بخشی از مقاله
خلاصه
قطار و ریل یکی از شیوه های متداول حمل و نقل در جهان می باشد که استفاده گسترده از آن، ضرورت مطالعه در این حوزه را نمایان می سازد. هدف از این مقاله، بررسی تاثیر جهت حرکت بار بر روی رشد ترک خستگی در ریلهای راه آهن می باشد. . بدین منظور از نمونه ریل موجود در سامانه ریلی ایران یعنی ریل UIC60 با هندسه دقیق پروفیل و روش اجزای محدود استفاده شده است.
در این راستا ابتدا یک مدل المان محدود الاستیک-پلاستیک سه بعدی ارائه می شود و با استفاده از این مدل، محل تنش حداکثر ناشی از تماس چرخ و ریل بدست می آید. سپس با استفاده از کد المان مرزی ضمن انجام تحلیل تنش به ازاء موقعیت های مختلف استقرار چرخ، مقادیر مختلف ضریب شدت تنش بدست آمده است.
دو مشخصه مربوط به انتشار ترک خستگی تماسی غلتشی یعنی رشد و امتداد توسعه ترک به کمک این ضرایب شدت تنش محاسبه گردیده است. در ادامه رشد ترک تحت بار خستگی و به صورت سه بعدی مدل گردیده است، در این ارتباط رابطه پاریس به عنوان معیار سرعت رشد و راستای تنش مماسی ماکزیمم به عنوان امتداد رشد ترک در نظر گرفته شده است. مقایسه نتایج بدست آمده نشان داد ترک در هر دو جهت رشد می کند اما ترک در جهت حرکت چرخ رشدی سریع تری نسبت به ترک در خلاف جهت حرکت دارد.
.1 مقدمه
ریلهای راه آهن از راههای مختلفی دچار از کارافتادگی میشوند. شکست بر اثر خستگی ممکن است شدیدتر و اثرات بیشتری داشته باشد. پیش بینی دقیق رشد ترک در ریل که از طریق مدلسازی در نرم افزار انجام می شود، می تواند هزینه های نگهداری را کاهش دهد. ونگ و همکارانش در پی تحقیقات خود در این حوزه به این نکته آگاهی پیدا نمودند که ترکهای کم عمق و زاویه دار سطحی تحت شرایطی تبدیل به پیتینگ و یا ترک عرضی می گردند و به دلیل خطرناک بودن ترکهایی که به سمت عمق پیش می روند. همچنین از عواملی مانند زاویه ترک اولیه و نوع بارگذاری را به عنوان عوامل موثر در تبدیل ترک به پیتینگ و یا ترک عرضی ارائه نمودند
کابو تغیر شکل خستگی در عیوب ریل و چرخ بر اثر تماس غلتشی با در نظر گرفتن پاسخ بار اضافه و تأثیر عیوب خوشه ای را مورد مطالعه قرار داد. وی در این تحقیق با بهره بردن از مدل اجزاء محدود به تحلیل تنش، کرنش و تغییر شکل خستگی در نزدیکی عیوب پرداخته است. از نتایج حاصل از این تحقیق می توان به این مورد اشاره نمود که بار اضافه، زیان آور بوده و باعث ایجاد تغییر شکل بزرگ در اطراف عیب می شود
برتا و همکارانش نشان دادند که ترک در ابتدا موازی با سطح ریل شروع به رشد می کند اما بعد از مدتی میل به رشد در جهت عمق را دارا می باشد. هدف از این پروژه آنالیز فرایند رشد ترک و تعیین مسیر رشد یعنی دو عامل مهم در تعیین فواصل زمانی بازرسی ریل می باشد.در ابتدا شکست نگاری مسئله وجود مود دوم شکست را آشکار می سازد و مشخص می شود که مود اول تنها بعد از انحراف نهائی ترک اتفاق می افتد.
نتایج این تحقیق نشان می دهد که ترک اولیه میل به رشد در مسیری دارد که میل به بیشینه شدن دارد در حالیکه تأثیر کمتری دارد .[3] اسکیتبل و همکارانش تنش های پسماند موجود در ریل ناشی از جوشکاری در رشد ترک خستگی را مورد بررسی قرار دادند. آنها با در نظر گرفتن اثر تنشهای پسماند اثر عبور چرخ را بر روی رشد ترک بوسیله روش المان محدود بررسی کردند. همچنین اثر پارامترهای بار وارده بر محور، موقعیت ترک و ابعاد ترک مورد مطالعه قرار دادند. نتایج حاصلنشان داده است که اثر تنش گرمائی بسیار مهم می باشد.
بیشتر تلاش های صورت گرفته در زمینه رشد ترک در زمینه پیش بینی شروع ترک می باشند. در برخی از کارهای صورت گرفته نیز انتشار ترک صورت گرفته است. اما رشد ترک به صورت سه بعدی و در سامانه ریلی ایران کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله با درنظرگیری پارامترهای موجود در سامانه ریلی ایران، ابتدا محل بیشینه تنش وارد شده بر ریل در طی تماس با چرخ شبیه سازی شده است و سپس نتایج حاصل بعنوان ورودی برای رشد ترک خستگی و برای دو ترک متفاوت در جهت حرکت و در خلاف حرکت چرخ به روش المان مرزی مورد استفاده قرار گرفت.
.2 تحلیل تنش ناشی از تماس چرخ و ریل
از آنجایی که در این مطالعه خستگی و شکست ناشی از بارگذاری مورد مطالعه قرار گرفته است لذا برای تعیین محل شروع جوانه زنی ترک از مدل سازی تماس چرخ و ریل در نرم افزارهای المان محدود استفاده شده است. بدین منظور از نرم افزار المان محدود Ansys برای تحلیل تنش ناشی از تماس چرخ و ریل استفاده شده است. برای مدلسازی از چرخ با پروفیل S1002 که در حال حاضر پروفیل مورد استفاده در تراش چرخ های سامانه ریلی ایران است و برای مدل سازی ریل، پروفیل [5] UIC60 مورد استفاده قرار گرفت
طول ریل مدل شده، طولی از ریل است که بین دو تراورس قرار دارد که برابر با 600 میلیمتر می باشد. نحوه تماس چرخ و ریل در شکل 2 نشان داده شده است. از آنجایی که در حال حاضر عمده خرید های ریل در سامانه ریلی ایران از نوع فولاد گرید R7T می باشد لذا برای این مطالعه جنس چرخ از از این نوع در نظر گرفته شده است. باری که در حالت دینامیکی توسط هر چرخ تحمل می شود 9/5 تن یا معادل 92 کیلونیوتن خواهد بود. درجه آزادی چرخ در راستایی که نیرو وارد می شود آزاد گذاشته شده و در دو راستای دیگر کاملا مقید شده است. همچنین در دو طرف ریل نیز شرایط مرزی کاملا گیردار اعمال گردیده است.
- الف - - ب - شکل :1 الف - سطح مقطع چرخ منوبلوک ب - سطح مقطع ریل UIC60
شکل :2 مدل المان محدود تماس چرخ و ریل
