A cikk szerzője:

Németh Attila okleveles infrastruktúra-építőmérnök
Széchenyi István Egyetem

Dr. Major Zoltán egyetemi adjunktus
Széchenyi István Egyetem, Győr

Dr. habil. Fischer Szabolcs egyetemi docens
SZE

A polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínkötések (3. rész) – Véges elemes modellezések

A Sínek Világa folyóiratban megjelent korábbi, 2016-os [1] és 2018-as [2] cikkeinkben már tárgyaltuk a polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínillesztések laboratóriumi és vasúti pályás vizsgálatait. Jelen cikkünkben a laboratóriumi méréssorozataink eredményeit alapul véve egy kalibrált-validált véges elemes modellt (FEM-modell) mutatunk be, amely alkalmas nem kizárólag kéttámaszú, hanem folytatólagos, többtámaszú, kétdimenziós gerendaként figyelembe vett rugalmas-süllyedő alátámasztású vasúti vágányok alakváltozásainak – valamint igénybevételeinek és feszültségeinek – kalkulációjára is.

A modelljeink kalibrációját és validálását a laboratóriumi kéttámaszú (nem süllyedő alátámasztású) próbatestek maximális támaszközépi lehajlási értékei szerint végeztük megegyező terhelési viszonyokat (támaszköz és támaszközépen ható függőleges koncentrált erő) biztosítva. A véges elemes modellezést az egyetemünk Axis VM 13-as szoftverével, míg a regressziós számításokat a Microsoft Office Excel 2016-os verziójával végeztük. A cikkben bemutatott egyszerű kétdimenziós FEM-modell, valamint a publikált, FEM-modell kalibrációját segítő kalkulációs módszer relatíve gyors számításokat tesz lehetővé, amely nem kizárólag polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínillesztések modellezésére alkalmas, hanem ragasztás nélküli, valamint más anyagú hevederekkel szerelt ragasztott és ragasztás nélküli szigetelt és/vagy nem szigetelt sínillesztésekre is.

Bevezetés

A véges elemes modellezéssel a hazai és nemzetközi kutatások általában két, illetve  három dimenzióban készült speciális számítógépes kalkulációkat mutatnak be. Ezek a számítások főként a sínillesztésekben és az egyes szerkezeti elemekben az adott statikus vagy dinamikus terhelés hatására kialakuló feszültségek, rugalmas és képlékeny alakváltozások (legtöbb esetben nyúlások) meghatározására szolgálnak. A kerék-sín érintkezési geometria pontosításával egzakt, gyors eredményeket lehetett kapni. Természetesen minden esetben szükség van egy kalibrált-validált FEM-modellre, amivel a validálást követően az egyes mechanikai, geometriai stb. paraméterek megváltoztatásával részletesebb eredményekre lehet jutni, az idő- és költségigényes laboratóriumi vizsgálatok szükséges számosságának csökkentésével.
Jelen cikkben az alábbi lehetőséggel éltünk a rendelkezésre álló FEM szoftver (Axis VM 13) által nyújtott modellezési opciók figyelembevételével [3]:
– Első ízben a lehető legegyszerűbb, mégis korrekt eredményeket szolgáltató FEM-modell megalkotása volt a cél, amelyen a futtatásokat el lehet végezni.
– Ez az egyszerűsített modell egy 2D-s gerendamodell lett, amit mind geometriai kialakítása, mind a terhelése tekintetében az elvégzett laboratóriumi vizsgálatainkhoz igazítottunk.
– A ragasztott, hevederes, hevedercsavaros szerkezetet a 2D-s modell építése és használata miatt egyszerűsíteni kellett, ami annyit jelentett, hogy a támaszviszonyokat két darab csuklóval vettük figyelembe, a hevederes sínillesztést pedig egy félmerev csuklóval modelleztük, amit a támaszközépre helyeztünk el.
– A félmerev csuklót ebben az esetben egyetlen paraméterével lehetett jellemezni, az elfordulási merevségével (αsrh, dimenziója kNm/rad), ami megkönnyítette a beállítandó, kalibrálandó paraméterek pontosítását.
– A FEM-modelljeinket a támaszközépen mérhető, laboratóriumi méréseinknél alkalmazott maximális terhelés (egyetlen függőleges irányú koncentrált erő a támaszközépen) hatására kialakuló maximális lehajlásértékek alapján kalibráltuk a műszereink által kijelzett századmilliméter-pontosságot figyelembe véve [1, 3, 4].
– A modell validálását kétféle módszerrel végeztük el.
– A validált modell felhasználásával hosszabb vágányszakasz 2D-s modelljét is megépítettük különböző támaszviszonyok számításba vételével és a kiadódott eredményeket elemeztük-értékeltük.
– A sínillesztések véges elemes modellezése alapján (azaz nem a vágánymodellekből) olyan kalkulációs módszert alkottunk és számítási képleteket közöltünk, amelyekkel a modell kalibrációja gyorsan és megbízható pontossággal elvégezhető, amennyiben az αsrh paraméter a 100 és 30 000 kNm/rad intervallumba esik.

Alkalmazott paraméterek, beállítások, korlátozások

Minden egyes elvégzett és jelen cikkben figyelembe vett laboratóriumi vizsgálatból egyetlen értékpár került rögzítésre és felhasználásra a FEM-modellezéseinknél. Ez az értékpár a függőleges maximális támaszközépen mért lehajlás, valamint a hozzá tartozó maximális függőleges koncentrált támaszközépen ható terhelőerő. Ez utóbbit a támaszköztől függő maximális figyelembe veendő hajlítónyomatékból számoltuk [1, 3, 4]. A hivatkozott cikkeinkben részletesen leírtuk a kalkuláció részleteit, ezekre jelen cikkünkben csak visszautalunk.
Az egyszerűsített 2D-s FEM-modell paraméterei az alábbiak:
Geometria:

  • Elemek: egyszerű vonalelemek (gerenda), a geometriai méretek megegyeznek a laboratóriumi próbatestek méreteivel.
  • Elemek felosztása véges számú pontra: a szoftver által kínált automatikus felosztást alkalmaztuk.
  • Támaszok: két darab csuklós támasz, nem süllyedő alátámasztással.
  • Sínacél anyaga: S235 típusú szerkezeti acél. (A számítások eredményét nem befolyásolja a választott acél anyagminősége, kizárólag az E és υ paramétereket használja a szoftver a kalkulációkban.)
  • Keresztmetszetek: pontos keresztmetszeti rajzok AutoCAD szoftverből importálva, a FEM-modellezés vonatkozásában, a cikkünkben kizárólag a 60E1 sínprofilhoz készített polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínillesztéseket mutatjuk be. (Megjegyzés: A kalkulációk elkészültek az összes laboratóriumi próbatestre vonatkozóan, de terjedelmi és prioritási okok miatt kizárólag az említett esetet mutatjuk be, kvázi példának.)
  • Félmerev csukló: ez helyettesíti a hevederes sínillesztés mechanikai viselkedését.

Terhek:

  • Függőleges koncentrált támaszközépi erők a laborvizsgálatokkal összhangban.
  • Kalkulációs módszer:
  • Lineárisan rugalmas, nem képlékeny anyagmodell felhasználásával egyszerű statikai számítások.
  • Eredmények:
  • Rugalmas deformációs vonalak, támaszközépi lehajlások.

A gyakorlati számításokban a megnyílt vasúti hevederes sínillesztések esetén azzal a közelítő feltevéssel lehet élni, hogy a sínillesztési hézagnál egy csukló alakul ki. (Megjegyzés: Kis hézag esetén a csukló csak addig működik csuklóként, amíg a két sínvég egymásnak nem feszül.) Ebből a megfontolásból jött az az alapelképzelés, hogy a laboratóriumi vizsgálat alapján mért lehajlások segítségével modellezzük a hevederes sínillesztést egyetlen jellemzőjével, a véges elemes modellben a hevederes sínillesztés tengelyében figyelembe vett félmerev csukló elfordulási rugóállandójával (αsrh, dimenziója: kNm/rad). Ez a rugóállandó az ismétlődő terhelés (azaz a terhelési szám növekedésének) hatására változik, egyre lágyabbá válik, azaz csökken az értéke.
A kezdeti elméleti 2D-s modell felépítését 60E1 rendszerű sínszálhoz kialakított ragasztott-szigetelt hevederes kötésre végeztük el. Laboratóriumban 900 mm támaszköz esetén 189,47 kN nagyságú terheléssel – a laboratóriumi mérési paraméterek meghatározását l. a korábbi cikkeinkben [1, 3, 4] –, méréssel megállapítottuk a próbaszerkezet függőleges lehajlását a fárasztási ciklus változása függvényében (0–3,5 millió terhelési ciklusig bezárólag, 0,5 millió ciklusú fárasztási lépcsőkben).
Természetesen a módszer a MÁV 48 és az 54E1 sínprofilok esetén is működik (ezt a korábbi cikkünkben is bemutattuk), de jelen cikkben – terjedelmi korlátok miatt – csak a 60-as sínillesztésekkel foglalkozunk.

A cikk folytatódik, lapozás:123456Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] Németh A, Fischer Sz. A polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínkötések (1. rész) – Laboratóriumi vizsgálatok. Sínek Világa 2016;6:2-6.
  • [2] Németh A, Fischer Sz. A polimer-kompozit hevederes ragasztott-szigetelt sínkötések (2. rész) – Vasúti pályás vizsgálatok. Sínek Világa 2018;6:12-17.
  • [3] Németh A, Major Z, Fischer Sz. FEM modelling possibilities of glued insulated rail joints for CWR tracks. Acta Technica Jaurinensis 2020;13(1):42-84.
  • [4] Németh A, Fischer Sz. Laboratory test results of glued insulated rail joints assembled with traditional steel and fibre-glass reinforced resin-bonded fishplates. Nauka ta Progres Transportu 2019;81(3):65-86.
  • [5] Németh A, Fekete I, Szalai Sz, Fischer Sz. Supplementary laboratory investigations of modern plastic-polymer fishplates for rail joints. Nauka ta Progres Transportu 2019;84(6):86-102.
  • [6] Németh A, Fischer Sz. Field tests of glued insulated rail joints with usage of special plastic and steel fishplates.
  • Nauka ta Progres Transportu 2019;80(2):60-76.
  • [7] https://www.researchgate.net/profile/Attila_Nemeth6/research
  • [8] https://www.researchgate.net/profile/Szabolcs_Fischer/research
  • [9] https://mmtdi.sze.hu/nemeth-attila
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2020 / 3. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©