بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی و مقایسه عملکرد انواع تراورسها و تحلیل عددی تراورس
چکیده
استفاده از روش المان محدود بهعنوان یک روش عددی گسترده در سال های اخیر افزایش یافته است. به علت پیشرفت و افزایش شناخت و افزایش ظرفیت سختافزاری و نرمافزاری کامپیوتر اکنون این روش بهعنوان روشی مناسب برای تحلیل سازههای مختلف انتخابشده، زیرا استفاده از نرمافزارهای کامپیوتری دارای سرعتبالا بوده و هزینهها را به طور قابلملاحظهای کاهش میدهد.
در این مقاله در ابتدا به بررسی و مقایسه انواع تراورسها چوبی، فلزی و بتنی پرداختهشده و سپس در امتداد مطالعات برای اصلاح ساختار روشهای دستی آنالیز و طراحی، تراورس چوبی و فلزی بهوسیله نرمافزار المان محدود ABAQUS مدل شده است. د ر این مدل از سه نوع توزیع فشار در زیر تراورس که الف) بالاست تازه زیرکوبی شده ب) بالاست نیمه متراکم شده ج) بالاستکاملاً متراکم شده استفاده شده است. همچنین برای ساده-سازی مدل، بهجای زیرسازی خط، از فنر استفاده شده است.
هدف از این مقاله ابتدا انجام یک مقایسه اجمالی بین عملکرد تراورسهای چوبی، فلزی و بتنی بهصورت موردی است و در مرحله دوم با استفاده از مدلسازی با نرمافزار المان محدود ABAQUS نحوه نشست بالاست، خیز تراورسها و توزیع تنش در تراورس چوبی و فلزی بهدست آورده شده است. بهوسیله خروجی های این مدل نقاط بحرانی تنش در تراورسها برای طراحی مناسب تراورسها بهدست می آید و همچنین نوع نشست در سه حالت بارگذاری ذکرشده نیز بهوسیله این مدلها بهدست میآید تا بتوان اثرات زیرکوبی را بر روی نشست تراور-سها مشاهده کرد.
کلمات کلیدی: المان محدود، ABAQUS، تراورس، چوبی، فلزی، بتنی، توزیع تنش، توزیع خیز
.1 مقدمه
در خطوط راهآهن میتوان تراورس را تکیهگاهی برای ریل و عاملی جهت انتقال و توزیع بار بر روی بالاست دانست . شناخت تراورس و مشخصات فنی و عمومی انواع آن و آگاهی از مبانی تحلیل و طراحی این جز از روسازی ریلی، از اهمیت خاصی برخوردار میباشد.
تراورس یکی از اجزای پر اهمیت در سیستم راهآهن میباشد. به طور کلی نقشهای مهم تراورس در راهآهن عبارت است از:[1]
• تحمل، انتقال و توزیع صحیح بار از ریل به بالاست
• ثابت نگهداشتن عرض خط و مشخصات هندسی خط
• ثابت نگهداشتن شیب 1 به 20 برای نصب ریل
• تأمین مقاومت مکانیکی کافی در جهت های قائم و افقی
مهمترین ملاک برای طبقهبندی تراورسها جنس آنها میباشد که تراورس ها از این نظر به چهار دسته گروه چوبی، فلزی، بتنی و کامپوزیتی طبقهبندی میشوند. در راهآهن ایران بیشتر از سه نوع تراورس چوبی، فلزی و بتنی استفاده میشود که در این مقاله به علت استفاده کم تراورسهای کامپوزیتی در راهآهن ایران هیچ اشارهای به آنها نشده است.
ازآنجاکه تراورسها نقش اساسی در پایداری خط دارند و اینکه هرکدام از آنها در فاصله حدود 60 سانتیمتر از هم قرار میگیرند پس هزینههای زیادی برای راهآهن به وجود میآورند. به همین دلیل نوع تراورس در این دو رویکرد تأثیرگذار خواهد بود.[1]
هدف از این مقاله، مقایسه بر اساس عملکرد بین تراورسهای چوبی، فلزی و بتنی میباشد و سپس تحلیل عددی بر روی تراورسهای چوبی و فلزی انجامشده است تا بتوان توزیع تنش در طول تراورس و همچنین نشست تراورس و بالاست را بهدست آورد.
در نرمافزار ABAQUS تراورس چوبی، فلزی بهصورت بار شبه استاتیکی قائم در سه حالت تنش زیر تراورس (الف: بالاست تازه زیرکوبی شده ب: بالاست نیمه متراکم شده ج: بالاستکاملاً متراکم شده) مورد تحلیل قرارگرفتهاند. همچنین برای ساده کردن مدلسازی، زیرسازی (بالاست، ساب بالاست، بستر) بهصورت فنرهای خطی (بدون دمپر) و به فاصله 5 سانتیمتر از هم استفاده شده است.
.2 مقایسه تراورسها بر اساس عملکرد
اطلاعات ترافیکی، هندسی، ادوات روسازی و وضعیت جوشکاری خطوط در کنار اطلاعات اندازهگیری نامنظمیهای هندسی به کمک کارشناسان اداره کل خط و سازههای فنی راهآهن، جمعآوری میشود و در ارائه شاخص وضعیت بلاکهای راهآهن بکار گرفته میشود.این اطلاعات نشان میدهد ک ه در کشور حدود %56 خطوط تراورس بتنی، %17 تراورسهای فلزی، %21 تراورس های چوبی و %6 تراورسهای دیگر تشکیل میدهند.[3]
مقایسه کلی بین این سه نوع تراورس چوبی ، فلزی و بتنی به شکل جدول زیر انجام شده است .
o اگر از نظر هزینه تراورسها مقایسه شود، میتوان مشاهده کرد که پارامتر نسبت هزینه (با توجه به اینکه قیمت تراورس فلزی مبنای مقایسه است) برای تراورس فلزی 1 ، برای تراورس چوبی 0 8 و تراورس بتنی به دلیل انواع مختلف آن، نامشخص و با توجه به طراحی هزینه ساخت تراورس بتنی متغیر میباشد.
o تراورسهای چوبی به دلیل وزن کمی که دارند نمیتوانند در مقابل نیروی جانبی وارد بر تراورس عملکرد خوبی داشته باشند. ولی به دلیل وزن کم آن از نظر اجرای روسازی عملکرد بهتری دارند.
o اگر هزینه اولیه ارزان هدف طراحی باشد تراورس های چوبی بهترین گزینه هستند ولی اگر هزینه بلندمدت ارزان هدف طراحی باشد (هزینههای تراورسهای بتنی که طبق بیان گذشته به طراحی بستگی دارند.) تراورسهای فلزی بهترین انتخاب میباشند.
.3 نحوه مدلسازی تراورسها
برای تبدیل بار استاتیکی به بار شبه استاتیکی، بایستی بار استاتیکی را در عددی بهعنوان ضریب ضربه، ضرب کرد تا اثرات ضربه وارده به تراورس را که موجب افزایش میزان نیروی وارده میشود در نظر گرفته شود. ضریب ضربه را میتوان مطابق فرمول (1) محاسبه کرد.
که در آن v سرعت قطار بر حسب و قطر چرخ بر حسب ضریب دینامیکی بار میباشد.
همچنین برای تعیین بار رسیده از ریل به تراورس از روش توزیع بار بر روی سه تراورس استفاده شده است که طبق این روش حداکثر بار ممکنه تراورس وقتی اتفاق میافتد که بار چرخ روی ریل، بین سه تراورس مجاور توزیع شود. در این روش،X اگر بار نشیمنگاه ریل روی تراورس وسطی درصد و بار روی نشیمنگاه ریل روی دو تراورس مجاور دیگر 2 درصد باشد؛ معمولاًو مقدار %50x, بار طرح چرخ فرض میشود. (برابر با %25 بار طرح محوری) (ریموند، کوترام و هیث،آیزِنمن و مؤسسه ( ORE
بنابراین حداکثر بار نشیمنگاه ریل عبارت است از:
که در آن p عبارت است از بار طرح چرخ (KN)
همچنین توزیع فشار تماسی بین تراورس و بالاست مطابق با فیش UIC 713 R در سه حالت مختلف شکل((2 در نظر گرفته شده است.
جهت بررسی پیشنهادهای ارائهشده در بالا برای سنجش نیروهای وارده بر تراورس ها نیاز به ساخت یک مدل کامپیوتری از تراورس ها و آنالیز آن به روش استاتیکی در شرایط مختلف المانهای راهآهن و سیستمهای پیشنهادی جهت بارگذاری تراورسها است. برای این منظور مدلی از تراورسها ساخته شد که کلیه خصوصیات این تراورس ها به لحاظ خواص فیزیکی و مکانیکی به مدل بهعنوان دادههای ورودی دادهشده و هر دو نوع تراورس چوبی و فلزی بهصورت الاستیک مدل شدهاند. [5]
در این مقاله با فرض اینکه حداکثر بارمحوری واگن های باری 25 تن و قطر چرخ آن 1 متر و سرعت طرح مسیر 120 کیلومتر بر ساعت می باشد به محاسبه بار شبه دینامیکی رسیده به یک تراورس میپردازیم.ابتدا ضریب ضربه مطابق زیر محاسبه شد:
با توجه به اینکه بار رسیده به یک چرخ محور، نصف بارمحوری میباشد .بنابراین+5.21بار چرخ برابر با 12.5 تن 125کیلونیوتن بهدست میآید. پس بار شبه استاتیکی چرخ برابر است با:
همچنین بایستی این بار رسیده به تراورسها به مساحت زیر ریل که بر روی تراورس قرار دارد تقسیم شود؛
بنابراین:
سختی معادل زیرسازی برای مدل فنر در زیر تراورسها با توجه به فرضیات انجامشده برای مصالح بالاست و زیر بالاست 120 کیلو نیوتن بر میلیمتر فرض شده است.
برای مدلسازی تراورسهای چوبی و فلزی مصالح آن بهصورت زیر تعریف شده است.
محل پیچها هم در فواصل 385 تا 715 میلیمتری از کنار تراورس عمق رولپلاکها برابر 90 میلیمتر و به قطر 22 میلیمتر میباشد و از ایجاد شیب در ارتفاع بهمنظور سادهسازی خودداری شده است.[2 ]
