data rozpoczęcia: 01.02.2001, data zakończenia: 31.12.2003
kierownik: dr inż. Paweł Pyrzanowski
główni wykonawcy: prof. dr hab. inż. Jacek Stupnicki, dr inż. Irena Mruk, dr inż. Mirosław Olzak
Od kilkunastu lat spotyka się na światowych liniach kolejowych nowe typy pęknięć zmęczeniowych szyn, tzw. pęknięcia typu “squat”. Kilka lat temu pęknięcia tego typu pojawiły się również i w Polsce. Występują one głównie na szybkich trasach pasażerskich, stąd straty związane z ewentualna katastrofą są bardzo duże.
Pęknięcia typu “squat” możliwe są do wykrycia jedynie poprzez badania defektoskopowe szyn. Jak wszystkie pęknięcia zmęczeniowe rozwijają się one w trakcie przejazdu pociągów z pewną prędkością zależną m.in. od liczby pociągów, obciążeń, oraz innych, trudnych do przewidzenia, czynników. Znając z badań defektoskopowych wielkość pęknięcia, oraz określając jego prędkość rozwoju w danych warunkach można by określić czas bezpiecznej eksploatacji szyn, co pozwoliłoby efektywnie ją wykorzystać. Bowiem koszty wymiany odcinka szyny, zarówno bezpośrednie jak i pośrednie, wynikające z utrudnień w ruchu i opóźnień pociągów, są ogromne.
Niestety do tej pory nikt nie potrafi określić prędkości rozwoju tego typu pęknięcia. Wiadomo, że pęknięcie poddane jest złożonemu stanowi obciążeń wynikających z naprężeń własnych (o zmiennych wartościach zarówno ściskających jak i rozciągających dochodzących do kilkuset MPa), naprężeń kontaktowych (o maksimum rzędu 1000 MPa) oraz termicznych, które wywołują złożony proces pękania (model I, II i III). Do listy niewiadomych dołączyć należy nieznane wzajemne oddziaływanie brzegów pęknięcia oraz wpływ cieczy zamkniętej w szczelinie.
Dotychczasowe badania, zarówno własne autorów niniejszego projektu jak i obce, wskazują na złożony, ale powtarzalny proces pękania. Dowodzić tego może bardzo zbliżony kształt wszystkich analizowanych pęknięć typu “squat”, oraz charakter ich powierzchni. Nasuwa to przypuszczenie, że możliwe będzie opracowanie modelu rozwoju pęknięcia w czasie, co jest głównym celem projektu.
Model taki, ze względu na złożoność oddziaływań, musi być modelem numerycznym. Należy tutaj odwzorować trójwymiarowy kształt pęknięcia, co do tej pory udało się jedynie przy dużych uproszczeniach. Uwzględnić należy także rozkład mikronierówności powierzchni, ich wielkość i kształt. Opracowywane aktualnie przez autorów procedury numeryczne pozwalają na stwierdzenie, że jest to możliwe do osiągnięcia. Należy także uwzględnić obecność w szczelinie cieczy (np. wody deszczowej), która może przyczyniać się do wzrostu prędkości pękania ze względu na wpływ elektrochemiczny wywołujący korozję, jak i oddziaływania hydrostatyczne. Zadania te, łączące w tak złożonym modelu zagadnienia mechaniki ciała stałego oraz równania mechaniki płynów nie były jeszcze rozwiązywane.
Dane do obliczeń numerycznych pochodzić muszą z badań eksperymentalnych. Należy wykonać badania kształtu możliwie wielu pęknięć, aby określić pewien standardowy kształt powierzchni pęknięcia, który będzie następnie przedmiotem badań numerycznych. Wykorzystać tu można metodę immersyjną interferometrii holograficznej. Drugim zagadnieniem jest badanie charakteru oraz statystycznego rozkładu mikronierówności. Można je badać wzdłuż ustalonych linii za pomocą profilografów, jak i polowo metodami optycznymi. Należy także zbadać oddziaływanie brzegów pęknięcia wynikające zarówno
z mikronierówności jak i degradacji powierzchni zarówno mechanicznej jak i ewentualnie chemicznej. Degradacja ta polegać może na ścieraniu się szczytów nierówności, oraz powstawaniu sieci mikropęknięć wchodzących w głąb materiału. Do tych badań niezbędne są metody optyczne, z których zastosować można tzw. grating holographic interferometry, jak i ESPI (Electronic Speckle Pattern Interefrometry).
Uzupełnieniem badań eksperymentalnych będzie analiza krystalograficzna, badania mikrotwardości, itp. określające wpływ pęknięcia na materiał szyny.
Obliczenia numeryczne powinny także, oprócz wyznaczenia prędkości rozwoju pęknięcia, umożliwić weryfikację założeń modelu. W tym celu oprócz prędkości rozwoju pęknięcia należy znajdywać także jego spodziewany kierunek i podczas obliczeń krokowych porównywać kształt otrzymany z rzeczywistym.