Rolling contact problem - fatigue crack propagation in a surface layer

• Autorzy: Olzak M. , Pyrzanowski P. , Stupnicki J.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper deals with the problem of development of fatigue cracks in a surface layer, which is at present one of the most actual issues of contact mechanics. The results obtained by the authors from experimental and numerical investigations of the factors, which exert an essential influence on the propagation process of a crack of the "squat" type in the wheel/rail contact zone are presented. In the first part of the work, the results obtained using the Immersion Method of Holographic Interferometry from the investigation into the shapes of faces of the cracks detected in rail heads are presented. Furthermore the experimental investigations into crack faces interactions conducted on the samples made of 900A steel under comlex loads obtained by means of the Grating Holographic Interferometry are presented as well. In the second part of the paper, the results of numerical investigations into 3D cracks of the "squat" type are discussed, with a complex stress state in the contact zone, stresses due to rail bending, residual stresses as well as thermal stresses taken into account. The investigations of the effect of conditions of crack faces interaction on simulation results,which have been conducted using 2D models are presented as well. Eight different cases were considered, and the results having the form of Stress Intansity Factor... courses versus the load position relative to the crack are presented. In the last part of the work the results of numerical simulations of rolling the wheel over the raceway with an oblique crack are presented. The conditions of crack faces interaction used in simulations were determined, basing on the experimental investigations.

PL

Problemy mechaniki kontaktu - rozwój pęknięć zmęczeniowych w warstwie wierzchniej. Praca dotyczy rozwoju pęknięć zmęczeniowych w warstwie wierzchniej, obecnie jednego z najbardziej aktualnych problemów mechaniki kontaktu. Przedstawia uzyskane przez autorów wyniki eksperymentalnych i numerycznych poszukiwań czynników, które mogą mieć istotny wpływ na rozwój pęknięć zmęczeniowych typu "squat" dla kontaktu koła i szyny. W pierwszej części pracy przedstawiono wyniki obserwacji i pomiarów metodą immersyjną interferometrii holograficznej powierzchni rzeczywistych pęknięć wykrytych w główkach szyn kolejowych oraz wyniki uzyskane metodą siatkową interferometrii holograficznej, badania wzajemnego oddziaływania brzegów pęknięć w próbkach ze stali 900A podczas działania złożonych stanów obciążenia. W drugiej części pracy przedstawiono wyniki badań numerycznych przypadków 3D pęknięć typu "squat", uwzględniających złożone stany obciążenia kontaktu, naprężenia od zginania szyny, naprężenia własne i naprężenia wynikłe ze zmiany temperatur. Przedstawiono także dla obiektów 2D badania wpływu warunków oddziaływania brzegów pęknięcia na wyniki symulacji. Rozważono osiem różnych przypadków, prezentując wyniki w postaci wykresów współczynnika intensywności współczynnika... w funkcji położenia obciążenia względem pęknięcia. W ostatniej części przedstawiono wyniki symulacji przetaczania walca po bieżni ze skośnym pęknięciem, którego warunki oddziaływania brzegów wyznaczono na podstawie badań eksperymentalnych.

Słowa kluczowe

EN

contact mechanics; fatigue and fracture; computational mechanics; holographic interferometry

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2001
• Tom: Vol. 39 nr 3
• Strony: 589--620
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Olzak M.

• Institut of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Pyrzanowski P.

• Institut of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Stupnicki J.

• Institut of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• 1. Aktualizacja katalogu wad szyn, PKP, Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Warszawa, 1999.
• 2. BATISTA A.C., DIAS A.M., LEBRUN J.L., LE FLOUR J.C, INGLEBERT G., 2000, Contact Fatigue of Automotive Gears: Evolution and Effects of Residual Stresses Introduced by Surface Treatments, Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 23, 217-228.
• 3. BIJAK-ŻOCHOWSKI M., MAREK P., 1997, Residual Stress in Some Elasto-Plastic Problems of Rolling Contact with Friction, International Journal of Mechanical Sciences, 39, 1, 15-32.
• 4. BOGDAŃSKI S., 1999, Growth of the Rolling Contact Fatigue Cracks in the Presence of Liquid, Publishing House of the Warsaw University of Technology, Warsaw (in Polish).
• 5. BOGDAŃSKI S., OLZAK M., STUPNICKI J., 1995-96, Stress Analysis of Rail Rolling Contact Fatigue Cracks, The European Rail Research Institute, Utrecht, The Netherlands, Final Report, RP. 19.
• 6. BOGDAŃSKI S., OLZAK M., STUPNICKI J., 1996, Influence of Liquid Interaction on Propagation of Rail Rolling Contact Fatigue Cracks, Proceedings of the 2nd Mini Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, Budapest, 134-143.
• 7. BOGDAŃSKI S., OLZAK M., STUPNICKI J., 1996b, Numerical Stress Analysis of Rail Rolling Contact Fatigue Cracks, Wear, 191, 14-24.
• 8. BOGDAŃSKI S., OLZAK M., STUPNICKI J., 1998, Numerical Modelling of a 3D Rail RCF "Squat"-Type Crack Under Operating Load, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 923-935.
• 9. BOVER A.F., 1988, The Influence of Crack Faces Friction and Trapped Fluid on Surface Initiated Fatigue Crack, ASME Journal of Tribology, 110, 704-711.
• 10. DEROCHE R.Y., BETTEMBORG J.P., PRASIL B., BERTRAND J.P., JUCKUM C., 1993, Rolling Contact Fatigue Cracks on S.N.C.F. Conventionnal Tracks, In: Rail Quality and Maintenance for Modern Railway Operation, Kluver Academic Publischer, Netherlands.
• 11. DUBOURG M.C., KALKER J.J., 1993, Crack Behaviour Under Rolling Contact Fatigue, In: Rail Quality and Maintenance for Modern Railway Operation, Kluver Academic Publischer, Netherlands.
• 12. GOHAR R., CAMERON A., 1966, The Mapping of Elastohydrodynamic Contacts, ASLE Preprints 66, LC 21.
• 13. GRUBIN A., 1949, Osnovy gidrodinamicheskei teorii smazki tyazhelo nagruzenykh cylindricheskikh powerkhnosti, CNITMASZ KN.30.
• 14. HERTZ H., 1882, Uber die Beruhnung fester elastischer Korper, J. Reine Angewandte Mathematic, 92.156.
• 15. KANNEL J.W., 1965-66, Measurements of Pressure in Rolling Contact, Proc. Inst. of Mech. Eng., 180, Pt. 3B.
• 16. KANNEL J.W., BELL J., ALLEN C., 1965, Methods for Determining Pressure Distribution in Lubricated Rolling Contact, ASLE, 8.
• 17. Katalog uszkodzeń i złamań szyn, Wydawnictwa Komunikacyjne, Warszawa, 1959.
• 18. KEER L.M., BRIANT M.D., 1983, A Pitting of Rolling Contact Fatigue, Journal of Lubr. Techn., Trans. ASME, 105, 198-205.
• 19. KRZEMIŃSKI-FREDA H., 1969, Rozkład ciśnienia i kształt filmu olejowego przy współpracy elementów tocznych smarowanych elastohydrodynamicznie, Rozprawa doktorska, Łódź.
• 20. LISEGANG R., 1969, Der nichtisoterme hydrodynamishe Schmiefilm zwishen hochbelasteten elastische Walzen, VDI-Z., 1, 14.
• 21. MERRITT H.M., 1935, Worm Gear Performance, Proc. Inst. Mech. Eng., London, 129,127.
• 22. OLZAK M., STUPNICKI J., 1999a, The Influence of Crack Faces Interaction Model on the Results of Numerical Study of Stress Intensity Factors for the Surface Breaking Cracks in Race Way, Int. Conf. on Contact Mechanics'99, Stuttgart.
• 23. OLZAK M., STUPNICKI J., 1999b, Variations of the Stress Intensity Factors in the Process of Load Rolling Along a Race Conatining a Crack. Part I and II, Proc. of VII Conference on Fracture Mechanics, Kielce Cedzyna, 109-123 (in polish).
• 24. OLZAK M., STUPNICKI J., 2001, Numerical Study of the Stress Intensity Factors for Cracks in Raceways with the Experimentally Determined Interaction Between Crack Faces, Conference on Contact Mechanics, Sevilla, 18-20 June.
• 25. OLZAK M., STUPNICKI J., WÓJCIK R., 1993, Numerical Analysis of 3D Cracks Propagating in the Rail-Wheel Contact Zone Rail Quality and Maitanance for Modern Railway Operationed, By J.J. Kalker, D.F. Cannon, O. Orringer, Kluver Academc Publishers, 385-395.
• 26. OLZAK M., SZOLC T. Dynamics Effects Caused by "Squat" type Crack in Race Way of the Rails. To be published.
• 27. PEPLER W., 1938, Druckubertragung an geschmierte zylindrischen Glait und Walzflachen, VDI - Forschunghefte, 391.
• 28. PYRZANOWSKI P., 1997, Wpływ naprężeń własnych na rozwój pęknięć zmęczeniowych w strefie kontaktu, Rozprawa doktorska na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
• 29. PYRZANOWSKI P., MRUK I., 2000, Investigation of "Squat"-Type Crack Development in Heads of Rails, Proceedings of 17th Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics, Praga, Czech Republic, October.
• 30. PYRZANOWSKI P., STUPNICKI J., 2001, Evaluation of Contact Rigidity of Fatigue Crack Faces for Numerical Models of RCF Crack Growth, GESA Symposium, Chemnitz, 17-18 May.
• 31. STUPNICKI J., 1971, Photoelastic Study of Influence of Oil Film on Contact Stresses, Int. J. Mech. Sci., Pergamon Press, 13.
• 32. SZPAKOWSKA M., 2000, Determination of Rigidity of a Layer Conating a Fatigue Crack under Normal and Tangential Loads Acting Simultaneously, PhD Thesis, Warsaw University of Technology, Warsaw (in Polish).
• 33. ŚWIDERSKI Z., 1992, Naprężenia własne szyn kolejowych, Materiały XV Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 270-278.