بررسي عددي و آزمايشگاهي فرايند سختكاري انفجاري روي سوزن‌هاي ريل راه‌آهن

Experimental and Numerical investigation of explosive work hardening process on railway frogs

سوزن‌هاي ريل راه‌آهن يكي از مهم‌ترين بخش‌هاي سيستم حمل و نقل ريلي است. چراكه آنها اجازه اتصال دو مسير مختلف از مسير را مي دهند و همين امر باعث انعطاف پذيري و آساني كار مي‌شود. اما بدليل نيروي‌هاي تماسي و ضربه‌اي به هنگام تعويض مسير توسط سوزن‌ها، فرسايش و خوردگي فراواني در آنها بوجود مي‌آيد كه علاوه بر تحميل هزينه‌هاي تعويض، به قسمت‌هاي ديگر واگن‌ها نيز آسيب وارد كرده و خسارات را دوچندان مي‌كند. پس براي جلوگيري از تغييرشكل‌هاي پلاستيك و خوردگي تحت بار‌هاي ضربه‌اي و سيكلي، بايد مقاومت سطح سوزن افزايش پيدا كند. طبق استاندارد‌هاي موجود، سختي سطح ريل راه‌آهن بويژه در محل سوزن‌هاي مربوطه بايد به طور متوسط بين HB 320-390 باشد. در پژوهش حاضر، پس از محاسبه مقدار انرژي لازم جهت سختكاري انفجاري از طريق تحليل عددي و صحت سنجي نتايج در مقايسه با نتايج آزمايشگاهي، بررسي پارامتريك صورت گرفته است. نتايج تحليل عددي نشان داده است كه ضخامت 4 ميليمتر، ضخامت بحراني براي سختكاري است. چرا كه ضخامت صفحه منفجره بالاتر از 4 ميليمتر سختي را به شدت افزايش مي‌دهد. همچنين مدل عددي نشان داد كه ضخامت‌هاي 5 و 7 ميليمتر براي قطعه راه‌آهن يكپارچه، مناسبترين و به صرفه‌ترين ضخامت است. نتيجه آزمايش انفجار روي قطعه سوزن نشان داد با انفجار صفحه هگزوشيت با ضخامت 7 ميليمتر روي آن مقدار سختي از HB161 قبل از انفجار به HB333در قسمت مياني سوزن و HB368در قسمت دماغه كه تحت بار ضربه‌اي بيشتري است، افزايش مي‌يابد.

In the railway transportation system, frogs play a crucial role. Frogs provide flexibility in the transportation system due to their intersecting different paths. During the transition of the rail, contact and impact forces are applied to the main body and nose of the frog, causing degradation and wear. Furthermore, impact forces cause extensive wheel damage and higher maintenance costs. As a result, the frog's wear resistance needs to be improved in order to prevent unusual plastic deformations and wear degradation under cyclic loadings. Explosive work-hardening is one of the most effective and cost-effective methods for increasing the hardness of Hadfield's steel to match the properties of railway materials. The hardness of the frog's running surface is between 320 and 390 HBW, according to relevant Standards. The experimental results were validated against FE analysis after calculating optimal explosive energy using a numerical approach, and then the DOI were adopted based on numerical results. According to the FE model, the critical thickness of explosive material is 4 mm, and increasing the thickness of explosive plate significantly increased the hardness. Furthermore, the FEM results revealed that the 5- and 7-mm thicknesses of explosive plate produced the best results in the rail hardening process. The hardness of railway frogs was increased from 161 HBW to 326 HBW and 347 HBW, respectively, by using 7 mm thick explosive plate in the hardening process.