بخشی از مقاله
چکیده
امروزه دینامیک حرکت وسایط نقلیه ریلی و اندرکنش آنها با خطوط، یکی از مسائل مهم در طراحی و پیشبینی رفتار حرکتی اینگونه وسایل در صنعت ریلی میباشد که به شکرانه ظهور سیستمهاي کامپیوتري پرقدرت و سریع و نیز حصول تئوريهاي دقیق امکانپذیر گشته است. در این میان بررسی ایمنی لکوموتیو از نظر میزان ضریب خروج از خط در قوسها، بسیار مورد توجه می باشد.
لکوموتیو GT26CW یکی از لکوموتیوهاي پرکاربرد در صنعت ریلی کشور میباشد که در مورد رفتار دینامیکی آن در داخل کشور اطلاعات زیادي در دسترس نیست، لذا از عناوین تحقیقاتی مورد توجه کارخانجات لکوموتیوسازي مپنا و مرکز تحقیقات راهآهن کشور میباشد.
بدین منظور در این مقاله، یک مدل دینامیکی از لکوموتیو با 28 درجهي آزادي جهت تعیین ایمنی آن در نواحی مختلف مسیر مورد مطالعه قرار گرفته است. تأثیر پارامترهاي مختلف همچون پروفیل چرخ - براي دو پروفیل چرخ رایج S1002 و - P8، مشخصات سیستم تعلیق اولیه و ثانویه و ضریب اصطکاك چرخ و ریل نیز به منظور دستیابی به ایمنی بیشتر در لکوموتیو بررسی شده است.
به کمک ماتریسهاي جرم، میرایی و سختی ایجاد شده میتوان نسبت میرایی و پاسخ سیستم - به منظور تعیین ضریب خروج از خط - را در شرایط مختلف محاسبه و ارزیابی نمود. مشاهده میگردد که پروفیل چرخ P8 در مقایسه با پروفیل S1002 ایمنی کمتري را براي وسیلهي نقلیه فراهم مینماید. همچنین با افزایش صلبیت سیستم تعلیق اولیه، ایمنی لکوموتیو کاهش مییابد.
مقدمه
خروج از خط ممکن است به علل مختلفی همچون اشکال در پایداري حرکت جانبی چرخها، خرابی خطوط و وسائط نقلیه و عوامل بهرهبرداري صورت گیرد. اما در هر حالت نتیجهي نهایی آن به بالا رفتن چرخ از ریل، ازدیاد گیج خط و یا دوران ریلها خواهد بود. خروج از خط ممکن است به دلایل مختلفی همچون برخورد وسائط نقلیهي ریلی با یکدیگر در تقاطعها، ریزش کوه، جابجایی خط به دلیل زلزله، بریدگی محور، مسائل مربوط به درز ریلها و سرعت زیاد قطارها رخ دهد. این عوامل به راحتی قابل شناسائی و تشخیص بوده و لذا بررسی خروج از خطهاي ناشی از آنها نیاز به تحلیل پیچیده اي ندارد.
اما در شرایطی ممکن است خروج از خط وسائط نقلیه ریلی به علتهاي نامعلوم حادث گردد . تحلیل اینگونه خروج از خطها نیاز به تخصص و تجربهي بالایی در رابطه با پدیدههاي دینامیکی اندرکنش قطار و خط دارند. در رابطه با گروه اول خروج از خطلازم است صرفاً ضوابط و مقررات ویژهاي منظور شده و به کار گرفته شود تا از بروز آنها جلوگیري شود. در گروه دوم، شناخت علل و عوامل مؤثر و میزان تأثیر هر عامل در بروز خروج از خط مشکل و پیچیده بوده به بررسی دینامیکی بیشتري نیاز دارد. این گروه خروج از خط 6 نوع متفاوت را شامل می شود:
• خروج از خط از نوع بالا رفتن چرخ از ریل
• خروج از خط از نوع دوران ریل ها
• خروج از خط از نوع افزایش گیج خط
• خروج از خط از نوع لغزش چرخ بر ریل
• خروج از خط از نوع پرش چرخ از روي ریل
• خروج از خط از نوع ارتعاشی
از انواع مختلف خروج از خط فوقالذکر نوع اول یعنی خروج از خط به دلیل صعود چرخ از ریل، به دلیل سازگاري نوع حرکت آن با ماهیت غلتشی معمولی چرخها مهم تر و متداول تر بوده و در راهآهنهاي مختلف هم معمولاً بیشتر از انواع دیگر رخ میدهد. از اینرو این نوع خروج از خط که بیشتر مورد توجه محققین و دست اندرکاران سیستمهاي مختلف حمل و نقل ریلی نیز میباشد.
لکوموتیو GT26CW یکی از لکوموتیوهاي پرکاربرد در صنعت ریلی کشور میباشد که در مورد رفتار دینامیکی آن در داخل کشور اطلاعات زیادي در دسترس نیست، لذا از عناوین تحقیقاتی مورد توجه کارخانجات لکوموتیوسازي مپنا و مرکز تحقیقات راهآهن کشور میباشد. در این مقاله، یک مدل دینامیکی از لکوموتیو با 28 درجهي آزادي جهت تعیین ایمنی آن در نواحی مختلف مسیر مورد مطالعه قرار گرفته است.
تأثیر پارامترهاي مختلف همچون پروفیل چرخ - براي دو پروفیل چرخ رایج S1002 و - P8، مشخصات سیستم تعلیق اولیه و ثانویه و ضریب اصطکاك چرخ و ریل نیز به منظور دستیابی به ایمنی بیشتر در لکوموتیو بررسی شده است. این لکوموتیو داراي دو بوژي 3 محوره است که به کمک سیستمهاي تعلیق اولیه و ثانویه و گهواره به بدنهي لکوموتیو متصل شدهاند.
از آنجاییکه در این مقاله هدف بررسی ضریب خروج از خط در قوس میباشد، وجود واگن براي اتصال به آن ضروري نمیباشد . زیرا نیروهاي وارد شده بین لکوموتیو و واگنها عمدتاً از نوع طولی میباشد و در راستاي قائم و جانبی تأثیر ناچیزي دارد . همچنین وجود واگن در انتهاي لکوموتیو در قوسها باعث میشود نیرویی در خلاف جهت نیروي گریز از مرکز به لکوموتیو وارد گردد که باعث کاهش ضریب خروج از خط لکوموتیو و افزایش ایمنی آن میگردد. لذا حالت بحرانی در تحلیل دینامیکی ایمنی حالتی است که لکوموتیو به تنهایی و بدون اتصال به واگن بر روي ریل حرکت نماید.
پروفیل چرخهاي وسائط نقلیه ریلی در چگونگی حرکت قطارها و تأثیر دینامیکی آنها بر اجزاء خطوط و خود قطارها حائز اهمیت زیادي میباشد. از اینرو در بیشتر راهآهنهاي دنیا مطالعات گسترده و مستمري در رابطه با انتخاب پروفیل - پروفیلهاي - چرخ مناسب با خطوط و شرایط بهرهبرداري صورت گرفته استمعمولاً. هدف اصلی از این فعالیتها نیز کاهش نرخ سایش چرخ و ریل، ارتقاء ایمنی، راحتی سیر و حرکت قطارها، کاهش هزینههاي تعمیر و نگهداري و .. . بوده است. به عنوان نمونه در کشور انگلستان مطالعات گسترده و منسجمی بر روي امکانسنجی کاهش تعداد پروفیلهاي مورد استفاده در راهآهن آن کشور صورت گرفته و بر این اساس حدود 9 پروفیل استاندارد براي چرخهاي وسائط نقلیه انتخاب و مورد استفاده قرار داده شده اند.
در مطالعات مربوط به تعیین پروفیلهاي مناسب براي خطوط مختلف هر راهآهنی، فاکتورهاي عمدهاي همچون نوع وسیلهي نقلیه، تکنولوژي بکار گرفته شده در ساخت آنها، شرایط و ویژگیهاي خطوط، شرایط بهره برداري و شرایط محیطی منظور میشود. پروفیلهاي منتخب و مناسب نیز هر کدام داراي مشخصات و ویژگیهاي خاص خود میباشند. محققین تأکید دارند که دلایلی چون تنوع وسائط نقلیه ریلی و تکنولوژيهاي مربوطه، تنوع خطوط ریلی و برعکس شرایط بهرهبرداري تقریباً یکسان و مشابه توجیه صحیح و مناسبی براي استفاده از صرفاً یک یا حتی دو نوع پروفیل چرخ نخواهد بود.
اما از طرف دیگر، استفاده از پروفیلهاي متعدد و مختلف هم ممکن است از لحاظ اقتصادي و بهرهبرداري مقرون به صرفه نباشد. چرا که گاهی در صنعت راهآهن اهداف و منافع نهفته در حمل و نقل ملی، منطقهاي و بینالمللی بر مضرات و خسارات ناشی از بهینه و سازگار نبودن پروفیلهاي چرخ و ریل و لذا اندرکنش نامناسب آنها رجحان پیدا میکند. در راهآهن ایران نیز از پروفیلهاي زیادي در بخش حمل و نقل باري و مسافري استفاده میشود. اما از آنجا که انتخاب این پروفیلها بر مبناي علمی مشخصی استوار نبوده است، ضرورت انتخاب پروفیلهاي مناسب بر اساس مبانی علمی و تحقیقاتی هنوز اولویت تحقیقاتی و بهرهبرداري خاص خود را داراست.
پروفیل چرخها بر عوامل مختلفی از جمله شیب مخروطی، نیروي مقاوم چرخشی، اندازه و موقعیت تماس چرخ و ریل، پایداري وسیلهي نقلیه، راحتی حرکت وسیلهي نقلیه، سایش چرخ و ریل، توزیع نقاط تماس، اختلاف شعاع غلتشی تأثیر میگذارند [4]. یونسی زاده [5] به بررسی عوامل مؤثر در پایداري و نیروي جانبی بین چرخ و ریل پرداخت. او نشان داد که عواملی همچون تعداد محور بوژي، لقی بین قطعات و ادوات بوژي بر نیروهاي جانبی بین چرخ و ریل مؤثرند.
قاضوي و همکاران [6] به تحلیل دینامیکی بوژي باري سه تکه به کمک نرمافزار متلب و مقایسه ي آن با نرم افزار تحلیل دینامیکی آدامز ریل پرداختند. هر دو مدل آنها نشان داد احتمال خروج از خط بلافاصله بعد از وارد شدن در مسیر منحنی افزایش مییابد.
شکل :1 شکل عمومی یک مسیر
براي توصیف مسیر سه دستگاه مختصات در نظر گرفته میشوند: دستگاه مطلق XYZ - با بردارهاي یکه - ijk، دستگاه مختصات - X Y Z با بردارهاي یکه - i j k که محور X آن همواره در راستاي شعاع قوس r است. دستگاه مختصات - X Y Z با بردارهاي یکه - i j k که محور X آن همواره در راستاي شیب عرضی مسیر است و دستگاه مختصات - X‴ Y‴ Z‴ با بردارهاي یکه - i‴ j‴ k‴ که محورZ‴ آن همواره در راستاي مسیر و محورX‴ آن به سمت چپ وسیلهي ریلی است و در زیر مرکز جرم چرخ محور قرار دارد - در حقیقت مرکز این دستگاه تصویر مرکز جرم چرخ محور بر روي بستر ریل است - .
شکل :2 معرفی دستگاه هاي مختصات
استفاده از دستگاه هاي واسطه براي استفاده در معادلات اولر
در این قسمت دستگاههاي واسطه که بر روي مرکز جرم هریک از اجزاي وسیلهي ریلی از قبیل بوژي، گهواره و واگن قرار دارند، بررسی میشوند. دستگاه b b b به مرکز جرم بوژي، دستگاه g g g به مرکز جرم گهواره و دستگاه به مرکز جرم بدنه لکوموتیوh h h متصل هستند و با آنها دوران میکنند.
شکل :3 نحوه جهت گیري دستگاه واسطه نسبت به دستگاه چسبیده به ریل
شکل :4 روابط بین دستگاه هاي متصل به ریل و متصل به جسم میتوان از طریق محاسبات هندسی بدست آورد.
شکل :5 بردارهاي تعادل و انحراف اجزاي ریلی
در اصطلاح ریلی رسم بر این است که میزان انحراف وسیله ریلی نسبت به دستگاهی که بردارهاي یکه آن همراستا با راستاهاي طولی، جانبی و قائم بر ریل است - i‴ j‴ k‴ - سنجیده میشود. به طور مثال براي چرخ محور روابط به صورت زیر خواهد بود:
عملکرد دینامیکی وسیله ریلی به میزان زیادي به نیروهاي بر هم کنش چرخ و ریل بستگی دارد. هندسه پروفیل چرخ و ریل بر مشخصه خزش- چسبندگی- سایش اثر میگذارد و آنها هم بر روي رفتار دینامیکی وسیله نقلیه تأثیر میگذارند. همچنین شرایط محیطی و سطحی از قبیل سطح تماس چرخ و ریل در حالیکه سطح ریل با برف، آب و یا روغن پوشانیده شده و همچنین خصوصیات موادي که چرخ و ریل از آنها ساخته شدهاند مانند ضریب انبساط گرما و نسبت پواسون نیز بر روي برهم کنش چرخ و ریل تأثیر میگذارند.
مسئله مدل کردن نیروهاي تماسی بین چرخ و ریل یکی از مهمترین مسائل فرآیند مدل کردن خودروهاي ریلی میباشد. در بسط یک رابطه تحلیلی براي ارتباط نیروهاي تماسی و حرکتهاي بین چرخ و ریل، میبایستی تشخیص داد که تماس بین چرخ و ریل در یک ناحیه محدود که میتواند روي سطح صاف نباشد، چگونه است. سرعت نقاط مختلف این ناحیه متفاوت هستند و توزیع تنش در تمام این ناحیه یکنواخت نیست. گرچه براي بررسی معادلات حرکت سادهتر است که برآیند تمام این پارامترها را براي مدلی در نظر گرفت که ناحیه تماس منحصر به یک نقطه میشود، با وجود این در نقطه مذکور سرعت چرخ و ریل متفاوت است.
