Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin 9/27/ Ders Hızlı Tren Hatlarının Tasarımı

Transkript

1 GÜZ 2017 İnşaat Mühendisliği Bölümü Tekerlek yüklerinin taşıyıcı zemine aktarılması -Transfer of the wheel loads to the supporting ground- Hızlı Tren Hatlarının Tasarımı -Design of High Speed Railways- Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin o z g u r. b e z g i i s t a n b u l. e d u. t r 19 Ekim 2017 Dördüncü Ders Rayların genel niteliği ve düşey yükler -General character of rails and the vertical loads- Rayların maruz kaldığı boyuna yükler -Longitudinal forces that the rails are exposed to- Rayların ana görevi, tekerleklerin kolaylıkla yuvarlanabileceği, taşınabileceği ve kılavuzlanabileceği düzgün bir doğrultu oluşturmaktır. Ray boyunca ısıl değişimlerden kaynaklı kuvvetler doğmaktadır. Bu kuvvet yaklaşık 2 Ton/Santigrat derece mertebesindedir. Yani ortamın T sıcaklığında kaynaklanmış raylar T+1 derece sıcaklığa maruz kalınca uzamaya çalışırlar ancak traverse sabitlendikleri için uzayamayıp yaklaşık 2 Ton basınç altında kalırlar. Düşeyde statik dingil yükleri yük trenlerinde 22,5 Ton ve Avrupa da bazı özel hatlarda 25 Ton a kadar çıkarken, Avustralya da bazı maden hatlarında 36 Ton statik dingil yükleri oluşmaktadır yolcu trenlerinde 17 Ton olmaktadır. Trenlerin ivmelenmeleri ve yavaşlamaları durumunda raylar, yolcu trenlerinde statik dingil düşey ağırlığının %12 - %20 sine (2 3,5 Ton/dingil) yük trenlerinde ise dingil düşey ağırlığının %25 sine (5,5 6,5 Ton/dingil) maruz kalabilirler.

2 Rayların maruz kaldığı boyuna yükler -Longitudinal forces that the rails are exposed to- Rayların maruz kaldığı yatay yükler -Lateral forces that the rails are exposed to- Ray boyunca ısıl değişimlerden kaynaklı kuvvetler doğmaktadır. Bu kuvvet yaklaşık 2 Ton/Santigrat derece mertebesindedir. σ = α. E. T Demiryolu hattı üzerinde, kavislerde (kurbalarda) hareket eden bir tren dingilleri aracılığı ile hat üzerine yatay kuvvet uygular. Bu kuvvet, dingil yükü, tren hızı ve kavis yarıçapı ile ilgilidir. a= Isıl genleşme katsayısı = 1,2 * / o K ΔT = Ray sıcaklığının değişimi ( o K) E = Ray çeliğinin elastik modülü (21 * 10 6 N/cm 2 ) Δσ = Ray üzerindeki gerilme değişimi (N/cm 2 ) 240 N σ = α. E. T = 240. T cm 2 C veya K Çelik -Steel- Çelik, demir elementine (Fe) ağırlıkça %2 ye varan karbon (C) eklenmesi ile elde edilen bir demir alaşımıdır. Mukavemet (strength) ve sertlik (hardness) dereceleri farklı alaşımlar halinde birçok farklı uygulama için üretilirler. Üretimleri esnasında, krom (chromium), mangan (manganese), nikel (nickel), silikon (silicon), molibden (molybdenum) ve vanadyum (vanadium) gibi elementler eklenerek özellikleri geliştirilirler. Çelik -Steel- Krom, çeliğin oksidasyona (paslanma) karşı direncini artırır. Paslanmaz çelik ağırlıkça %11 oranında krom içerir. Mangan, çelik alaşımı içerisinden fosfor ve kükürt ile birleşerek çeliğin kırılganlığını azaltır. Silikon, üretimde çeliğin deoksidasyonu için kullanılır. Yüksek oranlarda çeliğin manyetik özelliklerini değiştirir. Nikel, çeliğin şekil değiştirebilirliğini artırır (kırılganlığını azaltır) ve yüksek oranlarda (%15) korozyon direncini artırır. Silikon, silisyumun günümüzde kabul görmüş ismidir. Latincede silex (sert taş) kelimesi ve İngilizcede metalimsi anlamı ekleyen ium eki ile 1800 lü yıllarda kullanılmıştır.

3 Çelik üretimi -Production of steel- Sürekli döküm yöntemi ile şekil üretimi -Production of shapes through the continuous casting method- İkincil metalurji (secondary metallurgy) olarak adlandırılan aşamada, çelik içerisine vanadyum, molibden, nikel ve krom gibi madenler katılarak özel amaçlar için geliştirilmiş alaşımlar elde edilebilir. Mangan ve silikon gibi elementler, denetimli olarak kısıtlı miktarlarda (>%0,5) katılarak çeliğin kaynaklanabilme ve sertlik gibi özelliklerini iyileştirebilirler. İkinci metalurjik aşamadan elde edilmiş sıvı çelik alaşım, o C değerlerine soğutularak katı ancak şekil verilebilir bir sıcaklığa indirgenmektedir ve daha sonra merdanelerden geçirilerek istenen şekil kazandırılmaktadır. İkinci metalurjik aşamadan sonra şekilsel üretim, külçelerden (ingot) yapılabileceği gibi sürekli bir halde de yapılabilir. Günümüzde ray üretiminde çoğunlukla sürekli yöntem kullanılmaktadır. Ray kesitinin temel nitelikleri -Fundamental characteristics of the rail cross section- Ray kesitinin temel ölçüleri -Fundamental dimensions of the rail cross section- Yanak (Side face) Mantar, kafa (Head) Ülkemizde demiryolu terimleri, Fransızca karşılıklarından oldukça etkilenmiştir. Ağ, gövde (Web) Cebire yatağı Taban, paten (Foot)

4 Ray ağırlığının ray yüksekliği ile değişimi -Variation of rail weight with rail height- 60E (UIC 60) Ray kesitinin temel nitelikleri -Fundamental characteristics of the 60E (UIC60) rail cross section- Sıkça karşılaşılan ray kesitlerinin kıyaslaması -Comparison of frequently encountered types or rails- İlk ray kesitleri, 25 kg/m ağırlıklarda olup, zamanla kesit ağırlıkları günümüzde 60 kg/m ye çıkmıştır. Bakımın güç olduğu veya çok ağır yüklerin çok soğuk veya aşındırıcı bölgelerde taşındığı yerlerde 70 kg/m ye kadar çıkarılmıştır. Günümüzde sıklıkla kullanılan ray türleri -Rail types frequently used today- Mantarlı raylara ek olarak, şehir içinde, karayolu trafiği ile etkileşim halinde olabilen ve ses soğurumu için kauçuk bir kılıf içerisinde beton içerisine gömülü olarak kullanılan oluklu ray türleri de mevcuttur. (49E) (54E) (60E) Kaynak: Coenraad Esveld

5 Günümüzde çekme mukavemet değerleri -Tensile strength values today- Düz tabanlı raylara dair rakamsal bilgiler -Numerical data related to flat bottom rails- Ray çeliğinin kopma mukavemet değeri, günümüzde yapısal kesitler ve donatılar için kullanılan çeliklerden daha yüksektir. S420a: f yk = 420 MPa, f su = 500 Mpa St52-3: f yk = MPa, f su = MPa Kaynak: Modern Railway Track Coenraad Esweld Kaynak: Sık kullanılan kesitlere dair rakamsal bilgiler -Numerical data for frequently used rail cross sections- Raylarda paslanma -Corrosion of steel- Ray çeliğinin alaşımı, standart yapı çeliğine göre mukavemet ve sertlik yönünden daha farklıdır. Ancak, özel olarak korunmamış her çelik gibi paslanabilir. Kirliliğe ve tuza maruz kalmayan karasal bir ortamda sıradan yapısal çelik yılda yaklaşık 0,05 mm 0,1 mm mertebesinde paslanır. Tuzlu ve kirli karasal ortamlarda bu oran yaklaşık iki katına çıkar. Kaynak: Modern Railway Track Coenraad Esweld Yani bir limana hizmet eden, kirliliğin olduğu bir sanayi bölgesinden geçen veya bir kıyı boyunca yerleşik bir hat üzerinde kullanılan raylar ile kıyılardan uzakta ve hava koşullarının temiz olacağı bir hat üzerinde kullanılan raylar aynı ölçüde paslanmazlar.

6 Raylarda paslanma -Corrosion of steel- Ray mantar sertliği -Rail head hardness- Ancak raylar, maruz kaldıkları aşınma ile oluşabilecek pastan arınabildikleri gibi, bünyelerinde mevcut olan krom gibi elementler ile pasa karşı dirençlidirler ancak paslanmaz çelikten imal edilmiş değillerdir. Kullanılan rayın sertlik derecesine göre yıllık, 3 yıllık, 5 yıllık bazda yapılan ray taşlama gibi işlemler ile raylar bakım altında tutulmakta ve muhtemel korozyonun etkileri giderilebilmektedir. Sürekli bakım altında tutulan ve aşınma derecesi takip edilen raylar, çoğunlukla aşınmadan dolayı hizmet ömürlerini tamamlamaktadırlar. Rayın tekerlek ile temas halinde olduğu mantar kısmı, tekerlek tarafından aktarılan kuvvetler sonucunda çok yüksek gerilmelerin oluştuğu bir bölgedir. Bu nedenle mantarın mukavemet ve sertlik özellikleri, özel işlemler ile artırılırlar. Statik olarak sertlik (hardness) katı bir malzemenin yüzeyinde bir noktanın, daha sert bir başka cisim tarafından ezilmesine (indentation) ve aşınmasına (abrasion) karşı gösterdiği dirençtir. Ezilmeye karşı, Rockwell, Vickers, Shore ve Brinell çoğunlukla sertlik tetkikleri uygulanır. Aşınmaya karşı ise çoğunlukla Mohs sertlik tetkiki uygulanır. Ray mantar sertliği -Rail head hardness- Sertlik değeri, malzemenin mukavemeti, esnekliği, esneklik modülü ve sünekliği gibi mekanik değerleri ve özellikleri ile yakından ilgilidir. Ray mantar sertliği, Brinell sertlik ölçüm yöntemi ile tespit edilir. 10 mm çapında çelik veya tungsten karbid küre, sertliği ölçülmek istenen yüzey üzerine 3 Tonluk kuvvet ile uygulanır. Yüzey üzerinde oluşan izin çapı ile uygulanan yük ve küre çapı ile ilişkilendirilmiş ifade ile Brinell sertlik değeri bulunur. Ray mantarının aşınması -Rail head abrasion- Raylar, kullanım ömürleri boyunca düşeyde ve yatayda aşınırlar. Ray üretiminde amaçlanan, bu aşınmaları ekonomik olarak en aza indirgemek ve rayların ray taşlaması (rail grinding) olarak anılan bakım aralıklarını açmaktır. Ray mantarlarında düşey aşınma yaklaşık olarak 10 milyon tonluk yük geçişi altında 0,1-0,2 mm mertebesindedir. (kavislerde) Ekonomik olarak, hattın kavisli bölgelerinde ortalamada her 10 milyon tonluk yük geçişi sonrasında ray taşlaması yapılması, rayın ömrünün uzatılması bakımından önerilmektedir. Rayın ekonomik ömrü, uygun bir bakım programı ile milyon ton a kadar çıkarılabilir.

7 Ray mantar aşınmaları -Rail head abrasions- Ray mantar aşınmaları -Rail head abrasions- Ray taşlaması yoluyla ray bakımı -Rail maintenance via rail grinding- Ray taşlaması yoluyla ray bakımı -Rail maintenance via rail grinding- Aşınmaların oluşması kaçınılmazdır ve sağlıklı bir bakım programı içerisinde ray mantarlarında oluşan aşınmalar taşlanarak raya düzgün bir enkesit tekrar kazandırılır. Oluşan aşınmalara zamanında müdahale edilmezse, aşınma sonucu oluşan çatlaklar hızla ilerleyerek rayın ömrünü kısaltırlar.

8 Ray mantar aşınması ve sınır değerler -Abrasion of the rail head and the limiting values- Malzeme mukavemeti ve aşınma ilişkisi -Material strength and abrasion relationship- Aşınmaların sınır değerleri, tren seyir hızı ile ilgili olarak sınırlandırılmıştır. Bu değere ulaşan raylar değiştirilir. Bakım ile amaç, bu aşınma değerlerine en uzun sürede ulaşmaktır. Malzeme mukavemeti ve sertlik ilişkisi -Material strength and hardness relationship- Ray mantar sertliğinin artırılması -Rail head hardness- Ray mantar sertliği günümüzde farklı yöntemler ile artırılabilmektedir. Haddeden çıkan ray mantarı, soğuk suya birkaç dakika maruz bırakılarak aniden soğuması ve hızla kristalleşmesi sağlanmaktadır. Bu işlem üretim esnasında (in-line) yapılabileceği gibi üretim sonrasında (off-line) da yapılabilmektedir. Ayrıca, bitmiş ürün üzerinde, lazer sertleştirmesi (laser hardening) veya plazma ve lazer kaplama (plasma, laser coating) uygulamaları ile yüzey sertleştirme sağlanabilmektedir.

9 Ray mantar sertliğinin artırılması -Rail head hardness- Ray mantar sertliği, ağır tren yüklerine veya hızlı tren yüklerine maruz kalan hatlarda, ray ömrünü ve hizmet süresini artıran ve rayın ihtiyaç duyulan noktasında mukavemet ve sertliğini artıran bir uygulamadır. Karbon düzeyi %0,3 ün altında olan ve yumuşak çelik olarak anılan çeliğin sertliği 120 HB düzeyindedir. Yüksek karbonlu %0,7 - %1,5 yapı aleti çeliği (tool steel) sertliği HB düzeyindedir (yapılacak işin düzeyine göre). Rayların birbirleri ile bağlantılandırılması Sertleştirilmiş ray mantarının sertliği 350 HB 400 HB düzeyindedir. Rayların birbiri ile bağlantısı - vidalanmış -Rail connections - bolted- Normal ve daha düşük hızlarda seyir (v<160 km/saat) için hazırlanmış hatlarda, raylar birbirine cebire (fish plate) ismi verilen parçalar ile irtibatlandırılır. Rayların birbiri ile bağlantısı - vidalanmış -Rail connections - bolted- Normal düşük hızda seyir (v<160 km/saat) için hazırlanmış hatlarda, raylar birbirine cebire (fish plate) ismi verilen parçalar ile irtibatlandırılır. Ray kesiti içerisinde, bu cebirelerin yaslanacağı bölümler vardır bunlar cebire yatakları olarak anılır. Demiryolu bağlantılarını tutan mekanik aksam Birleştirme kapsamı

10 Rayların birbiri ile bağlantısı - kaynaklanmış -Rail connections - welded- Aluminotermik kaynak -Aluminothermic welding- Artan tren hızları ile hat boyunca pürüzlülüklere ve kesintilere karşı hassasiyet artmaktadır. Yüksek hızlarda raylar arasında geçiş esnasında oluşan darbe etkileri ray başlarına ve bağlantılarına zarar vermekte ve tren seyrini tehlikeye atmaktadır. Bu nedenle çağdaş demiryollarında raylar, hem ray ömrünü uzatmak, hem de seyir konfor ve güvenliğini artırmak için kaynaklanırlar. Kullanılan iki kaynak türü: 1. Aluminotermik kaynak (aluminothermic weld) 2. Elektrikli uç kaynağı (flash-butt welding) 1900 lü yılların başından bu yana kullanılmakta olan bu yöntemde ray başları arasında bırakılan 1-2 cm lik boşluk aluminyum ile doldurularak ray çeliğinin tepkimeye girmesi ile başlatılır. 200 o C ye kadar ısıtılan raylar arasına aluminyum tozu, demir oksit ile tepkimeye girerek demir+aluminyum oksit oluşturur ve bu esnada daha çok ısı enerjisi açığa çıkarak ray başlarının ergimesini hızlandırır. Yüzeyde kalan aluminyum oksit taşlanarak bağlantı pürüzsüz bir hale getirilir. Bir kaynak yaklaşık 20 dakika sürmektedir. Elektrikli uç kaynağı -Flash butt welding- Ray başlarını sıcaklığı elektrik akımı ile ısıtılarak ergitilmekte ve ergimiş ray başları birbiri ile kaynaklanmaktadır. Bir kaynak yaklaşık 3 dakika sürmektedir. Bağlantılar

11 Ray bağlantıları -Rail fastenings- Ray bağlantıları -Rail fastenings- Ray bağlantıları, esnemeye izin vermeyen bağlantılar (rijit, rigid) ve esnemeye izin veren (esneyebilen, elastic) bağlantılar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Esnek olmayan bağlantılar, raya etki eden kuvvetler altında zaman içerisinde bollaşabilirken, esnek bağlantılar, bünyelerinde yer alan sıkıştırma kuvveti sayesinde yükler altında izin verilebilir derecelerde esneme yaparak bağlantının bağlantı kuvvetlerini muhafaza etmeye devam etmektedirler. Günümüzde bağlantılar çoğunlukla esneyebilen türdedir. Esneklik, özel bir vida türü olan ve trifon (coach screw) olarak isimlendirilen vidalar ile ray arasına yayların yerleştirilmesi ile sağlanır. Günümüzde inşa edilen demiryolu hatlarında, Pandrol, Vossloh, Railtech firmaları tarafından üretilen bağlantı elemanlarına sıklıkla rastlanmakta ve bu firmalar farklı kullanım gereklilikleri için elastik ray bağlantı sistemleri geliştirmekte ve üretmektedirler. Elastik bir doğrudan bağlantı sistemini oluşturan parçalar: 1. Trifon: Çekmeye karşı 6 Ton, kesmeye karşı 1 Ton. 2. Yay: Mertebe olarak 1 Ton/cm esneme kuvveti uygulayabilmeli. 3. Elastomer ped: Dinamik titreşimleri sönümleyebilecek nitelikte ve yumuşak (k<8 Ton/mm), orta (8<k<15 Ton/mm) ve sert (k>15 Ton/mm) sınıflarında 4. Tirfonların vidalandığı plastik dişli parçalar: Bağlantı kuvvetlerini taşıyabilecek ve betona aktarabilecek nitelikte olmalıdırlar. Esnemeye izin vermeyen ray bağlantılar -Rigid rail fastenings- Çoğunlukla ABD de kullanılmışlardır. Bu çiviler krampon olarak anılmışlardır. İngilizcede dog spike olarak anılırlar. Dolaylı esnek ray bağlantıları -Indirect rail fastenings- Ahşap traverslerin kullanıldığı dönemlerde, rayların doğrudan traverse oturması, ağırlaşan dingil yükleri altında sorun yaratıyordu. Bu nedenle raylar, travers ve ray arasına bir çelik selet üzerine oturuyordu. Kullanılan vidalar tirfon adı verilen özel bir vida türüdür (screw spike).

12 Dolaylı esnek ray bağlantıları, K - Tipi -Indirect rail fastenings, K - Type- Doğrudan esnek ray bağlantıları, W - Tipi -Direct elastic rail fastenings, W-Type- Vossloh firması tarafından üretilmekte. Fabrikada traverse yerleştirilebilirler. Doğrudan esnek ray bağlantıları, W Tipi -Direct elastic rail fastenings, W-Type- Yerleşik hal. Doğrudan esnek ray bağlantıları -Direct elastic rail fastenings- Pandrol firması tarafından üretilmekte. Trifon kullanılmayan bir bağlantı türü.

13 Doğrudan esnek ray bağlantıları -Direct elastic rail fastenings- Railtech firması tarafından, Nabla markası ile üretilen bir başka bağlantı türü. Üst yapı bileşenlerinin üst yapı esnekliğine katkıları -Average contribution of load bearing track components on the elastic behavior of track system- Dördüncü dersin sonu T e ş e k k ü r e d e r i m Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin o z g u r. b e z g i i s t a n b u l. e d u. t r