تحلیل المان محدود خستگی تماس غلتشی در سوزن‌های متداول در خطوط ریلی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 علم و صنعت ایران

2 دانشگاه علم و صنعت

چکیده

بالاترین توزیع خراب یهای گزارش شده در خطوط راه آهن وابسته به سوزن‌ها است. علل اصلی این خرابی‌ها را می‌توان در: نیروهای تماس چرخ-ریل بالا، خزش در تیغه سوزن به علت تغییرات در پروفیل ریل و عدم پیوستگی در پروفیل ریل درگذر از ریل بال و نیشدلی که سبب نیروی‌های برخورد شدید می‌شود، جستجو کرد. در این مقاله روشی برای محاسبه عمر خستگی در نیشدلی سوزن ارائه شده است. ابتدا مدلی دینامیک در مسیر کامل سوزن شامل پانل سوئیچ و تقاطع شبیه‌سازی شده است. به‌منظور بررسی دقیق‌تر نیشدلی سوزن به دلیل بحرانی بودن این نقطه از خط، نتایج نیروهای حاصل از مدل دینامیک به مدلی استاتیک با جزئیات بیشتر انتقال داده شده است. سپس نتایج تنش و کرنش استخراج شده تا یک تحلیل خستگی برای یافتن عمر و صفحه جوانه زنی ترک خستگی تماس غلتشی، روی نیشدلی سوزن ارائه شود. با توجه به اهمیت مقوله خستگی و لزوم بررسی تأثیر متغیرهای مختلف بر میزان عمر خستگی، مطالعه پارامتریک با در نظرگیری متغیرهایی نظیر سرعت سیر، وزن واگن، ضریب اصطکاک و نوع سوزن انجام شده است. نتایج بیانگر عمرهای جوانه‌زنی ترک کمتر در سوزن‌های UIC 60 و قوس‌ها با شعاع بیشتر است. نیروهای تماس کمتری در سوزن‌های UIC 60 نسبت به U 33 مشاهد هشده است، همچنین با بالا رفتن ضریب اصطکاک عمر خستگی به‌طور محسوسی کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of Rolling Contact Fatigue in Common Turnouts of Iran Railway Track

نویسندگان [English]

  • Majid Shahravi 1
  • Mohammad Rezasefat 2
2 School of Railway Engineering, Iran University if Science and technology
چکیده [English]

The highest amount of reported failures in railway tracks are due to turnout problems. The main causes of these breakdowns are: high wheel-rail contact forces, creep in the switchblade due to changes in the rail profile, and inconsistency in the rail profile during wheel passage over wing rail and crossing nose causing collision forces. In this paper, a new method for crossing nose fatigue life prediction is presented using the finite element approach. Firstly, a dynamic model containing a complete turnout (switch and crossing panels) is simulated. For a closer look at the crossing, the results of the forces generated by the dynamic model are transmitted to a more detailed static model at specific sections, because of the criticality of this point in track. Then the stress and strain results are extracted to perform the fatigue analysis on the crossing nose in order to calculate fatigue crack initiation life and critical planes. Regarding the importance of fatigue and the necessity of investigating the effect of different variables on fatigue life, a parametric study is conducted considering variables such as velocity, wagon weight, and turnout type. The results indicate that the predicted fatigue life in UIC60 crossings is less than U33. Also, by increasing the wagon weight and speed or the curve radius fatigue crack initiation life have increased.ntrol the lock-in regime.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Turnout crossing
  • Rolling Contact Fatigue
  • numerical simulation
  • Life prediction
  • crack initiation
[1]   J. Sadeghi, B. Akbari, Field investigation on effects of railway track geometric parameters on rail wear. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 7(11), (2006) 1846-1855.
[2]  M. Pletz, W. Daves, W. Yao, H. Ossberger, Rolling contact fatigue of three crossing nose materials— Multiscale FE approach, Wear, 314(1-2) (2014) 69-77.
[3]  C. Wan, V. Markine, I. Shevtsov, Improvement of vehicle–turnout interaction by optimising the shape of crossing nose, Vehicle System Dynamics, 52(11) (2014) 1517-1540.
[4] M. Wiest, W. Daves, F. Fischer, H. Ossberger, Deformation and damage of a crossing nose due to wheel passages, Wear, 265(9-10) (2008) 1431-1438.
[5] N.K. Mandal, On the low cycle fatigue failure of insulated rail joints (IRJs), Engineering Failure Analysis, 40 (2014) 58-74.
[6] A. Johansson, B. Pålsson, M. Ekh, J.C. Nielsen, M.K. Ander, J. Brouzoulis, E. Kassa, Simulation of wheel– rail contact and damage in switches & crossings, Wear, 271(1-2) (2011) 472-481.
[7] J. Xiao, F. Zhang, L.  Qian,  Numerical  simulation of stress and deformation in a railway crossing, Engineering failure analysis, 18(8) (2011) 2296-2304.
[8]  L. Xin, V. Markine, 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, 30 August-3 September 2015, 2015.
[9] M.R. Ghazavi, M.Taki, Dynamic simulations of the freight three-piece bogie motion in curve, Vehicle System Dynamics, 46(10) (2008) 955-973.
[10]   R. Lewis, U. Olofsson, Wheel-rail interface handbook, Elsevier, 2009.
[11]  K. Johnson, The strength of surfaces in rolling contact, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Mechanical Engineering Science, 203(3) (1989) 151-163.
[12] A. Kapoor, A re‐evaluation of the  life  to  rupture of ductile metals by cyclic plastic strain, Fatigue & fracture of engineering materials & structures, 17(2) (1994) 201-219.
[13] K. Johnson, A graphical approach to shakedown in rolling contact, in: Applied Stress Analysis, Springer, 1990, pp. 263-274.
[14] J.W. Ringsberg, Cyclic ratchetting and failure of a pearlitic rail steel, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 23(9) (2000) 747-758.
[15] U. Zerbst, R. Lundén, K.-O. Edel, R.A. Smith, Introduction  to  the  damage   tolerance   behaviour of railway rails–a review, Engineering fracture mechanics, 76(17) (2009) 2563-2601.
[16]  Abaqus Users Manual 2016
[17] J.W. Ringsberg, Life prediction of rolling contact fatigue crack initiation, International Journal of fatigue, 23(7) (2001) 575-586.
[18]  Y. Jiang, H. Sehitoglu, A model for rolling contact failure, Wear, 224(1) (1999) 38-49.
[19]    J. P. Srivastava, P. K. Sarkar, V. R. Meesala, V. Ranjan, Rolling Contact Fatigue Life of Rail for Different Slip Conditions, Latin American Journal of Solids and Structures, 14(12) (2017) 2243-2264.