‫ناوگان ريلی‬
‫پيشگيری خروج از خط‬
‫دانشکده مهندس ی راه آهن‬
‫دانشگاه علم و صنعت ايران‬
‫‪1‬‬
‫تعريف خروج از خط‬
‫• خروج از خط سانحه ای است که در آن قطار از روی ريل جدا‬
‫می شود و می تواند منجر به ايجاد خسارت به ناوگان و يا‬
‫صدمات و تلفات جانی گردد‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫داليل خروج از خط قطار‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪3‬‬
‫از جا در رفتن و يا شکسته شدن ريل ها‬
‫سرعت زياد‬
‫عيوب مکانيکی در قطار و يا چرخ های آن‬
‫برخورد با موانع در مسير‬
‫خروج از خط در اثر برخورد دو قطار‬
‫خروج از خط تعمدی‬
‫تله در مسير ‪Trap points‬‬
‫• در خطوط اصلی به هنگام فرار قطار با استفاده از نقاط تله در‬
‫طول مسير می توان قطار را از خط خارج و آن را متوقف نمود‪.‬‬
‫• استفاده از چرخ های بدون فلنج عبور لکوموتيو از قوس را‬
‫تسهيل می نمايد‪ .‬اما خطر خروج از خط آن را افزايش می‬
‫دهد‪.‬‬
‫• بازگرداندن قطار از خط خارج شده دشوار است و با استفاده از‬
‫جرثقيل های ريلی انجام می شود‪.‬‬
‫‪4‬‬
Rail breakages ‫شکست ريل‬
• There are many reasons why rail tracks
break.
• In bygone days, it was common for a rail
break to start near the joint between discrete
rail segments.
• Manufacturing defects in rail can cause
fissures.
5
Rail breakages ‫شکست ريل‬
• Wheelburns can also contribute to rail
breaks by changing the metallurgy of a rail.
• Rails are also more likely to break
– when the weather is cold,
– when the ballast and ties/sleepers aren't
providing as much support as they should,
– and when ground or drainage condition is such
that 'pumping' occurs under heavy load.
6
Rail breakages ‫شکست ريل‬
• All of these conditions can contribute to a
broken rail, and in turn a possible
derailment.
• Recently, the 'gauge corner cracking'
phenomenon has come under the spotlight.
7
Rail breaks at rail joints
Fishplate bolted joint
8
Rail breaks at rail joints
• Rail segments are long, and fishplates must be
used to join them together.
• Rail joined with fish plates is known as jointedrail or jointed track.
• The method to join two pieces of rail together is to
drill two or three holes on the web of the rail at
each segment-end, and bolt the two rail segments
together using two fishplates, one on either side.
Rail breaks at rail joints
• The bolts and the area of rail around the drilled holes
endure huge stresses as train wheels pass over the joint.
• If the rail joint is not properly supported by railroad tie and
ballast underneath, the stresses may be even greater.
• Over time, the cumulative action of many wheel passages
can cause a crack to appear.
• It is quite common for the crack to begin at the bolt holes.
• Cracks can also begin internally within the rail.
• Once began, the crack can travel within the rail, eventually
finding its way to a surface, causing a piece of rail to break
off.
10
Manufacturing defects in rail
• The quality of rail steel has improved
dramatically since the early days of
railroading.
• The trend toward using continuously
welded rail (CWR) requires;
– a higher quality rail, due to the cyclic thermal
expansion and contraction stresses that a CWR
would be required to endure.
11
Manufacturing defects in rail
• In addition, rail operations in general have been trending
toward higher speed and higher axle-load operation.
• Under these operating conditions, rail pieces rolled in the
19th century would likely break at an unacceptable rate.
• Despite the improved rail quality and rail metallugry, if
impurities find their way into rail steel and are not detected
by the quality assurance process, they can cause rail breaks
under certain conditions.
12
Manufacturing defects in rail
• Recent rail-making processes have also been
trending toward a harder rail, requiring less
frequent replacements under heavy loads.
• This has the side-effect of making the rail more
brittle, and thus more susceptable to brittle
fracture rather than plastic deformation.
• It is therefore imperative that unintentional
impurities in rail be minimized.
13
Wheelburn-related rail breaks
• When a locomotive wheel spins without moving the train
forward (also known as slipping), the small section of rail
directly under the wheel is heated by the forces of friction
between the wheel and itself.
• The wheel rests on an area of rail no larger than a dime in
size, so the heating effect is very localized and occurs very
quickly.
• While wheelburn typically does not cause the entire rail
section to melt, it does heat the steel to red-hot
temperatures.
14
Wheelburn-related rail breaks
• This heat-quench process results in annealing of the rail
steel and causes substantial changes to its physical
property.
• It can also cause internal stresses to form within the steel
structure.
• As the rail surface cools, it may also become oxidized, or
undergo other chemical changes by reacting with
impurities that are on the surface of the rail.
• The net result of this process is that an area of the rail that
is more sussceptable to breakage is created.
15
Wheelflat-related rail breaks
• If the brakes are dragging or the axle ceases to
move on a rail vehicle while the train is in motion,
the wheel will be dragged along the head of the
rail, causing a 'flat spot' to develop on the wheel
surface where it contacts the rail.
• When the brakes are subsequently released, the
wheel will continue to roll around with the flat
spot, causing a banging noise with each rotation.
16
Wheelflat-related rail breaks
• This condition is known as wheel out of
round.
• The banging of flat wheels on the rail
causes a hammering action that produces
higher dynamic forces than a simple
passage of a round wheel.
• These dynamic forces can exacerbate a
weak rail condition and cause a rail break.
17
Cold weather-related rail breaks
• In continuously welded rail (CWR), the ribbons of rail are
designed to survive under compression during the summer
heat, and under tension during the winter.
• The welded rail cannot expand or contract lengthwise, thus
must deal with temperature-related physical expansion and
contraction by changing cross-sectional area.
• During cold weather, this results in substantial tension
along the direction of travel.
18
Cold weather-related rail breaks
• This tension, if sufficiently large, will cause a crack to
develop at the weakest point in the rail.
• As previously discussed, the weak point could be caused
by a manufacturing defect, a wheelburn, a poor weld, or
some other irregularity in the rail.
• During exceptionally cold weather, the rail may break
cleanly across, and a large gap may open up between two
sections of formerly welded rail.
• This condition can easily cause a derailment under load.
19
Cold weather-related rail breaks
• The tension in the rail is amplified if a train rolls over the rail and
brakes.
• A decelerating train has a tendency to pull the rails forward, resulting
in increased tension in the part of the rail that follows directly beneath
the rail-wheel interface.
• Part of this problem is mitigated by the use of rail anchors, which grips
the rail at the bottom and anchors it to a railroad tie.
• The rail anchors prevent the rail from slipping longitudinally (along
the direction of travel) and also serve to ensure the thermal stresses are
evenly distributed along the CWR sections.
20
Misaligned railroad tracks
Several different types of misaligned plain line
tracks can cause or contribute to a derailment:
• Wide-to-gauge
• CWR buckling
• Incorrect crosslevel
• Incorrent cant/superelevation
• Incorrect alignment
• Washout
21
Track-caused derailments
• Track-caused derailments are often caused by
wide gauge.
• As tracks wear from train traffic, the rails can
develop a wear pattern that is somewhat uneven.
• Uneven wear in the tracks can result in periodic
oscillations in the truck, called 'truck hunting.‘
• Truck hunting can be a contributing cause of
derailments.
22
wooden ties
• In addition to rail wear, wooden ties can
weaken and crack from the stress of bearing
train load tonnage.
• As ties weaken, they loose a solid tight grip
on the spikes, which hold the rails in
position.
23
Rail roll
• More usually, a rail that isn't properly held
in position tends to roll when a train passes
over it at excessive speeds.
• In that case, poorly maintained track and
excessive speeds are both contributing
causes for the derailment.
24
Curves
• Train tracks most often lose gauge in
curves, where the outside wheels tend to
push the gauge rail outward.
• If the gauge between the rails are
sufficiently wide, the train wheels can drop
between the rails.
• This, however, is not a common cause of
derailments.
25
Concrete ties
• Concrete ties have been standard on mainline
railroads in Europe since the 1960s.
• Concrete ties have also been the renewal standard
on rapid transit applications in North America.
• For subway tunnels, 'slab track' is the preferred
option, where support structures for rails are
directly poured into the tunnel floor using
readymix concrete.
26
Excessive speed derailments
Two different mechanisms cause excessive
speed derailments:
• Wheel climb, in which the wheel is lifted off the track
because the friction between the flange and the gauge face
of the rail is too great, causing the wheel flange to climb
outwards over the head of the rail.
• Rail roll, in which the horizontal forces applied by the
flange to the gauge face of the rail is too great, overcoming
the anchoring forces of rail spikes and clips.
27
Excessive speed derailments
• These are two extreme conditions that result
from excessive vehicle speed.
• The "L/V ratio," which is the ratio of the
lateral to vertical forces on the rail, is a
critical factor in maintaining a safe speed.
28
Wheel and truck failures
Some reasons for wheel and truck failures are:
• Hot axlebox. This has been almost eliminated as freight car (goods
wagon) trucks are transitioned from a simple bearing to a roller bearing
design.
• Fracture of axle. Some freight train derailments have been caused by
axle fractures, but these are relatively rare events.
• Fracture of wheel. This is also a rare event. However, the failure mode
received a great deal of attention due to the InterCity Express (ICE)
train's wreck in Eschede, Germany.
– The composite wheel then used on the ICE, which includes a rubber inner
tire, failed catastrophically, resulting in a 100 mph (160 km/h)+
derailment that sent a train into a support pillar for a highway overpass.
29
Wheel and truck failures
• At present, several technologies are available to
detect abnormal wheel and truck conditions:
– Hot axlebox detector
– Dragging equipment detector
– Wheel impact load detector
30
A coal train derailed under the Bridge
Nov. 20, 2007.
31
‫خروج از خط‬
‫• خروج از خط ناوگان ريلی می تواند موجب بروز صدمات جانی و مالی‬
‫عديده گردد‪.‬‬
‫• پيشگيری خروج از خط به لحاظ ايمنی تردد و نيز به داليل اقتصادی‬
‫حائز اهميت فراوان است‪.‬‬
‫داليل خروج از خط‬
‫• ريل وسيله هدايت و نيز تکيه گاه چرخ های واگن است‪.‬‬
‫• خروج از خط واگن به دليل جدا شدن چرخ از ريل رخ می دهد‪.‬‬
‫• داليل جداشدن چرخ ها از ريل می تواند پيچيده باشد‪.‬‬
‫سناريوی خروج از خط‬
‫• سناريوی نهايي خروج از خط به شکل های ذيل ظاهر‬
‫گردد‪:‬‬
‫می‬
‫– باال رفتن چرخ از روی ريل‬
‫– تعريض خط‬
‫– پيچيدن ريل که منجر می شود تا چرخ ها مابين ريل ها بيافتند‪.‬‬
‫• در نتيجه هر وضعيت که موجب کاهش هدايت عرض ی چرخ‬
‫توسط ريل گردد‪ ،‬خطر خروج از خط را افزايش می دهد‪.‬‬
‫• تنها خروج از خط به دليل از دست رفتن قيود عرض ی در تماس‬
‫چرخ و ريل در اينجا مورد بحث است‪.‬‬
‫ا‬
‫• خروج از خط به طرق ديگر‪ ،‬مثل ناش ی از نقص فنی و غيره مد‬
‫نظر نيست‪.‬‬
‫داليل عمده در سوانح ريلی مطابق گزارشات ‪FRA‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫عيوب ريل و اتصاالت آن‬
‫عيوب هندس ی خط‬
‫نقض مقررات عمومی مربوط به سوزن ها‬
‫عيوب چرخ ها‬
‫عيوب محورها و جعبه ياتاقانها‬
‫عيوب سوزن ها‬
‫بروز نقص در اجزای بوژی‬
‫ضعف بهره برداری از قطار‬
‫وجود تقاطع همسطح با بزرگراهها‬
‫نمودار تقليل سوانح در راه آهن امريکا ‪1980-2000‬‬
‫آمار بررس ی سوانح ‪FRA‬‬
‫‪38‬‬
‫مکانيزم خروج از خط واگن‬
‫• خروج از خط واگن که بدليل از دست رفتن هدايت عرض ی در‬
‫تماس چرخ و ريل رخ می دهد به چهار دسته تقسيم بندی می‬
‫شود‪:‬‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫‪39‬‬
‫باالروی فلنج چرخ ‪wheel flange climb‬‬
‫تعريض خط ‪gauge widening‬‬
‫پيچيدن ريل ‪rail rollover‬‬
‫جابجايي پنل خط ‪track panel shift‬‬
‫باالروی فلنج چرخ ‪wheel flange climb‬‬
‫• در اين وضعيت چرخ از ريل باال رفته و بر روی تاج ريل قرار می‬
‫گيرد و آنگاه به پيش روی بر روی ريل ادامه می دهد‪.‬‬
‫ا‬
‫• باالروی چرخ معموال هنگامی رخ می دهد که چرخ در معرض‬
‫نيروهای عرض ی شديد قرار دارد و در عين حال اندازه نيروهای‬
‫عمودی آن کاهش يافته است‪.‬‬
‫‪40‬‬
‫باالروی فلنج چرخ ‪wheel flange climb‬‬
‫• نيروی عرض ی زياد اغلب ناش ی از زاويه حمله بزرگ است‪.‬‬
‫• کاهش نيروی عمودی در چرخ باالرونده در مورد بوژی هايي که‬
‫توزيع بار عمودی مناسبی ندارند و در مواقع به شرح ذيل بسيار‬
‫بيشتر است‪:‬‬
‫– هنگامی که شرايط خط بسيار نامناسب و سخت است‪.‬‬
‫– هنگامی که پيچش خط زياد باشد‪.‬‬
‫– هنگامی که واگن تحت رزونانس های غلتش ی است‪.‬‬
‫‪41‬‬
‫باالروی فلنج چرخ‬
‫ا‬
‫• خروج از خط به دليل باالروی چرخ عموما در قوس ها رخ می دهد‪.‬‬
‫• در اين وضعيت اندازه ضريب خروج از خط )‪ (L/V‬برای چرخ های در تماس با ريل‬
‫بيرونی افزايش می يابد‪.‬‬
‫• اين پديده وابستگی به عوامل ذيل دارد که در تعيين اندازه زاويه حمله چرخ و افزايش‬
‫نيروهای عرض ی موثر هستند‪:‬‬
‫– شعاع قوس خط‬
‫– پروفيل های چرخ و ريل‬
‫– خصوصيات تعليق بوژی‬
‫– سرعت حرکت واگن‬
‫‪42‬‬
‫باالروی فلنج چرخ‬
‫• خروج از خط به دليل باالروی چرخ در مسير مستقيم نيز می‬
‫تواند رخ دهد‪ .‬چنانچه‪:‬‬
‫– عيوب خط بسيار شديد باشند‬
‫– و حرکات عرض ی واگن زياد باشد‬
‫ا‬
‫ی‬
‫مثل در مواقع بروز هانتينگ و يا ترمزگير شديد احتمال خروج از خط‬
‫وجود خواهد داشت‪.‬‬
‫‪43‬‬
‫پروسه باالروی چرخ‬
‫) ‪Vt  r sin(‬‬
‫‪44‬‬
‫پروسه باالروی چرخ‬
‫• نمايي از چرخ – محوری با زاويه ياو نسبت به خط در شکل بعد‬
‫داده شده است‪.‬‬
‫• اين زاويه حمله نيز ناميده شده است‪.‬‬
‫• اين زاويه از طريق مولفه ای از سرعت حرکت دورانی چرخ‪،‬‬
‫موجب اعانت به خزش عرض ی می گردد‪.‬‬
‫‪45‬‬
‫حرکت عرض ی چرخ‬
‫• چنانچه چرخ علوه بر مولفه عرض ی سرعت ناش ی از حرکت‬
‫دورانی آن دارای سرعت عرض ی ديگری نيز باشد‪ ،‬سرعت عرض ی‬
‫برآيند آن در ناحيه تماس (با فرض کوچک بودن زاويه حمله‬
‫(‪ ) = sin‬با رابطه ذيل داده می شود‪:‬‬
‫‪Vy  y  r‬‬
‫‪46‬‬
‫زاويه حمله چرخ‬
‫‪47‬‬
‫خزش عرض ی‬
‫• خزش عرض ی حاصل تقسيم سرعت نسبی چرخ – ريل در‬
‫راستای عرض ی بر سرعت حرکت محور در راستای خط است و‬
‫با رابطه ذيل داده می شود‪:‬‬
‫‪y‬‬
‫) ‪ y  (  ) sec( ‬‬
‫‪V‬‬
‫‪y‬‬
‫) ‪( ‬‬
‫‪V‬‬
‫زاويه حمله موثر ‪effective angle of attack‬‬
‫•‬
‫ناميده شده و تابعی از سرعت عرض ی چرخ‪-‬محور است‬
‫‪48‬‬
‫خزش عرض ی‬
‫• از آنجا که اندازه )‪ sec(‬به هنگام باال روی چرخ همواره‬
‫بزرگتر از صفر است‬
‫‪y‬‬
‫• راستای خزش عرض ی بستگی به علمت عبارت‬
‫) ‪( ‬‬
‫‪V‬‬
‫دارد‪.‬‬
‫‪y‬‬
‫‪ ‬آنگاه خزش عرض ی صفر است‪.‬‬
‫اگر‬
‫‪V‬‬
‫اگر‬
‫‪49‬‬
‫‪y‬‬
‫‪   V‬باشد‪ ،‬آنگاه‬
‫خزش عرض ی تغيير جهت می دهد‪.‬‬
‫خزش عرض ی‬
‫• خزش چرخش ی ‪ spin creep‬نيز اندازه نيروی خزش عرض ی را‬
‫تغيير می دهد‪.‬‬
‫• راستای نيروی خزش عرض ی بستگی به منتجه خزش عرض ی و‬
‫خزش چرخش ی خواهد داشت‪.‬‬
‫‪50‬‬
‫پروسه باالروی چرخ‬
‫• پروسه باالروی فلنج چرخ از وجه ريل و قرار گرفتن آن بر روی‬
‫تاج ريل را می توان در سه مرحله مطابق شکل نشان داد‪.‬‬
‫• فرض بر آن است که تماس تک نقطه ای است‪.‬‬
‫‪51‬‬
‫پروسه باالروی چرخ‬
‫‪52‬‬
‫فاز اول ‪ :‬باال روی چرخ‬
‫• در اين مرحله‪ ،‬چرخ به واسطه نيروی عرض ی به سمت راست و‬
‫در جهت تماس در ناحيه فلنج حرکت می کند‪.‬‬
‫• اين حرکت موجب توليد نيروی خزش طولی در چرخ می گردد‬
‫که با باالروی فلنج مقابله می کند‪.‬‬
‫‪53‬‬
‫فاز دوم ‪ :‬باال روی چرخ‬
‫• با افزايش زاويه تماس فلنج‪ ،‬سرعت عرض ی چرخ‪-‬محور کاهش‬
‫مي يابد‪.‬‬
‫• در نتيجه راستای خزش و نيروی خزش عرض ی به واسطه تغيير‬
‫علمت در زاويه حمله موثر‪ ،‬تغيير می کند‪.‬‬
‫• در اين مرحله نيروی خزش عرض ی به باالروی چرخ کمک می‬
‫کند‪.‬‬
‫‪54‬‬
‫فاز سوم ‪ :‬باال روی چرخ‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪55‬‬
‫پس از گذراندن حداکثر زاويه تماس‪ ،‬سرعت عرض ی چرخ – محور‬
‫افزايش می يابد و جابجايي عرض ی چرخ – محور نيز به سرعت افزايش‬
‫می يابد‪.‬‬
‫در نتيجه سرعت عرض ی تغيير کننده چرخ – محور‪ ،‬زاويه حمله موثر به‬
‫صفر نزديک شده و آنگاه تغيير علمت می دهد‪.‬‬
‫در نتيجه‪ ،‬خزش و نيروی خزش عرض ی تغيير علمت می دهند‪.‬‬
‫ا‬
‫و‬
‫و مجددا‪ ،‬نيروی خزش عرض ی با حرکت باالر ی چرخ مقابله می کند‪.‬‬
‫معيارهای ايمنی خروج از خط‬
‫(چند مثال)‬
‫‪56‬‬
‫معيارهای ايمنی خروج از خط‬
‫• موارد ‪ 1‬و ‪( 2‬تئوری نادال و تئوری وينستاک) مربوط به محاسبه‬
‫نسبت ‪ L/V‬هستند‪.‬‬
‫• ساير موارد ذکر شده بر اساس محدود نمودن اندازه ضريب‬
‫خروج از خط ‪ L/V‬در محدوده زمان و يا مسافت‪ ،‬مطرح شده‬
‫اند‪.‬‬
‫‪57‬‬
‫تئوری خروج از خط نادال‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪58‬‬
‫تئوری تک چرخی نادال بر اساس محدود نمودن ضريب ‪ L/V‬مطرح‬
‫گرديد‪.‬‬
‫ا‬
‫نادال فرض نمود که چرخ مقدمتا در تماس دو نقطه ای است‪.‬‬
‫در اين تماس نقطه روی فلنج جلوتر از نقطه روی پروفيل در نظر گرفته‬
‫شده است‪.‬‬
‫نادال اينطور نتيجه گيری نمود که مواد چرخ در نقطه تماس فلنج نسبت‬
‫به ماده ريل به سمت پايين حرکت می نمايد‪.‬‬
‫اين نوع حرکت‪ ،‬بدليل غلتش چرخ حول نقطه تماس در ناحيه پروفيل‬
‫ايجاد شده است‪.‬‬
‫تئوری خروج از خط نادال‬
‫• نادال سپس نتيجه گرفت که هنگامی که اصطکاک در نقطه‬
‫تماس اشباع می شود‪ ،‬حرکت به سمت پايين متوقف شده و‬
‫باالروی چرخ اتفاق می افتد‪.‬‬
‫‪59‬‬
‫تئوری خروج از خط نادال‬
‫• بر اساس فرضيات نادال و با استفاده از تعادل نيروها در تماس تک‬
‫نقطه ای مابين چرخ و ريل در ناحيه فلنج مطابق شکل‪ ،‬می توان معادالت‬
‫ذيل را نوشت‪:‬‬
‫‪60‬‬
‫تئوری خروج از خط نادال‬
‫‪61‬‬
‫تئوری خروج از خط نادال‬
‫• مقدار حدی ضريب نادال ‪ L/V‬بر اساس شرط اشباع‬
‫‪F2 F3  ‬‬
‫تعيين شده است‪.‬‬
‫• چنانچه از حداکثر زاويه حمله استفاده شود‪ ،‬اين عبارت‬
‫حداقل مقدار ‪ L/V‬را که در آن خروج از خط به واسطه‬
‫باالروی فلنج رخ می دهد‪ ،‬بدست می دهد (تحت شرايط زاويه‬
‫تماس و ضريب اصطکاک داده شده)‪.‬‬
‫• به بيان ديگر چنانچه مقدار ‪ L/V‬کمتر از اين مقدار حدی‬
‫باشد‪ ،‬باالروی فلنج رخ نخواهد داد‪.‬‬
‫‪62‬‬