بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی آنالیز تنشی تراورسها
چکیده
هنوز هیچ روش منظم برای آنالیز و طراحی تراورسها در ایران تدوین نگردیده است. این واقعیت موجب هزینه های سنگینی در ساخت و بکارگیری تراورسها در ایران بوده که متأثر از ایجاد حاشیه های اطمینـان زیـاد بـه لحـاظ عـدم وجود ضوابط مدون در آنالیز تراورسهاست. در راستای جوابگویی به نیاز فوق، کلیه روشهای آنالیز تراورسـها در ایـن مقالـه مورد بررسی قرار گرفته است. مراحل و روشهای پیشنهادی مورد نقد و تحلیل قرار گرفته و متدهای مختلف آنالیز و طراحی مقایسه شده است.
کلید واﮊه ها: آنالیز تنشی، تراورس، راه آهن، طراحی بهینه
مقدمه
تراورس یکی از المانهای اساسی در سیستم راه آهن است. نقش اصلی تراورسها ایجاد پایـداری جانبی و قائم در سیستم روسازی راه آهن و توزیع تنشها و نیروهای اعمالی از ریل بـه سـطحی مطمـئن در بالاست است. از یک سو تراورس عامل اساسی در هزینه های تعمیر و نگهداری درکاهش هزینه راه آهن است و از سوی دیگر نقشی اساسی را در هزینه های تعمیر و نگهداری راه آهن بازی میکند. به دلایل فوق نحوه آنالیز، طرح و ساخت تـراورس هـا و همچنـین بکـار گیـری آنهـا در سیسـتم راه آهـن در تحقیقـات مهندسی راه آهن بسیار حائز اهمیت است. آنچه انجام این تحقیق را در ایـران حیـاتی مـینمایـد مـازاد بـر موارد بالا عبارت از عـدم وجـود تحقیقـات مـدرن و مهمتـر از همـه عـدم وجـود ضـوابط، اسـتانداردهای مشخص و روشهای تدوین شده در مورد آنالیز و طراحی تراورسهادر ایران است. بعنوان یک گام اولیه درتدوین ضوابط طراحی سیستم حمل و نقل ریلی در ایران در این تحقیق کلیه روشهای رایج آنـالیز و طـرح تراورسها مورد مقایسه و نقد قرار گرفته است.
٢- آنالیز تراورسها در روشهای رایج
بطور کلی در روشهای رایج مانند توصیه های BR , ORE , AREA وDB مراحل آنالیز تراورسها در مراحل ذیل انجام می گردد ب١م الف) تعیین بار دینامیکی اعمالی از چرخ به ریل (بار معادل) ب) تعیین ناحیه (سطح) موثر تکیه گاه تراورس ج) تعیین و محاسبه حداکثر بار نشیمنگاه ریل د)تعیین فشار تماسی بین تراورس و بالاست هـ) مدل کردن تراورس به همراه بار چرخها و توزیع فشار در زیر تراورس و یافتن حداکثر لنگر خمشی تراورس در نشیمنگاه ریل و در مرکز تراورس. این مراحل در این مقاله بررسی گردید و نقاط ضعف و قوت روشهای رایج در آنالیز تنشی تراورسها بحث گردیده است.
٢-١- تعیین بار اعمالی از چرخ به ریل (بار طرح)
در آئین نامههای مختلف بار اعمالی از چرخ به ریل بصورت استاتیک در نظر گرفتـه مـیشـود و برای جبران خطای حاصل از آن، بار استاتیک حاصل از وزن چرخ و سر بار آن را در ضریبی بنام ضـریب دینامیکی بار ضرب میکنند. محققین و انجمنهای تحقیقاتی مختلف پیشنهادات مختلفی در مـورد محاسـبه این ضریب ارائه کرده اند که ذیلاﹰ آورده می شود.
که در آن V سرعت قطار بر حسب (km/h) و D قطر چرخ بر حسب Φ (m) ضریب دینامیکی بار مـیباشـد. ئیسمن (Eisenmann) از انجمن مهندسین چـک (مرکـز تحقیقـات راه آهـن اروپـا) رابطـه فـاکتور ضـربه را بصورت ذیل تعریف می کند ب٢مح δ فاکتور وابسته به شرایط نگهداری سیستم راهآهن است.
انجمن بین المللی راه آهن (ORE) رابطه ذیل را توصیه نموده است ب٣م.
که در آنَα وَβ مرتبط هستند با مقدار میانگین فاکتور ضـربه وَγ اشـاره دارد بـه واریـانس مقـادیر فـاکتور ضربه. اداره راه آهن بریتانیا (BR) رابطه جامع ذیل را پیشنهاد کرده است ب١م.
که درآن Ps برابر بار استاتیک (KN) ، Pu وزن روی یک چرخ بدون فنر (کمکهای واگن) برابـر سختی سیستم زیر سازی در اتصالات ریل - ترازو (KN/mm)، g برابـر شـتاب زمـین (m/s2)، ( (α2 α1 برابـر مجموع زوایای شیب در محل اتصالات ریل تـراورس (رادیـان) وب سـرعت قطـار (واگـن) (km/h) اسـت.
خلاصهای از پیشنهادات دیگر استانداردهای دنیا در زمینه ضریب دینامیکی بار ذیلاﹰ آورده شـده اسـت. در استاندارد هند رابطه ذیل آمده است
K مدول روسازی راهآهن (مدول خط) میباشد (Mpa) (مدول خط عبارتست از مقدار تـنش لازم بـر ریـل برای ایجاد کرنش واحد در ریل در همان نقطه) و V سرعت قطار (Km/h) است. ساده شده رابطـه ضـریب بار دینامیکی در استاندارد آلمان بصورت ذیل پیشنهاد شده است
بهمین ترتیب در استاندارد آفریقای جنوبی رابطه ساده شده ای در فرم زیر ارائه شده است
که در آن D قطـر چـرخ بـر حسـب (mm) و V سـرعت قطـار بـر حسـب Km/h اسـت. در اسـتاندارد ایالـت کالیفرنیا رابطه بصورت ذیل آورده شده است ]٣[ (پارامترها قبلاﹰ تعریف شده اند).
در استاندارد تدوین شده در ایالت واشنگتن (WMMTA) همین رابطه بصورت دیگری آمده است
و نهایتاﹰ مولف در تحقیقات خود در سال 1992-1997 در ضوابط انجمن راه آهن استرالیا رابطه ساده ذیل را پیشنهاد کرده است ب٦م. فرمول فوق از مقایسه بین جوابهای حاصل از بارهای دینامیک و استاتیک بدسـت آمده است. در انجام این مقایسه از خصوصیات المانها و واگنهـای مختلـف در خطـوط راهآهـن اسـتفاده شده است. متﹸد آنالیز در یافتن رابطه فوق به روش المانهای محدود بوده است.
مقایسه نتایج حاصل ازروابط فوق مبین اختلافی تا حدود٣٠% است که قابل توجه می باشـد. ایـن اخـتلاف حاصل از شرایط مختلف دیگر المانهای راه آهن است (بخصوص شرایط نگهداری ریل) که در فرضـیات روشهای فوق در یافتن ضریب فوق در نظر گرفته شده است. آنچه بعنوان یک نتیجه گیری قابل بیان است آن است که در شرایط مطلوب نگهداری می توان مقدار حداقل φ و در شرایط ضعیف حداکثر φ را بکار گرفت آنطور که در روابط ئیسمن و ORE بیان شده است.
٢-٣ - ناحیه مؤثر تکیهگاه تراورس در زیر نشیمنگاه ریل
اولین قدم در آنالیز یک تراورس دانستن توزیع درسـت و صـحیح فشـار تماسـی بـین تـراورس و بالاست و تغییرات آن نسبت به زمان استب٧م. در وضعیت واقعـی در سیسـتم راه آهـن پـیش بینـی توزیـع صحیح فشار تماسی برای یک تراورس بسیار مشکل است. بعضاﹰ به منظور محاسبه تنش خمشی فرض مـی شود فشار تماسی بین تراورس و بالاست در عمل یکنواخت است. بدین وسیله می توان یک تقریب نسبی از اینکه نیروی عمودی اعمال شده ریل به تراورس چطور به بالاست منتقل می شود بدست آورد. اما آئین نامه های مختلف در مورد توزیع فشـار تماسـی نظـرات مختلفـی دارنـد. فرضـیات گونـاگون توزیـع فشـار تماسی بین تراورس و بالاست و نمودارهـا لنگـر خمشـی تـراورس در شـکل (١) ارائـه شـده اسـت. وقتـی بالاست در یک خط تازه کوبیده شده باشد ناحیـه فشـار تماسـی بالاسـت و تـراورس در زیـر هـر یـک از نشیمنگاههای ریلها اتفاق میافتد. ولیکن بعد از مدتی سرویس دهی توزیـع فشـار تماسـی بـین تـراورس و بالاست به سوی توزیع یکنواخت شدن میرود. این وضعیت همراه با یک فاصله (فضای خـالی (VOID بـین سطح تراورس و بالاست در زیر نشیمنگاه ریل برای تراورس چوبی میباشد. از این رو به سادگی می تـوان دید که توزیع فشار تماسی بین تراورس و بالاست تابع زمان میباشدب٨م. واقعیت بالا دلیلی است که بعضی از محققان توزیع یکنواخـت تـنش در زیرتـراورس را توجیـه و تجـویز مـیکننـد. بنـابراین وقتـی تعمیـر و نگهداری بصورت استاندارد صورت نگیرد توزیع تنش بیشتر شکل یکنواخـت را داشـته و بنـابراین میـزان تنش خمشی در وسط تراورس چوبی و بتنی توسـعه مـی یابـد. افـزایش تـنش خمشـی در وسـط تـراورس بلحاظ بهینه سازی در ساخت تراورس مطلوب نیست. بنابراین برای جلوگیری از افزایش تنش خمشـی در وسط تراورس، بالاست را در زیر نشیمنگاه ریل می کوبند. شرایط نگهداری از تراورسها بتنی مبتنی بر این است که در قسمت وسط در زیر تراورس تنش فشاری وجود نداشـته باشـد. پهنـای ایـن قسـمت اختیـاری است اما در سال ١٩٨٩ از طرف (ORE) این عرض حـدود 500 mm توصـیه شـده اسـت ب٩م. علـت کـاهش ضخامت در این قسمت از تراورس این است که با جلوگیری از بوجود آمدن تـنش در وسـط تـراورس از ایجاد تنش های خمشی حداکثر در وسط جلوگیری شود. در این حالت فرض یکنواختی توزیـع تـنش در زیر تراورس بنظر منطقی نمی رسد.
