Yüksek hızlı demiryollarında tekerlek-ray temas analizi

Wheel-rail contact area, determines the dynamic performance together with the loads of the railway vehicle. Because of the high stresses in this contact area, plastic deformations occur on the wheel and rail profile. Nowadays, if high speed trains reaching operating speeds up to 320 km are considered, plastic deformations on the wheel and rail profile will cause both lost of transport comfort and economic. For this reason, A better understanding of the wheel-rail contact area and stresses it are a necessity to state a proper damage analysis. In the first and second part of this thesis, information is given about high speed railway lines and high-speed trains in our country and in the world.The studies about the forces, contact, pressure, stress etc. between the wheel and rail are mentioned. In the third part, information about profiles and mechanical properties of rail and wheels used in international railways are given. In curve occurring superelevation (height difference of the right and left rail ars) calculation are indicated. In the fourth part, between which is formed by TCDD on the UIC60E1 rail used in the high speed railways and the S1002 profiled wheel with 850 mm rolling radius used in high speed train, the static and dynamic vertical wheel load calculated, alignment (straight line) and the narrowest curve on the Ankara-Istanbul YHD separately. According to the calculated maximum dynamic vertical wheel loads, the contact area at contact points where the lateral slide distance of the wheel on the rail is 0 and 6 mm and the maximum contact pressure are calculated according to the Hertz theory. Sub-surface principal shear and von-Mises stresses were determined using methods provided by Johnson. Finally, analyses were done by the finite element method using ANSYS Workbench simulation program. The analytical calculations made by analysing the results of the finite element method are compared. Analytical calculations and FEM results are found to be close to each other. The contact area found by the finite element method is similar to the elliptical shape and the maximum contact pressure is almost formed at the centre of the contact area. Both methods, the maximum contact pressure on the corner of the rail head and on the flange of the wheel (resulting from a 6 mm lateral slip) were found to be greater than two times greater than the maximum contact pressure on the top of the rail head and on the conical surface of the wheel (where lateral slip is zero). The maximum stresses at both contact points were above the general strength of the many rail and wheel steels. Also, as the wheel rolling diameter increased, the maximum contact pressure decreased.

Tekerlek-ray temas alanı, demiryolu araçlarından gelen yükler ile birlikte dinamik performansı belirler. Bu temas alanında yüksek gerilmeler meydana geldiği için tekerlek ve ray profillerinde plastik deformasyonlar oluşur. Günümüzde işletim hızı 320 km/h ye kadar ulaşabilen yüksek hızlı trenler düşünüldüğünde, plastik deformasyonlar, hem ulaşım konforun azalmasına hem de ekonomik kayıplara neden olacaktır. Bu nedenle hasar analizlerinin en doğru şekilde belirlenmesi için tekerlek-ray temas alanın ve gerilmelerinin net bir şekilde anlaşılması gerekmektedir. Bu tez kapsamında birinci ve ikinci bölümde, ülkemizde ve dünyadaki yüksek hızlı demiryolu hatları ve yüksek hızlı trenler ile ilgili bilgi verilmiştir. Tekerlek-ray arasındaki kuvvet, temas, basınç, stres vb. konular ile ilgili yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde, uluslararası demiryollarında kullanılan ray ile tekerlek profilleri ve mekanik özellikleri hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca, sağ tekerlek ile sol tekerlek arasındaki yuvarlanma yarıçap farkı ve tekerlek ile rayın temas davranışını belirleyen eşdeğer koniklik kavramı açıklanmış ve kurplarda (dönemeçli hat) oluşan dever (sağ ve sol ray arsındaki yükseklik farkı) hesaplamaları belirtilmiştir. Dördüncü bölümde ise TCDD tarafından yüksek hızlı demiryollarında (YHD) kullanılan UIC60E1 ray ile yüksek hızlı tren (YHT) setlerinde kullanılan 850 mm yuvarlanma çapındaki S1002 profilli tekerlek ara yüzünde oluşan statik ve dinamik dikey tekerlek kuvveti; aliymanda (düz hat) ve Ankara–İstanbul YHD’ndaki en dar kurpta ayrı ayrı hesaplanmıştır. Hesaplanan maksimum dinamik dikey tekerlek yüklerine göre, tekerleğin ray üzerindeki yanal kayma mesafesinin 0 ve 6 mm olduğu temas noktalarındaki temas alanı ve maksimum temas basıncı Hertz teorisine göre hesaplanmıştır. Yüzey altı asal, kayma ve von-Mises gerilmeleri ise Johnson tarafından sağlanan yöntemler kullanılarak belirlenmiştir. Son olarak, ANSYS Workbench simülasyon programı kullanılarak sonlu elemanlar metodu ile analizler yapılmıştır. Sonlu elemanlar metodu sonucu bulunan analizler ile yapılan analitik hesaplar karşılaştırılmıştır. Analitik hesaplar ile sonlu elemanlar metodu sonuçlarının birbirine yakın olduğu görülmüştür. Sonlu elemanlar metoduyla bulunan temas alanı eliptik şekle yakın olup maksimum temas basıncı, hemen hemen temas alanının merkezinde oluşmuştur. Ray mantarı köşesi ile tekerleğin flanş boğazında oluşan (6 mm yanal kayma sonucundaki) maksimum temas basıncı, ray mantarının tepesi ile tekerlek konik yüzeyinde oluşan (yanal kaymanın sıfır olduğu durumda) maksimum temas basıncından iki katından daha fazla olduğu her iki metotta da görülmüştür. Her iki temas noktasındaki maksimum temas basıncı ise birçok tekerlek ve ray çeliklerinin genel dayanımının üstünde çıkmıştır. Ayrıca, tekerlek yuvarlanma çapı arttıkça maksimum temas basıncının azaldığı görülmüştür.