeling fatigue and fracture of rails. Engineering Fracture Mechanics. 2009;76(17):2626–2636. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2008.12.020Dang Van, Maitournam M.H., Moumni Z., Roger F. A comprehensive approach for modeling fatigue and fracture of rails. Engineering Fracture Mechanics. 2009;76(17):2626–2636. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2008.12.020Goryacheva I.G., Zakharov S.M., Torskaya E.V. Rolling contact fatigue and wear of wheel/rail simulation. In: Proceedings of the Second Int. Conf. on Railway Technology Research Development and Maintenance. Stirlingshire, Scotland: Civil-Comp Press; 2014:0123456789.Goryacheva I.G., Zakharov S.M., Torskaya E.V. Rolling contact fatigue and wear of wheel/rail simulation. In: Proceedings of the Second Int. Conf. on Railway Technology Research Development and Maintenance. Stirlingshire, Scotland: Civil-Comp Press; 2014:0123456789.Kabo E., Ekberg A. Prediction of RCF from laboratory tests. In: INNOTRACK Concluding Technical Report. 2010:131–133.Kabo E., Ekberg A. Prediction of RCF from laboratory tests. In: INNOTRACK Concluding Technical Report. 2010:131–133.Rodríguez-Arana B., Emeterio A.S., Panera M., Montes A., Alvarez D. Investigation of a relationship between twin-disc wear rates and the slipping contact area on R260 grade rail. Tribology International. 2022;168:107456. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107456Rodríguez-Arana B., Emeterio A.S., Panera M., Montes A., Alvarez D. Investigation of a relationship between twin-disc wear rates and the slipping contact area on R260 grade rail. Tribology International. 2022;168:107456. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107456Кузнецов Р.В., Громов В.Е., Полевой Е.В., Рубанникова Ю.А., Кормышев В.Е. Эволюция структурно-фазовых состояний и свойств дифференцированно закаленных 100-метровых рельсов при экстремально длительной эксплуатации. Сообщение 3. Структура и свойства рельсов после пропущенного тоннажа 1,77 млрд т брутто. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2021;(2):81–87.Kuznetsov R.V., Gromov V.E., Polevoy E.V., Rubannikova Yu.A., Kormyshev V.E. Evolution of structural-phase states and properties of differentially hardened 100-meter rails during extremely long-term operation. Message 3. Structure and properties of rails after the transported tonnage of 1.77 billion tons. Problemy chernoi metallurgii i materialovedeniya. 2021;(2):81–87. (In Russ.).Pacey M.N., James M.N., Patterson E.A. A new photoelastic model studying fatigue cracks closure. Experimental Mechanics. 2005;45(1):42–45. https://doi.org/10.1007/BF02428989Pacey M.N., James M.N., Patterson E.A. A new photoelastic model studying fatigue cracks closure. Experimental Mechanics. 2005;45(1):42–45. https://doi.org/10.1007/BF02428989Шур Е.А., Цвигун В.Н., Койнов Р.С. Модели образования фрактографических рельефов на усталостных трещинах. Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2018;(40):118–135.Shur E.A., Tsvigun V.N., Koinov R.S. Models of formation of factographic reliefs on fatigue cracks. Vestnik gorno-metallurgicheskoi sektsii Rossiiskoi akademii nauk. Otdelenie metallurgii. 2018;(40):118–135. (In Russ.).Горячева И.Г., Борц А.И., Захаров С.М., Заграничек К.Л., Шур Е.А. Исследование и моделирование возникновения повeрхностных контактно-усталостных повреждений в рельсах. В кн.: Трибология – машиностроению. Труды XII Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ИМАШ РАН. 2018:146–149.Goryacheva I.G., Bortz A.I., Zakharov S.M., Zagrani­chek K.L., Shur E.A. Investigation and modeling of the occurrence of surface contact fatigue damage in rails. In: Tribology – machine structure. Proceedings of the XII Int. Sci. and Tech. Conf. dedicated to the 80th anniversary of IMASH RAS. 2018:146–149. (In Russ.).Некрасов Д.Б., Палагин С.В., Лыков К.Ю. О расширении полигонов и совершенствовании методик мониторинга и испытаний рельсов. Путь и путевое хозяйство. 2023;(4):29–31.Nekrasov D.B., Palagin S.V., Lykov K.Yu. On the expansion of landfills and the improvement of methods for monitoring and testing rails. Railway Track and Facilities. 2023;(4): 29–31. (In Russ.).Шур Е.А. Как правильно сравнивать износостойкость различных рельсов. РСП-эксперт. 2018;(1-2):20–25.Shur E.A. How to compare the wear resistance of different rails correctly. RSP Expert. 2018;(1-2):20-25. (In Russ.).Некрасов Д.Б., Борц А.И., Бехер С.А., Бобров А.Л., Палагин С.В., Шляхтенков С.П. Обеспечение эффективности шлифования на основе диагностирования преддефектных состояний. Путь и путевое хозяйство. 2024;(3):17–19.Nekrasov D.B., Borts A.I., Becher S.A., Bobrov A.L., Palagin S.V., Shlyakhtenko S.P. Ensuring the effectiveness of grinding based on the diagnosis of pre-defective conditions. Railway Track and Facilities. 2024;(3):17–19. (In Russ.).Некрасов Д.Б., Палагин С.В., Лыков К.Ю. Результаты испытаний рельсов категории ДТ400ИК. Путь и путевое хозяйство. 2023;(2):20–22.Nekrasov D.B., Palagin S.V., Lykov K.Yu. Test results of rails of the DT400IK category. Railway Track and Facilities. 2023;(2):20–22. (In Russ.).Burstow M. A whole life rail model application and development for RSSB – Continued development of an RCF da­mage parameter. London: Rail Safety and Standards Board; 2004:74.Burstow M. A whole life rail model application and development for RSSB – Continued development of an RCF da­mage parameter. London: Rail Safety and Standards Board; 2004:74.Chen Y.-T., Liu D.-Y., Fang H.-S., Bai B.-Z. Rolling contact fatigue of rail steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2000;12(5):50–53.Chen Y.-T., Liu D.-Y., Fang H.-S., Bai B.-Z. Rolling contact fatigue of rail steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2000;12(5):50–53.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.