Modelowanie pęknięć zmęczeniowych w strefie kontaktu tocznego

W pracy przedstawiono problemy modelowania pęknięć zmęczeniowych rozwijających się w strefie kontaktu tocznego, czyli w obszarze wpływu naprężeń wywołanych przez toczące się obciążenie. Przypadek taki spotykany jest w licznych parach kontaktowych, jak np. łożyska ślizgowe czy pary koło-szyna. Analizowano wpływ różnych parametrów modelu na prognozowane tendencje rozwoju pęknięcia. Pomimo ogólności rozważań skoncentrowano się na problemie pęknięć zmęczeniowych typu "squat" rozwijających się w główkach szyn kolejowych. Ważną częścią pracy były badania eksperymentalne służące wyznaczeniu wartości istotnych parametrów. Były to badania rzeczywistego kształtu zarówno szyny, jak i szczeliny w makro-i mikroskali oraz oddziaływań ścian szczeliny. Przeprowadzone eksperymenty były punktem wyjścia sporządzenia modeli pęknięcia rozwiązywanych numerycznie. Analizowano modele dwuwymiarowe, w tym z nowym rodzajem oddziaływania płynu wypełniającego szczelinę, uwzględniającym jego lepkość, oraz modele trójwymiarowe. W modelach wzięto pod uwagę zmierzony na rzeczywistych próbkach kształt szyny (z uwzględnieniem zużycia na skutek eksploatacji), standardowy kształt oraz grubość szczeliny zmęczeniowej. Przedstawione modele mogą posłużyć do wyznaczania trwałości szyny zawierającej pęknięcie.

---

The work is devoted to the problems of Rolling Contact Fatigue (RCF) modelling, i.e. fatigue cracks propagating in the rolling contact zone, where the effect of contact stresses should not be overlooked. This type of crack appears in many contact pairs, for example slide bearings or rail-wheel pairs. The influence of different parameters of the model on the development of the crack was analysed. Although the analyses are applicable to different cases of RCF, the work concentrates especially on only one type - fatigue cracks called "squats" that appear in rail heads. Experimental investigations were a very important part of the work, allowing the determination of the values of important parameters of the models. The real shapes of the rail and cracks on macro and micro scales as well as interactions between the crack faces were determined. The experimental results were used in the construction of nominal and numerical models which were solved using the FEM approach. Two and three dimensional models were developed. In one of the 2D models a new model of liquid effect on crack growth was proposed. In this model the liquid (viscosity was taken into account. In 3D models the real shape of the rail altered by wear, normalised crack shape and crack thickness were modelled. The proposed models could be used in prediction of service life of rails with cracks.