پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد – ایران ترجمه – Irantarjomeh
مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع
مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی
مقالات
قیمت
قیمت این مقاله: 58000 تومان (ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره | ۸۰ |
کد مقاله | IND80 |
مترجم | گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh |
نام فارسی | پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد |
نام انگلیسی | Condition monitoring of railway axles based on low frequency vibrations |
تعداد صفحه به فارسی | ۵۵ |
تعداد صفحه به انگلیسی | ۱۰ |
کلمات کلیدی به فارسی | پایش سلامت سازه ای, محورهای قطار, ارتعاشات کم بسامد |
کلمات کلیدی به انگلیسی | Structural health monitoring, Railway axles,Low frequency vibrations |
مرجع به فارسی | ژورنال بین المللی خستگیدپارتمان مهندسی مکانیک، دانشگاه پلیتکنیک میلان، ویالاماسا، میلان، ایتالیاالزویر |
مرجع به انگلیسی | International Journal of Fatigue; Department of Mechanical Engineering, Politecnico di Milano, Via La Masa Milano, Italy; Elsevier |
کشور | ایتالیا |
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
چکیده
محورهای قطار از جمله تجهیزات دارای اطمینان بحرانی[۱] به شمار میروند؛ به این معنا که میزان اطمینان و اعتماد به عملکرد آنها، نقش حیاتی دارد. از این رو برای جلوگیری از بروز تخریبهای فاجعه آفرینی که به طور بالقوه یکپارچگی[۲] ساختار محورهای قطار را تهدید میکند، میبایست یکپارچگی و جامعیت ساختار آنها به نحوی مطلوب مورد نظارت و پایش قرار گیرد. این مقاله روشی را برای پایش پیوسته وضعیت محورهای قطار ارائه میکند که در آن ارتعاشات خمشی[۳] محور مورد استفاده در قطار اندازهگیری میشود و به کمک بررسی مؤلفههای هارمونیکی که دوره تناوب آنها مضرب صحیحی از دوره تناوب دوران محور است ( )، وجود ترک خستگی[۴] در آنها بررسی میشود.
به منظور تجزیه و تحلیل امکانپذیر بودن روش مطرح شده، محورهای قطاری را که تحت تستهای خستگی قرار گرفتهاند، بدون در نظر گرفتن هرگونه پیشداوری در مورد میزان ترکخوردگیشان، به طور تماممقیاس[۵] مورد بررسی و اندازهگیری میدهیم. برای صحتسنجی دادههای آزمایشگاهی حاصل از تستهای خستگی با توجه به مدلهای ریاضیاتی و همچنین برای تجزیه و تحلیل چرخمحورهایی[۶] که با محورهای ترکخورده روی مسیر خطآهن حرکت غلتشی[۷] دارند، مدل محور قطار ترکخورده تعریف و روش المان محدود[۸] برای آن اجرا میشود.
نتایج حاصل از هر دو روش آزمایشگاهی و عددی نشان میدهد که میتوان مؤلفههای ، و ارتعاش خمشی محور را برای شناسایی محل ترکها روی محورها به کار گرفت. با توجه به این روش، مساحت مربوط به ترکها باید دستکم ۱۶% از مساحت سطح مقطع محور را شامل شود. با این وجود، روش مطرح شده را نمیتوان جایگزینی برای روشهای وارسی تناوبی غیرمخرب[۹] به شمار آورد، بلکه این روش میتواند به عنوان پایشی مضاعف برای بررسی قابلیت اطمینان محورها به کار گرفته شود و به کمک آن محورهای ترکخورده را به نحوی مطلوبتر شناسایی و با زمانبندی دقیقتری از بروز عیب و نقص در قطار جلوگیری کرد.
کلمات کلیدی: پایش سلامت سازه ای، محورهای قطار، ارتعاشات کم بسامد
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
۱- مقدمه
در وسایل نقلیه ریلی[۱]، اغلب چرخها به صورت جفتهایی که به کمک یک محور به هم متصل شدهاند مورد استفاده قرار میگیرند. این مجموعه، چرخ محور[۲] نامیده میشود. چرخ محورها از جمله اجزای مهم وسایل نقلیه هستند؛ چرا که به طور پیوسته با ریل خطآهن در تماس هستند، بارهای استاتیکی و دینامیکی متعددی به آنها وارد میشود، بر روی ریل کشیده شده و اصطکاک ایجاد میکنند و عمل ترمز گرفتن و هدایت قطار توسط آنها انجام میشود و در نهایت چرخ محورها هستند که امکان حرکت روی ریل و دنبال کردن مسیر ریل را برای قطار فراهم میکنند [۱]. با توجه به طول عمر زیاد چرخمحورها (۳۰ سال یا حتی بیشتر در خطوطآهن اروپا)، چرخمحورهای قطار و به ویژه محورهایشان در معرض آسیبهای ناشی از خستگی قرار دارند؛ بروز خستگی در چنین تجهیزاتی میتواند از عیوب اولیهای که در فرآیند ساخت شکل میگیرد، نشأت گرفته باشد. همچنین این احتمال نیز وجود دارد که آسیبهای محیطی نظیر خوردگی[۳] [۲,۳] یا برخورد خردهسنگها[۴] [۴] باعث پدید آمدن خستگی شده باشد. پیآمدهای ناشی از وقوع پدیده شکست خستگی[۵] در محورهای قطار میتواند فاجعهآمیز باشد؛ شکست یکی از محورها میتواند باعث از خط خارج شدن[۶] کل واگنها گردد و این رخداد در خوشبینانهترین حالت باعث وارد شدن صدمات جدی به مسافران و در بدبینانهترین حالت میتواند حتی باعث مرگومیر آنها شود.
در این مقاله روشی برای پایش پیوسته سلامت سازهای محورهای قطار ارائه شده است که مبنای آن اندازهگیری ارتعاشات خمشی محور در حال حرکت است. در حقیقت وجود ترک باعث از بین رفتن خاصیت تقارنمحوری[۱۳] سفتی خمشی[۱۴] محور شده و ارتعاشات خمشی را در فرکانسهایی که مضرب صحیحی از فرکانس دورانی محور هستند و به صورت در این مقاله نشان داده میشوند، تحت تأثیر قرار میدهند. دستیابی به چنین رویکردی در روش SHM نیازمند اندازهگیری مؤلفههای هارمونیک ارتعاشات خمشی محور در بخشهایی از محور است که فرکانس ارتعاش آن پایین است (کمتر از ۲۰۰ تا ۳۰۰ هرتز). اندازهگیری چنین بخشهایی این امکان را فراهم میکند تا از سیستم اندازهگیری به نسبت سادهتر، مقاومتر و کمهزینهتری استفاده شود. با این وجود، این فرض نیز باید مورد توجه قرار گیرد که برای آنکه قادر باشیم تا نقاط شکست را با توجه به تغییرات محسوس فرکانسهای محور شناسایی کنیم، باید اندازه ترکها به حد کافی بزرگ باشند (همانگونه که در ادامه مقاله به آن خواهیم پرداخت، ناحیه ترکخورده باید دستکم ۱۶% از مساحت سطح مقطع محور را شامل شده باشد). در نتیجه روش SHM ارائه شده در این مقاله به معنای جایگزینی برای روشهای وارسی NDT نیست، بلکه این روش تنها میتواند به عنوان پایشی مضاعف برای بررسی قابلیت اطمینان محورها به کار گرفته شود و به کمک آن محورهای ترکخورده را به نحوی مطلوبتر شناسایی و با زمانبندی دقیقتری از بروز عیب و نقص در قطار جلوگیری کرد. پژوهشهای گزارش شده در این مقاله به طور عمده در قالب پروژه SUSTRAIL یا حملونقل ریلی پایدار[۱۵] انجام شده [۱۴] و توسط کمیسیون اروپا و تحت قانون FP7 مورد حمایت مالی قرار گرفته است.
این مقاله به بشرح ذیل ارائه شده است: در بخش ۲، مکانیزم ارتعاشی ناشی از وجود ترک[۲۲] در محور دوار[۲۳] معرفی میشود. در بخش ۳، تست های آزمایشگاهی تمام مقیاس توسط ارائه شواهد آزمایشگاهی و برقراری رابطه میان انتشار ترک در محور و وقوع ارتعاشات مضاعف تشریح میشود. در بخش ۴، یک مدل المان محدود غیرخطی[۲۴] محور ترک خورده که بیانگر مکانیزم ترک تنفسی است معرفی میشود و نتایج عددی برای دو وضعیت کلی ارائه میشوند. در وضعیت نخست شرایط آزمایشگاهی مدنظر قرار میگیرند و نتایج عددی با نتایج مربوط به تست آزمایشگاهی مقایسه میشوند. پس از آن وضعیت حرکت چرخ محورها روی ریلهای خطآهن در نظر گرفته میشود و آشفتگیهای ناشی ایدهآل نبودن شرایط هندسی مدل در ریلها و چرخها نیز مشخص شده و در نتیجه آن دیدی کلی و مقدماتی در مورد نحوه کارکرد روش SHM ارائه شده در شرایط واقعی به دست میآید.
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
۲- ارتعاشات ناشی از ترک در یک محور دوار
وجود ترک در یک محور دوار باعث تحت تأثیر قرار گرفتن ارتعاشات خمشی آن از چندین جهت میشود؛ نخست اینکه وجود ترک در محور دوار باعث پدید آمدن تغییرات موضعی در سفتی خمشی میشود و بروز تغییرات در سفتی خمشی بر روی دامنه ارتعاشات اجباری[۱] و همچنین فرکانسهای طبیعی سیستم[۲] و مدهای ارتعاشی[۳] تأثیر میگذارد. در صورتی که محور به طور استاتیکی بارگذاری شده باشد، وجود ترک، قوسدارشدن استاتیکی محور[۴] را افزایش میدهد و باعث تقویت مؤلفه ارتعاشی میشود؛ به این معنا که به طور همزمان باعث دوران نسبی محور نیز میشود.
دوم اینکه ترک باعث ایجاد آشفتگی در رفتار تقارنمحوری نیروی خمشی در طول محور میشود (شکل ۱-الف). هنگامی که در طول یک محور دوار، نیرویی خمشی با راستای ثابت وارد میشود (به طور مثال بارهای ناشی از گرانش[۵])، انحراف (تغییر شکل)[۶] استاتیکی ناشی از نیروی خمشی با توجه به زاویه دوران تغییر میکند و باعث افزایش فرکانسهای ارتعاشات خمشی میشود [۱۵].
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
۳- تجارب آزمایشگاهی
تستهای تماممقیاس دوام خستگی در چارچوب پروژه تحقیقاتی EURAXLES FP7 اروپا انجام گرفته است [۲۰] و هدف از انجام آنها، بررسی پارامتر استحکام خستگی[۱] (حد خستگی) برای دو نوع مختلف از محورهای قطار بوده است؛ یکی محور هالو[۲] و از جنس فولاد EA1N [21] و دیگری محور سالید[۳] و از جنس فولاد EA4T [21]. سیزده محور مورد آزمایش قرار گرفتهاند تا با بررسی آنها، حد خستگی محورهایی که تحت بارگذاریِ با دامنه ثابت[۴] هستند به طور کامل و با تمام جزئیات به دست آیند (فرض شده است که تستها در سیکل دور انجام گرفته است). پس از انجام آزمایشها، تعدادی از محورها دچار شکست شدند و ترکهای خستگی در آنها رشد کرد. در این بخش تنها به ارائه نتایج حاصل از پنج آزمایش پرداخته شده است؛ در چهار مورد از این آزمایشها پس از آنکه در محور ترکی با ابعاد قابل توجه به وجود آمد، تست متوقف شد، ولی آزمایش دیگر تا انتها انجام شد و در انتهای تست اثری از ترک در آن مشاهده نشد. جدول ۱ به طور خلاصه مشخصات هر یک از محورها را نشان میدهد. مطابق اطلاعات موجود در جدول، طیف وسیعی از انواع مدلهای موجود و شرایط بارگذاری مختلف مورد آزمایش قرار گرفتهاند. چنین تفاوتهای بارزی در هندسه، نوع فولادها و شرایط بارگذاری، دستکم برای استفاده در محورهای قطار، تأثیر چندانی در روش SHM به کار گرفته شده ندارند.
۳-۱٫ ویژگیهای آزمایشگاهی
تمامی محورها با استفاده از میز آزمایش متحرک[۱] به طور تماممقیاس مورد آزمایش قرار گرفتهاند (قطعات کاملاً منطبق بر استاندارد EN 13261 [21] و تحت لیسانس ایزو ۱۷۰۲۵ هستند). تمامی این تجهیزات در آزمایشگاههای گروه مهندسی مکانیک دانشگاه پلیتکنیک میلان موجود هستند. توسط این تجهیزات آزمایشگاهی که در شکل ۲ نشان داده شدهاند، روش خمش دورانی سه نقطهای[۲] به طور تماممقیاس بر روی هر یک از نمونههای محور قطار اعمال میشود. ستآپ آزمایشگاهی مورد استفاده شامل دو پایه نگهدارنده است که محور قطار را توسط دو یاتاقان مخروطی[۳] که در ابتدا و انتهای ستآپ قرار گرفتهاند، مهار کرده است. به منظور اعمال بار عمودی بر محور مورد آزمایش، یک یاتاقان متصل به سیستم تحریک[۴] در وسط محور تعبیه شده است. موتور الکتریکی ایجاد کننده دوران محور طوری تنظیم میشود که در محور، خستگی خمش دورانی[۵] تولید کند. به طور کلی محورها تحت دو سری آزمایش قرار میگیرند؛ آزمایش با دامنه ثابت و آزمایش بلوک بارگذاری خستگی[۶]. هر دوی این آزمایشها با تنظیم کردن ارتعاشات سیستم تحریک به صورت ثابت یا متغیر مطابق دستورالعملهای موجود در [۲۲] قابل انجام هستند.
۳-۲٫ اکتساب دادهها[۱] و پردازش
اکتساب (تحصیل) دادهها با استفاده از کارت سختافزاری اکتساب دادهها موسوم به [۲]cDAQ و بر مبنای سیستم اندازهگیری ملی[۳] انجام میگیرد. برای اطمینان از اینکه دستکم داده ذخیره و مقدار در هر دور چرخش محور نیز ثبت شده است، فرکانس نمونه انتخاب میشود (فرکانس دوران محور در این آزمایشها اندکی کمتر از است). به کمک برنامهریزی داخلی کارت cDAQ، عمل فیلتراسیون صافسازی[۴] به صورت دیجیتالی انجام میشود.
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
۴- نتایج آزمایشگاهی
در شکل ۴ و در بخشهای -الف و -ب، نمونههایی از وضعیت شکست نهایی آزمایشهای شماره ۱ و ۳ (با توجه به جدول ۱) نشان داده شده است. ترکها با روش تضاد رنگ مغناطیسی[۱] (MT) شناسایی و با رنگ تیره مشخص شده و بر مبنای کمترین طول سطح ترکخورده (۲L) مورد اندازهگیری قرار گرفتهاند.
شکل ۵ نشان دهنده مقایسهای بین ارتعاشات ثبت شده محور در آزمایش شماره ۱ در وضعیت آغازین آزمایش و در مراحلی است که ترک ایجاد شده رشد کرده است. در بخشهای -الف و -ج شکل ۵، نمودارهای قطبی متوسط ارتعاشات اندازهگیری شده، رسم شده است. در بخشهای -ب و -د نیز دامنه متناظر با هر یک از مؤلفههای که توسط روش FFT به دست آمده، رسم شده است. با مقایسه نمودارهای قطبی میتوان دریافت که میزان تقارن ارتعاشات محور در مراحل پایانی آزمایش افزایش یافته است و این رخداد ناشی از این بوده است که ما در محاسبات، برای محور دوار ترکخورده، سفتی خمشی متقارنی را فرض کردهایم. تجزیه و تحلیل سینگالها به روش FFT نشان میدهد که در بعضی از مؤلفههای هارمونیک، از جمله و در مراحل پایانی آزمایش، دامنهها افزایش پیدا کردهاند. در سایر محورهایی که دچار شکست شدهاند نیز وضعیتی مشابه را میتوان متصور شد.
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد
۵- شبیه سازی با استفاده از روش المان محدود
بررسیهای عددی با هدف بررسی دقیقتر آثار ارتعاشی ناشی از وجود ترک در محور دوار قطار انجام گرفته است. برای نیل به این هدف، مدل المان محدود محور ترکخورده با استفاده از نرمافزار آباکوس[۱] ورژن ۶٫۱۲ تعریف شده است [۲۵]. به دلیل رفتار غیرخطی ترک، شبیهسازیها در حوزه زمانی و با فرمولاسیونی صریح[۲] انجام گرفتهاند.
دو وضعیت کلی برای شبیهسازی در نظر گرفته میشود: یکی با هدف توصیف شرایط آزمایشگاهی موجود در بخش ۳ انجام میگیرد و دیگری در شرایطی انجام میگیرد که محور عضوی از چرخمحور قطاری که در حال حرکت بر روی ریل خطآهن است، به شمار میرود.
۵-۱٫ مدل المان محدود محور ترک خورده
با توجه به تفاوتهای اندکی که در نتایج حاصل از مدلهای موجود در جدول ۱ وجود دارد، مدل المان محدود به صورت محوری هالو با قطر خارجی ۱۶۶ میلیمتر و قطر سوراخ ۶۵ میلیمتر با توجه به جزئیات آزمایشهای ۱ و ۲ شبیهسازی میشود. این مدل محور، یکی از متداولترین محورهایی است که در قطارهای مسافربری به کار میرود. دادههای مربوط به مواد سازنده[۳] محور به صورت کشسانی خطی و خواص مکانیکی متداول فولاد EA1N که برای محورهای قطار به کار میرود، در نرمافزار تنظیم میشوند.
گسستهسازی محور توسط روش المان مکعب ۸-گرهی[۴] C3D8R با تابع درونیاب مرتبه دو و انتگرالگیری نقصانی[۵] (تخفیفدار) صورت گرفته است. چون گسستهسازی با استفاده از روش صریح انجام گرفته است، فرمولاسیون توده فشرده[۶] برای تمامی المانها اعمال میشود تا آثار ناشی از گرانش نیز در شبیهسازی در نظر گرفته شود.
۵-۲٫ شبیه سازی تست های آزمایشگاهی
اولین وضعیتی که در شبیهسازی عددی فرض میشود، با هدف فراهم کردن شرایط تستهایی است که در آزمایشگاه انجام گرفتهاند. از این رو میبایست در مکانهایی از محور که یاتاقانها قرار میگیرند شرایطی خاص اعمال شوند تا میز آزمایش و بارگذاری به کار رفته در محور به بهترین شکل شبیهسازی شوند. به این جهت، محور موجود در آزمایش شماره ۲ را که تحت بارگذاری قرار دارد، به صورت محوری که در بخش مرکزی آن بارگذاری گسترده[۱] وجود دارد در نظر میگیریم. میزان وسعت و عمق بارگذاری را نیز مطابق طولی در نظر میگیریم که یاتاقان روی سطح محور اشغال کرده است.
۵-۳٫ شبیه سازی محور قطار در شرایط واقعی خطآهن
دومین وضعیتی که برای شبیهسازی عددی در نظر گرفته میشود، محوری است که جزئی از چرخمحور قطاری است که در حال حرکت با سرعت ثابت بر روی ریل خطآهن است. در این وضعیت، دو نیروی استاتیکی به اندازه بر روی نشیمنگاههای انگشتی محور[۱] وارد میشوند و توسط نیروهای عکسالعمل تکیهگاهی که بزرگی دارند و در محل اتصال چرخها عمل میکنند، خنثی میشوند. سرعت دورانی در نظر گرفته شده برای چرخمحور است و باعث حرکت چرخ با سرعت خطی میشود. تمامی شبیهسازیها با این فرض انجام شده است که سطح مقطع ترکخورده به میزان ۳۵% کل سطح مقطع محور باشد؛ مشخص است که این درصد، مقداری بسیار بزرگ برای ترک به شمار میرود و قطاری با این میزان از ترک در یکی از محورهایش، میبایست سریعاً به تعمیرگاه مراجعه کند.
پایش وضعیت محورهای قطار بر پایه ارتعاشات کم بسامد