◄ خلاصه گزارش اثرات دینامیک واگن های 6 محوره در سایش جانبی ریل

خلاصه ای از گزارش بررسی اثرات دینامیک جانبی واگن های ۶ محوره در سایش جانبی ریل در خط راست نوشته آقایان مهندسان ابراهیم عیسایی و مرحوم رضا حاتمی از گروه لوکوموتیو و واگن مرکز تحقیقات راه آهن بهمن ۱۳۷۵، (موجود در آرشیو):

- این گزارش به بررسی یکی از چالش های جدی در بهره برداری از خطوط راه آهن در مسیرهای مستقیم می پردازد. اگرچه به طور سنتی سایش جانبی ریل را به خطوط منحنی و نیروی گریز از مرکز نسبت می دهند، اما مشاهدات میدانی نشان داده که در خطوط مستقیم نیز این پدیده به وفور رخ می دهد و می تواند هزینه های سنگین نگهداری و تعویض ریل را تحمیل کند. نویسندگان با هدف یافتن ریشه های دینامیکی این معضل، پژوهش خود را در سه محور اصلی سامان داده اند:

۱- شناسایی نقش سایش پروفیل چرخ در تغییر مشخصه های هندسی تماس، ۲- مدل سازی حرکت زیگزاگی (هانتینگ) بوژی در خط راست، و ۳- تحلیل تأثیر طراحی تعلیق و نیروی کشش لوکوموتیو بر تشدید سایش، همراه با یک مطالعه موردی از راه آهن آفریقای جنوبی.

 - نویسندگان در ابتدا با استناد به تصاویر شماتیک نشان می دهند که در خط مستقیم، تماس فلنج چرخ با سطح جانبی ریل که نشانه ای از رفتار ناپایدار بوژی است  مشاهده می شود. ایشان این رفتار را به پدیده  کلاسیک هانتینگ (Hunting) یا حرکت زیگزاگی چرخ محور نسبت می دهند که ریشه در شکل مخروطی چرخ ها دارد و در سرعت های بالا به نوسانات عرضی خودتحریک دامن می زند. اما نکته کلیدی که گزارش بر آن تأکید دارد، تأثیر سایش و تغییر پروفیل چرخ بر تشدید این پدیده است. چرخ های نو با شیب مخروطی ثابت تراشیده می شوند، اما پس از مدتی کار، بر اثر تماس با ریل، پروفیل آن ها غیرمخروطی شده و به صورت قوس هایی منطبق بر تاج ریل درمی آید. در چنین شرایطی، «شیب مخروطی معادل (Equivalent Conicity) دیگر ثابت نیست و به صورت تابعی غیرخطی از جابه جایی عرضی چرخ محور تعریف می گردد ایشان می گویند که اختلاف شعاع لحظه ای تماس دوچرخ، مبنای محاسبه این شیب بوده و غیرخطی شدن آن، عامل اصلی افزایش دامنه هانتینگ و در نتیجه برخورد فلنج به ریل است.

- در گام بعد، برای تحلیل کمی رفتار دینامیکی، نویسندگان از روش لاگرانژ برای استخراج معادلات دیفرانسیلی حرکت استفاده کرده اند و فرمول های حاکم بر حرکت یک چرخ محور منفرد، یک بوژی دو محوره و یک بوژی سه محوره را به دست آورده اند.

- گرچه برای پرهیز از طولانی شدن، جزئیات کامل معادلات نیامده، اما روابطی برای طول موج حرکت زیگزاگی ارائه شده است. این روابط بر پایه پارامترهای اصلی از جمله فاصله دو خط ریل (گیج خط)، فاصله محورهای بوژی، شعاع متوسط چرخ و زاویه مخروط چرخ بنا نهاده شده اند. این بخش گزارش، چارچوب نظری پیش بینی سرعت بحرانی و طراحی بوژی های پایدارتر فراهم نموده و نشان می دهد که هر چه طول موج هانتینگ کوتاه تر باشد، بسامد برخورد فلنج بیشتر و سایش جانبی شدیدتر خواهد بود.

- اما شاید مهم ترین و کاربردی ترین بخش این گزارش، تحلیل تأثیر طراحی بوژی لوکوموتیو بر تشدید سایش باشد که با یک مطالعه موردی عینی از راه آهن آفریقای جنوبی (خط سیشن-سالدانها) تکمیل شده است. در این خط، پس از به کارگیری لوکوموتیوهای برقی نوع 9E، سایشی مواج و سینوسی در کناره های داخلی ریل پدیدار شد که با آزمایشات مکرر، مسئولیت آن به خود لوکوموتیوها نسبت داده شد. نویسندگان با دقت فنی، سه ویژگی طراحی این لوکوموتیو را به عنوان عوامل اصلی معرفی می کنند: نخست، سیستم تعلیق اولیه بسیار سخت از جنس ساندویچ های لاستیکی که برای جلوگیری از کج شدن بوژی هنگام کشش تعبیه شده بود و عملاً جذب نوسانات عرضی را به حداقل می رساند. دوم، صفحات اصطکاکی منتقل کننده نیروی کشش به شاسی لوکوموتیو که حرکت جانبی بین بدنه و بوژی را به شدت محدود می کردند. سوم، راهنمای جعبه یاتاقان (Horn Guide) که با صفحات فولادی سندبلاست شده پوشیده شده بود و آزادی تعلیق را در هر دو جهت عرضی و عمودی مقید می ساخت. 

- این سه عامل در تعامل با یکدیگر، بوژی را به سیستمی بسیار ناآرام تبدیل کرده بودند؛ به گونه ای که حتی ناهمواری های جزئی خط، به برخورد فلنج و سایش شدید منجر می شد. نویسندگان تأکید دارند که طراحی بوژی های مدرن باید تعادل دقیقی بین سفتی تعلیق، آزادی حرکت جانبی و میرایی نوسانات برقرار کند تا هم از هانتینگ و هم از سایش زودهنگام جلوگیری شود.