مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

تحلیل تنش قطعه تکه‌مرکزی سوزن ریلی با کاربرد روش مدل‌سازی المان محدود و تخمین عمر با معیارهای خستگی چندوجهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
2 مرکز تحقیق و توسعه، شرکت گسترش صنایع ریلی ایران، تبریز، ایران
چکیده
در سیستم ریلی قطعه تکه‌مرکزی به عنوان یکی از اجزای مهم سوزن به دلیل تماس‌های شدید خود با چرخ قطار مستعد رشد ترک‌های خستگی و شکست می‌باشد. این تماس‌های شدید که در حین گذر چرخ از روی سوزن سبب ایجاد تنش‌های قابل ملاحظه‌ای در سطح ریل می‌شود، به دلیل ماهیت تکرار شونده و مقادیر قابل ملاحظه خود در نهایت سبب ایجاد تخریب خستگی در سطح ریل می‌گردد. هدف از این پژوهش، انجام مطالعه عددی به روش المان محدود بر روی تکه مرکزی منوبلوک آر300 (UIC60 R300)، تراورس‌ها و چرخ منوبلوک آرهفت‌تی (R7T) با پروفیل استاندارد 920 میلی‌متر اس1002 (ORE S1002)، به منظور ارزیابی تنش‌ها، کرنش‌ها و نیروهای تماسی می‌باشد. در این پژوهش از مدل چرخ و ریل به همراه المان‌های فنر به منظور شبیه‌سازی مجموعه ریل، تراورس‌ها و چرخ قطار استفاده شده است. به منظور به‌دست آوردن منطقه بحرانی در مسیر تکه‌مرکزی، تحلیل دینامیکی سیر چرخ روی ریل شبیه‌سازی شده است. سپس در مدلی اصلاح شده که فقط شامل منطقه بحرانی از تکه‌مرکزی بوده از روش زیر-مدلسازی جهت تحلیل تنش دقیق استفاده شده است. جهت به دست آوردن خواص مکانیکی و خستگی تکه‌مرکزی نمونه‌های استاندارد تهیه شده از جنس ریل و تراورس‌ها تحت آزمون‌های کششی، فشاری و خستگی قرارگرفته‌اند. در نهایت از سه مدل پیش‌بینی عمر بر پایه تئوری صفحه بحرانی جهت تخمین عمر استفاده شده است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد، قطعه تکه مرکزی در جهت عمق ریل و در صفحاتی که تنش‌های برشی ماکزیمم است مستعد به رشد ترک خستگی می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Stress analysis of the railway turnout crossing using finite element method and life estimation with multi-axial fatigue criteria

نویسندگان English

Mostafa Sabbaghi 1
Mohammad Ali Saeimi-Sadigh 1
Moosa Sajed 1
Sadegh Ebadi 2
1 Mechanical Engineering Department, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 R&D Center, Iran Rail Industries Development Co. (IRID), Tabriz, Iran
چکیده English

In the rail system, the turnout crossing is prone to the growth of fatigue cracks and failure due to its strong contact with the train wheel. The intense contacts during the passage of the wheel cause significant stresses on the rail surface which cause fatigue damage. This is a numerical study using the finite element method on the central piece of the UIC60 R300 mono-block, the traverses, and the R7T mono-block wheel with the ORE S1002 920 mm standard profile, in order to evaluate the stresses, strains, and contact forces. In this research, the wheel and rail model along with the spring elements have been used in order to simulate the set of rails, traverses, and train wheels. To obtain the critical zone in the path, the dynamic analysis of the wheel pass on the rail has been simulated. Then, in a modified model that only included the critical region, the sub-modeling technique was used for accurate stress analysis. In order to acquire the mechanical properties, the standard samples made of rail and traverses have been subjected to tensile, compressive and fatigue tests. Finally, three life prediction models based on critical plane theory have been used to estimate life. The results of this research show that the turnout crossing is prone to fatigue crack growth in the direction of rail depth and in the plates where the shear stresses are maximum.

کلیدواژه‌ها English

Train
Turnout Crossing
Rail
Fatigue Life
Critical Plane Theory
[1] Shahravi M, Rezasefat M. Numerical Analysis of Rolling Contact Fatigue in Common Turnouts of Iran Railway Track. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2018 Dec 21;52(8):2029-44. doi: 10.22060/mej.2018.14651.5906 [In Persian]
[2] Sadeghi J, Akbari B. Field investigation on effects of railway track geometric parameters on rail wear. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006 Nov;7:1846-55. doi: 10.1631/jzus.2006.A1846
[3] Kim JK, Kim CS. Fatigue crack growth behavior of rail steel under mode I and mixed mode loadings. Materials Science and Engineering: A. 2002 Dec 15;338(1-2):191-201. doi: 10.1016/S0921-5093(02)00052-7
[4] Ekberg A, Kabo E. Fatigue of railway wheels and rails under rolling contact and thermal loading—an overview. Wear. 2005 Mar 1;258(7-8):1288-300. doi: 10.1016/j.wear.2004.03.039
[5] Ringsberg JW, Lindbäck T. Rolling contact fatigue analysis of rails inculding numerical simulations of the rail manufacturing process and repeated wheel-rail contact loads. International Journal of fatigue. 2003 Jun 1;25(6):547-58. doi: 10.1016/S0142-1123(02)00147-0
[6] Masoudi Nejad R, Salehi SM, Farrahi GH. Simulation of railroad crack growth life under the influence of combination of mechanical contact and thermal loads. International Journal of Railway Research. 2015 Nov 10;2(2):19-28.
[7] Kwon SJ, Seo JW, Jun HK, Lee DH. Damage evaluation regarding to contact zones of high-speed train wheel subjected to thermal fatigue. Engineering Failure Analysis. 2015 Sep 1;55:327-42. doi: 10.1016/j.engfailanal.2015.07.021
[8] Liu Y, Liu L, Mahadevan S. Analysis of subsurface crack propagation under rolling contact loading in railroad wheels using FEM. Engineering fracture mechanics. 2007 Nov 1;74(17):2659-74. doi: 10.1016/j.engfracmech.2007.02.012
[9] Gomes VM, Eck S, De Jesus AM. Cyclic hardening and fatigue damage features of 51CrV4 steel for the crossing nose design. Applied Sciences. 2023 Jul 18;13(14):8308. doi: 10.3390/app13148308
[10] Zhang S, Liu Q, Spiryagin M, Wu Q, Ding H, Wen Z, Wang W. Gaps, challenges and possible solution for prediction of wheel–rail rolling contact fatigue crack initiation. Railway Engineering Science. 2023 Sep;31(3):207-32. doi: 10.1007/s40534-023-00302-8
[11] Kucharski S, Mackiewicz S, Katz T, Starzyński G, Ranachowski Z, Woźniacka S. Evaluation of fatigue damage of a railhead using an indentation test, acoustic methods and microstructural observations. International Journal of Fatigue. 2023 Feb 1;167:107346. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107346
[12] Ghazanfari M, Tehrani PH. Increasing fatigue crack initiation life in butt-welded UIC60 rail by optimization of welding process parameters. International Journal of Fatigue. 2021 Oct 1;151:106367. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106367
[13] Gao Y, Wang S, Xu J, Liu Y, Dong Z, Wang P, Yang F. Numerical investigation of crack initiation on rail surfaces considering laminar plasma quenching technology. Tribology International. 2021 Feb 1;154:106755. doi: 10.1016/j.triboint.2020.106755
[14] American Society for Testing and Materials. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards, ASTM E8-13a; 2013.
[15] American Society for Testing and Materials. Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Fatigue Tests of Metallic Materials. ASTM E466–15; 2015.
[16] Esmaeili F, Rahmani A, Barzegar S, Afkar A. Prediction of fatigue life for multi-spot welded joints with different arrangements using different multiaxial fatigue criteria. Materials & Design. 2015 May 5;72:21-30. doi: 10.1016/j.matdes.2015.02.008
[17] Xin L, Markine VL, Shevtsov IY. Numerical analysis of rolling contact fatigue crack initiation and fatigue life prediction of the railway crossing. InCM2015: 10th International Conference on Contact Mechanics, Colorado Springs, USA 2015 Aug (Vol. 30).
[18] Jiang Y, Sehitoglu H. A model for rolling contact failure. Wear. 1999 Jan 1;224(1):38-49. doi: 10.1016/S0043-1648(98)00311-1