پاورپوینت مبانی طراحی بوژی مکانیک تماس چرخ و ریل

1
مبانی طراحی بوژی(مکانیک تماس چرخ و ریل)

2
مکانیک تماس چرخ و ریل
چرخ و محور (wheelset) عنصر اصلی در سیستم هدایت (steering) و نگهداری (support) وسیله ریلی است.
رفتار دینامیکی وسیله ریلی قویاً تحت تاثیر نیروهای متقابل بین چرخ و ریل می باشد.
پارامترهای اصلی در معرفی اثر متقابل چرخ و ریل را می توان مطابق نمودار صفحه بعد ارائه نمود:

3
ارتباط پارامتری چرخ و ریل

4
طراحی بوژی

5
تماس چرخ و ریل

خزش Creep
چسبندگی Adhesion
سایش Wear

6
ارتباطی سه گانه بین پارامترهای خزش (creep)، چسبندگی (adhesion) و سایش (wear) وجود دارد.
هندسه پروفیل چرخ و ریل ویژگیهای خزش-چسبندگی-سایش را تحت تاثیر قرار داده و آنها نیز به نوبه خود بر رفتار دینامیکی وسیله ریلی اثر می گذارند.
شرائط سطحی و محیطی نیز میتوانند بر رابطه خزش-چسبندگی-سایش اثر معکوس داشته باشند. این شرائط شامل موارد ذیل می باشند:
زبری سطح – آلودگی سطح با آب، روغن، برف و یا زباله
و موارد نظیر آن

7
خزش
خواص مواد چرخ و ریل نظیر الاستیسیته، سختی، چغرمگی و هدایت حرارتی آنها نقش مهمی را در این ارتباط ایفا می نمایند.
همچنین، بار عمودی وارد بر محور وسائط ریلی، که همواره در حال افزایش است، موجب بروز مشکلاتی برای خط و اجزاء وسایل ریلی می گردد و اثر متقابل چرخ و خط و در نتیجه دینامیک وسیله را تحت تاثیر قرار می دهد.
اندرکنش چرخ و خط در واقع پدیده ای بسیار غامض می باشد.

8
خزش و نیروهای خزش
پدیده خزش هنگامی رخ می دهد که دو جسم در حال غلطیدن بر روی یکدیگر با نیروئی بر خلاف یکدیگر نیز فشرده شوند.
در این حال فصل مشترک این سطوح تشکیل یک منطقه تماس را می دهد که طبق نظر هرتز (Hertz’s static theory) این ناحیه تماس به شکل بیضی است.
به طور کلی، در این وضعیت، سرعت محیطی دو جسم غلطنده برابر نیست.
عبارت بدون خزش (creep or creepage) جهت تعیین انحراف از وضعیت غلطش خالص دو جسم به کار گرفته شده است.

9
تماس غلطشی دو جسم

10
اهمیت پدیده خزش در مطالعات دینامیک وسائط ریلی برای نحستین بار توسط کارتر (Carter) مطرح شد.
خزش در دو راستای طولی (longitudinal) و عرضی (lateral) معرفی می شود:

11
Spin Creep
عبارت خزش چرخشی (spin creep) هنگامی که دو جسم حول محوری عمود بر صفحه ناحیه تماسشان در حال دوران باشند، نظیر شکل قبل، مورد استفاده قرار می گیرد.

لغزش کامل جسم (complete bodily slip) با عنوان سریدن (sliding) معرفی می شود.

12
پدیده خزش را می توان ترکیبی از رفتارهای الاستیکی و اصطکاکی دانست که در آن دو جسم الاستیک در تماس غلطشی ناحیه تماس تقریباٌ بیضی شکلی را تشکیل می دهند.
در این ناحیه، سریدن (slip) و چسبندگی (adhesion) به طور هم زمان رخ می دهد.
در نتیجه، یک ناحیه تماس تحت خزش می تواند به لحاظ دینامیکی ناپایدار باشد.
در تحلیل دینامیکی ماشینهای ریلی، منشا نیروهای غیر کنسرواتیو پدیده خزش می باشد.
نیروهای تماسی (tangential forces- creep forces) که بین چرخ و ریل اعمال می شوند نقش عمده ای در دینامیک ماشینهای ریلی دارند.

13
خزش
خزش ناشی از تفاوت در کرنش (strain) دو جسم در ناحیه تماس است.
خزش وابسته به حرکات خطی و زاویه ای چرخ و محور و نیز هندسه چرخ و ریل می باشد.
برای مدلسازی رفتار دینامیکی چرخ و محور از ارتباط اساسی مابین خزشها، نیروهای خزش و گشتاورهای خزش استفاده می شود (شکل صفحه بعد) .

14
خزش

15
دسته بندی تئوریهای تماس غلطشی چرخ و ریل
Simplified Theory
Exact Theory
Dynamic Theory
Quasi-Static Theory
Three Dimensional Theory
Two Dimensional Theory

16
مدلهای نیروی خزش CFM
Kalker’s Linear Model
فرضیات این مدل عبارتند از آنکه، خزشها بسیار کوچک هستند، ناحیه لغزش آنقدر کوچک است که از اثر آن صرفنظر می شود. در نتیجه می توان فرض نمود که ناحیه چسبندگی تمامی سطح تماس را در بر می گیرد.
Johnson and Vermeulen’s Model
این تئوری بر اساس نیروی خزش غیرخطی است و در آن غلطش بدون چرخش نسبی مابین دو جسم اتفاق می افتد.

17
مدلهای نیروی خزش CFM
Heuristic Nonlinear Model
– در این روش از توابع غیرخطی برای توصیف هندسه تماس چرخ و ریل استفاده می شود. این توابع ناشی از پروفیلهای چرخ و ریل می باشند.
– در این روابط محدودیتهای چسبندگی در روابط مابین نیروی خزش و خزش منظور می شوند.
– خزش چرخشی در محاسبات منظور می شود. (Spin creepage)
– در این مدل نیروهای خزش بدواً با استفاده از تئوری خطی کالکر محاسبه می شوند.

18
مدلهای نیروی خزش CFM
Exact Numerical Theory Based Programs
کالکر سه تئوری دقیق برای حل سه بعدی کامل مسئله تماس غلطشی ارائه نمود.
اگرچه، استفاده از این روشها مستلزم حل عددی با استفاده از کامپیوتر و با زمانهای محاسبات طولانی می باشد.

19
مدلهای نیروی خزش CFM
Simplified Theory Based Programs
بر اساس تئوری ساده شده کالکر، سه برنامه برای محاسبه نیروهای خزش و گشتاور چرخش spin moment بین دو جسم غلطنده موجود می باشند.
این برنامه ها براساس تئوری ساده شده کالکر برای تماس غلطشی تهیه شده اند.
این برنامه ها عبارتند از:
SIMROL, ROLCON, FASTSIM.

20
مدلهای نیروی خزش CFM
Curve Fitting Theories

تلاشهای متعددی جهت محاسبات عددی نتایج آزمایشگاهی و نتایج تحلیلی به منظور یافتن قوانین نیروی خزش به روش انطباق منحنیها صورت گرفته است.

21
چسبندگی چرخ و ریل
چسبندگی (ضریب چسبندگی) به عنوان اندازه نسبت حداکثر نیروی مماسی قابل دسترسی در لبه چرخ به بار چرخ، عمود بر سطح اتکای آن دقیقا قبل از سریدن و یا لغزیدن چرخ می باشد.
لغزش (slipping) هنگامی رخ می دهد که چرخ سریعتر از وسیله ریلی حرکت کند.
سریدن (sliding) هنگامی رخ می دهد که چرخها دور نمی زنند اما وسیله ریلی به حرکت خود ادامه می دهد.

22
چسبندگی چرخ و ریل
ضریب چسبندگی  = (F/W)
F = نیروی مماسی افزاینده (کاهنده) روی چرخ و یا نیروی کشش FT
W = نیروی عمودی و یا نیروی وزن منتقل شده به وسیله چرخ

ضریب چسبندگی بین چرخ و ریل یکی از مهمترین و ضروری ترین عوامل برای کارکرد و کنترل قطارها می باشد.
اغلب خرابیهای لبه چرخ (wheel treads) ناشی از کاهش نیروی چسبندگی است.

23
چسبندگی چرخ و ریل
بنابراین، ضروری است که نیروی چسبندگی به طور موثر و بدون تخریب لبه چرخ، در سرعتهای بالا مورد استفاده قرار گیرد.
ضریب چسبندگی به عوامل ذیل بستگی دارد:
– پدیده خزش در فصل مشترک چرخ و ریل
شرائط سطح چرخ و ریل
سرعت چرخ و وسیله ریلی
دینامیک وسیله ریلی و ریل
مشخصات سیستم کشش

24
شکل بعد نشان دهنده ارتباط بین سرعت زاویه ای، سرعت حرکت به جلوی مرکز چرخ و نیروی عملگر در سطح تماس، تحت شرائط رانش driving ، هرزگردی idling و ترمزگیری braking می باشد.
V: سرعت به سمت جلوی مرکز چرخ
: سرعت زاویه ای چرخ
W: بار عمودی
F: نیروی مماسی (adhesion force)
:f = (F/W) ضریب تراکشن که بستگی به سرعت لغزش V-r و یا نسبت لغزش slip ratio (V-r)/V دارد.

25
چسبندگی چرخ و ریل

26
عوامل عدیده با سه دسته بندی اصلی بر چسبندگی بین چرخهای لکوموتیو و ریل موثر هستند.
1) پارامترهای مربوط به وسیله ریلی Vehicle factors
وزن لکوموتیو و توزیع بار محور روی محورهای راننده
انتقال وزن ناشی از کشش و هندسه بدنه لکوموتیو و اجزاء خط.
سرعت حرکت
تغییرات اندازه چرخ ناشی از سایش
انتقال و توزیع الکتریکی

27
عوامل موثر بر چسبندگی
2) پارامترهای خط
– شرائط سطح ریل
– پروفیل ریل، نامنظمیهای عمودی
– انحنای خط، مسیر مستقیم و یا مسیر قوس
3) شرائط سطح تماس
– مواد چرخ و ریل
– تنش هرتز
– سریدن نسبی relative slip

28
اطلاعات چسبندگی
تغییرات چسبندگی با سرعت به دو شکل ارائه شده اند:
– چسبندگی متوسط (موثر) average adhesion
– چسبندگی حقیقی true adhesion
چسبندگی متوسط نسبت حداکثر نیروی کشش قابل تحمل ریل به وزن کل لکوموتیو است.
چسبندگی حقیقی نسبت حداکثر نیروی کشش قابل تحمل ریل روی سبکترین محور راننده به بار محور است.

29

اطلاعات منتشر شده چسبندگی به شکل تابعی از سرعت

30
کد اطلاعات نمودار صفحه قبل
Muller – dry rail 2. Muller – wet rail
3. Andrews – dry rail 4. Andrews – wet rail
5. Bager and Ottoson – locomotive with rod drive
6. Bager and Ottoson – locomotive with individual axle drive
7. Curtius and Knlffler – dry rail
8. Curtius nad Kniffler – wet rail, upper limit
9. Curtius and Kniffler – wet rail, lower limit
10. Nouvion – minimum 11. Nouvion – minimum
12. Koffman

31
سایش چرخ و ریل
تمایل به افزایش سرعت، افزایش طول قطارها و افزایش بار محوری موجب افزایش سایش و خستگی سطوح تماس غلطشی چرخ و ریل می گردد.
پاسخ طراحان بوژی برای مقابله با افزایش این سایش و خستگی شامل موارد ذیل بوده است:
1) طراحی سیستم فرمانی که امکان تنظیم شعاعی (radial alignment) دقیقتری را برای چرخ و محور در قوسها فراهم نماید. نیروهای تماسی در سطح تماس چرخ و ریل کاهش یافته و در نتیجه سایش کاهش می یابد.

32
کاهش نیروهای تماس چرخ و ریل با استفاده از مکانیزم تنظیم شعاعی

33
کاهش سایش و خستگی چرخ و محور
2) ارتقاء مواد چرخ و ریل، تغییر ترکیب آنها با آلیاژی نمودن آنها و یا با استفاده از عملیات حرارتی
3) روانکاری محل تماس با هدف جداسازی سطوح غلطان و کم نمودن اصطکاک لغزشی sliding friction
4) صیقلکاری مداوم با هدف افزایش عمر ریل
5) استفاده از اتصالات بتونی با هدف کم نمودن بارهای دینامیکی و بهبود سازه بستر خط جهت افزایش سختی مسیر.

34
سایش ریل

35
المانهای اساسی مکانیزم تماس چرخ و ریل

36
دسته بندی مکانیزمهای سایش
Adhesive wear
یکی از عمده ترین انواع سایش چرخ و ریل است و به دو نوع آرام mild و شدید severe تقسیم می شود. این تقسیم بندی بستگی به نرخ برداشت فلز و اندازه ذرات برداشته شده دارد.
نوع آرام سایش در مسیرهای مستقیم و یا قوسهای آرام اتفاق می افتد که در آنها از روانکاری استفاده نمی شود و نیز در آنها لغزش با فواصل کوتاه در لبه چرخ – ریل رخ می دهد.
نوع شدید سایش در سطوح خشک و روانکاری نشده در ناحیه تماس فلنژ رخ می دهد.

37
دسته بندی مکانیزمهای سایش
Abrasive wear
این نوع سایش هنگامی رخ می دهد که سطحی زبر و سخت بر روی سطحی نرمتر می لغزد و یا هنگامی که ذرات ساینده سخت مابین سطوح لغزنده قرار گرفته و مواد هر دو آنها را می سایند.
هر دو مکانیزم سایش فوق الذکر عامل برداشت مواد از سطوح چرخ و ریل می باشند.
پاشیدن شن که جهت افزایش ضریب چسبندگی مورد استفاده قرار می گیرد بخشی از سایش abrasive در سطح تماس مشترک چرخ و ریل را موجب می شود.

38
دسته بندی مکانیزمهای سایش
Corrosive wear
این نوع سایش بر روی سطوح ریل و در انشعابات کم ترافیک خطوط آهن رخ می دهد.

Delaminating wear

39
Optical rail and wheel measurement using high speed lasers and cameras.

40
Optical rail profile measurement system provides immediate feedback on the profile and wear condition of the rail whilst traveling at track speeds.

41
Cameras capture full cross-sectional rail profiles from the base/web fillet area up to the top-of-rail surface to allow comprehensive and accurate rail measurements.

42
Rail profile data. measuring for freight, high-speed, transit and light rail systems.

43
Automatic, contactless measurement and monitoring of flange height and wheel diameters of wheelsets of rail vehicles.

44
The WheelScan, an optical wheel measurement system, provides immediate feedback on the wear condition of all wheels that pass by.

45

مکانیک تماس چرخ و ریل
انتهای مبحث ششم