ضربات چرخ - ريل در دوراهه‌هاي خط آهن

Impacts of Wheel–rail at Railway Turnouts

بررسي ارتعاشات قائم دو راهه خط آهن تحت اثر بارهاي متحرك وسايط نقليه ريلي بسيار مهم است. در اين مقاله دوراهه‌اي با مدلي از المانهاي محدود خطي با ميرايي مودال شبيه سازي شده است. طول اين مدل كه اطراف تكه مركزي سوزن است، با 36 دهنه تراورس منظور شده است. ريلها و تراورسها توسط المانهاي تير تيموشنكو - رايلي مدل شده است. ريلها از طريق صفحات لاستيكي زير ريل (فنرهاي خطي) به تراورسها متصل شده اند. وسايط نقليه ريلي براي تحليل رفتار ديناميكي قطار به صورت مجموعه توده جرمهاي متمركز، فنرها و مستهلك كننده‌ها مدل شده است. تنها ارتعاشات قائم آنها براي سرعت ثابت مطالعه شده است. تماس چرخ - ريل با استفاده از فنر غير خطي هرتز مدلسازي شده است. مسئله اندركنش خط آهن - قطار با استفاده از توسعه روش بردار وضعيت در تركيب با روش مودال براي دوراهه خط آهن به طور عددي حل شده است. تحليلها نشان داد كه ناپيوستگي ريل در محل تقاطع (تكه مركزي) به افزايش نيروي تماس چرخ - ريل منجر مي‌شود. هم چرخهاي صاف و هم چرخهاي داراي ناهمواري در انتقال از ريل بالي به دماغه تكه مركزي تحت سرعتهاي متفاوت وسيله نقليه ريلي مورد آزمايش قرار گرفته است. تحت شرايط ايدئال، غلتيدن چرخها به طور كاملا آرام از روي ريل بالي بر روي تكه مركزي صورت مي‌گيرد. اندازه ضربه در چنين شرايطي در محل تقاطع كوچك خواهد بود و بيشينه نيروي تماسي چرخ - ريل به دست آمده حدود30 تا 50 درصد بيشتر از نيروي تماسي استاتيكي است. براي انتقال در سطوح ناهموار، حساسيت ضربه در تقاطع به شدت به سرعت قطار بستگي دارد. افزايش نيروي تماسي نسبت به نيروي استاتيكي در سرعت km/h 70 حدودا 100 درصد و در سرعت km/h 150 حدودا 200 درصد است.

Investigation of vertical vibrations of a railway turnout is important in designing track components under moving loads of trains. In this paper, the turnout is simulated by a linear finite element model with modal damping. A section of the turnout has a length of 36 sleeper spans surrounding the crossing. Rails and sleepers are modeled with uniform Rayleigh- Timoshenko beam elements. The rails are connected via railpads (linear springs) to the sleepers, which rest on an elastic foundation. The rolling stocks are discrete systems of masses, springs, and dampers. By passing the trains at a constant speed, only vertical dynamics (including roll and pitch motions) is studied. The wheel-rail contact is modeled using a non-linear Hertzian spring. The train-track interaction problem is solved numerically by using an extended state space vector approach in conjunction with modal superposition for the turnout. The results show that the rail discontinuity at the frog leads to an increase in the wheel-rail contact force. Both smooth and irregular transitions of the wheels from the wing rail to the crossing nose have been examined for varying speeds of the vehicle. Under perfect conditions, the wheels will change quite smoothly from rolling on the wing rail to rolling on the nose. The impact at the crossing will then be small, giving a maximum wheel-rail contact force which is only 30--50 per cent larger than the static contact force. For uneven transitions, the severity of the impact loading at the crossing depends strongly on the train speed. The increase in the contact force, as compared with the static force, is in the order of 100 per cent at 70 km/h and 200 per cent at 150 km/h.