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The contact between wheel and rail has been studied for many years in the field and using different test approaches. The wheel/rail contact in this work was simulated by a rolling-sliding twin disc contact machine. Currently this approach is widely accepted as a technique for studying different aspects of the wheel/rail contact such as; wear, rolling contact fatigue (RCF) crack propagation and issues concerning wheel/rail isolation.

A time domain wheel/rail interaction model in the vertical direction is developed taking account of surface defects. This model consists of a wheel moving over a finite element track model with a detailed non-Hertzian contact model. This numerical non-Hertzian contact model is either used for roughness pre-processing or is directly applied in combination with dynamic interaction calculations at each time step as the wheel moves along the rail. A non-reflecting boundary condition for the finite length track model is developed using a damped tapered tip. It is shown that the modal size of the track model is reduced by applying this damped tapered tip compared to traditional boundary conditions. The time domain wheel/rail interaction model is validated against field measurements from SNCF, in terms of rolling and impact noise predictions. Detailed roughness profiles are considered as the excitation by employing the non-Hertzian contact model. A big improvement is achieved at high frequencies in terms of rail vibration prediction, compared to a Hertzian contact model in combination with pre-processed roughness, by directly applying the non-Hertzian contact model for a wheelflat impact. The characteristics of the impact vibration due to a wheel flat are studied using a simple mass-spring representation of the track system. The frequency domain characteristics of the coupled system, assuming a linear contact spring, are found to be well related to the features of time domain simulations with a nonlinear spring due to the fact that a wheel flat irregularity has a relatively flat spectrum of the roughness. It is shown that the rail acts as a dynamic absorber during impact and the peak impact force is at its minimum when the rail absorbing effect is maximised. The predictions of rolling vibration are in deviations from the measurements. The possible errors are studied and suggesting these might be due to operational error of rail roughness measurements.

Sous l’effet des sollicitations mécaniques répétées induites par les passages des trains, on observe l’apparition de fissures de fatigue de contact dans les rails. Une fois amorcées, celles-ci peuvent se propager et mener à la rupture du rail. Dans un contexte d’intensification du trafic, l’optimisation de la politique de maintenance devient stratégique pour les entreprises du transport ferroviaire. Dans ce contexte, un modèle 3D éléments finis du contact roue/rail en courbe a été développé pour reproduire les mécanismes d’amorçage des fissures "Head Check". Ce modèle permet de simuler la sollicitation répétée du contact roue/rail. Cette modélisation a permis d’analyser l’influence de la plasticité sur la distribution de la pression de contact et sur les champs mécaniques résiduels au sein du rail au cours du chargement cyclique. Il ainsi est montré que l’actualisation du contact au cours des chargements répétés est du premier ordre. Les résultats ont permis d’identifier des zones potentielles d’amorçage de fissures de Head Check correspondant à des points matériels sur lesquels la déformation plastique s’accumule de manière considérable. En effet, on observe une correspondance entre ces orientations « accommodées » de la déformation plastique principale et l’orientation des micro-fissures amorcées sur la surface des rails ayant cumulé un faible tonnage (0-10 MGT). Ceci conforte le fait que la méthode proposée est un outil prometteur pour la simulation 3D de la fatigue du contact roue-rail. / As a result of repeated loading induced by train passages, rails are subjected to rolling contact fatigue cracks. Once initiated, cracks could propagate and lead to rail failure. In a context of increased traffic, maintenance policy optimization becomes strategic for railway companies. Thus to define an enhanced planning of maintenance, a better understanding of rail fatigue damage mechanisms is crucial. Under the circumstances, a 3D wheel-rail rolling contact finite element model has been developed in order to reproduce « Head Check » cracks initiation mechanisms. This model allows sequential repeated wheel-rail rolling contact loading. Thus this calculation procedure is used to analyze the influence of plasticity on contact pressure distribution and consequently on residual mechanical fields in the rail during cyclic loading. It is shown that contact conditions evolution during repeated loading must be considered in the first order. The results allowed the identification of potential Head Check cracks initiation zones that correspond to material points on which plastic deformation accumulates significantly. Indeed, there is a correspondence between the « accommodated » principal plastic strain directions and orientation of micro-cracks initiated on rails surface subjected to low cumulative tonnage (0-10MGT). This reinforces the fact that our proposed method is a promising tool for 3D wheel-rail rolling contact fatigue simulation.

L'augmentation des charges transportées par essieu, des vitesses de circulation et l’état des voies peuvent conduire à des endommagements des roues en surface ou sous-surface, généralement appelés écaillage. L’objectif de cette thèse est de développer une approche complète de dimensionnement des roues ferroviaires en fatigue de roulement permettant de prendre en compte les sollicitations locales via la géométrie réelle du contact roue/rail, le comportement inélastique du matériau de la roue (acier) et les conditions d'exploitation. A l’heure actuelle, les méthodes de dimensionnement des roues ne permettent pas de prendre en tous ces éléments au travers d’une même simulation. L’algorithme stationnaire fondé sur la formulation eulérienne est utilisé pour déterminer l’état stabilisé de la structure. L’influence du glissement, du mésalignement, de la position du chargement, et de la nuance d’aciers sur la réponse mécanique, les trajets de chargement en fatigue et la limite d’adaptation a été étudiée. Les critères de fatigue de Dang Van et de Manson-Coffin sont principalement utilisés pour l’analyse en fatigue. Les résultats obtenus permettent la construction de cartes d’adaptation numérique et celles-ci sont alors discutées. D'autre part, l’influence des contraintes résiduelles introduites par le traitement thermique de la bande de roulement est analysée. Il est montré qu’elles modifient les contraintes hydrostatiques comme c'est généralement le cas en fatigue, mais aussi le cisaillement mésoscopique, qui constitue un résultat nouveau. / The increasing of the railways axles loads; the traffic speeds and track conditions can lead to surface and sub-surface damage of wheel, usually called scaling. The aim of this thesis is to develop a numerical approach of railways wheel design in rolling contact fatigue which takes into account the local solicitations via the real geometric of rail/wheel contact, the inelastic behavior of the wheel material (steel) and the operating conditions. At present, the simplified methods for the wheel design are not possible to take all these elements through a single simulation. The stationary algorithm based on the Eulerian formulation is used to determine the steady state of the structure. The influence of the slip, the slip angle, the position of the load and the steel grades on the mechanical response, the fatigue loading paths and the shakedown are investigated. For the fatigue analysis, the criteria of Dang Van and Manson-Coffin are used. The results allow the establishment of the numerical shakedown maps and these are then discussed. Furthermore, the influence of residual stresses introduced by the heat treatment of the tread is analysed. It is shown that they modify the hydrostatic pressure as it is usually the case in fatigue, but also the mesoscopic shear stress, which is a new result.

Dans un contexte économique compétitif au niveau des coûts de fabrication et des matières premières utilisées, un procédé innovant de conception et de fabrication des essieux ferroviaires est mis en place. Il consiste à forger des axes creux permettant une réduction significative de la consommation d’acier. Il s’agit d’analyser en quoi ces modifications de conception et de fabrication ont un impact sur la tenue en service et notamment sur la résistance aux sollicitations cycliques pouvant conduire à une rupture par fatigue. Suivant cet objectif, une chaîne numérique a été développée, allant de la simulation du procédé de fabrication jusqu’à l’analyse de la sollicitation cyclique en conditions de service. La première étape est la modélisation du procédé de forgeage afin de prédire les contraintes résiduelles et les déformations plastiques initiales. A partir de cet état de sollicitation, l’opération d’usinage et d’assemblage de la roue sur l’essieu, par frettage, est ensuite simulée afin d’analyser la redistribution des contraintes et des déformations. La dernière étape consiste à obtenir les trajets de sollicitations cycliques issus des sollicitations répétées du service permettant de disposer des données nécessaires pour l’analyse en fatigue. Les difficultés de ce type de simulation résident dans la conservation des états de contraintes et de déformations résiduelles aux différents stades de la simulation et dans la détermination de l’état mécanique stabilisé sous sollicitation cyclique. La méthode développée s’appuie sur la détermination de l’état mécanique asymptotique, permettant d’utiliser un critère de fatigue afin d’évaluer le risque d’amorçage de fissure. / In today’s competitive business environment, it has become increasingly important to reduce manufacturing and raw materials cost. For this purpose, an innovative process of design and manufacturing railway axles is developed. It is based on forging hollow axles, which allows a significant reduction in steel consumption. In this work, we tried to analyze how these modifications induced by the new process and design impact the service behavior and particularly the durability face to cyclic loadings that can lead to fatigue failure. In the present study, a numerical chain has been developed going from the simulation of the manufacturing process up to the analysis in fatigue. In the first step, the forging process is modeled in order to predict the residual stress field and the initial plastic strain. From this initial condition, the assembly operation of the wheel on the axle is simulated before the redistribution of stresses and strains under cyclic load. The final objective is to obtain the cyclic loading paths, in order to provide the data needed for the analysis of fatigue. The difficulties of this type of simulation are not only to keep the residual stress and deformation states at different stages of the numerical chain but also to obtain the stabilized cyclic response of the structure. The method developed is based on an implicit resolution to determine the asymptotic mechanical condition of the structure, which allows the use of a multiaxial fatigue criterion in order to evaluate the crack initiation risk.

Le bruit de crissement émis par les véhicules guidés sur rail dans les courbes serrées (rayon inférieur à 200 m) est caractérisé par un niveau de pression acoustique élevé et un spectre de raies à moyennes et hautes fréquences. La littérature est riche en modèles de simulation du crissement en courbe. Cependant, le mécanisme d'instabilité est toujours controversé. De plus, les modèles de crissement en courbe existants sont souvent simplifiés (lois de pseudo-glissement analytiques ou hypothèse de massif semi-infini élastique).Le premier objectif de la thèse est de contribuer à la compréhension du mécanisme de génération. Pour ce faire, une analyse de stabilité du contact de roulement roue/rail dans le cas du glissement latéral total est réalisée en utilisant un modèle de contact ponctuel et des bases modales roue et rail. On constate que même avec une hypothèse de coefficient de frottement de Coulomb constant, la flexibilité verticale dynamique du rail joue notamment un rôle important dans l'occurrence d'instabilité sans "décroissance du coefficient de frottement" ni sans "couplage de modes". Le second objectif de la thèse est de développer un modèle élément finis complet de contact roue/rail pour calculer des solutions de référence. Des techniques numériques appropriées sont développées pour résoudre les équations discrètes non linéaires. Ces méthodes sont ensuite appliquées à un modèle réaliste de contact roue/rail en courbe. On constate que la discrétisation de la zone de contact ne modifie pas les mécanismes d'instabilité mais les taux de divergence des modes instables en raison du couplage plus fort entre les degrés de liberté de contact normaux. / Squeal noise of railbound vehicles emitted in tight curves (radius lower than 200m) is characterized by high sound pressure levels at pure medium and high frequencies. State-of-the-art abounds with models trying to simulate curve squeal. However the instability mechanisms are still controversial. In addition, existing curve squeal models are often simplified (analytical frictional contact laws or elastic half-space assumption). The first aim of the thesis is to contribute to a clarification of the possible generation mechanisms. For this purpose, a stability analysis of wheel/rail rolling contact in the case of lateral full sliding is performed by using a point-contact model and wheel/rail modal bases. It is found that, even with a constant Coulomb friction coefficient, the rail vertical flexibility is notably found to play an important role on the instability occurrence without "falling friction" nor without "mode-coupling". The second aim of the thesis is to develop a full Finite Element model of wheel/rail contact in order to compute reference solutions and especially to verify the effects of the simplifications carried out in the point-contact model. Appropriate numerical techniques are used in order to solve the nonlinear discrete equations. In order to reduce the computational effort, reduction strategies are proposed for both domains. The methods are then applied in a realistic wheel/rail model in curve. It is found that the discretization of the contact zone does not substantially modify the instability mechanisms but the divergence rates of the unstable modes due to a stronger coupling between the normal contact degrees of freedom.

Der diesjährige 12. Workshop Magnetlagertechnik Zittau-Chemnitz setzt eine Veranstaltungsreihe fort, die vor nunmehr 25 Jahren mit dem 1. Workshop 1994 in Zittau ihren Anfang nahm. Während anfänglich Magnetlager Sonder- oder Nischenlösungen darstellten, haben Magnetlager in dieser Zeit in zahlreichen Applikationen Produktstatus erreicht. Das ist neben der Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer Komponenten bspw. in der Regel- oder Leistungselektronik auch auf die Anwendung moderner, computergestützter Methoden bei der Auslegung und Konstruktion von Magnetlagern zurückzuführen. Die konsequente Weiterentwicklung der Magnetlagertechnologie und deren vorteilhafte Anwendung in der Industrie und Energietechnik führen zu einer Erhöhung der Energieeffizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlagen und zur Reduzierung umweltschädlicher Immissionen. Neue Anwendungsfelder ergeben sich auch aus aktuellen Entwicklungen bei der Energieversorgung oder der Digitalisierung und Vernetzung der industriellen Produktion – Industrie 4.0. In diesem Sinn versteht sich der Workshop als Podium für Wissenschaftler, Entwickler, Hersteller und Anwender zum weiteren Avancement dieser Technologie. Der vorliegende Tagungsband beinhaltet die von den Autoren eingereichten Beiträge in der Reihenfolge des Tagungsprogramms. Die Veranstalter danken besonders den Autoren, Referenten und Teilnehmern sowie allen, die durch ihr Engagement zum Gelingen des Workshops beigetragen haben und freuen sich auf eine Fortsetzung der Veranstaltungsreihe 2021 an der Technischen Universität Chemnitz.

Typischerweise wird die Rotorposition aktiver Magnetlager mit einer Lageregelung mit unterlagerter Stromregelung geregelt. Dieser Ansatz erreicht jedoch insbesondere bei axialen Magnetlagern mit massivem Kern seine Grenzen, daWirbelströme und Sättigungserscheinungen im Magnetkreis eine Diskrepanz zwischen den messbaren und kraftbildenden Spulenströmen hervorrufen. Die in der Folge erhebliche Verminderung der Lagersteifigkeit kann durch eine alternative Flussdichteregelung vermieden werden, da so unmittelbar die kraftbildende Komponente gestellt wird. In diesem Artikel stellen wir eine Regelungsvariante auf Basis eines fraktionalen Flussdichteschätzers vor, der ohne zusätzliche Sensorik auskommt und sich somit auch für bestehende Systeme implementieren lässt. Anhand von berechneten Frequenzgängen zeigen wir das große Verbesserungspotenzial dieser neuen Variante in Bezug auf Regelgüte und Stabilität im Vergleich zu einer klassischen Lageregelung mit unterlagerter Stromregelung.

Die elektromagnetische Dynamik von axialen Magnetlagern ist im besonderen Maße von den eingesetzten Materialien abhängig. Axiale Flussverläufe machen eine Blechung von Stator und Rotor unwirksam und hohe induzierte Spannungen rufen im Magnetkreis wirbelstrombedingte Gegenfelder hervor. Zusätzliche kompensierende Magnetisierungsströme lassen den messbaren Strom der Steuerspule dem kraftbildenden Hauptfluss vorauseilen. Steigende Anforderungen an die Regeldynamik erfordern daher den Einsatz schwach elektrisch leitfähiger Kernmaterialien (Soft Magnetic Composites) oder eine Berücksichtigung der auftretenden Wirbelstromeffekte in der Regelstrecke unter Anwendung von Systemen gebrochenrationaler Ordnung. Beide Optionen werden in diesem Beitrag aus analytischer Sicht gegenübergestellt und ihre Anwendungsfälle diskutiert.