21.04.2014 Views

Mätning av vågutbredning i järnvägsräls

Mätning av vågutbredning i järnvägsräls

Mätning av vågutbredning i järnvägsräls

SHOW MORE
SHOW LESS

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.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!