بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، پروفیل چرخهاي فولادي نو و سایش یافته مد نظر قرار گرفته و تأثیر سایش بر میزان تنش وارد بر چرخ مورد تحلیل قرار گرفته است. در این پژوهش چرخ نو با پروفیل استاندارد S1002 انتخاب گردیده و پس از طی مسیر در محور ریلی جنوب ایران - داراي قوسهاي تند - ، فلنج چرخ به شدت سایش یافته و پروفیل چرخ تغییر مییابد. ثبت پارامترهاي چرخهاي ساییده شده و استخراج پروفیل جدید به کمک دستگاه پروفیل نگار لیزري و با دقت بالا انجام گرفته است. با انتخاب این جامعه آماري، از تئوري تماسی هرتز براي تعیین مساحت ناحیه تماس چرخ و ریل و سپس محاسبه میزان تنش استفاده شده است.
نتایج نشان می دهد با سایش چرخ، نقطه تماس چرخ و ریل در عرض ریل جابجا میشود و در نتیجه مشخصات هندسی و بیضی تماس دچار تغییر شده و تنش در نقطه تماس تغییر مییابد. با افزایش سایش چرخ تا حد رسیدن ضخامت فلنج به 23 میلیمتر، تنش وارده به شدت افزایش یافته و میزان تنش بدست آمده از تنش تسلیم چرخ فراتر میرود و این حد مشخص، حدي است که لازم است چرخ از واگن منفصل شده و به قسمت تعمیرات فرستاده شود. حد سایش و تنش به دست آمده جهت انفصال چرخ، با استاندارد مربوطه حمل و نقل ریلی مطابقت دارد.
مقدمه
هزینه هاي ناشی از خرابی و طول عمر چرخ همواره مورد توجه متخصصین مرتبط با صنعت حمل ونقل ریلی از نقطه نظر تئوري و عملی بوده است.1]و[2 از سوي دیگر افزایش آمار انفصال واگنها به سبب خرابی که عمدتاً در سالهاي اخیر به واسطه سایش و خرابی چرخ و محور اتفاق افتاده، علاوه بر ایجاد نارضایتی مسافران هزینه- هاي بسیاري را بواسطه توقف هر واگن به مجموعه شبکه ناوگان ریلی وارد کرده است
شرایط تماس ریل و چرخ به طور مستقیم بر مقدار و نحوه سایش آنها در خطوط راه آهن موثر است. تماس بین ریل و چرخ تابع عوامل متعددي بوده که از مهم ترین آنها در حوزه تماس الاستیک، شکل هندسی پروفیل ریل و چرخ میباشد.
هنگامی که دو جسم صلب توسط نیروهاي عمودي به هم فشرده میشوند، ناحیه تماس بین آنها شکل میگیرد. شکل و اندازه این ناحیه بین دو جسم الاستیک در حالت تماس استاتیکی توسط هرتز شناسایی شده است.
تئوري هرتز در سال 1887 بیان کرد 4]و[5 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 می شوند. نسبت محورهاي بیضی به پروفیلهاي چرخ و ریل بستگی دارد و در داخل سطح تماس توزیع فشار زیاد میشود. در این مقاله اثر سایش پروفیل بر تغییر تنش در محدوده سطح تماس و تعیین تنش وارده به چرخ سایش یافته مورد مطالعه و تحلیل قرار میگیرد.
تعیین پروفیل چرخهاي ساییده شده
به منظور بررسی تاثیر سایش بر میزان تنش، تعدادي واگن براي سیر در مسیر ریلی جنوب ایران انتخاب شده تا با به جاي پروفیلهاي شبیه سازي شده متداول، پروفیلهاي سایش یافته واقعی مورد مطالعه قرار گیرد. براي اندازهگیري پارامترهاي چرخ از دستگاه پروفیل نگار لیزري استفاده شده است. پروفیل نگار لیزري با قرار گرفتن روي چرخ و از طریق تاباندن پرتو نوري به اندازهگیري پارامترهاي چرخ ازجمله ضخامت فلنج میپردازد.
روند تغییرات پروفیل چرخ که در شکل 2 به نمایش درآمده است، نشان دهنده سایش شدید در فلانچ چرخ است. در شکل 2پروفیل ابتدایی چرخ که همان پروفیل استاندارد S1002 میباشد، درکنار پروفیل سایش یافته نهایی در هنگام انفصال چرخ - مطابق با استاندارد حمل و نقل ریلی [6] با رسیدن ضخامت فلنج چرخ به اندازهاي کمتر از 23 میلیمتر - نشان داده شده است.
با توجه به این روند سایشی، هفت پروفیل سایش یافته در محدوده ضخامت فلنج حدود 34 تا 23 میلیمتر براي بررسی انتخاب شدند. مشخصات این پروفیل ها در جدول 1 نمایش داده شده است.
در واقع این پروفیل ها نشان دهنده روند سایش چرخ مورد نظر در طول سیر آن میباشند که با بررسی این پروفیل ها می توان رفتار چرخ را در طول مدت سیر ارزیابی کرد.
مجموعه چرخ و محور اعمال شود که باعث بازگشت مجموعه به مکان اولیه خود و جبران جابجایی میشود. همچنین اعمال این نیرو باعث سازگاري شعاعی بیشتر مجموعه چرخ و محور در منحنی ها خواهد شد. طبعاً این سازگاري باعث افزایش غلتش و کاهش سر خوردن و در نهایت کاهش سایش چرخ و ریل میگردد.7]و[8
شکل :1 پروفیل نگار لیزري
شکل 2 الف: پروفیل اولیه مطابق با استاندارد S1002
شکل 2 ب: پروفیل سایش یافته پس از 60000 کیلومتر سیر و رسیدن به حد انفصال مطابق با استاندارد UIC
جدول:1 اندازه پارامتر هاي پروفیل چرخ براي سه پروفیل انتخاب شده
هدایت چرخ در مسیر ریلی
چرخهاي قطار به جاي استوانهاي بودن مخروطی شکل میباشند
- شکل - 3 و این عاملی است که باعث میشود در طی یک مسیر اگر جابجایی جانبی ناچیزي داشته باشیم، یک نیرو به سمت مرکز
شکل :3 مشخصات عمومی چرخ و محور بر روي ریلی با گیج mm 1435
اگر پروفیل چرخ و ریل در نقطه تماس به صورت دایروي فرضشوند می توان مشاهده کرد که در اثر جابجایی جانبی مجموعه چرخ و محور، نقطه تماس روي ریل به اندازه جابجا می شود. در مورد پروفیل چرخ مخروطی شعاع نامحدود است و بنابراین نقطه تماس بر روي ریل جابجا نمی شود. این بدین معناست که سایش ریل به شدت بر روي این نقطه متمرکز میشود.
شکل :4 جابجایی نقطه تماس چرخ و ریل با جابجایی عرضی چرخ و ریل
بنابراین بعد از سائیده شدن پروفیل چرخ به علت این که شعاع مخروطی دیگر نامحدود نیست میزان تمرکز تنش بر روي یک نقطه تا حدودي کاهش پیدا میکند و سایش کم میشود. از سوي دیگر باید اثر این نکته یعنی جابجایی نقطه تماس بر روي طراحی پروفیل چرخ بگونهاي لحاظ شود که میزان سایش را به حداقل ممکن برساند. در این رابطه یک مورد جالب زمانی پدید می آید که شعاع چرخ و ریل تقریباً یکسان باشد. در این حالت اگر محور یک جابجایی کوچک جانبی داشته باشد اثر آن به صورت پرش نقطه تماس چرخ و ریل ظاهر می شود که در نهایت باعث ارتعاش و کاهش راحتی حرکت مسافران میشود. به طور کلی میتوان نواحی تماس چرخ و ریل را مطابق شکل 5 به سه ناحیه تماس بین قسمت مرکزي تاج ریل و طوقه چرخ - ناحیه - A، تماس بین سطح جانبی داخلی ریل و کمان فلانج - ناحیه - B و تماس بین قسمت بیرونی ریل و چرخ - ناحیه - C تقسیم نمود.
شکل :5 نواحی تماس چرخ و ریل
تئوري هرتز براي ناحیه A معتبر است و نقطه تماس را در این ناحیه جستجو مینماید.
تئوري هرتز
هنگامی که دو جسم صلب توسط نیروهاي عمودي به هم فشرده می-شوند، ناحیه تماس بین آنها شکل میگیرد. شکل و اندازه این ناحیه بین دو جسم الاستیک در حالت تماس استاتیکی توسط هرتز شناسایی شده است. اگر چرخ و ریل از دو جنس مختلف تشکیل شده باشند، بنابر نظریه هرتز، شکل ناحیه تماسی یک بیضی است. قطرها در چنین بیضی تماسی در جهات طولی و عرضی به صورت زیر محاسبه میشود که در واقع نسبت قطر بزرگتر بیضی تماس به قطر کوچکتر است.
در معادله بالا بار عمودي است که به چرخ وارد میشودو به ترتیب نسبت پواسون براي چرخ و ریل میباشد تنش فشاري در منطقه تماس نیز از رابطه زیر محاسبه میشود.
براي محاسبه شعاع انحناي چرخ در نقطه تماس لازم است معادله پروفیل در نقطه تماس مشخص باشد. رابطه زیر نشان دهنده معادله پروفیل استاندارد S1002 چرخ در ناحیه تماس است.بطوریکه محور قائم و محور افقی است.
در مرحله اول منحنی چرخ را با منحنی ریل قطع داده تا نقطه تماس بدست آید. سپس شعاع نقطه تماس را به ازاي این نقطه از رابطه زیر محاسبه میگردد.
در روابط فوق شعاع چرخ، شعاع انحناي چرخ در نقطه تماس، شعاع ریل و شعاع انحناي ریل در نقطه تماس می-باشد. براي بدست آوردن نسبت شعاع بزرگتر ناحیه تماس به شعاع کوچکتر ناحیه تماس میبایست ابتدا دو انتگرال زیر محاسبه شود:
براي محاسبه انتگرالهاي فوق نسبت را تغییر میدهیم و در جایی که نسبت و با هم برابر شود، همان نسبت قابل قبول بدین ترتیب و با توجه به خواص مکانیکی چرخ و ریل و روابط 1و 2 نسبت بدست میآید.
به همین ترتیب پروفیلهاي به دست آمده از خروجی دستگاه پروفیل نگار لیزري، به عنوان ورودي به نرم افزار MATLAB داده شده و به کمک جعبه ابزار CFTOOL یک منحنی درجه 8 به آن نسبت داده میشود. با قطع دادن منحنی بدست آمده از سایش چرخ با منحنی ریل نقطه تماس چرخ وریل محاسبه میگردد وشعاع انحناي چرخ بر اساس این نقطه بدست میآید. این مراحله به کمک نرم افزار MAPLE انجام میپذیرد.
پس از بدست آوردن نقطه تماس پروفیل چرخ ساییده شده با ریل و شعاع انحناي پروفیل، محاسبه اقطار بیضی تماس و میزان تنش فشاري وارد بر چرخ به کمک کد کامپیوتري نوشته شده در نرم افزار MATLAB انجام گرفته و مقایسه پروفیل ها بر مبناي میزان تنش فشاري وارد بر چرخ صورت میپذیرد.
