بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تنشهاي تماسی بین چرخ و ریل با استفاده از نرم افزار FEM
چکیده:
براي توسعه صنعت ریلی در هر زمان و مکانی نیاز به بحث و بررسی پیرامون اندرکنش چرخ و ریل احساس میشود چرا که پایه و اساس پیشرفت و بهینه سازي این صنعت مطالعه علمی این مبحث است. در مقاله حاضر پارامتر تنش تماسی به عنوان یکی از مهمترین پارامترهاي اندرکنش بین چرخ و ریل مورد بررسی قرار گرفتند. در این مقاله اعداد دقیق تنشهاي تماسی بدست نمی آیند چرا که در تنشهاي تماسی غیر از شکل و جنس چرخ و ریل مباحث پیچیده پلاستیسیته ،هیدرواستاتیک،سختی سطحی و... نیز دخیل هستند.
از نرم افزارهاي FEM براي مدلسازي تماسی چرخ و ریل استفاده شده که حالتهاي مختلف تماس(به صورت نو و ساییده شده) را مورد تحلیل قرار میدهد. در ابتداي این تحقیق بحثی در رابطه با تئوري تماس آورده شده و جایگاه تنشهاي تماسی و سطحی در آن مشخص میشود. در ادامه بحث مدلسازي و تحلیل توسط نرم افزار FEMگنجانده شده و در پایان با بدست آوردن نتایج و جدول بندي آنها، مقایسه اي بین حالتهاي مختلف تماسی صورت گرفته و در رابطه با آنها بحث شده است.
لغات کلیدي:
اندرکنش چرخ و ریل – تئوري تماس – تنشهاي تماسی – مدلسازي – نرم افزار - FEM حالتهاي تماس
مقدمه:
تعیین نیروهاي بین چرخ و ریل در سطح تماس آنها از مهمترین موضوعات مربوط به دینامیک حرکت قطار میباشد. از طریق این نیروها است که اثر متقابل دینامیکی بین خط و وسائط نقلیه ریلی تعیین میگردند. نیروهاي تماس چرخ و ریل به دو دسته کلی مماسی و نرمال ( در سطح تماس) تقسیم میشوند. لازم به ذکر است که در مدلهاي بررسی نیروهاي تماس چرخ و ریل باید توجه نمود که سطح تماس بسیار کوچک بوده بطوریکه حتی
تئوري تماس:
مطالعه روي مکانیک تماس غلطکی به همراه خزش در سال 1926 هنگامیکه Carter حل دقیقی از حالت دو بعدي را ارائه کرد شروع شد. در سال 1958 این امر توسط مطالعات Johnson ادامه پیدا کرد که مطالعه روي غلطش به همراه خزش و Spin در حالت سه بعدي بود. این نتایج تخمینی بودند که باعث شدند Kalker موفق شود که مسئله را به صورت عددي حل کند. Wriggers از تحلیل المان محدود استفاده کرد که با این روش انواع حالت هندسه را میتوان تحلیل کرد. تغییر شکلهاي پلاستیک در شکل چین خوردگیهاي سطح تماس،بعداً توسط Knothe مورد مطالعه قرار گرفت.
دراین مقاله سعی شده که مدلی واقعی مورد مطالعه قرار گیرد به همین دلیل از حالت استاتیکی خارج است و گشتاوري که به چرخ و محور وارد میشود و همچنین سرعتی که وسیله نقلیه دارد درتحلیل لحاظ شدهاند. مهمترین موضوع در تماس چرخ وریل مقدار تنشی است که به دو جسم وارد میشود زیرا با دانستن نیروهایی که به چرخ وریل وارد میشود، میتوان عمر آنها را نیز مورد محاسبه قرار داد و استفادة بهینه از آنها نمود. و همچنین با دانستن هندسه ناحیه تماس و پارامترهاي تنش و خزش میتوان سایش را مورد بررسی قرارداد و آن نیز به نوبه خود بر رفتار دینامیکی وسیله ریلی اثر میگذارد. تئوري هرتز در سال 1887 بیان شد و حاکی از این بود که تغییر شکل الاستیک فولاد چرخ و ریل، سطح تماس بیضی شکلی را خلق میکند. ابعاد بیضی تماس بوسیله نیروهاي نرمال روي سطح تماس محاسبه میشوند. در حالیکه نسبت محورهاي بیضی به پروفیلهاي چرخ و ریل بستگی دارد. در داخل سطح تماس توزیع فشار زیاد میشود بطوریکه در یک مقطع عرضی در حالتی شبه بیضی نمایش داده شده که با بیشترین فشار تماس اعمال شده در مرکز بصورت زیر داده میشود
در اینجا ما تئوري خطی کالکر را بیان می کنیم . دلیل بیان تئوري خطی Kalker اینست که در این تئوري نیروي عمودي ثابت و تمام ناحیه تماس بصورت منطقه چسبندگی در نظر گرفته میشود و نتایج آزمایشگاهی نزدیکی بسیار زیادي را با تئوري خطی kalker نشان میدهند. همچنین این تئوري بصورت گسترده دردینامیک وسایل نقلیه براي مشخص کردن پایدار جابه جایی و ارائه مرزهاي لغزش در برابر نیروهاي قوسی حالت پایدار استفاده میشود. در آزمایشات اثبات شده است که ضرایب خزشیاي که در تئوري خطی Kalker بیان شدهاند باید حدود %50 کمتر باشند که دلیل آن نیز آلودگی سطح و یا سختی سطحی میباشد. هر چند که تاکنون هیچ راه تحلیلیاي براي محاسبه این اثرات بیان نشده است. شواهد تجربی بیانگر این موضوع هستند که ضرایب kalker با فاکتور بیان شوند که f ضریب واقعی اصطکاك میباشد و 0.6 معیار اصطکاك است که توسط Kalker در این محاسبات صورت گرفته است. باید توجه داشت که نتایج حاکی از آنند که ضرایب واقعی خزش که آزمایش شدهاند در عملکرد وسیله نقلیه ریلی میتوانند به طور گستردهاي متفاوت باشند از مقادیر ارائه شده حتی در طول بسیار کوچک که این به خاطر شرایط متفاوت سطح از حالت ایدهآل و همچنین شکلهاي کلگی ریل در طول خط میباشد. رفتار دینامیکی یک وسیله نقلیه ریلی به مقدار زیادي از نیروهاي عمل کننده بین ریل و چرخ متأثر میباشد. این نیروها بستگی به پدیده خزش هنگامی رخ میدهد که دو جسم در حال غلتیدن برروي یکدیگر نیز فشرده شوند. دراینحال نیروهاي خزشی در اثر اختلاف میزان تغییر شکل موجود بین دو جسم و در منطقه تماس بوجود میآیند. به منظور محاسبه نیروهاي خزش طولی و جانبی و ممان خزش پیچشی در سطح بین ریل و چرخ، آگاهی نسبت به منطقه تماس از ضروریات براي تعیین روابط مورد نیاز بین خزشهاي طولی، جانبی و پیچشی میباشد.
در نقطه تماس این دو جسم محدوده تماس بوجود میآید. بنابر تئوري استاتیک هرتز، منطقه تماس بصورت بیضی بود. و نسبت نیمه قطرها بیضی ( b) را میتوان با دانستن شعاع انحناي اجسام در حال گردش بدست آورد.
براي محاسبه ابعاد واقعی b, α نیروي عمودي میبایست معلوم باشد. با توجه به اینکهعموماً سرعتهاي محیطی دو جسم غلتنده مساوي نمیباشد. بدون بعد خزش یا خزیدن براي تعریف این انحراف از حرکت خالص غلتش دو جسم بکار برده میشود. خزش ناشی از تفاوت در کرنش (Strain) دو جسم در ناحیه تماس است. خزش وابسته به حرکات خطی و زوایهاي چرخ و محور و نیز هندسه چرخ وریل میباشد. براي مدلسازي رفتار دینامیکی چرخ و محور از ارتباط اساسی مابین خزشها، نیروهاي خزش و گشتاوردهاي خزش استفاده میشود. فرضیات این مدل عبارتند از آنکه خزشها بسیار کوچک هستند، ناحیه لغزش آنقدر کوچک است که ازاثر آن صرفنظر میشود در نتیجه میتوان فرض نمود که ناحه چسبندگی تمامی سطح تماس را در بر میگیرد.
ضریب چسبندگی که F نیروي مماسی افزاینده (کاهنده) روي چرخ و یا نیروي کشش FT و W نیروي عمودي و یا نیروي وزن منتقل شده به وسیله چرخ میباشد.
در محاسبه نیروهاي خزشی داریم: براي نیروي خزش طولی fX بصورت
و براي نیروي خزش جانبی Fy به صورت
و براي ممان خزش پیچشی Mz بصورت
دقت داشته باشیم که در معادلات بالا، f11 وf12 وf22 و f33ضرائب خزش هستند که توسط کالکر بصورت زیر تعریف شدهاند:
:Cij ضرایب خزشی و پیچشی که فقط به ضریب پواسون σ و نسبت نیمههاي قطر بیضی تماس بستگی دارد. ζ sp ,ζ y ,ζ x خزش طولی، جانبی، پیچشی
:a نیمه قطر بیضی تماس در جهت غلطش :b نیمه قطر بیضی تماس در جهت جانبی
:G مدول صلبیت
Fx مستقل از میباشدمشابهاً Fy نیز از ζ x مستقل است.
مدلسازي:
براي مدلسازي تماس بین چرخ وریل دراین پروژه از نرم افزار Solid works استفاده شده است. این نرم افزار یکی از نرمافزارهاي قوي براي مدلسازي قطعات در صنعت میباشد در ویرایشهاي جدید آن قابلیتهاي بسیاري اضافه شده.
براي مدل کردن تماس چرخ و ریل ابتدا باید در محیط Port یک تکه از ریل و یک چرخ کامل را به طور مجزا در دو فایل متفاوت طراحی و ذخیره کرد.
مدل ریل با استفاده از پروفیل استاندارد UIC60 در حالت نو و در حالت ساییده شده ساخته شده و در سه فایل متفاوت ذخیره شده که تصاویر مربوط به هر کدام را در شکلهاي زیر مشاهده میکنید.
