<p>Det finns flera olika metoder att väga ett tåg samt att detektera hjulskador såsom hjulplattor då ett tåg är i drift. I dagsläget används töjningsgivare som monteras på rälen och som kalibreras efter en statisk last. Kalibreringen går till så att ett tåg med känd last sakta passerar över givaren. Detta arbete avser att studera hur eventuella dynamiska effekter påverkar sådana mätningar. Dessa mätmetoder ska undersökas för att få reda på hur tillförlitliga de är. </p><p>Olika FEM-simuleringar utförs för att undersöka de dynamiska effekterna. Dels studeras en konstant åkande kraft och dels studeras en åkande kraft bestående av en konstant och en harmonisk (sinusvarierande) del. Skjuvspänningsfördelningen i rälen bestäms och den kan sedan räknas om till tvärkraft, varefter den passerande lasten kan beräknas. Rapporten behandlar även simuleringar av hjulplattor, vågutbredning, kontakttider samt hur en last med varierande frekvens och hastighet påverkar sådana mätningar. </p> / <p>Several different methods to weigh railway trains and to detect wheelflats are in use. One method make use of strain gauges calibrated with a static load. This means that a train with a known axle load slowly passes the gauge that is calibrated. The work presented here aims at studying how dynamic train/track interaction influences the shear stress in the rail. </p><p>Different FEM-analyses have been performed to study this. On the one hand analyses with a constant force travelling along the rail have been performed and on the other hand a travelling force that consists of a constant part and a harmonic part was used. The shear stress distribution in the rail gives the possibility to calculate the magnitude of the travelling force passing the gauge. The report also deals with detecting wheelflats, that is, detecting when an impact load hits the rail.</p>

Det finns flera olika metoder att väga ett tåg samt att detektera hjulskador såsom hjulplattor då ett tåg är i drift. I dagsläget används töjningsgivare som monteras på rälen och som kalibreras efter en statisk last. Kalibreringen går till så att ett tåg med känd last sakta passerar över givaren. Detta arbete avser att studera hur eventuella dynamiska effekter påverkar sådana mätningar. Dessa mätmetoder ska undersökas för att få reda på hur tillförlitliga de är. Olika FEM-simuleringar utförs för att undersöka de dynamiska effekterna. Dels studeras en konstant åkande kraft och dels studeras en åkande kraft bestående av en konstant och en harmonisk (sinusvarierande) del. Skjuvspänningsfördelningen i rälen bestäms och den kan sedan räknas om till tvärkraft, varefter den passerande lasten kan beräknas. Rapporten behandlar även simuleringar av hjulplattor, vågutbredning, kontakttider samt hur en last med varierande frekvens och hastighet påverkar sådana mätningar. / Several different methods to weigh railway trains and to detect wheelflats are in use. One method make use of strain gauges calibrated with a static load. This means that a train with a known axle load slowly passes the gauge that is calibrated. The work presented here aims at studying how dynamic train/track interaction influences the shear stress in the rail. Different FEM-analyses have been performed to study this. On the one hand analyses with a constant force travelling along the rail have been performed and on the other hand a travelling force that consists of a constant part and a harmonic part was used. The shear stress distribution in the rail gives the possibility to calculate the magnitude of the travelling force passing the gauge. The report also deals with detecting wheelflats, that is, detecting when an impact load hits the rail.

The demand for higher velocities and heavier axle loads for freight trains leads to higher forces on the railway wheels which in turn lead to an increase in stresses on and below the surface of the wheel-rail contact. By time, this induces wear on the wheels which consequently lead to higher maintenance costs and in some cases accidents. The ability to predict the evolution of wheel profiles due to uniform wear has been demonstrated with a rather accurate precision in most operational conditions. These wear models are based on wear coefficients and since they are not usually valid for real operational conditions, the models are generally calibrated against real-life scenarios in order to adjust the coefficients from test conditions to real-life lubrication conditions. This engineering approach can be useful in prediction of wear in systems where the materials and contact conditions do not vary. However, when addressing material development focused on reducing specific damage modes, the approach is of limited use because the obtained wear coefficients are not directly related to material properties. Therefore, attempts towards developing physical fracture propagation models that relates to the contact conditions and material properties have been made. The purpose has been to retrieve vital information about where a fracture initiates and how it propagates. In the long run, it is of great interest to be able to attain information about how a material particle is removed from the contact surface. Studies for this type of model was done in the 70’s and 80’s mainly with pin-disk experiments but has not been utilized in the specific field of wheel-rail contact. The thesis is part of the FR8RAIL project arranged by the European rail initiative Shift2Rail. Literature studies have been the basis for the thesis in order to gain vital insights into fracture mechanics and other related fields. The physical fracture propagation models have been constructed in the FE software Abaqus with the implementation of the XFEM. For the 2D model, the fracture initiates at the top of the implanted inclusion when the friction coefficient is  and propagates upwards a few elements. For , the fracture initiates at the right surface boundary where the pressure distribution and traction is applied. The fracture propagation angle increases relative to the surface as the friction coefficient value is increased. The fracture for the 3D model extends broader compared to the 2D model at the top of the inclusion in the case of . The fracture initiates at the same surface location as for the 2D model for . The fracture propagation is however non-existent due to convergence problems. The FE-models constructed are initial steps towards analysing the fracture propagation and closely related phenomena for a railway freight wheel in detail. At the end of the thesis, the simplified models give mainly information about the fracture initiation, propagation and its patterns. From this first phase, further adjustments and improvements can take place in order to eliminate the margins of error. In the long run, fully integrated models with further implementations such as detailed microstructure for the contact conditions, plastic behaviour for the material, and complete three-dimensional models can finally be employed. / Efterfrågan på högre hastigheter och tyngre axelbelastningar för godståg leder till högre krafter på järnvägshjulen som i sin tur leder till ökade spänningar på och under ytan vid hjul-räl-kontakten. Med tiden induceras slitage på hjulen som följaktligen leder till höga underhållskostnader och i vissa fall olyckor. Förmågan att förutse utvecklingen av hjulprofiler på grund av enhetligt slitage har visats kunna ske med en noggrann precision under de flesta driftsförhållanden. Dessa slitagemodeller bygger på slitagekoefficienter, och eftersom de vanligtvis inte är giltiga under realistiska driftsförhållanden är modellerna i allmänhet kalibrerade mot verkliga händelseförlopp för att justera koefficienterna från testförhållandena till realistiska smörjförhållanden. Detta tekniska tillvägagångssätt kan vara användbart vid prognos av slitage i system där material och kontaktförhållanden inte varierar. När man addresserar materialutveckling inriktad på att reducera specifika skadelägen är emellertid tillvägagångssättet av begränsad användning eftersom de erhållna slitagekoefficienterna inte är direkt relaterade till materialegenskaper. Därför har försök gjorts till att utveckla fysikaliska sprickbildningsmodeller som relateras till kontaktförhållanden och materialegenskaper. Syftet har varit att erhålla viktig information om var en spricka initieras och hur den fortskrider. I det långa loppet är det även av stor vikt att kunna erhålla information om hur en materialpartikel avlägsnas från kontaktytan. Studier för denna typ av modeller har gjorts på 70- och 80-talet i huvudsak med stift- och skivexperiment men har inte använts inom det specifika området för hjul-räl-kontakt. Avhandligen ingår i FR8RAIL-projektet som arrangeras av det europeiska järnvägsinitiativet Shift2Rail. Literaturstudier har varit grunden för avhandlingen för att få väsentlig insikt i frakturmekanik och andra relaterade områden. De fysiska sprickbildningsmodellerna har konstrueras i FE-mjukvaran Abaqus med XFEM som implementering. För 2D-modellen initieras sprickan överst vid den implanterade imperfektionen när friktionskoefficienten är  och propagerar uppåt några få element. För  initieras sprickan på högra ytgränsen där tryckfördelning och friktionskraft appliceras. Utbredningsvinkeln för sprickan ökar relativt till ytan då friktionskoefficienten ökar. Sprickan för 3D-modellen breder ut sig mer jämfört med 2D-modellen överst vid imperfektionen då . Sprickan initieras på samma ytplats som för 2D-modellen vid . Sprickbildningen är dock obefintlig på grund av konvergensproblem. De konstruerade FE-modellerna är initiala steg mot att analysera sprickutbredningen och närbesläktade fenomen för ett godstågs järnvägshjul i detalj. I slutet av avhandlingen ger de förenklade modellerna huvudsakligen information om sprickinitiering, utbredning och dess mönster. Ytterligare justeringar och förbättringar kan ske efter denna första fas i syfte att eliminera felmarginalerna. På lång sikt kan slutligen helt integrerande modeller med ytterligare implementeringar såsom detaljerad mikrostruktur för kontaktförhållandena, oelastiskt materialbeteende och kompletta tredimensionella modeller användas. / FR8RAIL