Raylı taşıtlarda bakım planlaması, deray şartları ve emniyet değerlendirmesi
Evaluation on safety and maintenance planning on railway vehicles and derailment conditions and safety assessment
Yazar: CEM ARSLAN
Danışman: PROF. DR. TUNCER TOPRAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bakım planlama sistemi = Maintenance planning system ; Bakım planlaması = Maintenance planning ; Bakım sistemleri = Maintenance systems ; Demir yolları = Railways ; Demir yolu taşımacılığı = Railway transportation ; Raylar = Rails ; Raylı sistemler = Railway systems

Özet:
Sanayi devrimi ile birlikte ingiltere'nin başını çektiği demiryolu taşımacılığı sektörü bugün dünyada en önemli ulaşım sistemlerinden biridir. Her ulaşım sisteminde olduğu gibi demiryollarında da kazalar meydana gelmekte ve bu kazaları önceden tahmin etmeye yönelik önleyici çalışmalar yapılmaktadır. Demiryollarındaki emniyeti sağlamada büyük önem arz eden bakım işlemleri yöntemlerine göre sınıflandırılarak tanımlandırılmıştır. Bunların arasında son yıllarda daha sık kullanılmaya başlanan performansa dayalı bir bakım yöntemi olarak performans izleme yöntemiyle bakım yöntemi ve demiryolundaki uygulamaları ayrıca ele alınmıştır. Demiryollarında izleme yöntemi ile birlikte elde edilen verilerin değerlendirilmesi ve bu verilerin öneminin derayı önceden tahmin etmeye ve bakım planlaması oluşturmaya etkileri ve faydaları belirtilmiştir. Ayrıca demiryollarında bakım planlamasında kullanılan ve EN 50126 Avrupa standartlarının içeriğinde tanımlanmış RAMS teknikleri ve RAMS'i etkileyen faktörler belirtilerek incelenmiştir.Demiryollarında meydana gelen kazalar sınıflandırılarak çeşitleri ve nedenleri belirtilmiştir ve bu kazalarda direk veya dolaylı olarak rol oynayan deray olayı ve mekanizması incelenmiştir. Raydan çıkma yani deray olayının ele alınmasından önce trenin ray ile olan bağlantısı tekerleğin ray ile etkileşimi açıklanmıştır. Tekerlek ray etkileşiminde tekerleğin ve rayın profili ve bu profil sonucu vagonun ray üzerinde yaptığı kinematik salınım hareketi ve dalga boyu Klingel formülü ile analitik olarak açıklanmıştır.Raydan çıkma mekanizmaları nedenlerine göre sınıflandırılmış. Tekerlek tırmanma derayı ve yüksek yanal hızlar ile tekerleğin raya çarpması sonucu oluşan tekerlek sıçrama deray mekanizmaları incelenerek analitik olarak açıklanmıştır. Raydan çıkma kazalarında en sık karşılaşılan tip olan ve hala üzerinde hala çalışmalar yapılan tekerlek tırmanma tipi gelişen derayının değerlendirilmesinde kullanılan en yaygın yöntem olan Nadal Kriterinin bir tekerlek seti kullanılarak elde edilen kuvvet ve moment denklemleri ile çıkarımı yapılmıştır. Teorik olarak açıklanan bu deray mekanizması üzerine Japonya'da Hibiya hattı üzerinde gerçekleşen tekerlek tırmanma tipi deray sonucu oluşan kaza için oluşturulan rapor değerlendirilerek raydan çıkmaya neden olan faktörler ve raydan çıkmayı önlemeye yönelik çıkartılan sonuçlar belirtilmiştir.Son olarak tanımlanan deray kriterlerini değerlendirmeye almak için bazı grafikler çıkartıldı. Tekerlek yükü azalma oranına bağlı bir deray katsayısı tanımlanarak bu deray katsayısının değişik sürtünme katsayılarında ve değişik flanş temas açılarında tekerlek boşalma oranına göre değişimi incelendi ve bu değişimler hem ayrı olarak hem de aynı grafik içinde gösterildi. Daha sonra tekerlek yükü azalması oranınında etkili olan sağ ve sol tekerlek yüklerinin normal statik yükleri açıklandı ve bu yükler için belli değerler belirlenerek değişimleri ile beraber tekerlek boşalma oranının nasıl değiştiği grafikte incelendi. Bu arada tüm bu grafikler çıkarılırken kullanılan parametreler sabit ve değişen değerleri ile birlikte çizelgelerde açıklandı. Tekerlek yüklerinin değişiminin tekerlek boşalma oranına etkisinin yanında tekerlek boşalma oranına bağlı deray katsayısı Lv'ye olan etkileri yine çizelge ve grafiklerle açıklandı. Deray katsayısı Lv'ye karşılık gelen Nadal oranı değerleri belirlenerek aralarındaki lineer bağıntı grafik ile açıklandı ve farklı tekerlek boşalma oranları için farklı grafikler oluşturuldu. Tekerlek boşalma oranının bir fonksiyonu olarak aks kütle merkezine etkiyen yanal yükü değiştirerek tekerlek yükü azalma oranının sınır değerlerine etkisi incelendi. Aks statik yüküne göre belli bir oranla kabul edilen tekerlek merkezindeki yanal yükün, tekerlek değişim oranının sınır değerlerini belirlemesi ve güvenli bölgenin hangi sınır değerler ile kısıtlandığı görüldü. Yardımcı deray kriterlerinden biri Weinstock kriteri de tanımlanarak sınır değerlerinin farklı flanş açıları ve sürtünme katsayılarındaki değişimi incelendi. Son olarak ise deray değerlendirilmesi için tanımlanan ve parametrelerinde bazı oynamalar yaparak sınır değerlerinin değişimi incelenen deray kriterlerinin değişik ülkelerde kullanılan farklı izin verilen ve tehlike limit değerleri standartları verildi. Her bir kriterin sınır değerlerinin oynama yapılan parametreler ile grafiklerdeki değişim eğrileri bize göstermiştir ki bunlardan hiçbirisi Nadal'ın kriteri ile ters düşmemektedir. Dünya üzerinde kabul edilmiş en yaygın kullanılan Nadal kriterinin doğruluğu farklı çalışmalarla karşılaştırılıp bir kez daha kanıtlanmıştır.

Abstract:
Railway transportation has become one of the most important transport systems following the industrial revolution, which started in Britain. Like every other transport system, accidents will still happen on these railways but many researches are being carried out to prevent these accidents. Because of the accidents maintenance methods that are being defined. Among these maintenance methods there is a detailed definition based on the system performance. The Condition Monitoring maintenance method is being used more often and it?s becoming a common method. There are benefits from evaluating the results gained from the condition monitoring in railways. Also RAMS techniques which are defined in EN 50216 standards, had been used for making the maintenance planning as described. RAMS elements and the factors affecting the RAMS are also described within these specifications.The accidents which happen on railways are classified by their types and reasons. Derailment mechanisms that might play a role in these accidents, whether directly or indirectly are studied. Also wheel rail interactions and the movement of the train on the rail are studied to understand the contact mechanism between wheel and rail. Defined form of the railway wheel and the rail provides a movement with kinematic oscillation while the train runs on the rail, and this kinematic oscillation is formulized with the Klingel?s formula.Derailment mechanisms are also categorized by their reasons of malfunction. Wheel climbing derailment and wheel jumping derailment which occurs by the impact of the wheel to the rail are described analytically because of the high lateral velocity. The most common derailment type would be wheel climbing, and there are many studies about this type. Nadal produced the criteria for this study in 1908. It is still used commonly around the world for evaluating the wheel climbing derailment. By using the force and moment equations on the railway wheel set, Nadal?s criteria is met.There is an example of an accident caused by wheel climb derailment on Hibiya Line in Japan. The given report was composed by the committee for the survey. The study for this derailment accident is explained in the end of the report. It specifically includes the factors that caused the derailment and the prevention for these types of accidents.Finally, some graphics were created to evaluate the derailment criterions. A derailment coefficient was defined and this coefficient has been observed by graphics with different flange angles and frictions coefficient parameters. Also these variations were shown both in different and the same graphics. Then wheel normal static forces were defined which affect wheel force reduction ratio and the accepted normal forces for left and right wheels were changed by wheel load reduction ratio, and these variations were observed by graphics again. All these graphics were explained by given tables of parameters by the way. Affects of the changes in the wheel normal forces to derailment coefficient Lv, which is also a function of wheel load reduction ratio, were researched in the graphics and tables. Nadal values were determined which corresponds to Lv derailment coefficients in some constant parameters, and the lineer relation between Nadal values and Lv derailment coefficient were observed in graphics. The lateral force affects to the mass center of axle which is one of the functions of the wheel rail reduction ratio were changed and the variations of the limit values of wheel rail reduction ratio were observed again by tables and graphics. There is also an auxiliary criterion which Weinstock suggested were defined and the limit variations of this criterion were investigated. Lastly, some different limit values in the applications of these variable derailment criterions were given for the different countries, and the safe regions were determined. In conclusion, Nadal?s criterion which was accepted by the whole world for the use of prediction and evaluation of derailment, was compared to the variation curves of different given criterions. Then these comparison showed us that none of these criterions is contrary to Nadal?s criterion, by this way the accuracy of Nadal?s criterion was proved again.