Использование головных волн для определения остаточных и температурных напряжений в рельсах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследована возможность акустической тензометрии продольных остаточных и температурных напряжений в рельсах с помощью головных волн. Проведен теоретический анализ влияния напряжения и температуры на скорость распространения упругих волн в рельсовой стали. Приведен алгоритм определения продольного напряжения в рельсе на основе измерений времени распространения головных волн. Описан принцип работы и представлены основные параметры экспериментального образца акустического тензометра, в котором реализована дифференциальная схема измерения времени распространения головных волн. Излучение и прием головных волн, распространяющихся вдоль рельса, осуществляется с поверхности катания головки рельса с помощью контактных пьезоэлектрических преобразователей, расположенных на призмах из полиметилметакрилата. Представлены результаты акустомеханических испытаний и температурных тестов. Выполнен расчет погрешностей измерений. Приведены результаты оценки уровня остаточных сварочных напряжений в головке нового рельса. Экспериментальные результаты сравниваются с теоретическими оценками напряжений, которые возникают в рельсе под воздействием температуры, а также с имеющимися в литературе данными по остаточным напряжениям в рельсах.

Full Text

Restricted Access

About the authors

К. В. Курашкин

Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения “Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук”

Author for correspondence.
Email: kurashkin@ipmran.ru
Russian Federation, ул. Белинского 85, Нижний Новгород, 603024

А. Г. Кириллов

Институт прикладной физики РАН

Email: kurashkin@ipmran.ru
Russian Federation, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

А. В. Гончар

Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения “Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук”

Email: kurashkin@ipmran.ru
Russian Federation, ул. Белинского 85, Нижний Новгород, 603024

References

  1. Murav’ev V.V., Tapkov K.A., Len’kov S.V. On the question of monitoring residual stresses in selectively heat-strengthened rails // Russ. J. Nondestruct. Test. 2018. V. 54. № 10. P. 675–681. https://doi.org/10.1134/S106183091810008X
  2. Коссов В.С., Протопопов А.Л., Волохов Г.М., Краснов О.Г., Огуенко В.Н. Расчетная оценка остаточных напряжений в алюминотермитных стыках рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 9. С. 23–28.
  3. Peregudov O.A., Morozov K.V., Gromov V.E. Glezer A.M., Ivanov Yu.F. Formation of internal stress fields in rails during long-term operation // Russ. Metall. 2016. V. 2016. № 4. P. 371–374. https://doi.org/10.1134/S0036029516040182
  4. Hwang Y., Kim G., Kim Y., Park J., Choi M.Y., Kim K. Experimental measurement of residual stress distribution in rail specimens using ultrasonic Lcr waves // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 19. a. n. 9306. https://doi.org/10.3390/app11199306
  5. Xiangyu D., Liqiang Z., Zujun Y., Xining X. The verification of rail thermal stress measurement system // Period. Polytech. Transport. Eng. 2020. V. 48. № 1. P. 45–51. https://doi.org/10.3311/PPTR.12062
  6. Vangi D., Virga A. A practical application of ultrasonic thermal stress monitoring in continuous welded rails // Exp. Mech. 2007. V. 47. № 5. P. 617–623. https://doi.org/10.1007/s11340-006-9016-6
  7. Szelążek J. Ultrasonic measurement of thermal stresses in continuously welded rails // NDT&E Int. 1992. V. 25. № 2. P. 77–85. https://doi.org/10.1016/0963-8695(92)90497-5
  8. Hirao M., Ogi H., Fukuoka H. Advanced ultrasonic method for measuring rail axial stresses with electromagnetic acoustic transducer // Res. Nondestruct. Eval. 1994. V. 5. № 3. P. 211–223. https://doi.org/10.1080/09349849409409669
  9. Murav’ev V.V., Volkova L.V., Gromov V.E., Glezer A.M. Estimation of the residual stresses in rails using electromagnetic–acoustic introduction–reception of waves // Russ. Metall. 2016. V. 2016. № 10. P. 992–995. https://doi.org/10.1134/S003602951610013X
  10. Murav’ev V.V., Volkova L.V., Platunov A.V., Kulikov V.A. An electromagnetic-acoustic method for studying stress-strain states of rails // Russ. J. Nondestruct. Test. 2016. V. 52. № 7. P. 370–376. https://doi.org/10.1134/S1061830916070044
  11. Karabutov A.A., Podymova N.B., Cherepetskaya E.B. Determination of uniaxial stresses in steel structures by the laser-ultrasonic method // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2017. V. 58. № 3. P. 503–510. https://doi.org/10.1134/S0021894417030154.
  12. Muravev V.V., Tapkov K.A., Lenkov S.V. In-production nondestructive testing of internal stresses in rails using acoustoelasticity method // Russ. J. Nondestruct. Test. 2019. V. 55. № 1. P. 8–14. https://doi.org/10.1134/S1061830919010078
  13. Sun L., Li Z., Zhu W.F., He Y., Fan G., Fang W., Shao W. A method for long-term on-line monitoring of temperature stress of continuously welded rail // Adv. Mech. Eng. 2021. V. 13. № 8. P. 1–14. https://doi.org/10.1177/16878140211041432
  14. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.
  15. Hughes D.S., Kelly J.L. Second-Order Elastic Deformation of Solids // Phys. Rev. 1953. V. 92. № 5. P. 1145–1149. https://doi.org/10.1103/PhysRev.92.1145
  16. Ивочкин А.Ю., Карабутов А.А., Лямшев М.Л., Пеливанов И.М., Рохатги У., Субудхи М. Измерение распределения скорости продольных акустических волн в сварных соединениях лазерным оптико-акустическим методом // Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 4. С. 540-547.
  17. Жаринов А.Н., Карабутов А.А., Миронова Е.А., Пичков С.Н., Саватеева Е.В., Симонова В.А., Шишулин Д.Н., Черепецкая Е.Б. Лазерно-ультразвуковое исследование остаточных напряжений в трубах из аустенитной стали // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 3. С. 372–381.
  18. Egle D.M., Bray D.E. Measurement of acoustoelastic and third-order elastic constants for rail steel // J. Acoust. Soc. Am. 1976. V. 60. № 3. P. 741–744. https://doi.org/10.1121/1.381146
  19. Schneider E. 4. Ultrasonic techniques // In: Hauk V. (Ed.) Structural and residual stress analysis by nondestructive methods. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1997. 640 p. P. 522–563. https://doi.org/10.1016/B978-044482476-9/50018-9
  20. Анисимов В.А., Каторгин Б.И., Куценко А.Н. и др. Акустическая тензометрия // В: Клюев В.В. (ред) Неразрушающий контроль: Справочник. М.: Машиностроение, 2006. Т. 4. 736 с.
  21. Bray D.E., Stanley R.K. Nondestructive evaluation: a tool in design, manufacturing and service. Boca Raton: CRC Press, 1997. 586 p. https://doi.org/10.1201/9781315272993
  22. Курашкин К.В., Кириллов А.Г., Беляев Р.В. Опытный образец акустического тензометра для определения температурных напряжений в рельсах // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 4. С. 156–158.
  23. Szelążek J. Sets of piezoelectric probeheads for stress evaluation with subsurface waves // J. Nondestruct. Eval. 2013. V. 32. № 2. P. 188–199. https://doi.org/10.1007/s10921-013-0172-1
  24. Liu H., Li Y., Li T. et al. Influence factors analysis and accuracy improvement for stress measurement using ultrasonic longitudinal critically re-fracted (LCR) wave // Appl. Acoust. 2018. V. 141. P. 178–187. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2018.07.017
  25. Коробов А.И., Бражкин Ю.А., Нин Ван. Экспериментальные исследования упругой нелинейности в структурно-неоднородных материалах // Акуст. журн. 2005. Т. 51. № 5. С. 663–671.
  26. Курашкин К.В. Исследование акустоупругого эффекта в анизотропном пластически деформированном материале // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 3. С. 382–388.
  27. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. М.: Машиностроение, 1989. 456 c.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Differential scheme for measuring the propagation time of head waves: 1 – emitting PT, 2 – receiving PT.

Download (5KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Signals on the first and second receiving PT, pulse generated by the measuring device according to the set strobes, and measured propagation time of head waves t.

Download (10KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of propagation times of head waves on the compressive load for two tested rail fragments.

Download (10KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Longitudinal compressive stresses in the rail head: dots – experimental values ​​determined using ultrasonic measurements; solid line – theoretical values ​​expected with uniform load distribution over the rail cross-section.

Download (10KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature dependences of propagation times of head waves in rails.

Download (12KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distribution of residual welding stresses in a new rail.

Download (9KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences