مدل سازي حركت چرخ قطار به منظور جلوگيري از لغزش در هنگام ترمزگيري از منظر تئوري‌هاي كلاسيك و آناليز المان محدود

Modelling Wheel Motion in order to prevent Slipping as it is Braking: Using Classic Models and FEM

آشكارسازي و جلوگيري از لغزش چرخ در ديناميك حركت قطارها از اهميت بسزايي برخوردار بوده است. در عين حال؛ عملكرد ماشينهاي ريلي وابسته به ناحيه بسيار كوچكي‌ست كه چرخ و ريل با يكديگر تماس دارند. در اين تحقيق سه مدل تماسي غير بيضوي مورد ارزيابي و قياس در مقابل يكديگر از منظر ناحيه تماس، فشار وارده، توزيع پيشران و نيروهاي خزشي قرار خواهند گرفت.. در اين ميان مدل‌هايي از جمله جانسون و كالكر در اين خصوص به خوبي توانسته‌اند رفتار چرخ و ريل را در ناحيه مورد نظر پيش‌بيني كنند. حال آنكه فرض اوليه تمامي اين تئوري‌ها جسم نيمه بي‌نهايت بوده است كه اين فرضيه خطاهاي بسياري را در مسئله وارد خواهد كرد مخصوصا زماني كه فلانج تير به گوشه ريل برخورد نمايد. همچنين لازم به ذكر است كه تئوري‌هاي مذكور در هنگام اشباع ناحيه لغزش به درستي نمي‌توانند پاسخگوي مسئله باشند. از اين رو در اين تحقيق دو مدل از مهندسي خودرو و آناليز المان محدود –كه محدوديت‌هاي فوق را ندارند- جهت بررسي مسئله، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مهندسي خودرو بدليل كار با لغزش‌هاي زياد توانايي پيش‌بيني ديناميك حركت را در ناحيه اشباع داراست. در نهايت با عنايت به نتايج بدست آمده، تئوري‌هاي تير، بريستل و آناليز المان محدود تطابق بسيار مناسبي با نتايج آزمايشات عملي نشان دادند. در تحقيق پيش‌رو چرخ S1002 در تماس با ريل UIC60 قرار داشته و در سرعت‌هاي اوليه 30، 60، 100 و 140 كيلومتر بر ساعت ممان ترمزي اعمال مي‌گردد تا به نقطه اشباع لغزش برسد، در همين وضعيت ناحيه تماس مورد بررسي قرار مي گيرد.

Detecting and Preventing wheels slipping is at the core of all researches related to railway vehicle dynamics. This tiny interface governs the dynamic performance of rail vehicles through the loads it transmits and like any high stress concentration zone, it is subjected to serious damage phenomena. Thus, a clear understanding of the rolling contact between wheel and rail is key to realistic vehicle dynamic simulation and damage analyses. In this paper, three fast non-elliptic contact models are evaluated and compared to each other in terms of contact patch, pressure and traction distributions as well as the creep forces. Among them Johnson and Kalker method was considerably useful for the similar problems while the common assumption is elastic half-space in which many errors could be made, especially in gauge-corner contact. Based on the conclusions drawn from this evaluation, two new methods are proposed which result in more accurate contact patch and pressure distribution estimation while maintaining the same computational efficiency. The Beam and Bristle model are proposed for tire engineering in automotive industries but they can predict slip in wheel-rail contact too. New methods are typically used for tire engineering. Tire engineering usually deals with higher values of slippage than there is rail engineering so that they can be applied into the saturation zone. Finally, a FEM analysis will be done for evaluating the methods proposed. Also, in the special case that similar experimental projects have been done by other scientists. It should be noted that good agreement was found between FEM analysis results, tire engineering models, and experimental results. Models have been used for several contact applications including S1002 wheel profile over UIC60 rail profile for four different initial braking speeds of 30, 60, 100, 140 km/h and compared with experimental results.