Orta hızlı çalışan raylı sistem bojilerinin titreşimlerinin modellenmesi ve optimizasyonu
Modelling and optimization of bogie vibrations working at medium speed in railway system
Yazar: CİHAN MIZRAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL ESEN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Sinirsel bulanık mantık = Neuro fuzzy logic ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Günümüz hayat şartlarının bir gereği haline gelen hızlı ulaşım, bütün ulaşım türlerinde olduğu gibi raylı taşımacılıkta da insanların öncelikli beklentisi haline gelmiştir. Raylı araçlarda hızın artması beraberinde sürüş emniyeti ve yolcu konforu kavramlarını düşünmemize neden olmaktadır. Sürüş güvenliği ve yolcu konforunu belirleyen şüphesiz en önemli etki raylı aracın hareketi esnasında meydana gelen dinamik zorlamaların sebep olduğu titreşimlerdir. Oluşan bu titreşimlerin doğru bir şekilde modellenmesi bize raylı araçların hareket kabiliyetini öğrenmemize imkân tanımaktadır. Çalışmada, raylı araç titreşimleri farklı serbestlik derecelerinde modellenip titreşim grafikleri elde edilmiştir. Raylı araç hızı, vagon kütlesi ve ray pürüzlülüğü ile birlikte boji süspansiyon sisteminin yolcu konforu üzerine etkisi raylı aracın köprü geçişinde olduğu gibi hareketli zemin ortamında incelenmiştir. MATLAB programının bulanık mantık arayüzünü kullanarak farklı kütle, hız ve yol pürüzlülüğü değerlerinde minimum araç ivmelenmesi için boji  
süspansiyon sisteminin çoklu giriş ve çıkış optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimize edilmiş sonuçlar ile orijinal süspansiyon değerinin sonuçları karşılaştırılmış, optimizasyon sonucunda elde edilen süspansiyon parametrelerinin yolcu konforuna yüksek hızlarda % 26'ya varan olumlu etki gösterdiği tespit edilmiştir. Aynı zamanda raylı araç titreşimlerinin deneysel olarak belirlenmesi için bu zamana kadar yapılan çalışmalardan farklı olarak tasarlanıp imal edilen 1/5 ölçekli raylı araç dinamik test ünitesinde raylı aracın köprü geçişi gibi hareketli zemin üzerindeki dikey titreşimlerinin belirlenmesi gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan beş serbestlik dereceli boji-köprü dinamik modelin doğruluğu için 0.37 m/s2 orta yolcu konforu ve 0.49 m/s2 düşük yolcu konforu derecesine sahip sabit ivme ile köprü üzerinde hareket eden raylı aracın deneysel 1/5 ölçekli raylı araç dinamik test ünitesinde ve MATLAB ortamında simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar için 150, 200, 250 km/h üç farklı raylı araç hızı ile 20.75, 25,00 ton yarım vagon kütleleri seçilmiştir. beş serbestlik dereceli boji modeli ile 1/5 oranlı raylı araç dinamik test ünitesinden elde edilen düşey titreşimlerinin RMS (Ortalama Karekök) değerleri karşılaştırıldığında, dinamik model ile deneysel sonuçların 0.37 m/s2'lik ivmelenme değeri için % 7.423,  0.49 m/s2'lik ivmelenme değeri için % 8.899'luk hata oranıyla benzerlik gösterdiği tespit edilmiştir. Ayrıca hareket doğrultusundaki ivmelenmenin 150 km/h'in üzerindeki hızlanmalarda vagon üzerindeki dikey titreşimlere, 150 km/h'in altındaki hızlanmalar kadar artırıcı etki göstermediği belirlenmiştir.

Abstract:
Rapid transportation, a requirement of today's living conditions, has become the prior expectation of people for rail transport as in all kinds of transport. Increase in the velocity of the rail vehicles cause people to think about driving safety and passenger comfort. The most important effect specifying the driving safety and passenger comfort is vehicle vibrations caused by dynamic forces occurring during movement of the rail vehicles. Proper modelling of these vibrations enable us to learn dynamic characteristics of the rail vehicles. In this study, rail vehicle vibrations were modelled with different degrees of freedom and displacement-time graphs of the rail vehicle were obtained. Effects of rail vehicle velocity, wagon mass, rail irregularity, and bogie suspension system on the passenger comfort were investigated at moving load conditions as the rail vehicle passed over a bridge. Multiple input and output optimization of the bogie suspension system was performed to reduce vertical vibrations of the rail vehicle for different values of wagon mass, vehicle velocity, and  
rail irregularity using MATLAB fuzzy interface. Optimized results were compared with the values reported in the literature and it was observed that optimized suspension parameters improved the passenger comfort by up to 26% at high velocities. Moreover, a 1/5 scaled roller rig was designed and manufactured for moving load conditions differing from the studies so far in order to determine the rail vehicle vibrations experimentally. For the accuracy of the dynamic model with five degrees of freedom, a series of simulations were performed in MATLAB software with constant accelerations of 0.37 m/s2 and 0.49 m/s2 for medium and less comfortable passenger comfort levels, respectively, and these simulations were executed on the 1/5 scaled roller rig at the same conditions. Rail vehicle velocities of 150 km/h, 200 km/h, and 250 km/h and wagon masses of 20.75 t and 25.00 t were chosen for both numerical and experimental simulations. When the RMS values of the vertical vibrations for both simulations were compared, it was specified that the dynamic model and the experimental results were similar by 7.423% and 8.899% for the constant accelerations of 0.37 m/s2 and 0.49 m/s2, respectively. Also, it was seen that longitudinal acceleration didn't affect the vertical vibrations at the velocities over 150 km/h so as the velocities under 150 km/h.