JultikaUniversity of Oulu repository

Tässä työssä tutkitaan rautatievaihteen risteyksen dynaamista kuormitusta tietokoneavusteisen suunnittelun ja simuloinnin keinoin. Tavoitteena on selvittää suomalaisesta raideleveydestä poikkeavalle raideleveydelle tarkoitetun pyöräkerran sekä pyörän valelaipan vaikutus risteyksen dynaamisen kuormitukseen. Tutkimusongelma koskee yksinkertaisen vaihteen YV54-200-1:9 risteyksen ja pyöräkerran välistä vuorovaikutusta, kun käytetään venäläisen GOST-standardin mukaista pyöräprofiilia, josta tutkitaan myös valelaipan korkeus vaikutus. Tutkimuksessa suoritettiin kirjallisuuskatsaus rautatievaihteiden tekniikkaan ja niiden rakenteeseen sekä junan ja radan välisen vuorovaikutuksen mallinnuksessa käytettyihin menetelmiin. Pyöräkerran ja vaihteen risteyksen vuorovaikutuksen simulointia varten vaihteen risteyksen geometria mallinnetaan tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) käyttäen käänteisesti mittapiirustuksista 3D-malliksi, josta muodostetaan simulointia varten poikkileikkausprofiilit koko risteyksen matkalta. Poikkileikkausprofiileina määritelty risteysgeometriatieto vietiin jäykän kappaleen dynamiikan analysointiin perustuvaan simulointiohjelmaan (MBS), jolla muodostettiin pyöräkertaa ja rataa kuvaava dynaaminen malli. Simuloidussa tilanteessa ajettiin vastavaihteeseen. Simulointituloksien perusteella pyöräprofiilien geometrialla on suuri vaikutus vaihteen risteyksen kärkeen kohdistuvassa dynaamisessa kuormituksessa. Venäläisen GOST-standardin mukaisella pyöräprofiililla siipikiskon korotus ei nosta pyöräkertaa riittävästi ylöspäin, jolloin pyörä kohtaa risteyskärjen liian aikaisin ja aiheuttaa korkean dynaamisen kuorman. Pyörään muodostunut matala valelaippa vähentää dynaamisen kuorman suuruutta, mutta valelaipan korkeuden kasvu lisää dynaamista kuormaa. Pyöräkerta S1002-pyöräprofiilin mukaisilla pyörillä nousee siipikiskon korotusta ylöspäin, jolloin pyörä kohtaa risteyskärjen myöhemmässä vaiheessa ja iskuvoima on venäläistä pyörää maltillisempi. Tehdyn työn perusteella risteyksen kuormituskestävyyttä voidaan kasvattaa ainakin kolmella tavalla: käyttämällä kiinteän risteyksen tilalla jousiristeystä, laajentamalla pyörien kunnon valvontaa pyöräprofiileihin tai vaihtamalla tilalle mangaaniteräksestä valmistettu risteys. Tämä työn teon aikana pyöräprofiilien kunnon valvonta on jo otettu käyttöön yhtenä osana liikkuvan kaluston kunnon valvontaa.

This paper investigates the dynamic load of a Finnish railway turnout crossing by means of computer-aided design and simulation. The aim is to determine both the effect on the dynamic load at a railway crossing caused by a wheelset which is designed for a different track gauge and also the effect of wheel with a false flange. The research problem concerns the interaction between a simple turnout of a type YV54-200-1:9 and its interaction with a wheelset with a S1002 wheel profile used, as well as the profile of the wheel according to the Russian GOST standard from which the effect of a false flange wheel depth is also examined. The study was carried out as a literature review of railway turnouts and their construction, as well as the methods used in the modelling of the interaction between the train and the railway track. For the simulation of the interaction between the wheelset and the turnout crossing the geometry of the turnout crossing is modelled reversely from dimensional drawings to a 3D-model using the computer-aided design (CAD) and from the 3D-model a cross-sectional profiles of the entire turnout crossing is formed. The data of the crossing geometry defined by the cross-sectional profiles was exported to multi body simulation (MBS) software which was used to describe the dynamic model of the wheelset and the track. Simulation was performed in the facing move in the through route. On the basis of the simulation results, the geometry of the wheel profiles has a major impact on the dynamic load in a turnout crossing nose. When using the wheel profile according to the Russian GOST standard, the increment in the profile of the wing rail will not raise the wheelset upwards enough, leading the wheel facing the crossing nose prematurely and causing a high dynamic load. A low false flange formed on the wheel to reduces the magnitude of the dynamic load, but the load increases together with the false flange depth. The wheelset with the wheels according to an S1002 profile will raise upwards along the increment in the wing rail so the wheel does not face the crossing nose too early, thus the impact force is lower compared to the Russian wheel. On the basis of the work, the durability of the crossing nose to the dynamic load can be increased by at least three ways: by using a spring frog instead of a solid turnout crossing, increasing the wheel condition monitoring regarding the wheel profiles, or changing the material of a turnout crossing to manganese steel. During this work the wheel profile condition monitoring has already been added as part of the rolling stock condition monitoring.