Study of rail vehicle dynamics and wheel-rail contact using full-scale roller rigs

Rail vehicle dynamics and wheel-rail contact mechanics are two relevant issues in railway engineering and have been subjected to extensive research since the advent of railways. The powerful computing technique facilitates the problem solving process. However, the conclusions coming from numerical simulations cannot be applied into practice before validation normally by experiments in laboratory or field. The field experiments for these purposes are often challenging due to the difficulties in adequately controlling the test conditions. Roller rigs are a good alternative in this case because they can offer a repeatable environment for a specific test and allow for the use of multiple sensors and data acquisition equipment either difficult or impossible to use in the field. Full-scale roller rigs for tests on a single wheelset are recognized as useful test stands to investigate wheel-rail contact/damage issues and to develop new solutions to extend the life and improve the dynamic behaviour of railway systems. The replacement of the real track by a pair of rollers on the roller rig causes, however, inherent differences between wheel-rail and wheel-roller contact. In order to ensure efficient utilization of the roller rigs and correct interpretation of the test results with respect to the field wheel-rail scenarios, the differences and the corresponding causes must be understood a priori. The aim of this thesis is to derive the differences between these two systems from both contact mechanics and dynamics points of view based on a full-scale single wheelset roller rig and to find the influence factors of the differences, with the final aim of better translating the results of tests performed on a roller rig to the field case, demonstrating the ability of the experiment and further exploiting the best potential of this test equipment for rail vehicle dynamics and wheel-rail contact study. In this thesis, an approximate non-Hertzian contact model has been developed for dealing with the wheel-rail and wheel-roller contact problems, which is an extension of the well-known Kik-Piotrowski model with some significant improvements in the accuracy and wider application scope. Furthermore, advanced methods have been proposed to best reproduce the dynamic behaviour of a wheelset in a running condition of interest as obtained either from multi-body system simulation or from on-track measurements based on the existing theories and experimental experiences, which will mark a step forward with respect to presently exiting methods and allow for much increased accuracy of the roller rig tests and widening the scope of ability of this kind of facility. Based on the testing methods developed in this thesis, two typical tests namely the curving test and the wheel wear test on a full-scale roller rig are described in detail. The proposed contact model and roller rig testing methods are expected to be of benefit to a number of institutions which operate roller rigs.

La dinamica del veicolo ferroviario e la meccanica del contatto ruota-rotaia sono due problemi particolarmente importanti nella ingegneria ferroviaria e sono stati oggetto di ricerca negli ultimi decenni. Le potenti tecniche di calcolo che si sono rese recentemente disponibili facilitano l’analisi di questi problemi. Tuttavia, le conclusioni che possono essere tratte dalla simulazione numerica non possono essere applicate nella pratica in assenza di una validazione ottenuta mediante confronto con esperimenti condotti in laboratorio o in linea. La sperimentazione in linea risulta complessa a causa delle difficoltà nel controllo delle condizioni di prova. I banchi di prova a rotolamento in scala 1:1 rappresentano pertanto una valida alternativa in quanto consentono di creare condizioni di prova ripetibili e consentono l’esecuzione di misure che spesso non possono essere svolte in una prova in linea. IN particolare, i banchi prova in scala reale per prove su una singola sala montata sono riconosciuti essere un utile strumento di indagine per problematicche legate al contatto ruota rotaia e al danneggiamento e usura delle superfici delle ruote e delle rotaie, ed inontre per sviluppare nuove soluzioni che consentano di estendere la vita dei sistemi ferroviari e di migliorarne l’efficienza. La sostituzione del binario con la coppia di rulli del banco a rotolamento è tuttavia origine di differenze ineliminabili nel contatto ruota-rullo in confronto al contatto ruota-rotaia. Al fine di assicurare un utilizzo appropriato del banco a rulli e una corretta interpretazione dei risultati queste differenze devono essere opportunamente analizzate e comprese. Scopo di questa tesi è di investigare le differenze tra questi due sistemi sia sotto il profilo della meccanica del contatto che in termini di dinamica della sala, analizzando l’influenza di diversi fattori e mirando alla possibilità di stabilire una migliore corrispondenza tra i risultati delle prove condotte su un banco a rulli e la condizione della sala in linea, consentendo in tal modo il migliore utilizzo di questo tipo di banco prova. Nella tesi è stato sviluppato un modello non-Hertizano del contatto che è in grado di considerare sia il problema del contatto ruota-rotaia che quello ruota-rullo. Il modello rappresenta una estenzione del modello di Kik e Piotrowski ma presenta significative estensioni che migliorano la accuratezza del metodo e ne estendono il campo di applicabilità. Inoltre, la tesi propone metodi innovativi per riprodurre al meglio la dinamica della sala ferroviaria mediante una prova su banco a rulli, introducendo un sensibile miglioramento delle modalità di prova su banco a rulli che consente una migliore utilizzabilità di tali prove ai fini della investigazione dei problemi rilevanti per la progettazione delle sale ferroviarie. Sulla base di questa nuova metodologia, sono esaminati due tipici test eseguibili su banco a rulli: la simulazione a banco della marcia in curva della sala e un test di usura dei profili ruote.