During life of railway vehicles, shape irregularities develop on wheels and rails because of wear. The shape irregularities then affect forces in wheel-rail contact and cause further damage of contact surfaces, vibrations and noise and increase risk of derailment. A numerical simulation of railway vehicle motion with more details on contact surfaces geometry was created to investigate dynamic contact loads in wheel-rail contact. A variety of methods can be used to evaluate forces in rolling contact, the method chosen for this study was algorithm CONTACT based on boundary element method. Four studies are presented in this papers: contact loads from a wheel with a flat and with a wavy tread pattern, loads on wavy rail and load in a curve. The first three studies investigated effects of existing wear patterns, the last one looked for cause of common wear pattern developing on rails. Results of the studies with worn components used showed that the worst kind of shape irregularities is a flat present on wheel. This type of shape cause loss of contact and following impacts. The study of ride in curve showed that cause of high wear in curves, especially those with small radii, is caused by vibration of wheelset. This vibration is then caused by different length of inner and outer rail and wheels travelling along a different path.

Nos dias de hoje, a simulação dinâmica de veículos metroviários tem sido um importante método de análise e verificação, tanto no âmbito de projeto, como na engenharia de manutenção. Os pacotes de simulação disponíveis no mercado são altamente desenvolvidos e podem ser adaptados para os mais diversos cenários. O presente trabalho tem por objetivo demonstrar a funcionalidade destes programas, fundamentando a teoria por trás de seu algoritmo computacional, de maneira a expandir a fronteira de conhecimento nas engenharias de projeto e de manutenção. Para isso, são efetuados dois estudos de caso: passagem de veículo em região de abertura de bitola em curva de raio constante; passagem de veículo em sequencia de curvas reversas. Sendo assim, esta dissertação apresenta uma visão geral sobre o estado da arte na simulação da interação veículo e via permanente. / Nowadays, the dynamic simulation of metro vehicles have been an important method of analysis and verification in design engineering as in maintenance engineering. The simulation packages available are highly developed and can be adapted for different scenarios. This paper aims to demonstrate the functionality of these programs, supporting the theory behind its computational algorithm, in order to expand the frontier of knowledge in the national design and maintenance engineerings. For this, two case studies are made of: modelling flexible permanent way; modelling AMVs and crossings; passing vehicle in a region with gauge opening on a constant radius curve; passing a vehicle sequence of reverse curves. Thus, this dissertation presents an overview of the state of the art in the simulation of the interaction vehicle and permanent way of metro.

Sistemas dinâmicos ferroviários são modelados levando-se em consideração as forças de contato roda trilho. As equações de movimento são fortemente influenciadas pela determinação dessas forças, o que requer o conhecimento da mecânica de contato, ferramenta imprescindível na previsão do comportamento de uma composição ferroviária. O rodeiro é responsável por receber as excitações na forma de irregularidades e imperfeições da via e transferi-la para a suspensão primária. A proposta dessa dissertação consiste em realizar simulações no domínio do tempo, da resposta do comportamento dinâmico do rodeiro ferroviário de 2 graus de liberdade. O modelo matemático equivalente é desenvolvido. A rigidez de contato e a conicidade são linearizados em torno de um ponto de operação, próximo ao centro da via. É apresentada a influência da velocidade na estabilidade para o modelo linearizado e para a conicidade variando de 0.1 a 1.0. Os respectivos modos de vibrar também são apresentados. Em seguida, o modelo matemático não linear do rodeiro ferroviário é gerado por software especializado na criação de sistemas de multicorpos, VAMPIRE, que permite a criação das equações de movimento através da topologia do sistema. O modelo é criado seguindo a proposta do benchmarck apresentada pela International Association of Vehicle System Dynamics (IAVSD). O rodeiro recebe uma força lateral crescente que se estabiliza em 20kN. O rodeiro é excitado com a aplicação de outra força lateral a uma taxa de 50kN/s até o descarrilamento. As forças longitudinais, laterais que aparecem no contato, o ângulo do plano de contato, ângulo de yaw e afastamento lateral são comparados com o benchmarck e outros autores. / Railway dynamics systems are modeled regarding the creep forces between wheel-rail. The equations of movement are strongly influenced by these forces, what requests the knowledge of the theory in mechanical of contact, necessary tool to foresee the behavior of a railway vehicle. The wheelset is responsible by receiving the perturbations of irregularities and transfer them to the primary suspension. A railway vehicle is composed by primary and secondary suspensions. The proposal is based on performing simulations in the time domain, dynamic mresponse of a railway wheelset of two degrees of freedom. The mathematical model is developed. The stiffness of contact and conicity are linearized around an operation point, near to track center. The influence of speed is determined to linearized model and to a range of 0.1 to 1.0 in the conicity. The eigenvectors are presented. In the following, the non linear model of the wheelset is generated using a specialized package of multi body system, VAMPIRE. The package creates equations of movement after the generation of the topology. The non linear mathematical model are defined by the benchmark proposed by International Association of Vehicle System Dynamics (IAVSD). The wheelset is submitted to 20kN at the rail level. In a second case, the wheelset is submitted to a rate of 50kN/s of lateral force until derailing. The determined longitudinal and lateral forces on contact, yaw angle and displacement of the center of gravity of the wheelset, contact angle are compared with the benchmark results and other authors.

In computer simulation the term \"multibody system\" is usually employed to describe a system of interconnected bodies. Several examples of multibody systems can be found in railway engineering. A wheelset interacting with a track through a contact interface is just one example of practical interest. Modelling mechanical systems in a virtual environment contributes to the understanding of subjects such as dynamic behaviour, stability, durability, wear, fatigue, etc. In the context of a rigid-flexible multibody system mathematically described by a weak-form, the purpose of the present work is to evaluate the contributions due to rigid bodies considering their contact interactions. Inertial contributions due to distribution of mass of a rigid body are fully developed, considering a general pole position associated with a single node, representing a rigid body element. Rodrigues rotation parameters are used to describe finite rotations, by an updated Lagrangian description. Then, the so-called master-surface to master-surface contact formulation is adapted to be used in conjunction with the rigid body element and flexible bodies, aiming to consider their interaction in a rigid-flexible multibody environment. New surface parameterizations are proposed to establish contact pairs, permitting pointwise interaction in a frictional scenario. The proposed formulation is used to represent mechanical systems from different contexts, including a numerical example of the wheel-rail contact interface. The obtained results show the robustness and applicability of the methods. / Em simulação computacional o termo \"sistema multicorpos\" é usualmente empregado para descrever um sistema de corpos interconectados. Diversos exemplos de sistemas multicorpos podem ser encontrados no campo da engenharia ferroviária. Um rodeiro interagindo com a via através de uma interface de contato é apenas um dos exemplos de interesse prático. A modelagem de sistemas mecânicos em um ambiente virtual contribui para o entendimento de assuntos como comportamento dinâmico, estabilidade, durabilidade, desgaste, fadiga, etc. No contexto de um sistema multicorpos rígido-flexível descrito matematicamente por uma forma fraca, o propósito do presente trabalho é avaliar as contribuições devido à presença de corpos rígidos considerando interações de contato. Contribuições inerciais devido à distribuição de massa do corpo rígido são desenvolvidas e apresentadas em totalidade, considerando um polo genérico associado a um único nó, representando o corpo rígido. Parâmetros de rotação de Rodrigues são usados para descrever rotações finitas em uma descrição Lagrangiana atualizada. A formulação de contato master-surface to master-surface é adaptada para ser usada em conjunto com o elemento de corpo rígido e corpos flexíveis, estabelecendo a interação entre esses corpos em um ambiente de simulação multicorpos. Novas parametrizações de superfícies de contato são desenvolvidas para estabelecer os pares de contato, assumindo-se interações pontuais, em um cenário de contato com atrito. A formulação proposta é usada para representar sistemas mecânicos em diferentes contextos, incluindo um exemplo numérico do caso de contato roda-trilho. Os resultados obtidos mostram a robustez e a aplicabilidade dos métodos.

Sistemas dinâmicos ferroviários são modelados levando-se em consideração as forças de contato roda trilho. As equações de movimento são fortemente influenciadas pela determinação dessas forças, o que requer o conhecimento da mecânica de contato, ferramenta imprescindível na previsão do comportamento de uma composição ferroviária. O rodeiro é responsável por receber as excitações na forma de irregularidades e imperfeições da via e transferi-la para a suspensão primária. A proposta dessa dissertação consiste em realizar simulações no domínio do tempo, da resposta do comportamento dinâmico do rodeiro ferroviário de 2 graus de liberdade. O modelo matemático equivalente é desenvolvido. A rigidez de contato e a conicidade são linearizados em torno de um ponto de operação, próximo ao centro da via. É apresentada a influência da velocidade na estabilidade para o modelo linearizado e para a conicidade variando de 0.1 a 1.0. Os respectivos modos de vibrar também são apresentados. Em seguida, o modelo matemático não linear do rodeiro ferroviário é gerado por software especializado na criação de sistemas de multicorpos, VAMPIRE, que permite a criação das equações de movimento através da topologia do sistema. O modelo é criado seguindo a proposta do benchmarck apresentada pela International Association of Vehicle System Dynamics (IAVSD). O rodeiro recebe uma força lateral crescente que se estabiliza em 20kN. O rodeiro é excitado com a aplicação de outra força lateral a uma taxa de 50kN/s até o descarrilamento. As forças longitudinais, laterais que aparecem no contato, o ângulo do plano de contato, ângulo de yaw e afastamento lateral são comparados com o benchmarck e outros autores. / Railway dynamics systems are modeled regarding the creep forces between wheel-rail. The equations of movement are strongly influenced by these forces, what requests the knowledge of the theory in mechanical of contact, necessary tool to foresee the behavior of a railway vehicle. The wheelset is responsible by receiving the perturbations of irregularities and transfer them to the primary suspension. A railway vehicle is composed by primary and secondary suspensions. The proposal is based on performing simulations in the time domain, dynamic mresponse of a railway wheelset of two degrees of freedom. The mathematical model is developed. The stiffness of contact and conicity are linearized around an operation point, near to track center. The influence of speed is determined to linearized model and to a range of 0.1 to 1.0 in the conicity. The eigenvectors are presented. In the following, the non linear model of the wheelset is generated using a specialized package of multi body system, VAMPIRE. The package creates equations of movement after the generation of the topology. The non linear mathematical model are defined by the benchmark proposed by International Association of Vehicle System Dynamics (IAVSD). The wheelset is submitted to 20kN at the rail level. In a second case, the wheelset is submitted to a rate of 50kN/s of lateral force until derailing. The determined longitudinal and lateral forces on contact, yaw angle and displacement of the center of gravity of the wheelset, contact angle are compared with the benchmark results and other authors.

In computer simulation the term \"multibody system\" is usually employed to describe a system of interconnected bodies. Several examples of multibody systems can be found in railway engineering. A wheelset interacting with a track through a contact interface is just one example of practical interest. Modelling mechanical systems in a virtual environment contributes to the understanding of subjects such as dynamic behaviour, stability, durability, wear, fatigue, etc. In the context of a rigid-flexible multibody system mathematically described by a weak-form, the purpose of the present work is to evaluate the contributions due to rigid bodies considering their contact interactions. Inertial contributions due to distribution of mass of a rigid body are fully developed, considering a general pole position associated with a single node, representing a rigid body element. Rodrigues rotation parameters are used to describe finite rotations, by an updated Lagrangian description. Then, the so-called master-surface to master-surface contact formulation is adapted to be used in conjunction with the rigid body element and flexible bodies, aiming to consider their interaction in a rigid-flexible multibody environment. New surface parameterizations are proposed to establish contact pairs, permitting pointwise interaction in a frictional scenario. The proposed formulation is used to represent mechanical systems from different contexts, including a numerical example of the wheel-rail contact interface. The obtained results show the robustness and applicability of the methods. / Em simulação computacional o termo \"sistema multicorpos\" é usualmente empregado para descrever um sistema de corpos interconectados. Diversos exemplos de sistemas multicorpos podem ser encontrados no campo da engenharia ferroviária. Um rodeiro interagindo com a via através de uma interface de contato é apenas um dos exemplos de interesse prático. A modelagem de sistemas mecânicos em um ambiente virtual contribui para o entendimento de assuntos como comportamento dinâmico, estabilidade, durabilidade, desgaste, fadiga, etc. No contexto de um sistema multicorpos rígido-flexível descrito matematicamente por uma forma fraca, o propósito do presente trabalho é avaliar as contribuições devido à presença de corpos rígidos considerando interações de contato. Contribuições inerciais devido à distribuição de massa do corpo rígido são desenvolvidas e apresentadas em totalidade, considerando um polo genérico associado a um único nó, representando o corpo rígido. Parâmetros de rotação de Rodrigues são usados para descrever rotações finitas em uma descrição Lagrangiana atualizada. A formulação de contato master-surface to master-surface é adaptada para ser usada em conjunto com o elemento de corpo rígido e corpos flexíveis, estabelecendo a interação entre esses corpos em um ambiente de simulação multicorpos. Novas parametrizações de superfícies de contato são desenvolvidas para estabelecer os pares de contato, assumindo-se interações pontuais, em um cenário de contato com atrito. A formulação proposta é usada para representar sistemas mecânicos em diferentes contextos, incluindo um exemplo numérico do caso de contato roda-trilho. Os resultados obtidos mostram a robustez e a aplicabilidade dos métodos.

Nos dias de hoje, a simulação dinâmica de veículos metroviários tem sido um importante método de análise e verificação, tanto no âmbito de projeto, como na engenharia de manutenção. Os pacotes de simulação disponíveis no mercado são altamente desenvolvidos e podem ser adaptados para os mais diversos cenários. O presente trabalho tem por objetivo demonstrar a funcionalidade destes programas, fundamentando a teoria por trás de seu algoritmo computacional, de maneira a expandir a fronteira de conhecimento nas engenharias de projeto e de manutenção. Para isso, são efetuados dois estudos de caso: passagem de veículo em região de abertura de bitola em curva de raio constante; passagem de veículo em sequencia de curvas reversas. Sendo assim, esta dissertação apresenta uma visão geral sobre o estado da arte na simulação da interação veículo e via permanente. / Nowadays, the dynamic simulation of metro vehicles have been an important method of analysis and verification in design engineering as in maintenance engineering. The simulation packages available are highly developed and can be adapted for different scenarios. This paper aims to demonstrate the functionality of these programs, supporting the theory behind its computational algorithm, in order to expand the frontier of knowledge in the national design and maintenance engineerings. For this, two case studies are made of: modelling flexible permanent way; modelling AMVs and crossings; passing vehicle in a region with gauge opening on a constant radius curve; passing a vehicle sequence of reverse curves. Thus, this dissertation presents an overview of the state of the art in the simulation of the interaction vehicle and permanent way of metro.

Friction modifiers are a new effective way to control adhesion in wheel and rail contact. The aim of this diploma thesis is experimental study of the influence of the constituents of water based friction modifier on adhesion. Measurement of the adhesion behavior for different friction modifier compositions is carried out on a ball–on–disc laboratory device creating point contact. The introductory part of the experiments describes the effect of individual components on adhesion. Subsequently, combinations of different friction modifier compositions are tested. In conclusion, selected compositions are used for wear tests. The results obtained show that the performance of friction modifiers is greatly influenced by evaporation of base medium.

The submitted master’s thesis describes the development of a tribometer used to measure the adhesion of a real rail. The thesis contains an overview of the basic terms concerning wheel and rail contact. Following that, there is an overview of devicesthat are able to measure the adhesion on a real track. The author's solution includes a design of the tribometer, the proposed measurement methodology and also a description of the individual components. The result of this thesis is a functional device, verified in laboratory conditions and on a real track.

Top-of- rail lubricants are an effective way to control adhesion, reduce contact wear and noise in rail transport. However, despite the widespread use of these lubricants, there is currently no standard defining how to test and evaluate their performance. This work aims to develop a methodology for testing top-of-rail lubricants in a laboratory environment using a tribometer in a ball-on-disk configuration. At first, important operational parameters of experiments are analyzed and experimentally tested. These are mainly wear-in and run-in, method of application, roughness and geometric parameters of contact bodies. The result of this work is a testing methodology that guarantees good repeatability and reliability of results. In the last part of this work, the methodology is verified using commercial top-of-rail lubricants.