Bir yük vagonunun frenlenmesi sonucu tekerleğin sürtünme yüzeyinde oluşan maksimum sıcaklığın deneysel olarak incelenmesi
Experimental study of the maximum temperature on the friction surface of the wheel as a result of braking of a freight wagon
Yazar: NAİL KARAGÖZ
Danışman: PROF. HALİL İBRAHİM ACAR
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
16. yüzyılın ortalarında tahta raylar üzerinde taşımacılık yapan at arabaları, 19. yüzyılın başında buharlı makinaların icadı sonrası yerini buharlı lokomotiflere bırakmıştır. Günümüzde demiryolunun yük taşımacılığındaki payı azalsada, uzun mesafeli ağır yük taşımacılığında, demiryolu taşımacılığı en güvenli ve en ekonomik kara taşımacılığıdır.
Dünyadaki ekonomik ve ticari büyümeyle birlikte yük taşıma miktarının artması, demiryolu trafiğinin artmasını ve buda kazaların artmasını beraberinde getirmiştir. Tehlikeli maddelerin de taşındığı demiryolu taşımacılığında meydana gelen kazalar mal ve can kaybına, altyapıda oluşan hasarlar ise uzun süre taşımacılığın aksamasına sebep olmaktadır. Demiryolu güvenliğinin artırılması için altyapıda çeken ve çekilen araçlarda sürekli iyileştirmeler yapılmalıdır.
Demiryolu güvenliğinin artırılması için demiryolu altyapısında ve çeken ve çekilen araçlarda sürekli iyileştirmeler yapılmalıdır. Fren sistemi ve yürüyüş aksamı, demiryolu güvenliği açısından yük vagonunun en önemli bileşenleridir. Yük vagonu fren sisteminde frenleme için gerekli fren kuvveti, fren silindirinde bulunan basınçlı hava ile oluşturulmaktadır. Manivelalarla fren pabucuna iletilen bu kuvvet, fren pabucu (sabo) ile tekerlek yuvarlanma yüzeyi arasında sürtünme kuvveti oluşturur.
Vagonların aşağı yönlü hareketinde vagon hızını kontrol amaçlı, uzun süreli "sürükleme freni" yapılması gerekmekte, bu da tekerleklerde çok yüksek sıcaklıklar oluşmasına sebep olabilmektedir. Oluşan bu yüksek sıcaklıklar sebebiyle çok çeşitli tekerlek hasarları oluşabilmekte ve bu durum demiryolu güvenliğini azaltmaktadır [1].
Bu çalışmada, tekerlek ısınması sebebiyle tekerlek hasarlarının sıkça gözlemlendiği Gümüş-Yenice arasında (ortalama eğim ‰ 13,4 ve toplam uzaklık  94 km) çalışan tekerlek çapı farklı iki konteyner vagonunda seyrüsefer boyunca tekerlek yuvarlanma yüzeyinde oluşan sıcaklıklar, vagon hızı, tekerlek yuvarlanma yüzeyine gelen rüzgar hızı, fren silindirlerinde oluşan basınç verileri kaydedilmiştir. 
Test için, tekerlek çapı büyük (919 mm) ve tekerlek çapı küçük (880 mm) olan iki test vagonu seçilmiştir. Tam dolu olan test vagonlarının bulunduğu katar, 2017 TÜDEMSAŞ üretimi TSI sertifikalı 12 adet Rgns vagonu ve DE 33000 dizel lokomotiften oluşturulmuştur. Yaklaşık 94 km uzunluğundaki yol 4 saat 30 dakikada kat edilmiş ve yaklaşık 1 saat 30 dakika ara istasyonlarda beklenmiştir. O bölgede halihazırda çalışan ve dinamik freni olmayan lokomotiflerin de kullanılması sebebiyle test sürecinde sıcaklığın en fazla olmasının beklendiği Hacıkırı - Durak istasyonları arasında lokomotifte bulunan dinamik fren devre dışı  bırakılmış sadece hava freni kullanılmıştır.
Test sonucunda ispit kalınlığı azalmış olan küçük çaplı tekerlekte, büyük çaplı tekerleğe göre, yuvarlanma yüzeyi sıcaklığının frenleme ile birlikte daha fazla arttığı ve bekleme esnasında ise sıcaklığın daha hızlı düştüğü görülmüştür. En yüksek tekerlek yuvarlanma yüzey sıcaklığı, tekerlek başına 45,5 MJ frenleme enerjisinin uygulandığı ve ortalama hızın 32,3 km/h olduğu Hacıkırı- Durak arasında, 363,7 oC olarak ölçülmüştür (küçük çaplı tekerlekte). Ayrıca, konteyner vagonunda, rüzgarsız bir havada yapılan test esnasında, tekerlek yuvarlanma yüzeyine gelen rüzgar hızının, vagon hızının yaklaşık 1/3'ü olduğu tespit edilmiştir.
Mevcut işletme şartları göz önüne alındığında saha testinde en kötü senaryo gerçekleş-memiştir. Halihazırda bu bölgede kullanılan ve dinamik freni olmayan bir lokomotif test için seçilebilseydi, istasyonlarda bekleme süresi çok uzun olmasaydı, tekerlek çapı daha küçük olan bir tekerlek seçilebilseydi, frenlemede normal şartlarda beklendiği üzere tam fren (silindir basıncı 3,8 bar) uygulanabilseydi ve ortalama hız daha fazla olsaydı,  Hacıkırı-Yenice istasyonları arasında çapı küçük olan tekerleğin yuvarlanma yüzeyinde daha yüksek sıcaklık değerleri beklenebilirdi. Ayrıca testten hemen önce yağmur yağması ve testin akşam saatlerinde yapılması da sıcaklığın daha büyük değerlere ulaşmasını engellemiştir.

Abstract:
Horse cart, which had performed transportation on wooden rails in the middle of 16th century, has left its place to steam locomotive after the invention of steam engine at the beginning of 19th century. At present, railway transportation is the safest and the most economical land transportation mode for long distance heavy cargo transportation [1].
In line with global economic growth, railway traffic has also increased and led to more railway accidents. Accidents that happen in railway transportation, where also dangerous goods are carried, result in loss of life and property, and damage in railway infrastructure causes disruption of transportation for a long time.
In order to increase railway safety, continuous improvements should be made in railway infrastructure and in tractive and trailing stock. The braking system and the running gear are the most important components of the freight wagon in terms of railway safety. The braking force required for braking the freight wagon is generated by compressed air in the brake cylinder. This force which is transmitted to the brake shoes by the brake levers creates a friction force between the brake shoes and the wheel rolling surfaces [1].
In downhill movement of the wagons, "drag brake" must be applied for a long time to control the wagon speed, which can lead to very high temperatures in the wheels. Due to these high temperatures, a wide variety of wheel damages can occur and this reduces railway safety [1].
In this study, temperature of the wheel rolling surface, wagon speed, wind speed to the wheel rolling surface and pressure of the brake cylinders were recorded in two container wagons with different wheel diameters running between Gümüş-Yenice where wheel damage was observed frequently due to wheel warming. Average inclination between Gümüş-Yenice is ‰ 13.4 and total distance 94 km.
To perform the test, two test wagons with a large wheel diameter (919 mm) and a small wheel diameter (880 mm) were selected. The fully loaded test wagons were composed of 12 TSI-certified Rgns wagons produced by TÜDEMSAŞ and a DE 33000 diesel locomotive. Approximately 94 km long road was covered in 4 hours and 30 minutes and halted at intermediate stations for about 1 hour and 30 minutes. Due to the fact that also the locomotives without dynamic brakes were currently used in that area, the dynamic brake in the locomotive was canceled and only the air brake was used between Hacıkırı-Durak stations where the temperature is expected to be the highest during the test.
At the end of the test, it was observed that the temperature of the rolling surface increased more as a result of braking and the temperature decreased faster during the waiting period at the smaller diameter wheel with reduced tyre thickness compared to the larger diameter wheel. The highest temperature at the wheel rolling surface was measured to be 363.7 0C (with smaller diameter wheel) between Hacıkırı and Durak, where 45.5 MJ braking energy was applied per wheel with an average speed of 32.3 km / h.  Furthermore, on the container wagon it was discovered that the wind speed coming to the wheel rolling surface was approximately 1/3 of the wagon speed in a test conducted in calm weather with no wind.
With the current operating conditions, the worst-case scenario has not occurred in the field test. If a locomotive currently used in this area without a dynamic brake could be selected for the test, and if the waiting time at the stations had not been so long, and if a wheel with a smaller wheel diameter could be selected, and if full braking (cylinder pressure 3.8 bar) could be applied as expected under normal braking and if the average speed were higher, it would be expected that higher temperatures occur at the rolling surface of the smaller diameter wheel between Hacıkırı-Yenice stations.  Besides, the fact that the weather was rainy just before the test and that the test was performed at the evening prevented the temperature from reaching higer values.