قابليت اطمينان عمر خستگي چرخ فولادي سامانه ريلي ايران

Reliability of the fatigue life for Iranian railway steel wheels

چرخ فولادي در سامانه ريلي، تا چند صد ميليون دور غلتش و تماس شديد با ريل را تجربه مي‌كند. در اثر اين تماس‌ها، چرخ دچار آسيب‌هايي مي‌شود كه مهمترين آن‌ها سايش و خستگي تماس غلتشي است. در اين نوع خستگي، علاوه بر ترك‌هاي سطحي (كه متأثر از سايش‌اند)، به دليل بيشينه بودن تنش برشي در زير سطح تماس چرخ، ترك‌هاي زيرسطحي نيز ايجاد مي‌شوند. با توجه به تنوع واگن‌هاي مسافري مورد استفاده در سامانه ريلي ايران و محدوديت‌هاي نگهداري و تعميرات آن‌ها، يك چرخ و محور ممكن است در طول عمر خود روي چند نوع واگن با وزن متفاوت مورد استفاده قرار بگيرد. به عبارت ديگر، بار محوري تحمل شده توسط چرخ و محور در طول عمر كاري خود مي‌تواند متغير باشد. در پژوهش حاضر، ابتدا غلتش و تماس چرخ مونوبلوك R7T مورد استفاده در سامانه ريلي ايران با ريل به صورت حركت بار غلتشي خالص هرتز روي سطح فضاي نيمه بي‌نهايت سه‌بعدي معادل‌سازي شده است. قطر چرخ 920 ميليمتر و پروفيل سطح آن از نوع s1002 انتخاب شده كه در مسير مستقيم روي ريل UIC60 در حركت است. در ادامه، ميدان تنش سه‌بعدي زيرسطحي حين عبور بار غلتشي خالص به صورت تحليلي مورد محاسبه و استخراج قرار گرفته است. با استفاده از ميدان تنش محاسبه شده، عمر خستگي چرخ فولادي به ازاي بارهاي محوري مختلف محاسبه شده است. در تعيين عمر خستگي از تركيب مدل خستگي چندمحوره تنش برشي اوكتاهدرال با رابطه عمر باسكوين استفاده شده است. نهايتاً با استفاده از توزيع احتمال تجمعي وايبول، درصد واماندگي چرخ به ازاي عمرهاي مختلف و نيز قابليت اطمينان عمر خستگي مورد ارزيابي قرار گرفته است. براي بازه بار محوري سامانه ريلي مسافري ايران، عمر خستگي چرخ با قابليت اطمينان 90 و 95 درصد به ترتيب 220 و 162 هزار كيلومتر تعيين گرديد.

In the railway systems, a steel wheel experiences several hundred millions of severe contact and rolling cycles on the rail. Due to the contacts, the wheel is damaged in the form of wear and rolling contact fatigue. In the rolling contact fatigue, the maximum subsurface shear stress forms the subsurface cracks. Iranian railway system operates various types of coaches with deferent weights. So, a wheelset may be used under various axel loads in its operating life. In this paper, first, rolling contact between a monoblock R7T wheel and UIC60 rail is equated as moving Hertzian contact load on the free surface of a semi infinite space. The wheel with a diameter of 920 mm has s1002 surface profile. Then, analytical three dimensional subsurface stress filed is calculated under different moving rolling loads. Fatigue lives of the wheel under different axel loads are determined using the stress field. Combination of the multiaxial octahedral shear stress model and Basquin life relation is used to calculate fatigue lives. Finally, weibull distribution is utilized to evaluate the failure probability and reliability of the calculated fatigue life. For the axel load range of Iranian railway passenger trains, fatigue life of the wheel is determined 162000 and 220000 kilometers for probability of 90 and 95 percent, respectively.