Raylı sistemlerde yol kusurlarının titreşim verilerine dayalı tespiti, araştırılması ve modellenmesi
Detection, investigation and modeling of road defects in rail systems according to vibration data
Yazar: MUSTAFA TUNAHAN BAŞAR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KAAN BALTACIOĞLU
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Düşey titreşim = Vertical vibration ; Kara yolu ulaşımı = Land transportation ; Kusur tespiti = Flaw detection ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Zaman-frekans analizi = Time-frequency analysis

Özet:
Küresel anlamda artan nüfus ve insan ihtiyaçları doğrultusunda raylı ulaşımların kullanımlarında kritik artışlar meydana gelmektedir. Artan kullanımlara bağlı olarak trenlerde ki yük ve hız artışları güvenlik risklerini de beraberinde getirmektedir. Bu tez çalışmasında raylı ulaşımlarda meydana gelebilecek güvenlik problemlerinin tespiti ve kestirimci bakım sürelerinin tahminlerini gerçekleştirmek için modelleme ve prototip analizleri gerçekleştirilmiştir.  Raylı ulaşım araçlarının kendi ağırlıklarına bağlı olarak zeminde meydana gelen titreşimler sonucunda oluşan yerdeğiştirme, ivmelenme ve stress değerleri incelenmiştir. Yolda oluşan kusurların gelişimleri, geometrileri ve konumları zaman alanında tespit edilmektedir. Küçük ölçeklerde bir prototip tasarım geliştirilmiştir. Tasarımın simülatif ve deneysel analizleri gerçekleştirilmiştir. Yol altı boşluk ve yol üstü çıkıntı tipi kusurlu yol koşulları, kusursuz yol koşulları ile mukayese edilmiştir. Yol altında boşluk kusuru 4425 milimetrekare yüzey alanına sahiptir. Yoldaki çıkıntının boyutları 1,5 milimetre (yükseklik) ve 25 milimetredir (uzunluk). Yol altı boşluğu için yer değiştirme değişimi %61,8 olarak belirlenmiştir. İvmelenme değerlerindeki değişim %108,7 oranındadır.  Deneysel çalışmalarda ivmelenme artışları kusurun bulunduğu bölgelerde yoğunluk göstermekte ve ortalama değişim %12,5 değerindedir. Yol üzerinde oluşturulan kusur durumu (çıkıntı) incelendiğinde yerdeğiştirme verilerinde %2,9 değişim gözlemlenmiştir. İvme verilerinin simülatif ve deneysel ölçümü açısından artışlar sırasıyla %4,71 ve %3,56 olarak tespit edilmiştir. Gerçek yol ölçeklerinde simülatif çalışmalar 20-100 Hz. ve 50-500 kN yük değerleri aralığında analiz edilmiştir. Farklı geometrilerde ve boyutlardaki kusurlar için tepkiler araştırılmış, 40, 60, 80 Hz. frekans değerlerinde tespit edilebilirliğin arttığı gözlemlenirken sayısal sonuçların küçük ölçekli prototip uygulamalar ile tutarlı olduğu saptanmıştır. Titreşim etkilerine dayalı tepkiler analiz edilmiş ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Simülatif analizler deneysel çalışmalarla desteklenmiş ve uyumlulukları sonuçlar alt bölümünde ayrıntılı grafiklerle sunulmuştur.

Abstract:
Critical increases in the use of rail transport are taking place in line with the growing global population and human needs. Due to increased usage, increased loads and speeds on trains also pose safety risks. In this thesis, modeling and prototype analyses were carried out to identify safety problems that may occur in rail transport and to realize estimates of maintenance period. Displacement, acceleration and stress values were examined in line with the vibration effects of rail transportation vehicles on the ground depending on their own weight. The development of defects, their geometry and defect locations are detected in the time domain. A prototype design has been developed at small scales. Simulative and experimental analyzes of the design were carried out. Imperfect road conditions such as under-road gap and protrusion type were compared with perfect road conditions. The gap defect under the traverse had a surface area of 4425 square millimeter. Dimensions of the protrusion on the road were 1.5 millimeter (height) and a 25 millimeter (length). Displacement variation for the under-road gap were determined as 61.8%. The change in acceleration values was 108.7%. In experimental studies, acceleration increases were concentrated in the regions where the defect was located and the average change was 12.5%. When the defect (protrusion) created on the road was examined, a 2.9% change was observed in the displacement data. In terms of simulative and experimental measurement of acceleration data, the increases were determined as 4.71% and 3.56%, respectively. Simulative studies at real road scales were analyzed in the range of 20-100 Hz. and 50-500 kN load values. Responses for defects of different geometries and sizes were investigated, and it was observed that detectability increased at frequency values of 40, 60, 80 Hz, and the numerical results were found to be consistent with small-scale prototype applications. Responses based on vibration effects were analyzed and positive results were obtained. Simulative analyses were supported by experimental studies and their compatibility was presented with detailed graphics in the results subsection.