Mätning av vågutbredning i järnvägsräls
Mätning av vågutbredning i järnvägsräls
Mätning av vågutbredning i järnvägsräls
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Mätning <strong>av</strong> vågutbredning i järnvägsräls<br />
Examensarbete vid Linköpings universitet<br />
utfört <strong>av</strong><br />
Emir Alisic<br />
LiTH-IKP-ING-Ex—06/003--SE<br />
2006
Framläggningsdatum<br />
2006-03-24<br />
Publiceringsdatum (elektronisk version)<br />
Institution och <strong>av</strong>delning<br />
Institutionen för konstruktions- och<br />
produktionsteknik<br />
Carl Malmsten CTD<br />
Språk<br />
x Svenska<br />
Annat (ange nedan)<br />
________________<br />
URL för elektronisk version<br />
.....<br />
Rapporttyp<br />
Licentiat<strong>av</strong>handling<br />
x Examensarbete<br />
C-uppsats<br />
D-uppsats<br />
Övrig rapport<br />
__________________<br />
ISBN:<br />
ISRN: LITH-IKP-ING-EX—06/003--SE<br />
Serietitel<br />
Serienummer/ISSN<br />
Titel<br />
Mätning <strong>av</strong> vågutbredning i järnvägsräls<br />
Författare<br />
Emir Alisic<br />
Sammanfattning<br />
Då ett tåg är i drift uppkommer ibland skador på hjulen, så kallade hjulplattor. Dessa uppkommer då ett hjul kanar på rälsen<br />
utan att rotera (kan t ex hända vid kraftig inbromsning). På grund <strong>av</strong> hjulplattorna uppkommer slag på rälen då hjulet<br />
roterar. Det finns olika sätt att upptäcka och mäta hjulskador.<br />
Ett syfte med detta arbete är att utföra simulering <strong>av</strong> slag från hjulplattor. En räl belastas med slag som ska efterlikna slag<br />
från en hjulplatta. Simuleringen utförs med hjälp <strong>av</strong> en vanlig hammare som ska föreställa slaget från hjulet. Mätningar<br />
utförs med töjningsgivare som klistras på rälen (som är fritt upplagt). Vid slag på rälen uppkommer vågutbredning som vi<br />
försöker undersöka och beräkna.<br />
Följande har fåtts fram vid simuleringarna:<br />
- Kontakttiden för vilket slaget är i kontakt med rälen beräknas ligga mellan 250 och 300 µs.<br />
- Spänningar som uppkommer vid simuleringarna är normalspänningar och skjuvspänningar. En normalspänningen mäts<br />
och<br />
beräknas precis under platsen för slaget och en skjuvspänningen mäts 0,5 m därifrån. Dessa spänningar varierar på grund <strong>av</strong><br />
slagets hårdhet, slagets plats och <strong>av</strong>läsningens noggrannhet. Normalspänningen uppskattas variera mellan 15,2 och 39,2<br />
MPa och skjuvspänningen varierar mellan 0,226 och 1,098 MPa.<br />
Nyckelord: mättning, hjulslag, våutbredning, spänningar
Förord<br />
Som <strong>av</strong>slutning <strong>av</strong> studierna till högskoleingenjör ska ett examensarbete omfattande 10<br />
poäng utföras. Jag utförde mitt arbete på Tekniska högskolan i Linköping (LiTH).<br />
Jag vill tacka alla personer på LiTH som hjälpt till och bidragit till detta examensarbete.<br />
Ett stort tack till Bo Skog som har varit till stor hjälp under det praktiska arbetets gång.<br />
Jag vill också speciellt tacka min handledare Tore Dahlberg som med stort intresse och<br />
entusiasm varit med under hela arbetets gång och bidragit med bra idéer.<br />
Linköping i mars 2006<br />
Emir Alisic
Abstract<br />
While a train is in operation wheel damage such as wheel flats may appear and because<br />
of the damage the rail will be subjected to impact loads. There are various ways to detect<br />
and record wheel damage.<br />
The purpose of this report is to perform experimented simulation of load from wheel flat.<br />
The load is an impact on the rail. The load is simulated with the help of an ordinary<br />
hammer by which the load is applied to the rail. Strain gauges which are glued on the rail,<br />
are used to measure strains in the rail due to the impact load. At the impact on the rail<br />
w<strong>av</strong>es arise, and these w<strong>av</strong>es are examined and determined.<br />
The following results are determined after simulation:<br />
• The time for which the impact load is in contact with the rail is somewhere<br />
between 250 and 300 µs.<br />
• Stresses that arise at simulation is normal stresses and shear stress. The normal<br />
stress was determined under the load and shear stress 0,5 m from the point of<br />
load application. Stresses vary depending on the strength of the load, the place<br />
of the load and the distance from the load. Normal stress was found to vary<br />
between 15,7 and 39,2 MPa and shear stress varies between 0,226 and 1,098<br />
MPa.
Sammanfattning<br />
Då ett tåg är i drift uppkommer ibland hjulskador såsom hjulplattor och på grund <strong>av</strong> dessa<br />
uppkommer slag på rälen. Det finns olika sätt att upptäcka och mäta hjulskador.<br />
Syfte med detta arbete var att utföra experimentell simulering <strong>av</strong> slag från hjulplattor,<br />
genom att slag ges på rälen. Simuleringen utfördes med hjälp <strong>av</strong> en vanlig hammare som<br />
ska föreställa hjulslaget och mätningar utfördes med töjningsgivare som klistrats på rälen<br />
(som är fritt upplagt). Vid slag på rälen uppkommer vågutbredning som undersöktes och<br />
beräknades.<br />
Följande har fåtts fram vid simuleringarna:<br />
• Kontakt tiden för vilket slaget är i kontakt med rälen beräknas ligga mellan 250<br />
och 300 µs.<br />
• Spänningar som uppkommer vid simuleringarna är normalspänning och<br />
skjuvspänning. En normalspänning mäts och beräknas precis under platsen för<br />
slaget och skjuvspänningen 0,5 m därifrån. De varierar på grund <strong>av</strong> slagets<br />
hårdhet, slagets plats och <strong>av</strong>läsningens noggrannhet. Normalspänningen beräknas<br />
varierar mellan 15,2 och 39,2 MPa och skjuvspänningen varierar mellan 0,226<br />
och 1,098 MPa.
Innehållsföreteckning<br />
1. INLEDNING……………………………………………………………………..1<br />
1.1 Bakrund…………………………………………………………………………....1<br />
1.2 Syfte……………………………………………………………………………….1<br />
1.3 Avgränsningar……………………………………………………………………..1<br />
1.4 Metod……………………………………………………………………………...1<br />
2. JÄRNVÄGSRÄLS……………………………………………………………….2<br />
2.1 Rälsens uppbyggnad och funktion………………………………………………...2<br />
2.2 Vågutbredning……………………………………………………………………..3<br />
2.2.1 Tryckvåg…………………………………………………………………...3<br />
2.2.2 Skjuvvåg…………………………………………………………………...4<br />
3. SIMULERING AV HJUL SLAG……………………………………………….5<br />
3.1 Experiment………………………………………………………………………...5<br />
3.2 Beräkning <strong>av</strong> spänningar…………………………………………………………..6<br />
3.2.1 Bräkning <strong>av</strong> normalspänning i y-led under slag platsen………………….7<br />
3.2.2 Beräkning <strong>av</strong> skjuvspänning 0,5 m från slaget……………………………8<br />
3.3 Olika slag………………………………………………………………………...11<br />
4. SLUTSATS……………………………………………………………………...12<br />
5. REFERENSER………………………………………………………………….13
Figurförteckning<br />
Figur 1: Bild beskriver järnvägs bana……………………………………………………………………….2<br />
Figur 2: Bilden visar tryckvåg……………………….....................................................................................3<br />
Figur 3: Bilden visar skjuvvågen.....................................................................................................................4<br />
Figur 4: Bilden visar balken och dess givares placering…………………………………………………….5<br />
Figur 5: Bilden visar rosetgivare…………………………………………………………………………….5<br />
Figur 6: Bilden visar töjning på 2 olika platser i olika riktningar…………………………………………..6<br />
Figur 7: Bilden visar töjning i x-och y-led 0,5 m från slag platsen………………………………………….7<br />
Figur 8: Visar olika slag på I-balken……………………………………………………………………....11
1. Inledning<br />
I inledningen ges först en beskrivning <strong>av</strong> bakgrunden och syftet med examensarbetet.<br />
Sedan behandlas vilka <strong>av</strong>gränsningar som har gjorts och därefter beskrivs den metod<br />
som använts.<br />
1.1 Bakgrund<br />
När ett tåg färdas på en järnväg händer det att det uppkommer skador på hjul som t.ex.<br />
hjulplattor. Om man upptäcker detta tidigt kan man förhindra onödig slitage och skada på<br />
rälsen.<br />
Denna rapport innehåller beräkningar (erhållna ur mätningar) <strong>av</strong> spänningar i en I-balk<br />
och resultaten jämförs med beräkningar som har gjorts tidigare med hjälp <strong>av</strong> Finita<br />
Element Metoden (FEM) på en järnvägsräls, [1].<br />
I examensarbetet undersöks också på hur lång tid slaget <strong>av</strong> hjulet är i kontakt med ytan på<br />
rälsen.<br />
1.2 Syfte<br />
Syfte med detta examensarbete är att undersöka vilka spänningar som uppkommer på en<br />
järnvägsräls då hjul på tåget skadas genom t.ex. inbromsningar och sedan utsätter rälsen<br />
för slag vid varje hjulvarv. I examensarbetet ska också undersökas hur lång tid slaget från<br />
hjulet är i kontakt med rälsen.<br />
1.3 Avgränsningar<br />
Eftersom jag inte kunde få tag på en bit <strong>av</strong> en järnvägsräls utförs experimentet på en I-<br />
balk med liknande dimensioner. Slaget <strong>av</strong> hjulplattor simuleras med hjälp <strong>av</strong> en vanlig<br />
hammare. Experimenten har utförts utan någon extra dämpning <strong>av</strong> balken.<br />
1.4 Metod<br />
I detta arbete ska fakta från tidigare examensarbete studeras för att få ytterligare<br />
information om ämnet. Jag kommer även att undersöka och jämföra beräkningar och<br />
kurvor som finns med egna mätningar.
2 Järnvägsräls<br />
I detta <strong>av</strong>snitt ges en beskrivning hur ett järnvägsspår är uppbyggt och dess funktion.<br />
Uttryck som används förklaras i rapporten.<br />
2.1 Spårets uppbyggnad och funktion<br />
Järnvägspåret kan delas in i genom två delar, nämligen banunderbyggnaden och<br />
banöverbyggnaden.<br />
• Banunderbyggnaden utgörs <strong>av</strong> bankropp, som även kallas banvall, samt broar,<br />
tunnlar etc. Hela banöverbyggnaden vilar på banunderbyggnaden.<br />
• Banöverbyggnaden består <strong>av</strong> spår och ballast. Spåret i sin tur utgörs <strong>av</strong> rälerna<br />
och sliprarna. Ballasten kan bestå <strong>av</strong> sand, grus eller makadam. Dessa<br />
komponenter bär upp tåget. De kräver underhåll och förnyelse.<br />
Figur 1: Bilden beskriver järnväg spårets ippbyggnad.<br />
Följande spårkomponenter definieras, se Figur 1 ovan:<br />
• Räls<br />
• Mellanlägg mellan räl och sliper<br />
• Sliper<br />
• Ballast<br />
• Banvall<br />
Rälsernas består <strong>av</strong> 2 skenor, kallade räler. Deras uppgift är att föra tåget i en viss<br />
riktning och bära upp tåget och dess last. Rälerna ska vara så jämna som möjligt så att<br />
tåget kan åka tyst och vibrations fritt samt ge lågt rullningsmotstånd.<br />
Rälerna vilar vanligtvis inte direkt på sliprarna utan det finns ett underlägg<br />
(underläggsplatta) och ett mellanlägg <strong>av</strong> gummi eller plast. Underläggsplattans syfte är<br />
att fördela lasten från rälsen till en större yta och utgöra en del <strong>av</strong> rälsens<br />
befästningssystem. Mellanläggsplattans uppgift är att utgöra slitage skydd mellan rälsfot<br />
och underläggsplatta samt reducera ljud och vibrationer.
Sliprarna kan vara <strong>av</strong> trä, betong och stål, fast i Sverige förekommer sliper endast <strong>av</strong> trä<br />
och betong. Idag byggs nya järnvägsspår huvudsakligen med betongslipers som håller<br />
längre, ger ett stadigare spår och kräver mindre underhåll. Betongsliprar har dock<br />
nackdelen att inte vara lika fjädrande som träsliprar.<br />
Sliperns uppgift är följande:<br />
• Att vara fjädrande fundament för rälerna, vilket innebär att de ska föra över<br />
krafter från rälen till ballasten via mer eller mindre elastiska mellanlägg.<br />
• Fixera rälerna i sidled för korrekt räl<strong>av</strong>stånd, d v s spårvidd.<br />
• Tillsammans med rälerna via rälsbefästningarna göra att spåret är böjstyvt i<br />
sidled.<br />
Ballasten kan bestå <strong>av</strong> sand, grus eller makadam som sliprarna vilar på. Ballasten har som<br />
uppgift att ge extra stadga, ta upp och fördela statiska och dynamiska belastningar i alla<br />
tre riktningarna till banunderbyggnaden, vara elastiskt, hindra växligheten och ge god<br />
dränering som förebygger tjälskador, samt minska vibrationerna.<br />
2.2 Vågutbredning<br />
Det finns två olika typer <strong>av</strong> volymvågor; tryckvågor och skjuvvågor. Dessa förklaras i<br />
detta <strong>av</strong>snitt.<br />
2.2.1 Tryckvåg<br />
P-vågen, tryckvågen är den snabbaste vågen. Den rör sig i utbredningsriktningen genom<br />
att det medium vågen passerar igenom förtunnas respektive förtätas.<br />
Figur2: Bilden visar tryckvåg.<br />
Tryckvågens utbredningshastighet kan skrivas som<br />
där E är materialets elasticitetsmodul och ρ des densitet<br />
E<br />
c p<br />
= (3.1)<br />
ρ
2.2.2 Skjuvvåg<br />
Skjuvvågen kallas även sekundärvåg. Den sätter materialpartiklarna i rörelse vinkelrätt<br />
mot vågens utbredningsriktning, alltså partikelrörelsen sker vertikalt.<br />
Figur 3: Bilden visar skjuvvågen.<br />
Skjuvvågens utbredningshastighet kan skrivas som<br />
G E<br />
c s<br />
= =<br />
(3.2)<br />
ρ 2 ⋅ ρ ⋅ +<br />
( 1 ν )<br />
där G är skjuvmodul, som kan uttryckas i E och ν, materialets Poissons tal
3 Simulering <strong>av</strong> hjulslag<br />
I detta <strong>av</strong>snitt beskrivs hur själva experimentet och beräkning <strong>av</strong> spänningar gick till.<br />
3.1 Experimentet<br />
Större delen <strong>av</strong> arbetet har åtgått till att försöka utföra experiment och försöka utnyttja<br />
värdena man fick till olika beräkningar. Arbetet startades genom att hitta en passande I-<br />
balk som skulle likna en järnvägsräls som därefter slipades på vissa ställen på I-balkens<br />
liv så att töjningsgivarna kunde klistras fast. Från början klistrades fast 2 enriktnings<br />
töjningsgivare. En klistrades fast i y-led precis under huvudet på stället man skulle slå på.<br />
Andra givaren klistrades fast med <strong>av</strong>ståndet ca 0,5 m till höger om den första i 45 graders<br />
vinkel i I-balkens livs mitt, se Figur 4.<br />
Figur 4: Bilden visar balken och dess givares placering.<br />
Efter några försök byttes den givare som monterats med 45 grader. Istället klistrades fast<br />
en rosettgivare till höger om den. Rosettgivaren mäter töjning i tre olika riktningar, se<br />
Figur 5.<br />
Figur 5: Bilden visar rosettgivare.<br />
Båda givarna var kopplade till en förstärkare som i sin tur var kopplad till oscilloskop<br />
från vilket alla värdena lästes <strong>av</strong>. Slagen som skulle föreställa hjulslag utfördes med hjälp<br />
<strong>av</strong> en vanlig snickarhammare. I-balken var fritt upplagd under hela experimentet.
3.2 Beräkning <strong>av</strong> spänningar<br />
Efter att man har slagit med hammaren på balken fick man med hjälp <strong>av</strong> givarna ut 4<br />
olika kurvor på oscilloskopet. Kurvorna visade töjningen i form <strong>av</strong> volt, se figur 6.<br />
Kurvan nr. 1 visar töjningen i y-led precis under slagplatsen. Kurvan nr. 2 visar töjning i<br />
45 graders vinkel ungefär 0,5 m från slagplatsen.<br />
Om man tittar på bilden nedan ser man att kurvan nr. 2 är förskjuten ungefär 125µs<br />
jämfört med kurvan nr. 1. Det är förståeligt eftersom givaren för kurvan nr. 2 ligger 0,5 m<br />
från givaren till kurvan nr. 1. Det innebär att vågutbredningshastighet blir 4000m/s vilket<br />
kan jämföras med hastigheterna för en tryckvåg 5170m/s och skjuvvåg 3200m/s.<br />
Figur 6: Bilden visar töjning på 2 olika platser i olika riktningar.<br />
Då en analys <strong>av</strong> ett slag utförs vill man beräkna hur lång tid hammarslaget varar. Slaget<br />
föreställer ett hjulslag i kontakt med I-balken som i sin tur föreställer rälen. Detta görs<br />
genom att man studerar vågutbredningen i I-balken. Om man studerar början <strong>av</strong> kurvan<br />
nr. 1 i Figur 6 ser man att första vågen antar först ett negativt värde och sedan ett positivt.<br />
Hela första vågen beskriver kontakttiden. Enligt undersökningarna blir tiden mellan 250<br />
och 300 µs. Kontakttiden i Figur 6 är 280 µs.<br />
Kurvan nr. 4 visar töjning i y-led medan kurva nr. 3 visar töjningen i x-led, båda ungefär<br />
0,5 m från slagplatsen, se Figur 7 nedan.
Figur 7. Bilden visar töjning i x-och y-led 0,5 m från slagplatsen.<br />
För att experimenten skulle bli så noggranna som möjligt utförde man flera slag på<br />
samma plats. De <strong>av</strong>lästa värdena på alla 4 kurvorna beräknades om till töjning ε istället<br />
för mätvärdet i V man får direkt från oscilloskopet.<br />
Värdena beräknas genom formeln: 10/100 = mätvärde i volt/ε (3.3)<br />
3.2.1 Bräkning <strong>av</strong> normalspänning i y-led under slag platsen<br />
Tabellen nedan visar olika försök på töjningar i y-led precis under slagplatsen efter<br />
omräkningen. Tabellen visar också att slagen utfördes vid olika spänningar på<br />
oscilloskopet. På detta sätt kunde man variera slagens hårdhet, då man ökade spänning<br />
per ruta på oscilloskopet blev det mindre känsligt och då kunde man öka slagkraften.<br />
Töjningen i tabellen varierar alltså på grund <strong>av</strong> slagkraften.<br />
ε y vid 0,1V ε y vid 0,2V ε y vid 0,5V<br />
68×10 -6 120×10 -6 115×10 -6<br />
78×10 -6 128×10 -6 80×10 -6<br />
75×10 -6 112×10 -6 170×10 -6<br />
78×10 -6 80×10 -6 145×10 -6<br />
68×10 -6 98×10 -6 90×10 -6<br />
69×10 -6 98×10 -6 95×10 -6<br />
78×10 -6 80×10 -6 120×10 -6<br />
66×10 -6 80×10 -6 150×10 -6<br />
78×10 -6 96×10 -6 130×10 -6<br />
79×10 -6 90×10 -6 105×10 -6<br />
Tabell 1 visar värden på töjning i y-led under slagplatsen.
Efter det att beräkningar <strong>av</strong> töjningar är klara räknas dem om det till spänning i y-led σ y<br />
E<br />
genom ekvation: σ = y<br />
( ε<br />
y<br />
−νε<br />
x<br />
)<br />
(3.4)<br />
1−ν<br />
2<br />
Där:<br />
σ y = spänning y-led<br />
E = 210 GPa<br />
ν = 0,3<br />
ε y = töjning i y-led, tas från tabell 1<br />
ε x = töjning i x-led. Vi antar att den är försumbar eftersom det i detta fall inte<br />
finns någon last i x-led<br />
Tabell nedan visar olika spänningar i y-led under slagplatsen efter beräkning med hjälp<br />
<strong>av</strong> ekvationen (3.4) och Tabell 1. Värdena varierar på grund <strong>av</strong> töjningen.<br />
σ y vid 0,1V σ y vid 0,2V σ y vid 0,5V<br />
15,7MPa 27,7MPa 26,5MPa<br />
18,0MPa 29,5MPa 18,5MPa<br />
17,3MPa 25,8MPa 39,2MPa<br />
18,0MPa 18,5MPa 33,5MPa<br />
15,7MPa 22,6MPa 20,8MPa<br />
15,9MPa 22,6MPa 21,9MPa<br />
18,0MPa 18,5MPa 27,7MPa<br />
15,2MPa 18,5MPa 34,6MPa<br />
18,0MPa 22,1MPa 30,0MPa<br />
18,2MPa 20,8MPa 24,2MPa<br />
Tabell 2 visar spänning i y-led under slagplatsen<br />
3.2.2 Beräkning <strong>av</strong> skjuvspänning 0,5 m från slaget<br />
Tabellerna 3 och 4 nedan visar olika försök på töjningar i 3 olika riktningar, y-led, x-led<br />
och 45° vinkel 0,5 m från slag platsen. Här utfördes också experimentet vid olika<br />
spänningar på oscilloskopet. Töjningen varierar på grund <strong>av</strong> slagkraften. Om man tittar<br />
på tabellerna nedan ser man att störst töjning ger den givare som är i 45° vinkel.
ε 45 vid 0,05V ε x vid 0,05V ε y vid 0,05V<br />
10×10 -6 4,6×10 -6 3,8×10 -6<br />
8×10 -6 4,4×10 -6 4,4×10 -6<br />
8×10 -6 5,6×10 -6 5,4×10 -6<br />
9×10 -6 4,4×10 -6 3,4×10 -6<br />
6×10 -6 5,2×10 -6 4×10 -6<br />
8×10 -6 4×10 -6 3,8×10 -6<br />
6,5×10 -6 4×10 -6 3×10 -6<br />
8×10 -6 4,6×10 -6 3,6×10 -6<br />
8,5×10 -6 5,2×10 -6 3,8×10 -6<br />
9×10 -6 5×10 -6 3,6×10 -6<br />
Tabell 3 visar töjning i 3 olika ritningar 0,5 m från slaget<br />
ε xy vid 0,1V ε x vid 0,1V ε y vid 0,1V<br />
11×10 -6 5,6×10 -6 4,8×10 -6<br />
9×10 -6 5,6×10 -6 2,8×10 -6<br />
10×10 -6 4,4×10 -6 3,6×10 -6<br />
11×10 -6 5,2×10 -6 4,4×10 -6<br />
11×10 -6 4,8×10 -6 4,0×10 -6<br />
10×10 -6 4,4×10 -6 3,6×10 -6<br />
10×10 -6 4×10 -6 3,6×10 -6<br />
10×10 -6 3,6×10 -6 2,8×10 -6<br />
9×10 -6 5,2×10 -6 3,6×10 -6<br />
10×10 -6 5,2×10 -6 2,8×10 -6<br />
Tabell 4 visar töjning i 3 olika riktningar 0,5 m från slaget<br />
Efter det att beräkningar <strong>av</strong> töjningar är klara räknas dem om det till skjuvtöjning γ xy<br />
2<br />
2<br />
ε ( α ) − ε<br />
x<br />
cos ( α ) − ε<br />
y<br />
sin ( α )<br />
genom ekvation:<br />
= γ<br />
(3.5)<br />
sin α cos α<br />
( ) ( )<br />
xy<br />
Där:<br />
γ xy = skjuvtöjning<br />
ε x = töjning i x-led<br />
ε y = töjning i y-led<br />
ε = töjning i 45° vinkel<br />
α = 45°
Tabell 5 visar olika skjuvtöjningar 0,5 m från slag platsen efter beräkning med hjälp <strong>av</strong><br />
ekvationen (3.5) och Tabellerna 3 och 4. Värdena varierar på grund <strong>av</strong> töjningen.<br />
γ xy vid 0,05V γ xy vid 0,1V<br />
1,16×10 -5 1,16×10 -5<br />
7,2×10 -6 9,6×10 -6<br />
5×10 -6 1,2×10 -5<br />
1,02×10 -5 1,24×10 -5<br />
2,8×10 -6 1,32×10 -5<br />
8,2×10 -6 1,2×10 -5<br />
6×10 -6 1,24×10 -5<br />
7,8×10 -6 1,36×10 -5<br />
8×10 -6 9,2×10 -6<br />
9,4×10 -6 1,2×10 -5<br />
Tabell 5 visar skjuvtöjning<br />
Efter det att beräkningar <strong>av</strong> skjuvtöjningar är klara räknar vi om det till skjuvspäning τ xy<br />
γ<br />
xy<br />
E<br />
10<br />
genom ekvationerna: τ<br />
xy<br />
= (3.6) där: G = = 8,077 ⋅10<br />
(3.7)<br />
G<br />
2 1+<br />
ν<br />
( )<br />
Där:<br />
τ xy = skjuvspänning<br />
γ xy = skjuvtöjning<br />
G = skjuvmodul<br />
Tabell 6 visar olika skjuvspänningar i Pa i 45° vinkel 0,5 m från slagplatsen efter<br />
beräkning med hjälp <strong>av</strong> ekvationerna (3.6) och (3.7) och Tabellen 5. Värdena varierar på<br />
grund <strong>av</strong> skjuvtöjningen.<br />
τ xy vid 0,05V τ xy vid 0,1V<br />
9,37×10 5 9,37×10 5<br />
5,82×10 5 7,75×10 5<br />
4,04×10 5 9,69×10 5<br />
8,24×10 5 10,02×10 5<br />
2,26×10 5 10,66×10 5<br />
6,62×10 5 9,69×10 5<br />
4,85×10 5 10,02×10 5<br />
6,30×10 5 10,98×10 5<br />
6,46×10 5 7,43×10 5<br />
7,59×10 5 9,69×10 5<br />
Tabell 6 visar skjuvspänning
3.3 Olika slag<br />
Under experimentets gång testade vi att slå på olika ställen på I-balken för att se hur<br />
vågor rör sig. Nedan i Figur 8 ser man de olika slagplatserna.<br />
Figur 8: Visar olika slag på I-balken.<br />
1) Det är den plats där det utfördes större del <strong>av</strong> simuleringarna och räkningar på<br />
hjulslag. Bilder på kurvor ser man ovan i Figur 6 och Figur 7.<br />
2) Kurvorna för denna plats finns i Bilaga 1. Figur 9 och Figur 10 visar att kurva nr.<br />
1 startar lite tidigare än de andra 3 kurvorna. I Figur 9 ser vi också att värdena i<br />
början är omvända, t.ex. kurva nr 1 är nu positiv och vid slagplats nr 1 var det<br />
negativt.<br />
3) Kurvorna för denna plats finns i Bilaga 2. Figur 11 och Figur 12 visar att kurvorna<br />
startar samtidigt. I Figur 11 ser vi att kurvorna fortfarande är omvända om man<br />
jämför med slag på plats nr 1.
4 Slutsats<br />
Detta arbete är ett försök att praktiskt undersöka konsekvenserna <strong>av</strong> hjulskador såsom<br />
hjulplattor, på vilket sätt de påverkar tåget under drift och vilka spänningar som uppstår<br />
på grund <strong>av</strong> dem. Vi försökte också bestämma kontakttiden då ett slag är i kontakt med<br />
rälen.<br />
Vid simulering <strong>av</strong> hjulplattor uppkommer två spänningar: normalspänning och<br />
skjuvspänning. Den först nämnda uppmättes precis under slagstället. Den andra<br />
uppmättes 0,5 m till höger om slagstället. Normalspänningen efter ett antal försök<br />
varierade mellan 15,2 och 39,2 MPa och skjuvspänningen varierade mellan 0,226 och<br />
1,098 MPa. Spänningarana varierar på grund <strong>av</strong> slagets hårdhet, slagstället och<br />
<strong>av</strong>läsningsfel.<br />
Kontakt tiden som slaget är i kontakt med rälen ligger mellan 250 och 300 µs. Det<br />
överensstämmer ganska bra med de tidigare beräkningarna, som gjordes med hjälp <strong>av</strong><br />
Finita element metoden. Kontakt tiden med FEM uppskattades vara cirka 0,24 sekunder.<br />
Det som skulle kunna förändras, förbättras och undersökas vid fortsatta studier är:<br />
• Simuleringen gjordes på en I-balk eftersom vi inte kunde få tag på en räl. Man<br />
skulle kunna försöka skaffa en räl och göra om samma simulering för att se ifall<br />
liknande värdena fås.<br />
• Man kan göra en simulering så att en konstant massa åker längst med rälen istället<br />
för att som i detta arbete ett slag utförs. Då blir det mer verklighetstroget.
5 Referenser<br />
5.1 Litteratur<br />
1. Johansson Stefan och Kulenovic Isak: Hur noggrant kan kontaktkraften mellan hjul<br />
och järnvägsräl mättas?, Rapport LiTH-IKP-EX―05/2244-SE<br />
2. Dalberg Tore: Teknisk hållfasthetslära, Studentlitteratur, Lund, (1990, 2001)<br />
5.2 Internet<br />
http://www.jarnvag.net/ (Acc. 2005-06-10)<br />
http://www.vagverketproduktion.se/ (Acc. 2005-10-13)
Bilaga 1<br />
Figur 9: Bilden visar vågutbredning i 2 olika riktningar efter slag på plats nr 2.<br />
Figur 10: Bilden visar vågutbredning i x-och y-led.
Bilaga 2<br />
Figur 11: Bilden visar vågutbredning i 2 olika riktningar efter slag på plats nr 3.<br />
Figur 12: Bilden visar vågutbredning i x-och y-led.