An existing analytical model, in use by Spoornet for the past two decades for calculating rail stresses on railway track, was revisited and improved. The model provided engineers with an easy-to-use program for evaluating track capacity and authorizing heavier loads on track. The model was modified to calculate rail and track component stresses more accurately. These modifications include the incorporation of current best practices and presentation of guidelines for the engineer on how to determine some input parameters which are normally difficult to obtain. Firstly it was determined which input parameters the model was the most sensitive to. Thereafter it was determined whether or not the correct information would generally be readily available for those sensitive parameters. The most sensitive parameters were further investigated and test results, as well as best practice analytical methods, were used to establish nominal input values and guidelines for determining such values. This research was necessary to establish whether or not the currently used analytical model still provided railway engineers with a useful tool and whether or not more modern and popular tools could validate or replace it. After some modifications to the analytical model, it was proved that it provides engineers with a suitably accurate tool for calculating rail and track component stresses, without the need to build time-consuming models of the track under investigation. It showed that the model, after some modifications, is current with calculational methods in recent publications and provides an immediate answer to "what-if" questions without the need to run lengthy analyses. / Dissertation (MEng (Mechanical Engineering))--University of Pretoria, 2006. / Mechanical and Aeronautical Engineering / unrestricted

The limitations of current simulation packages in addressing the true longitudinal behaviour of railway bogie dynamics during braking/traction has prompted the development of a Rail Bogie Dynamics (RBD) program in this thesis. The RBD program offers novel features for the calculation of the speed profile as a function of the brake torque as well as explicitly determining wheelset angular velocity. With such capability, the speed profile is no longer treated as an input calculated as a priori as required by most of the current simulation systems. The RBD program has been developed using a formulation that includes the wheelset pitch degree of freedom explicitly with a coordinate reference system that is fixed in space and time. The formulation has made the simulation of the bogie dynamics during braking/traction possible in a natural way using the brake/traction torque as the input and the resulting speed profile as the output without any need for working out the speed profile as a priori. Consequently, severe dynamics during braking such as the wheelset skid and the onset of wheel climb derailment can be modelled and critical parameters investigated using the RBD program. The RBD program has been validated, where possible, through a series of simulations using a commercial software package (VAMPIRE). For cases which cannot be simulated by VAMPIRE such as the wheelset skid, a novel experimental program has been designed and commissioned in the Heavy Testing Laboratory of the Central Queensland University as reported in this thesis. One of the possible applications of the RBD program in examining the effect of asymmetric brake shoe force in bogies equipped with one-side push brake shoe arrangement is illustrated in this thesis. It is believed that the model and RBD program will have significant benefit in understanding the true longitudinal behaviour of wagons in suburban passenger trains that operate under braking/ traction torques for most of their travel. Similar studies will also be useful to freight train wagon dynamics during entry and exit of speed restriction zones and tight curves.

This thesis investigates the influence of wheelset structural flexibility and track flexibility on the vehicle-track dynamic interaction, mainly in terms of wheel-rail forces up to 200 Hz, using simulations and measurements. The previous knowledge in this field is first reviewed and summarized, then two case studies are selected for investigation. The first case study involves a locomotive running on a tangent track section at a speed of 140 km/h, while the second one deals with a newly designed motor coach running at two adjacent and tangent track sections with different track components and at speeds up to 280 km/h. For the locomotive case study, the wheelset dynamic properties are first investigated through experimental modal analysis (EMA) for a frequency range of 0-500 Hz, assuming free boundary conditions. The EMA results showed relatively low wheelset eigenfrequencies. A three-dimensional finite element (FE) model, which also includes the wheelset gear-box, is then developed and validated against the measurements for frequencies up to 200 Hz with good agreement. The FE results displayed a significant influence of the wheels’ flexibility on the wheelset’s total structural flexibility. In order to assure proper representation of the track flexibility the vertical and lateral dynamic track properties at a sleeper are measured through a special vehicle at standstill, and measured track irregularities are used. In the numerical simulations, the wheelset structural flexibility is introduced using the calculated eigenmodes above while so-called moving track models are used to model the track flexibility. The simulated wheel-rail forces are then validated against measured ones obtained from corresponding on-track measurements. Results from the simulations highlight the importance of proper track flexibility modelling and track data and also show a significant influence of the wheelset structural flexibility on the lateral track forces. For the motor coach case study, the wheelset dynamic properties are determined through numerical modal analysis using a rather simple FE model and a number of eigenmodes are then introduced in the simulations. The vertical and lateral track dynamic properties at selected track sections are measured using the standstill technique but rolling stiffness measurements, where the vertical track flexibility in the frequency range 5-50 Hz is measured continuously along the track, are also included. The track flexibility is introduced through moving track models. Measured track irregularity and vertical track roughness are also considered. Basic numerical simulations, where the calculated track forces are compared to measured ones, are first performed and followed by a set of parametric studies. The results display a significant influence of the track flexibility on vertical wheel-rail forces for frequencies above 80 Hz, with higher forces for the stiffer track (but weaker rails). The effect of wheelset structural flexibility on the lateral force is also confirmed. The parametric studies highlight the importance of track flexibility modelling and show that modifications of the vertical track receptance, motivated by uncertainties in the pertinent measurements, can improve the simulated forces. / QC 20100701

В представленной выпускной квалификационная работа по теме «Новое оборудование для механической обработки колесных пар вагонов и локомотивов без выкатки» рассмотрены виды и способы контроля износа железнодорожных колес, разработаны колесотокарные станки и оборудование, необходимое для их использования. Описан колесофрезерный станок, обладающий по сравнению с колесотокарным определенными преимуществами, рассматриваются вопросы, касающиеся проектирования соответствующего режущего инструмента. Выполнены расчеты, обосновывающие принятые конструктивные решения. / In the presented graduate qualification work on "New equipment for mechanical processing of wheelsets for wagons and locomotives without rolling-out" types and methods of controlling the wear of wheelsets are reviewed, wheel lathes and equipment required for their use are developed. The paper gives the description of a wheel-milling machine, which has some advantages compared to a wheel lathe, and deals with the problems concerning the design of the appropriate cutting tools. Calculations are made, which substantiate the adopted design solutions.

This work deals with construction of an experimental measuring stand. This stand will be used for research focused on wheel flange lubrication improvement. The construction is based on wheel flange lubrication system Tribotec OK-02. First part treats of rail vehicle dynamics and wheel flange lubrication problematics, second part describes construction itself.

The first part of this master's thesis deals with the high cycle fatigue of materials, especially on growing cracks using linear elastic fracture mechanics. Much of this work is focused on the concept of stress intensity factor. This concept is nowadays one of the most widely used concepts for describing a body with crack. The first part ends with theoretical approaches to determine the residual fatigue life of the body with a crack. The second part of this master's thesis is focused on the determination of residual fatigue life of a specified railway wheelset. An existence of crack-like defect is assumed at the railway wheelset. The goal of this master's thesis is to estimate how long it will take to grow from initial defect to a critical crack length. The last part of this master's thesis is devoted to addiction order load cycles on crack growth rate.

With continuing digitization of railways an increasing number of data is recorded but particularly in operation advanced analysis tends to be partially rudimentary. Yet, it is essential to implement sophisticated processing for all records in order to develop more purposeful and predictive vehicle maintenance strategies that adhere to the increasing requirements imposed by the homologation. Typically developing requisites are permissible track forces and lateral accelerations which are directly affected by the vehicle's condition. The present work addresses this issue by executing a case study focused on a Swiss high-speed electric multiple unit with equivalent conicity being the main parameter of interest. This geometry quantity holds high relevance in determining the running stability of track guided vehicles, respectively in assessment of comfortable and safe operation. Currently, it experiences an increasing significance in the homologation as well. Thus, wheelset maintenance is challenged to elaborately embed equivalent conicity to the other influencing factors in the re-profiling strategy. A framework is established on how operational data can be analyzed and findings systematically be evaluated. The required records are provided by a Swiss railway operator and majorly processed by visualization as well as statistic tools while considering vehicle design and operational aspects. The subsequent proposition of strategies is accompanied by holistic balancing of vehicle needs, maintenance resources, and vehicle scheduling needs. As a result, correlations concerning the vehicle's configuration, design, and operational properties are observed. Incorporating these observations, for example by applying advanced warning limits, enables deduction of more predictive and holistic strategies. The potentially emerging benefits are manifold and range from lower demand on engineering staff, increased mileages, to fewer unplanned servicing tasks and subsequently increased operational stability. Further, the findings emphasize the need of in depth understanding about relevant data to derive more advanced and holistic maintenance strategies. / Med fortsatt digitalisering av järnväg registreras ett ökande antal data. Men särskilt i drift är avancerad analys av dessa data ofta outvecklad och otillräcklig. Därför är det väsentligt för framgångsrik järnvägsdrift att implementera mer avancerad analys för att utveckla mer målmedvetna och förutsägande strategier för fordonsunderhåll i syfte att följa befintliga regelverk. Det här arbetet belyser denna fråga genom en fallstudie med fokus på ekvivalent konicitet i schweiziska eldrivna höghastighetståg. Koniciteten är mycket relevant för att bedöma dynamisk gångstabilitet på spårfordon och avgörande för bekväm och säker tågrörelse. Den utgör en viktig indikator i utformandet av regelverk vilket i sin tur är avgörande vid underhåll av hjulpar och för att bedöma hjulprofilers status. Avhandlingen föreslår ett tillvägagångssätt för hur data av ekvivalent konicitet och relaterade aspekter kan analyseras och systematiskt implementeras i fordonens reprofileringsstrategi av hjulen. Dokumenten tillhandahålls av en schweizisk operatör och utvärderas huvudsakligen genom visualisering och statistiska verktyg samtidigt som design- och driftsaspekter kontinuerligt prövas. Präsentationen av strategier åtföljs av en helhetlig utvärdering av behov för såväl fordon och underhållsanläggningar som schemaläggningar av driften. Som ett resultat av detta observeras korrelationer mellan fordonens tekniska egenskaper med design- och driftsegenskaper. Genom att inkludera dessa observationer, till exempel genom att tillämpa avancerade varningsgränser, kan mer predikativa och helhetliga strategier föreslås. De potentiella fördelarna är många och kan sträcka sig från lägre behov av ingenjörspersonal, ökad körsträcka, till färre oplanerade serviceuppgifter och leder till ökad driftstabilitet. Vidare betonar resultaten behovet av djupgående förståelse för parametrar för att härleda helhetliga underhållsstrategier.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

[EN] The aim of the present Thesis is to develop models for the study of very high-frequency phenomena associated with the coupling dynamics of a railway vehicle with the track. Through these models, this Thesis intends to address squeal noise as a particular case of rolling noise when the train negotiates a small radius curve. Wheel/rail interaction is the predominant source of noise emission in railway operations. Rolling contact couples the wheel and the rail through a very small area, characterised by strongly non-linear and non-steady state dynamics that differentiates rolling noise from any other noise problem. Wheel/rail contact problem is studied based on Kalker's variational theory and the local falling behaviour of the coefficient of friction is introduced by means of a regularisation of Coulomb's law. Its implementation shows that the influence of the falling friction on the creep curves can be assumed negligible, thus rolling contact is finally modelled using a constant coefficient of friction. Flexibility is introduced in railway substructures through the Finite Element (FE) method in order to cover the high-frequency range. This work adopts a rotatory wheelset model that takes computational advantage of its rotational symmetry. It also develops a cyclic flexible rail model that fixes the translational contact force in a spatial point of the mesh through a technique called Moving Element (ME) method. A modal approach is used to reduce significantly the number of degrees of freedom of the global problem and a diagonalisation technique permits to decouple the resulting modal equations of motion in order to increase the computational velocity of the time integrator. Simulations in curving conditions in the time domain are carried out for constant friction conditions in order to study if the proposed interaction model can reproduce squeal characteristics for different curve radii and coefficients of friction. / [ES] El objetivo de la presente Tesis es desarrollar modelos para el estudio de fenómenos de muy alta frecuencia asociados a la dinámica acoplada de un vehículo ferroviario con la vía. A través de estos modelos, esta Tesis pretende abordar el fenómeno de los chirridos como un caso particular de ruido de rodadura en condiciones de curva cerrada. La interacción rueda/carril es la fuente predominante de ruido en las operaciones ferroviarias. El contacto es el responsable del acoplamiento entre la rueda y el carril a través de un área muy pequeña caracterizada por una dinámica fuertemente no lineal y no estacionaria. El problema de contacto rueda/carril se estudia mediante la teoría variacional de Kalker y la caída local del coeficiente de fricción se introduce por medio de una regularización de la ley de Coulomb, que muestra que su influencia sobre las curvas de fluencia se puede despreciar. Como consecuencia, el coeficiente de fricción se considera constante. La flexibilidad se introduce en las subestructuras ferroviarias a través del método de los Elementos Finitos (EF) para cubrir el rango de las altas frecuencias. La Tesis adopta un modelo de eje montado rotatorio que toma ventaja computacional de su simetría rotacional. También desarrolla un modelo de carril flexible y cíclico que fija la fuerza de contacto en un punto espacial de la malla mediante el método de los Elementos Móviles (EM). Se utiliza un enfoque modal para reducir significativamente el número de grados de libertad del problema global; las ecuaciones de movimiento resultantes en coordenadas modales se desacoplan mendiante una técnica de diagonalización para aumentar la velocidad computacional del integrador temporal. Las simulaciones en condiciones de curva en el dominio del tiempo se llevan a cabo en condiciones de fricción constante con el objetivo de estudiar si el modelo de interacción propuesto puede reproducir las características del chirrido en curva para diferentes radios de curva y coeficientes de fricción. / [CAT] L'objectiu de la present Tesi és desenvolupar models per a l'estudi de fenòmens de molt alta freqüència associats amb la dinàmica acoblada d'un vehicle ferroviari amb la via. Aquests models permeten simular el soroll de rodament encara que, en particular, aquest treball es proposa abordar el fenomen del soroll grinyolant produït quan el tren negocia un radi de curvatura estret. La interacció roda/carril és la font predominant de l'emissió de soroll en les operacions ferroviàries. El contacte acobla la roda i el carril a través d'una àrea molt reduïda que es caracteritza per una dinàmica fortament no lineal i no estacionària. El problema de contacte roda/carril s'estudia mitjançant la teoria variacional de Kalker i el descens local del coeficient de fricció s'introdueix per mitjà d'una regularització de la llei de Coulomb, què demostra que la seua influència en les corbes de fluència es pot suposar insignificant. Per tant, s'utilitza un coeficient de fricció constant per a modelar el contacte. La flexibilitat s'introdueix en les subestructures de ferrocarril a través del mètode d'Elements Finits (EF) per tal de cobrir el rang d'alta freqüència. La present tesi adopta un model d'eix muntat rotatori que s'aprofita de la seua la simetria rotacional per a augmentar la eficiència computacional. També desenvolupa un model de carril flexible i cíclic que fixa la força de contacte en un punt espacial de la malla a través del mètode dels Elements Mòbils (EM). S'empra un enfocament modal per reduir significativament el nombre de graus de llibertat del problema global, al temps que s'implementa una tècnica diagonalització que permet desacoblar les equacions modals de moviment per a augmentar la velocitat computacional de l'integrador temporal. Les simulacions en les condicions de corba en el domini del temps es duen a terme per a condicions de fricció constant per tal d'estudiar si el model d'interacció proposat pot reproduir les característiques del soroll grinyolant per a diferents radis de corba i coeficients de fricció. / Giner Navarro, J. (2017). Advances Techniques for Time-Domain Modelling of High-Frequency Train/Track Interaction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90637