تحلیل مکانیک شکست ترک ستاره‌ای درز ریل و معرفی پارامترهای مؤثر بر نرخ رشد ترک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی راه‌آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

امروزه اغلب خطوط به صورت جوشکاری شده پیوسته اجرا شده و درز ریل پیچی کمتر استفاده می‌شود. اما این نوع اتصال ریل‌ها به دلیل کاربرد در سیستم علائم الکتریکی و مدار راه، همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد. رشد ترک ستاره‌ای (ترک سوراخ پیچ ریل)، یکی از دلایل اصلی شکست ریل در ناحیه درز بوده و از نقطه نظر ایمنی نیز حائز اهمیت می‌باشد؛ زیرا اگر در حین عبور قطار این شکستگی رخ دهد، منجر به خروج از خط خواهد شد. مشاهدات میدانی نشان می‌دهد که این ترک‌ها اغلب در جداره اولین سوراخ جوانه زده و با زاویه حدود 45 درجه، به سمت تاج و پاشنه ریل رشد می‌کنند. در این پژوهش، ابتدا با استفاده از روش اجزا محدود، مدلی برای درز ریل ارائه و به صورت شبه استاتیکی تحلیل شده است. پس از آن، ضمن بررسی روند تغییرات ضرایب شدت تنش برای حالت‌های مختلف، محدوده‌ای که در آن حداکثر مقدار ضریب شدت تنش معادل ایجاد می‌شود، تعیین شده است. سپس تأثیر تغییرات سه پارامتر بار محوری، سرعت قطار و سختی تکیه‌گاه ریل بر مقدار ضریب شدت تنش معادل و نسبت KI به KII بررسی شده است. در پایان، مسأله رشد ترک خستگی بر اساس رابطه پاریس، برای 5 حالت مختلف تحلیل شده است. به کمک معیار حداکثر تنش مماسی، امتداد رشد ترک در هر مرحله به دست آمده و نهایتاً طول بحرانی ترک و تعداد کل سیکل‌های بارگذاری تا لحظه شکست محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهد که ضریب شدت تنش معادل به نیروی چرخ حساسیت بیشتری دارد. همچنین نرخ رشد ترک با افزایش نیروی چرخ و یا کاهش سختی تکیه‌گاه ریل، به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. از نتایج کاربردی این مقاله می‌توان به بهینه‌سازی امور نگهداری خط و تصمیم‌گیری در مواردی همچون تعویض ریل ترک‌خورده یا عدم آن و زمان‌بندی مناسب جهت بازرسی‌های درز ریل اشاره کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Fracture mechanics analysis of rail-end bolt hole crack and effects of different parameters on fatigue crack growth rate

نویسندگان [English]

  • Saeed Mohammadzadeh 1
  • Hamed Paydar 2
1 Associate Professor, School of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 M.Sc., Grad., School of Railway Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Bolted rail joints are one of sensitive components in railway tracks which is used in signaling and broken rail identification systems. Rail joints are the most vulnerable spots in the track structure and many man-hours are spent on their maintenance. A common mode of failure in bolted rail joints is fatigue crack initiation and growth from the bolt holes at the end of the rail. Nowadays, fatigue and fracture of railway track components has been a critical problem. Consequently it caused high cost of maintenance and it threatened the safety of mobility. On the other hand, in addition to casualties and financial loss, this occurrence could have serious consequences. The fatigue failure around rail-end bolt holes is particularly dangerous since it leads to derailment of trains and consequently occurs inevitable accidents. However, researchers have not treated the crack growth in much detail. Therefore, this research will focus on fracture mechanics analysis of the rail-end bolt hole crack.
Firstly, a 3D finite element model of rail joint has been provided using commercially available software Abaqus/CAE. In this study, FE models analyzed quasi-statically. After the verification of model and checking the condition of LEFM, fracture mechanics analysis of cracks were carried out. In this stage, considering the stress intensity factor of cracks, the effects of variation of axle load, train speed and the rail support stiffness was determined on the equivalent stress intensity factor and the ratio of KI to KII. In addition, step by step fatigue crack growth analysis has been conducted based on Paris law and Maximum Tangential Stress (MTS) criterion. As a result, the estimation of cracks path and cracks growth rate were obtained.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bolted Rail Joint
  • Rail-end Bolt Hole Crack
  • Linear-Elastic Fracture Mechanics (LEFM)
  • Maximum Tangential Stress (MTS) Criterion
  • Fatigue Crack Growth

مراجع

- کشاورزیان، ح.، (1390)، "تحلیل قابلیت اطمینان خستگی چند محوری درز ریل از نوع Fish Plate"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی راه آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران.
 
-"نشریه 301؛ مشخصات فنی عمومی راه‌آهن"، (1384)، انتشارات سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور.
 
-جبارعلی ذاکری سردرودی، م. رضازاده زواردهی.، م.، (1385)، "روش‌های نگهداری خط آهن"،  انتشارات دانشگاه علم و صنعت؛ چاپ اول.
 
-­عطایی، ش.، محمدزاده، س.، نوری، م. و کشاورزیان، ح.، (1392)، "مقایسه عمر خستگی درز مورب و عادی بر اساس آزمایش میدانی"، سومین کنفرانس بین المللی پیشرفتهای اخیر در مهندسی راه آهن، دانشگاه علم و صنعت ایران.
 
-کوئن راد ایسولد، (1388)، "خطوط ریلی پیشرفته؛ راه‌آهن و مترو (جلد اول)"، ترجمه: سعید محمدزاده، جبارعلی ذاکری سردرودی، انجمن مهندسی حمل و نقل ریلی ایران.
 
-"Abaqus 6.14 Documentation - Abaqus analysis user’s guide", (2014), Dassault Systèmes, Simulia Corp.
 
-BS, EN 13674-1, (2011), "Railway applications - Track - Rail - Part 1: Vignole railway rails 46 kg/m and above".
 
-Cai, W., et al., (2007), "Dynamic stress analysis of rail joint with height difference defect using finite element method", Engineering Failure Analysis, 14(8), pp. 1488-1499.
 
-Erdogan, F. and G.C. Sih, (1963), "On the Crack Extension in Plates Under Plane Loading and Transverse Shear", Journal of Basic Engineering, 85(4), pp. 519-525.
 
-Jenkins, H., et al., (1974), "The effect of track and vehicle parameters on wheel/rail vertical dynamic forces", Railway Engineering Journal.
Desimone, H. and S. Beretta, Mechanisms of mixed mode fatigue crack propagation at rail butt-welds. International Journal of Fatigue, 2006. 28(5–6): p. 635-642.
 
-Mayville, R.A. and P.D. Hilton, (1984), "Fracture mechanics analysis of a rail-end bolt hole crack. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 1(1), pp. 51-60.
 
-Mayville, R.A. and R.G. Stringfellow, (1995), "Numerical analysis of a railroad bolt hole fracture problem. Theoretical and Applied Fracture Mechanics",  24(1), pp. 1-12.
 
-Mandal, N.K. and B. Peach, (2010), "An Engineering Analysis of Insulated Rail Joints: A General Perspective", International Journal of Engineering Science and Technology.
 
-Mohammadzadeh, S., M. Sharavi, and H. Keshavarzian, (2013), "Reliability analysis of fatigue crack initiation of railhead in bolted rail joint", Engineering Failure Analysis, 29(0),
pp. 132-148.
 
-UIC, Code 712, Rail defects. (2002), "International Union of Railways", Paris.
 
-UIC, Code 864-8 O.,(1983), "Rolled profiles for fish-plates for 54 kg/m and 60 kg/m rails",  International Union of Railways, Paris.
 
-UIC, Code 510-2, (2004), "Trailing stock: wheels and wheelsets; Conditions concerning the use of wheels of various diameters", International Union of Railways, Paris.
 
-Sih, G.C. and D.Y. Tzou, (1985), "Rail-end bolt hole fatigue crack in three dimensions. Theoretical and Applied Fracture Mechanics", 1985. 3(2), pp.97-111.
-Stephens, R.I., et al., (2001), "Metal fatigue in Engineering", 2nd ed.
 
-Skyttebol, A., B.L. Josefson, and J.W. Ringsberg, (2005), "Fatigue crack growth in a welded rail under the influence of residual stresses", Engineering Fracture Mechanics, 72(2), pp. 271-285.
 
-Talamini, B., D.Y. Jeong, and J. Gordon.,  (2007), "Estimation of the fatigue life of railroad joint bars, in ASME/IEEE 2007 Joint Rail Conference and Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference. 2007. American Society of Mechanical Engineers.
 
-Zakeri, J.A. and R. Abbasi, (2012), "Field investigation on variation of rail support modulus in ballasted railway tracks. Latin American Journal of Solids and Structures, 9, pp. 643-656.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار