آنالیز مشخصات واریانت‌های بوژی Y25 واگن باری با شبیه‌ساز‌ی کامپیوتری

واریانت‌های بوژی Y25 واگن باری

در این مقاله تحقیقی، ویژگی‌های دینامیکی واگن باری بوژی مورد بررسی قرار گرفته‌است. آنالیز برای چهار واریانت واگن بوژی انجام گرفته که در کلیت با بوژی Y25 مطابقت دارند. این واریانت‌ها توسط نرم‌افزار SIMPACK خلق شدند و با ماژول RAIL بهبود یافته‌اند. نتایج نمایش داده شده روی نمودارها نشان داد که مدل جدید بوژی طراحی‌شده، بهترین نتیجه را در مقایسه با دیگر واریانت‌های آنالیز شده دارد. این واریانت جدید، شامل بدنه استاندارد بوژی Y25 همراه با دو دمپر اصطکاکی (friction damper) لنویر است و با اتصالات طولی در هر دو طرف مجهز شده‌است. این اتصالات با یک بست پیچشی شعاعی (یک میله پیچشی) بین قطعات جانبی بوژی کامل می‌شوند.

اجزای بوژی Y25

حمل‌ونقل واگن باری

حمل‌ونقل ریلی باری پدیده‌ای جهانی است که برای انتقال حجم زیادی از کالا خصوصا برای فواصل دور، روشی موثر، بهینه و دوستدار محیط زیست بشمار می‌رود. تاثیر حمل‌ونقل کالا بر محیط زیست از طریق اثر متقابل مسیر ریل و واگن، با تماس هر کدام‌ از چرخ‌ها با ریل بدست می‌آید.

در هنگام تماس بین چرخ‌ و ریل‌، نیروهای فعالی به وجود می‌آیند که با تاثیر بر ناحیه تماس، بر اندازه تنش معمولی و مماسی و سطوح سایش چرخ و ریل و یا مستقیما بر پایداری عدم خروج قطار از ریل تاثیر می‌گذارند.

اندازه نیرویی که در زمان عبور وسیله نقلیه از روی قوس مسیر بر تماس بین چرخ و ریل اعمال می‌شود، تاثیر قابل‌توجهی بر موقعیت مجموعه چرخ و محور روی مسیر دارد. اگر موقعیت شعاعی مجموعه چرخ و محور در کمترین میزان خود باشد (محور چرخ عمود بر محور مسیر باشد)، یعنی زاویه حمله به شکل ایده‌آلی صفر باشد، نیروی هدایت‌کننده با حداقل انحراف ظاهر می‌شود. در تماس بین چرخ و ریل، این موضوع تاثیر مثبتی بر مقادیر فاکتور عدم خروج قطار از ریل و تنش‌های مماسی در جهت عرضی دارد.

ساختار شاسی در واگن‌های باری، تاثیر قابل‌توجهی در اندازه تماس بین چرخ و ریل و نیروهای آن دارد. یکی از رایج‌ترین روش ها برای سرویس‌های قطار باری در اروپا، استفاده از بوژی Y25 است. برای بررسی نتایج حاصل از آنالیز شبیه‌سازی بوژی، مقایسه‌ای بین چند واریانت‌ بوژی Y25 صورت گرفته‌است.

تعریف واریانت‌های بوژی و مدل مسیر

واریانت پایه بوژی Y25 (با یک دمپر اصطکاکی): بوژی Y25، با سامانه هدایت مجموعه چرخ و محور خود مشخص می‌شود که در آن سامانه تعلیق همراه با یک دمپر اصطکاکی ابتدایی بخشی از جعبه یاتاقان است (شکل ۱). بوژی‌های دارای پیکربندی استاندارد، با عبور از قوس مسیر اندازه‌های خاصی از نیروهای هدایت‌کننده را ثبت کردند که این مقادیر نشان‌دهنده پیامدهای فنی است.

برای کاهش این مقادیر، سازندگان بوژی برخی پارامترهای طراحی سامانه هدایت مجموعه چرخ و محور بوژی Y25 را تغییر دادند.

شکل ۱: مدل استاندار بوژی Y25 با یک دمپر اصطکاکی لنویر

واریانت بوژی Y25 با دو دمپر اصطکاکی لنویر: یکی از تغییرات احتمالی، “ آزاد‌سازی” یک مجموعه چرخ و محور در جهت طولی (شکل ۲) و استفاده از کراس کوپلینگ برای ارتباط چرخ راست جلو با چرخ چپ عقب و همچنین چرخ چپ جلو با چرخ راست عقب است (شکل ۳).

شکل ۲: مدل بوژی Y25 با دو دمپر اصطکاکی لنویر

شکل ۳: بست متقاطع در مجموعه چرخ و محور واریانت بوژی Y25 (نمای پایینی)

بوژی Y25 با دو دمپر لنویر و پیچش طولی و عرضی: برای اعمال تغییرات روی بوژی Y25، مشخصه‌ای که ذاتا متعلق به دسته دیگری از وسایل حمل‌ونقل ریلی (یک نوع وسیله نقلیه دارای یک بوژی مجهز به کوپلینگ طولی بین مجموعه‌های چرخ‌ و محور) و طراحی‌شده برای هدف دیگری بود، بعنوان یک تغییر اعمالی و به‌منظور نشان دادن کاربرد واقعی انتخاب شد.

این کوپلینگ طولی که توسط کوپلینگ پیچشی عرضی توسعه یافته، روی طراحی مدل جدید محاسباتی یک بوژی باری اجرا شد که کاربرد اصلی آن بررسی تاثیرات برخی از تغییرات طراحی اعمال‌شده روی فریم Y25 است (شکل ۴).

شکل ۴: اتصال مجموعه چرخ و محور با بست پیچشی در واریانت بوژی Y25 با دو دمپر اصطکاکی لنویر (نمای پایینی)

تعریف برآورد شبیه‌سازی مسیر: برای شبیه‌سازی‌ها، از تعریف استاندارد یک مدل مسیر راه‌آهن ۱۴۳۵میلی‌متری با پروفیل مقطع ریل UIC60 استفاده می‌شود. در این مدل، چرخ‌ها به پروفیل S1002 مجهز هستند.

شکل هندسی افقی مسیر متشکل از یک مسیر مستقیم و چهار قوس به هم پیوسته است (شکل ۵ و ۶).

شکل ۵: شکل هندسی مسیر برای محاسبات شبیه‌سازی

مقایسه نتایج محاسبه

در ادامه، نتایج محاسبات هر چهار واریانت آورده شده‌است. این ارزیابی بر روی ترسیم نموداری نیروهای هدایت‌کننده، زاویه حمله، عدد سایش، مجموع نیروهای هدایت‌کننده، امنیت در برابر خروج قطار از ریل، نیروهای موجود در میله‌های کششیِ اتصالات متقاطع، نیروهای Fx میله کششی در جهت طولی و چرخش اتصال پیچشی متقاطع تمرکز کرده‌است.

نیروهای هدایت‌کننده

در طراحی استاندارد با یک دمپر اصطکاکی لنویر، نیروهای هدایت‌کننده روی اولین چرخ و چرخ پیشرو قرار دارند (شکل ۱). در قوس‌های مسیر، مقادیر موجی شکل در بالاترین حالت قرار دارند. نتایج محاسبات واریانت استاندارد با منحنی قرمز نمایش داده شده‌است.

در آنالیز شبیه‌سازی،‌ واریانتی بدون اتصال متقاطع، با مجموعه‌های چرخ‌ و محور آزادشده و دو دمپر اصطکاکی لنویر که از کمترین نیروی هدایت‌کننده برخوردار بود طراحی شد (شکل ۲). در نمودار با رنگ آبی نمایش داده شده‌است. این حالت نیازمند اضافه شدن یک اتصال پایدارکننده به چرخ‌های جلو و پشت است. بنابراین،‌ اتصال داخلی جعبه یاتاقان ها با یک بست پیشنهاد شد (شکل ۴). نیروهای هدایت‌کننده در واریانت حاوی این بست در نمودار با رنگ بنفش نمایش داده شده‌است. می‌توان دید که این اتصال داخلی بسیار مطلوب‌تر از اتصال متقاطعی است که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل ۶: نیروی هدایت‌کننده روی چرخ راست مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۷: نیروی هدایت‌کننده روی چرخ چپ مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۸: نیروی هدایت‌کننده روی چرخ راست مجموعه چرخ و محور دوم

شکل ۹: نیروی هدایت‌کننده روی چرخ چپ مجموعه چرخ و محور دوم

مجموع نیروهای هدایت‌کننده

مجموع نیروهای هدایت‌کننده (شکل ۱۰ و ۱۱) که روی هر چرخ‌ اعمال می‌شود بسیار متعادل است و در درجه اول به ویژگی‌های عملیاتی وسیله نقلیه مثل شکل هندسی، سرعت و وزن آن ارتباط دارد. در تمامی واریانت‌ها مجموع نیروهای هدایت‌کننده کمتر از ۲۰ هزار نیوتن است.

شکل ۱۰: مجموع نیروهای هدایت‌کننده مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۱۱: مجموع نیروهای هدایت‌کننده مجموعه چرخ و محور دوم

زاویه حمله

زمانی که بوژی از روی قوس مسیر می‌گذرد، زاویه حمله از موقعیت بوژی روی مسیر بدست می‌آید (شکل ۱۲ تا ۱۵).

شکل ۱۲: زاویه حمله بوژی اول

مجموعه چرخ و محور، زمانی که بعد از عبور از قوس مسیر به موقعیت شعاعی نزدیک می‌شود، نسبت به حالت مخالف، نیروهای هدایت‌کننده کمتری ایجاد می‌کند.

شکل ۱۳: زاویه حمله بوژی دوم

شکل ۱۴: زاویه حمله مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۱۵: زاویه حمله مجموعه چرخ و محور دوم

شکل ۱۲ تا ۱۵ به وضوح نشان می‌دهد که در واریانت بوژی با دو لنویر، آزادسازی مجموعه‌های چرخ‌ و محور با احتمال انتقال حرکت توسط کوپلینگ پیچشی، راه‌حلی مناسب برای به حداقل رساند زاویه حمله است.

عدد سایش

پارمتر عدد سایش در شکل‌های ۱۶ و ۱۷ دارای بُعد فیزیکی نیرو است. عدد سایش در ناحیه تماس توسط فرمول زیر محاسبه می‌شود:

فرمول محاسبه عدد سایش

شکل ۱۶: عدد سایش مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۱۷: عدد سایش مجموعه چرخ و محور دوم

ایمنی در برابر خروج قطار از ریل

ضریب نسبی ایمنی در برابر خروج قطار از ریل (شکل ۱۸ تا ۲۱)، معادل نسبت نیروهای هدایت‌کننده روی هر چرخ است و با تغییرات در نیروهای هدایت‌کننده مرتبط است. مقادیر بالا نشان‌دهنده شرایط نامطلوب و مقادیر کم نشان‌دهنده یک ضریب ایمن‌تر از نیروهای افقی تا نیروهای عمودی است. با اینکه تمام مقادیر به طور چشمگیری زیر سطح پذیرفته‌شده و شناخته‌شده ۰.۸ هستند، در این مقایسه می‌توان گزینه مطلوب‌تر را تشخیص داد.

شکل ۱۸: پایداری چرخ راست در عدم خروج قطار از ریل در مجموعه چرخ و محور اول

شکل ۱۹: پایداری چرخ چپ در عدم خروج قطار از ریل در مجموعه چرخ و محور اول

شکل 20: پایداری چرخ راست در عدم خروج قطار از ریل در مجموعه چرخ و محور دوم

شکل 21: پایداری چرخ چپ در عدم خروج قطار از ریل در مجموعه چرخ و محور دوم

نیروهای موجود در میله‌های کششی کراس کوپلینگ

شکل ۲۲ و ۲۳ نیروهای موجود در میله‌های کششی کراس کوپلینگ شکل ۳ را نشان می‌دهند.

شکل ۲۲: اتصال جعبه یاتاقان راست جلو و جعبه یاتاقان چپ عقب

شکل 23: اتصال جعبه یاتاقان چپ جلو و جعبه یاتاقان راست عقب

میله‌های کششی نیروهای جانبی را انتقال می‌دهند. منحنی Fx نیرو را در جهت X، منحنی Fy نیرو را در جهت y و میدان نوسان نیرو را در جهت طولی میله کششی را نشان می‌دهد.

نیروهای Fx در میله‌های کششی کراس کوپلینگ طولی

شکل‌های ۲۴ و ۲۵ انتقال نیروهای طولی در طرفین فریم واریانت بوژی با طراحی جدید کراس کوپلینگ را توسط نیروهای موجود در میله‌های کششیِ قرقره‌ی کراس کوپلینگ نشان می‌دهند. در این مورد، میله‌های کششی نیروهای جانبی را انتقال نمی‌دهند. جابجایی‌های طولی نسبی جعبه یاتاقان به طرف دیگر فریم، از طریق بست پیچشی عرضی صورت می‌گیرد. در بست طولی پیشنهادشده بین جعبه یاتاقان ها، نیروهای داخل میله‌های کششی در مقایسه با نیروهای شناسایی شده در میله‌های کششی کراس کوپلینگ واریانت کلاسیک بوژی، بیش از ده برابر کمتر هستند.

شکل ۲۴: نیروهای طولی Fx  در میله‌های کششی سمت راست

شکل ۲۵: نیروهای طولی Fx در میله‌های کششی سمت چپ

چرخش میله پیچشی در کراس کوپلینگ

چرخش میله پیچشی در محل اتصال متقاطع بوژی، یک کوپلینگ چرخشی انعطاف‌پذیر را در طرفین بوژی ارائه می‌دهد.

نتیجه

در این مقاله به نتایج آنالیز شبیه‌سازی یک واگن باری بوژی، برای مشخص کردن ویژگی‌های دینامیکی چهار واریانت بوژی که با بوژی Y25 مطابقت دارند پرداخته شده‌است. تمام واریانت‌های ساخته‌شده توسط نرم‌افزار SIMPACK، دارای پارامترهای اساسی مشابه با مدل Y25 هستند (قالب، مجموعه چرخ‌ها، اتصال به فریم). تفاوت تنها در برخی مولفه‌های تغییریافته است.

وسایل نقلیه در نرم‌افزار شبیه‌سازی، مسیری با شکل هندسی مشابه را طی می‌کنند. این مسیر متشکل از یک مسیر مستقیم و چهار قوس پشت‌سر‌هم است. برای دست‌یابی به تفاوت‌های چشم‌گیرتر در نتایج، مسیر تست در یک صفحه افقی طراحی شده که یعنی در ریل خارجی قوس‌ها هیچ ارتفاع افزوده‌ای اعمال نشده‌است. وسایل نقلیه با یک سرعت ثابت وارد مدل مسیر پیشنهادشده می‌شوند.

با دنبال کردن مقادیر نشان‌ داده شده در نمودارها، می‌توان مشاهده کرد که واریانت جدید بوژی Y25 با مجموعه چرخ و محور آزادشده، دو دمپر لنویر، کوپلینگ طولی در طرفین بوژی که با کوپلینگ پیچشی عرضی در وسط دو طرف کامل شده، دارای رفتار دینامیکی بهتر وسیله نقلیه در هنگام حرکت در مسیر، مقادیر کمتر نیروهای هدایت‌کننده جانبی و ایمنی بیشتر در عدم خروج قطار از ریل است.

منبع:

Article: Y25 freight car bogie models properties analysis by means of computer simulations –