بخشی از مقاله
عنوان مقاله :
تحلیل عملکرد بوژي هاي فرمان پذیر
-1 چکیده :
یکی از مهمترین اجزاء واگن که در سرعت و راحتی آن تأثیر گذار است ، بوژي می باشد . واگنهایی که فاصله بـین دو محور آنها از 9 متر تجاوز نماید باید به بوژي (Bogie) مجهز شـوند . بـوژي وظـایف متعـددي دارد از جملـه تـسهیل گردش واگن در قوسها ، حفظ بدنه واگن ، افزایش بار محوري (به علت افزایش تعداد محورها) و ... قطارهـاي مـسافري براي اینکه بتوانند با سایر وسایل حمل و نقل مانند هواپیما ، خودرو و ... رقابت کنند باید هم از سـرعت بـالا برخـوردار باشند و هم راحتی ( ( Ride comfort مسافرین را فراهم کنند . به همین دلیل امروزه تحقیقات زیادي در این مـورد در حال انجام است . امروزه به منظور دستیابی به سرعتهاي بالا بدون کاهش راحتـی سـفر ، از بـوژي هـاي جدیـدي مانند بوژي هاي نوسان گر ( ( Tilting bogie یا بوژي هاي فرمان پذیر ( ( Steered bogie استفاده می گردد . در این مقاله ، هدف معرفی خصوصیات بوژيهاي فرمان پذیر و مقایسه آنها با بوژي هاي معمولی از طریـق بررسـی نتـایج حاصله از تحلیل دینامیکی بوژي فرمان پذیر است .
شکل -1 مدلی از یک بوژي معمولی ( conventional) شکل - 2 مدلی از یک بوژي فرمان پذیر ( ( steered
1
-2 مقدمه :
با توجه به تصمیمات کلان اتخاذ شده در خصوص ناوگان مسافري کشور که در آن افزایش سرعت از جمله فاکتورهـاي مهـم مـی باشد لزوم استفاده از بوژي هاي فرمان پذیر به منظور کاهش نیروهاي بازدارنده و افزایش سرعت در قوس ، افزایش راحتی سـفر ، کاهش سرو صدا ، کاهش زاویه حمله و بالتبع کاهش سایش چرخ و ریل در قوس ، پیش از پیش نمایان می شود این مقاله نتـایج تحلیل دینامیکی یک نمونه بوژي فرمان پذیر و یک بوژي معمولی را مورد بررسی قرار می دهد .
-3 وظایف بوژي :
بوژي واگنهاي مسافري معمولاً توسط مسافران این واگنها دیده نمی شوند ولی نقـش مهمـی در ایمنـی (Safety) واگـن دارنـد .
بعضی وظایف بوژي عبارت است از :
◄ نگه داشتن بدنه واگن
◄ حرکت پیوسته در قوسها و مسیرهاي خمیده
◄ جذب ارتعاشات ایجاد شده در اثر خرابی هاي موجود در مسیر و کاهش ضربات ناشـی از نیـرو هـاي گریـز از مرکـز در حـین حرکت در قوسها با سرعت بالا و در نتیجه فراهم کردن راحتی در حین سفر
◄ کاهش تولید مشکل براي خط و کاهش سایش ریل و ...
-4 پیکر بندي بوژي ( : ( Bogie configuration
بوژي ها در دسته بندي هاي مختلفی قرار می گیرند که این دسته بندي می تواند بر اساس تعـداد محورهـا (Axle) ، طراحـی و ساختار سیستم تعلیق (Suspension) و ... صورت گیرد . به عنوان مثال در مورد تعداد محورها ، از آنجایی که بوژي بـر روي دو ریل فولادي حرکت می کند ، حداقل ساختار مورد نیاز آن یک محور و دو چرخ چسبیده به آن است . ( شکل ( 13 بنابراین بوژي ها از لحاظ تعداد محورها به تک محوره ، دو محوره ، سه محوره و ... دسته بندي می گردند . امروزه بوژي هاي دو محوره بیشتر از سایر بوژي ها مورد استفاده قرار می گیرند به این علت که بوژي هاي تک محوره ضربات را مستقیماً به بدنه منتقل مـی کننـد در حالیکه بوژي هاي دو محوره ضربات ناشی از خرابی هاي مسیر را در نقطه تعلیق کاهش می دهند و در مقایسه با بوژي سه محوره ساختار نسبتاً ساده تري دارند . (شکل . (3 بوژي هاي سه محوره سـاختار پیچیـده اي دارنـد و همـین سـاختار پیچیـده بـر روي عملکرد حرکتی آنها تأثیر می گذارد و تعمیر و نگهداري آنها را مشکل تر می سازد اما در عین حال قابلیت تحمل نیروي بیـشتري را دارند به همین دلیل امروزه از این نوع بوژي بیشتر در دیزل ها استفاده می شود .
شکل -3 انتقال اثرات ناشی از خرابی هاي خط به بدنه واگن در بوژي هاي تک و دو محوره
بوژي ها بر اساس طراحی یا نوع سیستم تعلیق به بوژي هاي مفصل دار (Articulated)و غیر مفـصل دار (Non-articulated) ، با با لشتک (bolster) و بدون بالشتک (Bolsterless) ، با اسکلت لولادار (Swing hanger) ، بالـشتک دار مجهـز بـه فنـر هوایی با سختی جانبی کم (Small lateral stiffness bolster spring bogie) و ... تقسیم بندي مـی گردنـد . بـا افـزایش سرعت در قطارهاي مسافري، انواع بوژي هاي سرعت بالا براي کاربري هاي مختلف توسعه یافته اند . از این نوع بوژي ها می تـوان به بوژي هاي نوسان گر ( ( Tilting bogie و بوژي هاي فرمان پذیر ( ( Steered bogie اشاره نمود . بوژي هـاي نوسـان گـر بیشتر براي کاهش نیروهاي وارده به مسافران در حین حرکت با سرعت بالا در قوسها و بوژي هاي فرمان پذیر براي کاهش اثـرات مخرب تعامل بین چرخ و ریل در سرعت هاي بالا هنگام حرکت در قوسها طراحی شده اند .
2
-5 بوژي هاي فرمان پذیر ( : ( Steered bogies
به طور کلی هر بوژي اي که داراي سختی کمی باشد و در حین حرکت در قوس ، محورهاي آن راحت تر با قـوس گـردش کننـد بوژي فرمان پذیر است (شکل(2 بوژي در مسیر قوس دار تمایل به لـوزي شـدن دارد در نتیجـه مجموعـه چـرخ و محـور جلـو در وضعیت منحرف نسبت به ریل قرار گرفته و چرخها براي حرکت به جلو اجباراً نیاز بـه لغـزش جـانبی خواهنـد داشـت . در بـوژي معمولی این لغزش موجب تماس شدید بین فلنج چرخها و کناره ریل شده و اصطکاك ناشـی از آن ، مقاومـت غلتـشی چرخهـا را افزایش داده و نیز سایش شدیدي در چرخ وریل ایجاد می کند ، ولی در بوژي هاي فرمان پذیر به علت انعطـاف پـذیري مجموعـه چرخ و محور ، خط مرکزي محور با شعاع قوس هم راستا می شود ( شکل ( 4 و بنابراین نیروهاي وارده به فلـنج در قـوس کمتـر شده و سایش چرخ و ریل نیز کمترخواهد بود علاوه بر این به دلیل کاهش نیروهاي بازدارنده به وسیله این بوژي ها مـی تـوان بـه سرعت هاي بالاتري در قوسها دست یافت .
شکل - 4 هم راستایی خط مرکزي محور بوژي با قوس در بوژي فرمان پذیر
-1-5 رفتار دینامیکی بوژیهاي فرمان پذیر ( ( Dynamic behaviour of steered bogies
رفتار واقعی بوژیهاي فرمان پذیر را فقط می توان با استفاده از مدلهاي ریاضی شبیه سازي کرد که اثرات متقابل دینامیکی اجـزاي تشکیل دهنده آنها را شامل می شود . حتی پیچیده ترین این مدلها نیز زیاد دقیق نیست ولی بـراي نـشان دادن ماهیـت موضـوع کفایت می کند . براي ساده کردن شبیه سازي ، هر جزء به عنوان یک سیستم جرم و فنر یکنواخت مدل می شـود . در صـورتیکه درحقیقت هر کدام از این اجزاء ، یک سیستم گسترده با درجات آزادي بالا است . براي آسانتر شدن روند محاسبات ، بایـد بعـضی از درجات آزادي بوژي و اجزاي آن نادیده گرفته شود یا بعضی اجزاء به صورت بدون جرم مدل شود . براي حل مشکلات گـسترده موجود ، با خطی درنظرگرفتن مشخصه هاي آیتمهایی مانند فنرها، دمپرها و غیره ، ساده سازي بیشتري انجام میشود .گذشـته از تمام محدودیتهاي موجود و ساده سازي هاي مذکور، با مدلسازي دینامیکی خطی می توان به طور مناسبی رفتار واگنهـا را نـشان داد . رفتار بوژي در قوس با استفاده از همان مدل دینامیکی جرم و فنر یکنواخت شبیه سازي می گردد .
-1-1-5 مدل جرم و فنر بوژي فرمان پذیر
مدل جرم و فنر بوژي یک بوژي فرمان پذیر آزمایشی در شکل 5 نشان داده شده است . در این مدل ، بـراي تـشخیص راحـت تـر مشخصه هاي اصلی ، تا حدودي نسبت به حالت واقعی ساده سازي انجام گرفته است .
-2-5 رفتار بوژي هاي فرمان پذیر در قوس :
با توجه به بهبود رفتار دینامیکی بوژي هاي فرمان پذیر نسبت به بوژي هاي معمولی بـه خـصوص در هنگـام حرکـت در قوسـها ، استفاده از بوژي هاي فرمان پذیر در مناسب تر است . به همین دلیل تحقیقاتی در زمینه بهبود تعادل نیرو در این بوژي ها انجـام گرفته و با استفاده از پارامترهاي طراحی بوژي هاي فرمان پذیر و معمولی ، پارامترهایی نظیر زوایاي حمله (Angle of attack) ، شاخص هاي سایش (Wear indices) و ... براي این بوژي ها محاسبه شده است . در این محاسبات لقی مجاز فلنج : 10 و 15
میلیمتر و شعاع قوس 30 تا 1000 متر فرض شده است . نتایج تحلیل به شرح ذیل می باشد :
3
شکل - 6 زاویه حمله - شعاع قوس شکل - 5 مدل جرم و فنر - بوژي فرمان پذیر
-1-2-5 نتایج حاصله از تحلیل قوسی :
از تحلیل قوسی ، نتایج بسیار خوبی در مورد تأثیر لقی فلنج حاصل می شود . شکل 6 نشان دهنده نمودار زاویه حملـه بـر اسـاس شعاع قوس براي محور جلویی بوژي جلو می باشد . در این نمودار مقیاس محور عمودي لگاریتمی و مقیـاس محـور افقـی خطـی است . این شکل بیانگر این مطلب است که در قوسهاي با شعاع کم ( زیر 200 متر ) زاویه حملـه در بـوژي هـاي معمـولی بـسیار بالاتر از بوژي هاي فرمان پذیر است همچنین در بوژي هاي فرمان پذیر در قوسهایی با شعاع زیر 100 بهتر است از لقی فلـنج 15
میلیمتر استفاده گردد .
شکل 7 نمایانگر شاخص سایش محل تماس چرخ و ریل ( (TWI بر اساس شعاع قوس می باشد . این شکل نشان می دهد کـه در بوژيهاي معمولی مقدار TWI مستقل از لقی فلنج است . همچنین مقدار TWI در بوژي هاي فرمان پـذیر همـواره بـه طـور قابل توجهی کمتر از بوژي هاي معمولی می باشد . نکته دیگري که از این شکل قابل استنباط است این است که حتـی در شـعاع قوس کم ، یعنی جایی که منحنی ها به هم نزدیک می شوند ، بازهم اختلاف TWI در دو بـوژي بالاسـت و تقریبـاً TWI بـوژي فرمان پذیر سه برابر بهتر از بوژي معمولی است .
