Использование головных волн для определения остаточных и температурных напряжений в рельсах
- Authors: Курашкин К.В.1, Кириллов А.Г.2, Гончар А.В.1
-
Affiliations:
- Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения “Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук”
- Институт прикладной физики РАН
- Issue: Vol 70, No 1 (2024)
- Pages: 49-56
- Section: ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
- URL: https://journals.rcsi.science/0320-7919/article/view/260045
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791924010071
- EDN: https://elibrary.ru/ZOEQQZ
- ID: 260045
Cite item
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

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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- Курашкин К.В. Исследование акустоупругого эффекта в анизотропном пластически деформированном материале // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 3. С. 382–388.
- Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. М.: Машиностроение, 1989. 456 c.
Supplementary files
