Raylı taşıtların dingillerinin dinamik analizi
Dynamic analysis of rail vehicle axles
Yazar: MERAL BAYRAKTAR
Danışman: DOÇ. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada İstanbul Ulaşım Sanayi ve Ticaret A. Ş.'ye ait raylı taşıtların aks milleri incelenmiştir.Raylı taşıtın titreşim analizini gerçekleştirmek amacıyla 6-serbestlik dereceli yarım raylı taşıt ve 16-serbestlik dereceli boji modelleri oluşturulmuş ve diferansiyel denklemleri çıkartılmıştır. MATLAB-Simulink programının kullanıldığı frekansa bağlı simülasyonlarda aks miline ait titreşimler incelenmiştir.Tekerlek setinin modal analizi deneysel olarak geçeklştirilmiştir. Tekerlek setine uygulanan çekiç testi sonucunda elde edilen frekans cevapları incelenerek tekerlek setine ait kritik hızlar belirlenmiştir. ABB aracına ait olan ve deneysel modal analizi yapılan tekerlek setinin sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve NASTRAN programı ile modal analizi bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir. Yapılan çekiç testlerinin sonuçları, aks milinin sonlu elemanlar analizi ile birlikte değerlendirilmiştir.Gerçek hatda seyreden araç üzerinden, aracın bojisine ve aks miline ait titreşim ölçümleri farklı hız değerleri (30 km/saat, 40 km/saat ve 50 km/saat) için gerçekleştirilerek, yerdeğişimleri ve ivmeleri, zaman ve frekans cevapları incelenmiştir.İstanbul Ulaşım Sanayi ve Ticaret A. Ş.'ye ait raylı taşıtların aks millerinde meydana gelen kırılmalar incelenmiştir. Firmadan alınan kırılma değerleri laboratuar ortamında çalışmış gibi düşünülerek, deneyler sonucunda kırılmalara kadar geçen [km] değerleri ömür olup, yalnız tramvay (TR) çalışma durumunda ve tramvay-hafif metro (TR-LRT) müşterek çalışma durumları ayrı ayrı incelenmiş ve logaritmik ömür denklemleri elde edilmiştir.Yapılan çalışmalarda metro/tramvay vagonlarının tam, orta ve düşük yükleme şartlarının yanısıra vagonlara virajlarda etkiyen ilave gerilme süreleri de göz önüne alınarak birikimli hasar teorilerinden Palmgren-Miner teoremi yardımıyla eşdeğer gerilmeler hesaplanmıştır. Elde edilen gerilme değerlerine maruz kalması durumunda aks milinin yaşayacağı ömür değerleri %10, %50 ve %90 güvenirlikli olarak ifade edilmiştir.Titreşimin ömür üzerindeki olumsuz etkisi üzerinde durularak aks milinde meydana gelen titreşim kaynaklı ilave eğilme gerilmeleri de hesaplara dahil edilmiştir. Aks millerinin ömürleri [yük tekrarı] cinsinden olmak üzere, %90 güvenirlikli olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar İstanbul Ulaşım Sanayi ve Ticaret A. Ş. tarafından verilen değerlerle mukayese edilmiş ve titreşimin dahil edilmesiyle ortaya konan ömür değerlerinin gerçek ömür değerlerine yakınlığı hata payları ile sunulmuştur.

Abstract:
In this study, failures in axles of rail vehicles of Istanbul Transportation Co. have been investigated.A half rail vehicle model with 6 DOF and a bogie model with 16 DOF have been considered to analyze the vibrations of rail vehicles. The vibrations of axles of rail vehicles are examined through simulations in frequency domain using MATLAB-Simulink program.Modal analysis of the wheel set which belongs to an ABB rail vehicle has been performed experimentally. The critical frequencies of the wheel set have been determined by the examination of the frequency response which is obtained by impact test. Later, its modal analysis is conducted by using NASTRAN program. Then the experimental and simulation results are evaluated and compared with each other.The vibration measurements at different speeds (30 km/hour, 40 km/hour and 50 km/hour) have been made on the bogie and axle of the running rail vehicle to determine displacement, acceleration, time, and frequency response.Fractures of axles of rail vehicles of Istanbul Transportation Co. have also been examined. The logarithmic life equations for the cases where (i) only tramway is in operation (ii) both tramway and light metro are in operation have been obtained with the fracture data taken from Istanbul Transportation Co. assuming that the vehicles run under the idealized conditions.Besides full, medium and low loading situations of metro/tramway wagons durations of additional stresses which are effective in curved rail roads are considered and equivalent stresses have been calculated by using Palmgren-Miner?s theorem as a cumulative failure theorem. The life of the axle exposed to the calculated equivalent stresses has been expressed with 10%, 50% and 90% reliability.In addition to the equivalent stresses explained above, negative effects of vibrations on life of the axle have been pointed out and additional vibration induced bending stresses have been included in the calculations. Then, life of the axles (as load cycle) has been calculated with 90% reliability. Finally, the results obtained are compared to the data reported by Istanbul Transportation Co. The differences between the calculated life with inclusion of the effect of vibrations and the real values are presented in the form of error percentages.