Değiştirilebilir aks açıklığı olan bir yük vagonu boji karkası konsept ve taşıyıcı konstrüksiyon tasarımı

Gelişmekte olan dünyamızda, insan ve yük taşımacılığının önemi sürekli artmaktadır. Raylı sistemler, güvenli, ekonomik ve sürdürülebilir olmakla birlikte, özellikle enerji verimliliği açısından taşımacılık alanında en uygun ulaşım yolu olarak kabul görmektedir. Raylı sistemlerde kullanılan araçlar; lokomotif, yük ve yolcu taşıyan vagon, lokomotif ve vagonların raylar üzerindeki hareketini sağlayan tekerlekli aksam olan boji, olarak sınıflandırılabilir. Uzun mesafe taşımacılığında etkin olarak kullanılan raylı sistemler ile ülkeler arasında yol alırken birtakım engeller karşımıza çıkmaktadır. Ülkelerin sınırları içerisindeki demiryollarının hat açıklığı, kendi içinde çok büyük oranda aynı olmasına rağmen, bu açıklık mesafesi ülkeden ülkeye farklılık gösterebilmektedir. Bu nedenle, demiryolu araçları, ülke sınırları içinde sürekli hareket kabiliyetine sahip iken, hat açıklığı farklı olan ülkeye geçiş durumunda, var olan bojilerini teker açıklığı farklı olan bojiler ile değiştirmek zorunda kalmaktadır. Demiryolu hat açıklığı 1435mm olan ülkemiz ile 1520mm hat açıklığına sahip doğudaki komşu ülkeler arasında da böyle bir değişim sistemi uygulanmaktadır. Bu değişim vagonların ve lokomotifin tek tek, vinçler ile kendi bojilerinden ayırıp, diğer demiryolundaki bojiler üzerine konulması işlemi ile yapılmaktadır. Kullanılan bu sistemin, iş gücü ve zaman kaybı açısından düşünülürse çok büyük dezavantajı söz konusudur. Bu tez kapsamında yapılan çalışmada; raylı sistem standartlarını sağlayan, ülkemiz çalışma ve üretim şartlarına uygun, tekerlekleri arasındaki mesafesi değiştirilebilir bir boji tasarımı ile bahsedilen zaman ve enerji kaybının ortadan kaldırılması amaçlanmıştır. Çalışmalar sayesinde günler mertebesinde olan değişim işlemi saatler mertebesine inecektir. Yapılan tasarım sayesinde, farklı mesafe ölçülerine sahip demiryollarının birleşme noktalarında kurulacak olan değişim istasyonlarında; trenlerin yavaşlayarak, herhangi bir duraksama olmadan, sürekli bir şekilde diğer demiryoluna geçişi tamamlanacaktır. Bojideki iç aks kutularında uygulanan kilit sistemi ile, seyir halinde tekerleklerin bojiye göre konumu sabit tutulmakta iken, bahsedilen değişim istasyonlarında kilitler açılmakta, ve bir kılavuz ray ile tekerleklerin konumları değiştirilmektedir. Bu süre zarfında, vagonu taşıma işlemini bojinin yan yapıları üstlenecektir. Tekerleklerin yer değişiminin tamamlanmasının ardından; kilit tekrar kapanarak, tekerleklerin hareketini önlemeye devam edecektir. Bu sayede sürekli vagonlar sürekli bir şekilde ilerleyebilecektir. xxvi Boji tasarlanırken öncelikle raylı sistem standartlarında yer alan tasarım kriterleri incelenmiştir. Yapılan konsept tasarıma; maksimum aks yükü, maksimum hız, izin verilen geometrik uzunluklar, standart parçaların birbirine göre konumları ve gibi bu standartlardan edinilen bilgiler yardımıyla başlanmıştır. Tasarım, CATIA V5 yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Yapılan konsept tasarım, üç parçalı boji olarak adlandırılan boji tipi esas alınarak yapılmıştır. Fakat değişebilir aks açıklığına sahip olabilmesi için diğer boji tiplerinden daha farklı bir tasarım yapılmıştır. İlk olarak ana taşıyıcı oluşturulmuş, ardından yan taşıyıcılar tasarlanmıştır. Standart bojilerde sağ ve sol olmak üzere iki yan taşıyıcı bulunur iken, yapılan konsept tasarımda dört adet yan taşıyıcı kullanılmıştır. Aynı zamanda standart bojiler iki aksa sahip iken yeni tasarımda her tekerlekte bir adet olmak üzere toplamda dört adet aks kullanılmıştır. Kullanılan dört adet aks için toplamda sekiz adet olmak üzere, dört adet iç ve dört adet dış aks kutusu tasarlanmıştır. İç aks kutusu, yatay yönde hareketi kısıtlayan kilit mekanizmasını içermektedir. Yapılacak olan değişim istasyonlarında, kılavuz rayın yardımı ile kilit açılarak, tekerleklerin iç veya dış tarafa hareketi tamamlamasının ardından yine kılavuz ray yardımı ile kilitlenerek yatay hareketi kısıtlamaya devam edecektir. İç aks kutusu ile dış aks kutusu aynı tip standart rulman kullanmakta olup üst taraflarında kauçuk parçalar bulundurmaktadır. Konsept tasarıma devam edilirken; raylı sistem standartları incelenerek, bojinin maruz kaldığı yükleme durumları ve sürüş koşulları incelenmiştir. Bu koşullara uygun standart parçalar (boji yayları, mil, rulman) gerekli hesaplamalar yapılarak seçilmiştir. Bojinin tasarımı, belirlenen parçaların ölçülerine uygun olacak şekilde oluşturulmuştur. Standartlarda yer alan yükleme durumlarının incelenmesi ve yapılan hesaplamaların ardından, yükleme koşulları tablosu oluşturulmuştur. Bu tabloda yer alan yük senaryoları, standartlardaki tüm yüklem durumlarını ve bu yüklemelerin gerekli kombinasyonlarını içermektedir. Sonlu elemanlar metodu ile yapılan analizde bu yükleme durumları kullanılmıştır. Yapılan tasarımın tamamlanmasının ardından bojinin, sonlu elemanlar metodu kullanılarak analiz edilmesi amacı ile sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Bojinin karkası ve iç aks kutusu yükleme koşullarına göre ayrı ayrı analiz edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi modeli oluşturulurken Altair Hypermesh yazılımı kullanılmıştır. Boji karkası uygun eleman tipleri ile modellenmiş, standart parçalar rijit elemanlar ile modellenmiştir. Her yükleme koşulu için, duruma uygun sınır koşulları verilmiştir. Oluşturulan model ABAQUS yazılımı ile çözülmüştür. Boji karkası toplamda standartlara göre hazılananmış yirmi yedi farklı yük senaryosu ile analiz edilmiş, sonuçlar incelenmiştir. Yüksek gerilmeye maruz kalan bölgelerde çeşitli iyileştirilmeler yapılmış, tüm yük senaryoları ile tekrar analiz edilmiştir. Bu iyileştirme iterasyonları, boji karkasındaki gerilme değerleri güvenli mertebeye ulaşıncaya kadar tekrar edilerek tasarım optimize edilmiştir. xxvii Boji karkasının analizinden alınan, iç aks kutusuna gelen kuvvet değerleri tüm senaryolar için incelenmiş, en tehlikeli durumlar için oluşan kuvvetler belirlenmiş, ardından aks kutusu modeli hazırlanmıştır. İç aks kutusu ve içerdiği kilit mekanizmasının modeli, boji karkasından ayrı olarak oluşturulmuştur. Modelleme işlemi için Altair Hypermesh yazılımı kullanılarak oluşturulan modelde bağlantı elemanları ve aks rijit olarak modellenmiştir. Boji karkasının analizinden alınan kuvvet değerleri girilmiş ve sisteme uygun olarak sınır koşulları tanımlanmıştır. Yüksek miktarda temas elemanı içeren iç aks kutusu modeli ABAQUS kullanılarak çözülmüştür. Uygulanan kuvvetler ile yapılan analizde aks kutusunda oluşan gerilme değerlerinin sınır değerlere yakın olmadığı, güvenli bölgede olduğu gözlemlenmiştir ve üzerinde bir iyileştirme işlemi yapılmamıştır. Yapılan tüm analizlerin sonuçlanmasının ardından LIMIT CAE yazılımı kullanılarak boji için kaynak yorulma analizi yapılmıştır. Yorulma analizi için, oluşturulan sonlu elemanlar modeli ve analiz sonuçlarından elde edilen gerilme değerleri yazılıma bilgi olarak girilmiştir. Bojideki tüm kaynaklar için, kaynak tipi, kaynak kalitesi bilgileri girilmiştir. Yapılan analiz, standartlarda yer alan yorulma koşullarına uygun olarak yapılmıştır. Bu yükleme durumlarındaki değerler tablo haline getirilerek programa giriş yapılmıştır. Yorulma için kullanılacak çevrim sayıları ve gerilme değerlerinin uygun hale getirilmesi için gerilme değerleri ölçeklenerek yazılıma girilmiştir. Yapılan yorulma analizinin ardından, sonuçlar incelenmiş, bazı kaynak bölgelerinde yüksek gerilme değerlerinden kaynaklanan tehlikeli bölgeler saptanmıştır. Bu bölgelerde kaynak kalitesini iyileştirme ve kaynak yapılan sacların kalınlık değerlerini arttırma işlemleri ile tekrar analizler yapılmış olup, sonuç olarak tüm kaynakların uygun değerlere sahip olması sağlanmıştır. Analizler ve iyileştirme işlemleri sonunda; tasarlanan bojinin tüm yükleme ve yorulma koşullarında güvenli sonuçlar verdiği görülmüştür. Yeni boji tasarımı ile, farklı demiryolu hat açıklığına sahip işletmeler arasında, uzun iş gücü ve zaman kaybı elimine edilerek, demiryolu araçlarının sürekli hareket halinde geçişinin sağlanması amaçlanmıştır. Elde edilen sonuçların ışığında, tasarımın bu amaca yönelik, güvenli bir tasarım olduğu ve tüm raylı sistem standartlarını karşıladığı görülmektedir. Yapılan bu tasarım bir konsept tasarımdır. Standart parçalar kullanılmış olup, tasarım yapılırken ülkemizin üretim şartları göz önünde bulundurulmuştur. Gelecekte yapılacak projelerde yapılan tasarımın bir prototip imalatı yapılarak, gerçek yükleme koşullarında test edilmesi ve bu testler ile uygunluğunun değerlendirilmesi düşünülmektedir. Prototip imalatı ve prototip üzerinde yapılan testlerin başarılı olması durumunda, tasarımın üretime geçirilerek, ülkemizdeki demiryolu ticaretine büyük katkı yapması planlanmaktadır.