Hızlı tren akslarının yorulma ömür sürelerinin dinamik analiz yöntemiyle belirlenmesi
Determination of high-speed train axles, fatigue life times by dynamic analyze method
Yazar: UMUT KINIT
Danışman: PROF. DR. FERHAT DİKMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma, TCDD tarafından hizmete alınan Siemens Velaro D tipi bir hızlı tren içi boş tahrikli aksına, seyahat esnasında etkiyen dinamik kuvvetleri bulmak, bu aksların sürekli mukavemet açısından emniyetli olup olmadığını anlamak ve emniyetsiz çıkan kesitler için güvenli bir ömür süresi belirlemek için yapılmıştır. Dinamik analiz yapabilmek için 19 serbestlik dereceli bir araç modeli oluşturulmuş, Lagrange yöntemiyle modelin hareket denklemleri elde edilmiş, bu denklemlerden araca ait kütle, katılık ve sönüm matrisleri elde edilmiştir. Bulunan düşey ve eksenel yüklerin yardımıyla analiz yapılan araç için net aks kuvvetleri oranı (L/V) hız artışına bağlı olarak hesaplanmıştır.Sonuçlar grafik olarak çizdirilmiş ve eğrilerin bütün hız değerlerinde sınır değerin altında kaldığı ve American FRA (Federal Railroad Administration) ve German Railways deneysel değerlerinden elde edilen eğrilerle yakınsadığı görülmüştür.
Çalışmanın ikinci safhasında, içi boş tahrikli aksın belirlenen herbir kesiti için hem klasik sürekli mukavemet hesabı ,hemde EN13104 standardının tavsiye ettiği değerler kullanılarak sürekli mukavemet hesapları yapılmıştır.Bu hesaplar yapılırken dinamik analiz sonucu bulduğumuz dinamik kuvvetler, aracın
xv
ağırlığının oluşturduğu statik yüke eklenmiştir. Sonuç olarak içi boş tahrikli aksın C ve E kesitlerinin sürekli mukavemet açısından emniyetsiz çıktığı görülmüştür.
Çalışmanın son kısmında tüm hız değerlerinde sürekli mukavemet açısından emniyet katsayısı en düşük çıkan C kesiti için farklı yol şartlarında ömür hesapları teorik kabullerle orantı kurularak ve gerçek deney sonuçları kullanılarak yapılmış ve sonuçlar grafikler halinde sunulmuştur.Teorik kabullerle yapılan hesapta kötü yol koşullarında yüksek hızlarda % 97,5 güvenirlikli ömür süreleri 1, 5-2 yıla kadar düşerken, hızlı trenler için tavsiye edilen yol koşullarında ve mükemmel yol koşullarında ve yüksek hız değerlerinde bu sürelerin 20 -25 yıl arasında değiştiği görülmüştür. Deneysel sonuçlarla yapılan hesapta ise bu süreler yine %97,5 güvenirlik oranında 4 yıl ile 26 yıl arasında değişmektedir.Grafiklerin hepsi birden değerlendirildiğinde yol şartlarının ve araç hızının hızlı tren akslarının güvenli ömür süreleri üzerinde çok büyük tesirleri olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
This study was carried out to find the dynamic forces acting on a Siemens Velaro D type high-speed train hollow driven axle, which was put into service by TCDD, during travel, to understand whether these axles are safe in terms of continuous strength, and to determine a safe lifetime for unsafe sections.In order to perform dynamic analysis, equations of motion were obtained with the Lagrangian method and mass, stiffness and damping matrices were written using these equations.With a code written in the Matlab program, the matrices were solved and the displacements were obtained.
The forces acting on the axle from these displacements were found and continuous strength analysis was made for the hollow driven axle with the application of these forces.As a result of these calculations, section C was found to be unsafe and the most dangerous section in terms of continuous strength.
Lifetime calculations for the C section were made using both theoretical assumptions and real test results.In calculations made with theoretical assumptions, the 97.5% reliability lifetimes varied between 1.5-25 years depending on the road conditions at speeds of 70 m/s and above.In the calculation
xvii
made with experimental results, these periods vary between 4 years and 26 years, again with a 97.5% confidence rate.
When all of the graphics are evaluated together, it is understood that road conditions and vehicle speed have great effects on the safe life span of high-speed train axles.