Determining the Influence of Temperature on Longitudinal Stresses in Rails Using the Acoustoelasticity Effect
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-3-64-74Keywords:
ultrasound, non-destructive testing, strain measurement, acoustoelasticity, rail, longitudinal stress, continuous welded trackAbstract
Railway track control is one of the main works necessary to ensure the safety of passenger and freight traffic, both in our country and abroad. In modern conditions, ensuring trouble-free operation of the railway is associated with solving the problems of determining longitudinal stresses in rails caused by the long length of the long-welded rails, increasing the speed of transportation, increasing cargo turnover and the influence of ambient temperature. Longitudinal stresses in rails are greatly influenced by temperature. Due to the lack of temperature compensation in the fixed long-welded rails, rail lashes cannot freely expand and contract when it changes. Exceeding the permissible longitudinal stresses in rails can cause the appearance and development of fatigue cracks, destruction of the rail track and emergency situations, which can lead to their temperature release, loss of stability and bending. Therefore, modern methods of non-destructive testing and diagnostic microprocessor systems are being developed, software for them is being improved. Among the well-known methods of non-destructive testing, acoustic methods (ultrasonic and aku-stoelasticity effect) are most widely used, which make it possible to control stresses in rails during the movement of freight and passenger trains. Principle of action of the effect of acoustoelasticity is based on the dependence of longitudinal stresses on the speed, amplitude and frequency of elastic ultrasonic waves. In this work, the effect of temperature on longitudinal stresses in rails was determined. Using the acoustoelasticity effect, longitudinal, transverse and transformed waves were recorded under normal conditions, as well as at positive and negative ambient temperatures. The main measured parameter is the propagation time of the ultrasonic signal from the emitter to the receiver through the section of the rail. Studies have shown that elastic wave velocities decrease when the rail material is heated and are determined mainly by the temperature relationships of the elastic moduli. Temperature affects residual stresses in rails, which can lead to the occurrence and development of defects. The information obtained during the control of the rails was recorded in the Akusto-1 microprocessor system, operating on the basis of the acoustoelasticity effect. Tensometry was used to confirm the results obtained by this system. Stress control was carried out by a certified multi-channel microprocessor strain gauge system MMTS-64.01 accuracy class 0,2. Proposed is a scheme for control of longitudinal mechanical stresses in rails using longitudinal, transverse and transformed waves. To control the height of the rail, a separate-combined direct converter was additionally installed between the radiating and receiving inclined converters. The developed acoustic control method based on the acoustoelasticity effect makes it possible to determine mechanical stresses in rails with an error not exceeding 10 %, which is permissible for its practical use on the railway.References
Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Тенитилов Е. С. Исследование продольных напряжений в рельсах с использованием эффекта акустоупругости на действующем участке железнодорожного пути // Контроль. Диагностика. 2019. № 2. С. 14-21. DOI: 10.14489/td.2019.02.pp.014-021
Тензометрия в транспортном машиностроении : монография / А. Н. Серьезнов, Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов [и др.]. Новосибирск : Наука, 2014. 272 с.
Муравьев В. В., Якимов А. В., Казанцев С. В. Распределение остаточных напряжений и скорости головной волны в рельсах // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2019. Т. 16, № 3. С. 370-376. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.03.013
Оценка влияния внешних факторов при ультразвуковом контроле напряженно-деформированных состояний / М. Я. Марусина, А. В. Федоров, В. А. Быченок, И. В. Беркутов // Измерительная техника. 2016. № 11. С. 23-26.
Пискарев В. Д. Неразрушающий контроль остаточного ресурса металлических деталей и узлов для объектов машиностроения // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 81-85.
Лазерно-ультразвуковая диагностика остаточных напряжений / М. Я. Марусина, А. В. Федоров, В. А. Быченок, И. В. Беркутов // Измерительная техника. 2014. № 10. С. 34-37.
Никитина Н. Е., Смирнов В. А. Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости // В мире неразрушающего контроля. 2009. № 1 (43). С. 26-28.
Беляев А. К., Полянский В. А., Третьяков Д. А. Оценка механических напряжений, пластических деформаций и поврежденности посредством акустической анизотропии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 4. С. 130-151. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.12
Муравьев В. В., Тапков К. А. Оценка напряженно-деформированного состояния рельсов при изготовлении // Приборы и методы измерений. 2017. Т. 8, № 3. С. 263-270. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-3-263-270
Никитина Н. Е. Акустоупругость. Опыт практического применения : монография. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.
Никитина Н. Е., Камышев А. В., Козачек С. В. Применение метода акустоупругости для определения напряжений в анизотропных трубных сталях // Дефектоскопия. 2015. № 3. C. 51-60.
King R.D., Fortunko C.V. (1983) Determination of in-plane residual stress state in plates using horizontally polarized shear waves. Journal of Appl. Phys., no. 54 (6), pp. 3027-3035.
Reale S., Pezzati A., Vangi D. (2005) Thermic tensity monitoring with ultrasonic technique in the long-welded rails. Ingegneria Ferroviaria, 60 (12), pp. 991-998.
Зверев Б. Н. О методах измерения усилий в плетях // Путь и путевое хозяйство. 1997. № 10. С. 19-22.
Gokhale S. (2007) Determination of applied stresses in rails using the acoustoelastic effect of ultrasonic waves. M.Sc Thesis. Texas A & M University, 112 p.
Vangi D., Virga A. (2007) A practical application of ultrasonic thermal stress monitoring in continuous welded rails. Experimental mechanics, vol. 47, pp. 617-623.
Gokhale S., Hurlebaus S. (2008) Monitoring of the stress free temperature in rails using the acoustoelastic effect. Review of Quantitative Nondestructive Evaluation, vol. 27, pp. 1368-1373.
Ультразвуковая система для определения продольных механических напряжений в рельсах / Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов, А. Н. Курбатов [и др.] // Датчики и системы. 2023. № 1. С. 31-39. DOI: 10.25728/datsys.2023.1.5
Определение напряжения сжатия в рельсе с использованием эффекта акустоупругости и тензометрии / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов, С. И. Кабанов [и др.] // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24, № 7. С. 14-23. DOI: 10.14489/td.2021.07.pp.014-023
Исследование продольных напряжений в железнодорожных рельсах методом акустоупругости / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов, С. А. Бехер [ и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 2. С. 33-40. DOI: 10.31044/1814-4632-2023-2-33-40
Хлыбов А. А., Углов А. Л., Рябов Д. А. Об особенностях использования явления акустоупругости при контроле напряженного состояния анизотропного материала технических объектов при отрицательных температурах // Дефектоскопия. 2021. № 1. С. 23-32. DOI: 10.31857/S0130308221010036
Контроль термонапряжений в железнодорожных рельсах методом акустической тензометрии / В. М. Бобренко, М. П. Брандис, В. Т. Бобров, В. Ф. Тарабрин // В мире неразрушающего контроля. 2018. Т. 21, № 3. С. 73-76. DOI: 10.12737/article_5b8cf9d14a7692.92384182
Дорофеев Я. В., Овчинников Д. В., Покацкий В. А. Системы контроля напряженного состояния рельсовых плетей // Наука и образование транспорту. 2016. № 2. С. 167-170.
Тапков К. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния дифференцированно термоупрочненных рельсов // Интеллектуальные системы в производстве. 2018. Т. 16, № 2. С. 78-83. DOI: 10.22213/2410-9304-2018-2-78-83
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 Людмила Николаевна Степанова, Александр Николаевич Курбатов, Сергей Иванович Кабанов, Сергей Алексеевич Бехер, Валентина Викторовна Чернова

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.