اولین کنفرانس ملی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها

تبریز، 22 آذر 1402

مصطفی صباغی¹، محمدعلی صائیمی­صدیق²، صادق عبادی³

-دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، moostafa.sabbaghi@gmail.com

2-دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، saeimi.sadigh@azaruniv.ac.ir

3-کارشناسی ارشد، کارشناس شرکت گسترش صنایع ریلی ایران، ebadi@iridco.ir

چکیده

چرخ و ریل از مهمترین اجزای سیستم حمل و نقل ریلی می­باشند. یکی از عیوب رایج سیستم ریلی ترک­های خستگی هستند. رشد ترک خستگی منجر به شکست چرخ و ریل و آسیب رساندن به بخش­های دیگر می­شود. از حیاتی­ترین اجزای سوزن­های ریلی، تکه مرکزی است که در گستره عمر کاری خود تماس­های شدیدی با چرخ قطار دارد و از این رو مستعد رشد ترک­های خستگی و شکست هستند. هدف از این پژوهش انجام مطالعه عددی به روش المان محدود با استفاده از نرم افزار آباکوس بر روی تکه مرکزی، به منظور ارزیابی تنش­ها، کرنش­ها و نیروهای تماسی است. در این مطالعه، نتایج تست­های کشش و خستگی فولاد هادفیلد که در فرایند عملیات حرارتی به دو سرعت مختلف کوینج شده­اند مورد استفاده قرار گرفته است. در گام نخست، یک تحلیل استاتیکی با لحاظ نمودن ضریب بار دینامیکی به منظور برآورد مقدار تنش در ریل انجام یافته و پس از آن تحلیل­های خستگی با استفاده از نرم­افزار Fe-Safe به منظور برآورد عمر خستگی تکه مرکزی انجام می­یابد. نتایج نشان می­دهد، عمر خستگی فولاد کوینچ شده در آب خالص کمتر از عمر خستگی فولاد کوینچ شده در محلول نمک می­باشد.

کلمات کلیدی: سوزن ریل، تکه مرکزی، عمر خستگی، Fe-Safe

• 1- مقدمه

  سوزن‌ها یکی از مهمترین اجزای خطوط راه‌آهن هستند. انواع مختلف نقص‌ها از جمله سایش، تغییر شکل پلاستیکی، خستگی تماس غلتشی و رشد ترک می‌تواند منجر به فرسودگی آن‌ها شود. به دلیل شرایط خاصی همچون نیروهای مماسی بالای تماس چرخ ریل و خزش در تیغه‌ی سوزن، تغییرات ناگهانی انحنای چرخ در نوک تیغه سوزن و عدم پیوستگی در پروفیل ریل، بیشترین آسیب به سوزن‌ها در مقایسه با سایر اجزای خط و واگن، هنگام عبور قطار اتفاق می‌افتد. نرخ سایش در برخی محورهای راه‌آهن ایران به حدی بالاست که سوزن‌ها ظرف کمتر از دو ماه بازدهی خود را از دست می‌دهند و با هزینه‌ی زیاد تعویض می‌شوند. هزینه‌های ناشی از خرابی سوزن‌ها در راه‌آهن ایران تنها شامل خسارت‌های مالی نیست و ممکن است منجر به تلفات جانی مسافران و کارکنان قطار نیز بشود .[1] آمارها نشان می‌دهد بین سال‌های ۱۳۸۹ تا ۱۳۹۳، تعداد عملیات تعمیر و نگهداری سوزن‌ها حدود دو برابر شده است. این افزایش نشان‌دهنده فرسودگی تجهیزات ریلی به دلیل کمبود سرمایه‌گذاری و نگهداری ضعیف است. این امر مستلزم تخصیص بودجه و سرمایه‌گذاری کافی برای نگهداری و تعمیرات منظم سوزن‌ها و دیگر تجهیزات ریلی اختصاص می­باشد تا از وقوع حوادث و خسارات جانی جلوگیری شود.

با توجه به اهمیت بیان شده، سوزن‌ها برای چندین دهه مورد توجه محققان و پژوهشگران مختلف قرار گرفته‌اند. محققان مختلفی مانند پلتز و همکاران [2] و وان و همکاران [3] سازوکارهای خسارت سایش، تغییر شکل پلاستیک انباشته و خستگی تماس غلتشی به‌عنوان خسارات غالب در سوزن‌ها شناخته شده‌اند و توسط محققین در مقالات مختلف به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

جوهانسن و همکاران [4] نیز روشی برای شبیه‌سازی کاهش پروفیل ریل سوئیچ‌ها و تقاطع‌ها در اثر سایش ارائه کرده‌اند و در این مقاله، با معرفی سایش و تغییر شکل پلاستیک انباشته به‌عنوان سازوکارهای خسارت معمول در اجزای سوزن، به بررسی آنها پرداخته شده است. همچنین، خستگی تماس غلتشی به ‌عنوان شکل دیگری از خسارت که منجر به ترک‌های سطحی در ریل می‌شود، معرفی شده است. نویسندگان معتقدند که در نظرگیری هر سه سازوکار خسارت معرفی شده، برای پیش‌بینی تخریب کلی اجزای سوزن ضروری است.

ویست و همکاران [5] با استفاده از مدل­سازی نیشدلی سوزن‌ها از دو جنس مختلف، رفتار خستگی کم‌چرخه در این دو تقاطع را تحت عبور مکرر چرخ بررسی کرده و نتایج را ارائه داده‌اند. همچنین، مندال [6] با اعمال توزیع فشار با فرمول‌بندی غیرهرتزی روی مفصل ریل، به تحلیل خستگی کم‌چرخه در این ناحیه پرداخته است. ژیائو  و همکاران [7] تنش و تغییر شکل در تقاطع راه آهن را با استفاده از یک مدل المان محدود سه بعدی الاستیک-پلاستیک بررسی کرده‌اند. در این مدل، ویژگی‌های غیرخطی ماده در نظر گرفته شده است. این مدل شامل المان‌های چرخ، سوزن و تراورس است. تأثیر دینامیکی بار چرخ و تماس بین چرخ و سوزن در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است. تنش‌ها، کرنش پلاستیک و جابجایی‌های عمودی سوزن تحت بار دینامیکی چرخ در موقعیت‌های مختلف تماس چرخ و سوزن بررسی شده‌اند. با استفاده از این مدل، شبیه‌سازی‌هایی انجام شده است تا تأثیر بار دینامیکی چرخ بر رفتار تنش و تغییر شکل در تقاطع راه آهن در موقعیت‌های مختلف تماس چرخ و سوزن بررسی شود.در تحقیقی که توسط زین و همکاران [8] انجام شده است، فرآیند آنالیز جوانه‌زنی ترک تماسی غلتشی و پیش‌بینی عمر خستگی در محل تقاطع سوزن‌های راه‌آهن توسعه داده شده است. در این تحقیق، از یک مدل المان محدود سه‌بعدی استفاده شده است تا نتایج تنش و کرنش در محل تقاطع را به دست آورد. در این مدل، تأثیرات دینامیک تماس غلتشی بین چرخ و تقاطع سوزن نیز در نظر گرفته شده است. با استفاده از این مدل، تحلیل‌های لازم برای بررسی رفتار تنش و کرنش در محل تقاطع و همچنین پیش‌بینی عمر خستگی صورت گرفته است.

• 2- خواص مکانیکی تکه مرکزی

فولاد هادفیلد یکی از انواع مهم فولادهای آلیاژی است که اولین بار در سال ۱۸۸۲ توسط رابرت هادفیلد تولید شد. این نوع فولاد حاوی حدود ۱-۵/۱ درصد کربن و ۱۰-۱۵ درصد منگنز است. فولاد هادفیلد به دلیل داشتن استحکام بالا، شکل‌پذیری خوب و مقاومت سایشی بالا کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله معدن، ساختمان، راه‌آهن و غیره دارد.

در طول سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی در خصوصیات و کاربرد فولاد هادفیلد حاصل شده است. امروزه عناصر آلیاژی مختلفی بسته به کاربرد محصول به ترکیب این فولادها اضافه می‌شود. یکی از مهم‌ترین این عناصر، تیتانیم است که باعث ریزدانه شدن ساختار و افزایش سختی فولاد می‌شود. هرچند افزودن تیتانیم باعث کاهش شکل‌پذیری نیز می‌شود.

در مطالعه­ای از موسوی انیجدان و سبزی [9]، اثر سرعت سرد کردن بر ریزساختار، خواص مکانیکی و رفتار خستگی یک فولاد منگنز آستنیتی هادفیلد مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق فولاد تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دیده و سپس در آب خالص و حمام نمک سرد شده است تا تاثیر سرعت خنک کاری در رفتار مکانیکی این فولاد مورد بررسی قرار گیرد. نتایج ایاشن نشان داده است که سرد کردن سریعتر در حمام نمک منجر به ریزساختاری با مقدار کمتری کاربید در مقایسه با سرد کردن در آب شده است. نمونه سرد شده در حمام نمک نرمی و شکل پذیری بیشتر ولی استحکام و سختی کمتری نسبت به نمونه سرد شده در آب نشان داد. در مطالعه حاظر اثر سرعت سرد شدن فولاد آستنیتی منگنز هادفیلد روی عمر خستگی تکه­مرکزی با استفاده از داده­های تست کشش و خستگی مرجع [9] بررسی شده  است. در این مرجع نمونه­های ریخته­گری فولاد هادفیلد در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲ ساعت تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. سپس نمونه‌ها در آب خالص و همچنین در حمام نمک کوینچ شده­اند. در نهایت خواص مکانیکی و عمر خستگی فولاد مذکور با آزمون کششی تک محوری، خستگی خمشی و اندازه­گیری سختی تعیین شده­اند.  در مقاله حاظر نتایج تست­های کشش و خستگی فولاد استخراج و در تحلیل تنش و تخمین عمر خستگی تکه­مرکزی مورد استفاده قرار گرفته است. جدول ۱ خواص مکانیکی تراورس­های بکار رفته در زیر ریل، تکه­مرکزی و چرخ قطار را که در تحلیل تنش مورد استفاده قرارگرفته است را نشان می­دهد. همچنین شکل­ ۱-الف و شکل ۱-ب به ترتیب، نمودار تنش-کرنش فولاد کوینچ شده در آب و فولاد کوینچ شده در محلول نمک را نشان می­دهدو که این مقادیر، ورودی نرم افزار های المان محدود و تعیین عمر خستگی این مطالعه می­شوند.

• 3- شبیه سازی استاتیکی  به کمک نرم­افزارآباکوس

پروفیل ریل پرمصرف در صنایع ریلی کشوری در شکل ۲ ﻧﺸﺎﻥ ﺩﺍﺩﻩ ﺷﺪﻩ ﺍﺳﺖ. ﺑﺮﺍی ﻣﺤﺎﺳﺒﻪ ﺩﻗﯿﻖ ﺭﻓﺘﺎﺭ خستگی سوزن، پروفیل ریل کاﻣﻼ ﻣﻄﺎﺑﻖ ﺑﺎ ﺍﻧﺪﺍﺯﻩ ﻭﺍﻗعی ﺁﻥ ﻣﺪﻝ ﺷﺪﻩ ﺍﺳﺖ. ﺑﻪ ﺩﻟﯿﻞ ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ پیچیده ریل، المانبندی ریل و چرخ ﺑﻪﻃﻮﺭ ﻭیژه انجام ﺷﺩه است. هنگامی که ﺑﺎ یک ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﻣﻨﻈﻢ ﺳﺮﻭکار ﺩﺍﺭﯾﻢ، ﻣﺶﺑﻨﺪی ﺷﺶ وجهی ﺩﻗﯿﻖﺗﺮ ﺍﺯ ﻣﺶﺑﻨﺪی چهاﺭ ﻭجهی ﺍﺳﺖ. هنگامی که ﺑﺎ یک ﻣﺪﻝ پیچیده ﺳﺮﻭکاﺭ ﺩﺍﺭﯾﻢ، ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﺶ ﺷﺶ وجهی ﺑﯿﺸﺘﺮ ﺯﻣﺎﻥ ﺗﻮﺳﻌﻪ ﻣﺪﻝ ﺭﺍ ﺑﻪ ﺩﻟﯿﻞ پیچیدگی ﻫﻨﺪسی ﺑﻪ ﺧﻮﺩ ﺍﺧﺘﺼﺎﺹ میﺩﻫﺪ.

در این مقاله، با توجه به پیچیدگی هندسی ریل و ماهیت مسئله که نیاز به المان‌های ریز در ناحیه تماس دارد، مش بندی مدل به صورت یک تکه امکانپذیر نبوده است. بنابراین، مدل به قطعات کوچکتر تقسیم شده و مش بندی ریزتر فقط در مقطعی که تحت تماس با چرخ است، انجام شده است. روش مشابه­ای نیز برای چرخ استفاده شده است. شکل­های ۲- الف و ۲-ب مدل چرخ­تکه مرکزی و پروفیل ریل را نمایش می­دهد.

شکل ۳- الف مدل المان محدود چرخ قطار را نشان می­دهد. المان‌ مورد استفاده در چره قطار از نوع C3D8R با ابعاد ۱۶×۱۶×۱۶ میلی­مترمی­باشد. به طوری که در این شکل مشاهده می­شود، تعداد کل المان‌های استفاده شده در چرخ برابر با ۱۱۲۰۰ المان است که بیشترین تمرکز را در ناحیه تماس دارند. تکه­مرکزی با استفاده از المان C3D4 مش­بندی شده است. کوچکترین اندازه المن در ناحیه زیر چرخ و برابر ۶ میلیمتر می­باشد. تعداد کل المان بکار رفته در ریل برابر ۲۸۵۰۰ المان است. نتایج مذکور پس از انجام بررسی استقلال پاسخ از اندازه المان حاصل شده است. شکل ۴ نمودار بررسی استقلال از مش را نشان می­دهد.

4- تحلیل نتایج

1-4 نتایج تحلیل تنش در این پژوهش تحلیل تنش چرخ و ریل با استفاده از روش المان محدود انجام گرفته است. وزن واگن و ملحقات چرخ با اعمال ضریب ۵/۱ به منظور لحاظ نمودن با دینامیکی به چرخ اعمال شده است. تحت تاثیر این نیرو در محل تماس چرخ با ریل تنش­های قابل توجهی ایجاد می­گردد. تحلیل الاستوپلاستیک با تعریف رفتار ماده در محدوده پلاستیک انجام گرفته است. شکل ۵ (الف و ب) کانتور تنش در ریل را نشان می­دهد. به طوری که مشاهده می­شود تنش در زیر ریل ماکزیمم بوده و با دور شدن از ان به طور قابل ملاحظه­ای کاهش می­یابد. به طوری که نتایج این شکل­ها نشان می­دهند تنش در قطعه تکه­مرکزی که در آب کوینچ شده است.

بیشتر از تنش در قطعه تکه مرکزی کوینچ شده در محلول نمک می­باشد. شکل 5(ج و د )کرنش پلاستیک در ریل را نشان می­دهد. این شکل نشان می­دهد کرنش پلاستیک در قطعه تکه مرکزی کوینچ شده در آب و محلول نمک به ترتیب برابر 0/002274 و ۰۰۲۱۶۹/۰ می­باشد.

۲-۴- تخمین عمر تکه مرکزی با استفاده از نرم­‌افزار Fe-Safe

در این بخش به تخمین عمر قطعه تکه مرکزی با استفاده از نرم‌­افزار Fe-Safe پرداخته شده است. این نرم‌افزار قادر است با استفاده از خواص مکانیکی جنس موردنظر که در قالب نمودار S-N به آن تعریف می­گردد با استفاده از تئوری مختلف تحلیل خستگی انجام دهد. در این پژوهش با استفاده از داده­های تست خستگی مرجع  [9] و با کاربرد فایل خروجی به دست آمده از تحلیل اجزای محدود مدل ریل، چرخ و تراورس  در نرم‌­افزار  آباکوس تخمین عمر تکه مرکزی انجام گرفته است. جدول ۲ داده­های تنش عمر فولاد هادفیلد که در شرایط در آب و در محلول نمک  کوینچ شده است را نشان می­دهد. به منظور انجام تحلیل خستگی، فایل خروجی نرم­‌افزار آباکوس که حاوی نتایج تحلیل تنش مجموعه تراورس­ها، چرخ قطار و ریل است در نرم‌­افزار Fe-Safe بارگذاری شده است. سپس تئوری تنش محور موروو به منظور تخمین عمر خستگی در ریل بکارگرفته شده است. شایان ذکر است به منظور شبیه سازی بار تکراری ناشی از عبور چرخ قطار روی همچنین لحاظ نمودن تنش میانگین ناشی از آن بار خستگی مطابق شکل ۶ در نرم­افزار تعریف شده است.  شکل ۷ کانتور عمر خستگی به دست آمده از تحلیل تنش محور تکه‌مرکزی را نشان می­دهد. به طوری که در این شکل مشاهده می­شود سطح زیر چرخ که بیشترین تنش در آن اتفاق افتاده بود کمترین عمر خستگی را دارد. نتیجه تحلیل خستگی نشان می­دهد که عمر خستگی فولاد کوینچ شده در آب خالص برابر ۲۱۱۰۳ و عمر خستگی فولاد کوینچ شده در محلول نمک برابر ۸۲۱۹۷ سیکل می­باشد. این امر می­تواند ناشی از رفتار داکتیلتر فولاد کوینچ شده در محلول نمک نسبت به فولاد کوینچ شده در آب طبق نتایج نشان داده شده در شکل ۱ باشد.

۵- نتیجه‌­گیری

سوزن‌ها یکی از مهم‌ترین اجزای خطوط راه‌آهن هستند که در معرض آسیب‌هایی همچون سایش، تغییر شکل پلاستیکی، خستگی تماس غلتشی و رشد ترک می­باشد. به دلیل شرایط خاصی همچون نیروهای مماسی بالای تماس چرخ ریل در تیغه‌ی سوزن، تغییرات ناگهانی انحنای چرخ در نوک تیغه سوزن و عدم پیوستگی در پروفیل ریل، بیشترین آسیب به سوزن‌ها در مقایسه با سایر اجزای خط و واگن، هنگام عبور قطار اتفاق می‌افتد. در این مطالعه از روش المان محدود جهت به‌دست‌آوردن تنش­ها، کرنش­ها و نیروهای تماسی  در محل تماس چرخ و تکه مرکزی استفاده شده است. در این مطالعه اثر سرعت سردشدن فولاد آستنیتی منگنز هادفیلد روی عمر خستگی تکه مرکزی با استفاده از داده­های تست کشش و خستگی بررسی شده است. نتایج نشان می­دهند، تنش در قطعه تکه مرکزی که در آب کوینچ شده است بیشتر از تنش در قطعه تکه مرکزی کوینچ شده در محلول نمک می­باشد. همچنین نتایج تحلیل خستگی نشان می­دهد، عمر خستگی فولاد کوینچ شده در آب خالص کمتر از عمر خستگی فولاد کوینچ شده در محلول نمک می­باشد.

۶- منابع

.1Sadeghi, J. and B. Akbari, Field investigation on effects of railway track geometric parameters on rail wear. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 2006. 7: p. 1846-1855.

.2Pletz, M., et al., Rolling contact fatigue of three crossing nose materials—Multiscale FE approach. Wear, 2014. 314(1-2): p. 69-77.

.3Wan, C., V. Markine, and I. Shevtsov, Improvement of vehicle–turnout interaction by optimising the shape of crossing nose. Vehicle System Dynamics, 2014. 52(11): p. 1517-1540.

.4Johansson, A., et al., Simulation of wheel–rail contact and damage in switches & crossings. Wear, 2011. 271(1-2): p. 472-481.

.5Wiest, M., et al., Deformation and damage of a crossing nose due to wheel passages. Wear, 2008. 265(9-10): p. 1431-1438.

.6 Mandal, N.K., On the low cycle fatigue failure of insulated rail joints (IRJs). Engineering Failure Analysis, 2014. 40: p. 58-74.

.7Xiao, J., F. Zhang, and L. Qian, Numerical simulation of stress and deformation in a railway crossing. Engineering failure analysis, 2011. 18(8): p. 2296-2304.

.8Xin, L., V. Markine, and I. Shevtsov. Numerical analysis of rolling contact fatigue crack initiation and fatigue life prediction of the railway crossing. in CM2015: 10th International Conference on Contact Mechanics, Colorado Springs, USA. 2015.

9- Mousavi Anijdan, S. and M. Sabzi, The effect of heat treatment process parameters on mechanical properties, precipitation, fatigue life, and fracture mode of an austenitic Mn Hadfield steel. Journal of Materials Engineering and Performance, 2018. 27(10): p. 5246-5253.