Διερεύνηση της διεπιφάνειας τροχού-σιδηροτροχιάς και των αναπτυσσόμενων τάσεων επ' αυτής

Abstract

Το πρόβλημα της επαφής μεταξύ τροχού-σιδηροτροχιάς αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον Heinrich Hertz και σύμφωνα με τη θεωρία του η επιφάνεια επαφής μεταξύ των δύο σωμάτων έχει τη μορφή έλλειψης. Ωστόσο, νεότερες έρευνες έδειξαν ότι η επιφάνεια επαφής τροχού-σιδηροτροχιάς δεν είναι ελλειπτική. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται μία μαθηματική μέθοδος για τον προσδιορισμό της μορφής και του μεγέθους της μη-ελλειπτικής επιφάνειας επαφής. Η μέθοδος βασίζεται στα γεωμετρικά και αριθμητικά στοιχεία των διατομών του τροχού και της σιδηροτροχιάς, καθώς και στη διείσδυση των δύο σωμάτων στη θέση επαφής. Η εφαρμογή της έγινε στο σύνηθες ζεύγος τροχού διατομής S1002-σιδηροτροχιάς διατομής 60Ε1(UIC60), για διάφορες τιμές εγκάρσιας μετατόπισης του τροχοφόρου άξονα ως προς την κατεύθυνση κίνησης. Προκειμένου να επιβεβαιωθούν πειραματικά οι θεωρητικά υπολογιζόμενες, σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία, τιμές διείσδυσης μεταξύ τροχού-σιδηροτροχιά υπό τη δράση στατικού φορτίου, διεξήχθη πείραμα σε φυσική κλίμακα στο Εργαστήριο Αντοχής Υλικών της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Ε.Μ.Π. Τέλος, υπολογίσθηκαν οι αναπτυσσόμενες τάσεις επί της επιφάνειας επαφής.

The wheel-rail contact problem was first mentioned by Heinrich Hertz and his theory led to an elliptical contact surface between the two bodies. However, according to recent researches the wheel-rail contact surface is not elliptical. In this dissertation a mathematical method for determining the shape and the size of the non-elliptical contact surface is proposed. The method is based on the geometric and mathematic characteristics of the wheel-rail profiles, as well as on the penetration of the two bodies at the contact point. The method was applied to the usual pair of an S1002 wheel profile and a 60E1(UIC60) rail profile and was performed for several values of lateral displacement of the wheelset axis relative to the direction of motion. In order to confirm experimentally the theoretically calculated penetration values found in the international literature, referring to a wheel-rail pair under static load, an experiment in real scale was carried out at the Laboratory for Testing and Materials of School of Applied Mathematical and Physical Science of NTUA. Finally, the developing stresses at the wheel-rail contact surface were calculated.