A feasibility study on structural health monitoring of railway axles undergoing fretting fatigue

The aim of the present work of thesis consists in enhancing the knowledge of fretting fatigue damaging mechanism in EA4T railway axles applications. This phenomenon regards the interfaces among press-fitted components with variable modalities on the base of their geometry, the contacting forces and the stresses they undergo. Two full-scale specimens F3 D/d = 1.12 have been tested on the specific Vitry test bench of Politecnico di Milano, submitting a fatigue rotational bending state of stress with nominal values of 108, 120 and 135 MPa. The tests have been monitored with non-destructive techniques at variable intervals function of the applied load, through conventional ultrasonic testing and Phased Array, to evaluate the damage of the components. In parallel, a continuous monitoring with Acoustic Emission has adopted focalizing the attention to the localization of signals origins and searching for a relation with the conventional inspections results. Due to the impossibility of an online localization derived from bench encumbrances problem for the positioning of 2 or more sensors, post-processing methods have been evaluated. Two algorithms based on neural nets are investigated, respectively Supervised and Unsupervised, and their results commented and compared. At the end of the tests, after a series of destructive processes, both the axles submit visual and magnetic testing, some specimens are obtained for SEM analysis and the two biggest cracks have been opened in section through nitrogen embrittlement.

L’obiettivo del seguente lavoro di tesi consiste nel migliorare la conoscenza del fenomeno di danneggiamento da fretting in assili ferroviari in acciaio EA4T. Questo meccanismo si manifesta all’interfaccia fra organi calettati con modalità che variano in base alla geometria dei componenti, le forze di contatto e le sollecitazioni cui essi sono sottoposti. Due provini full-scale F3 D/d = 1.12 sono stati testati sullo speciale banco prova Vitry del Politecnico di Milano, sottoponendoli ad uno stato di sforzo di fatica flessionale rotante con sforzi nominali di 108, 120 e 135 MPa. Durante lo svolgimento delle prove sono stati effettuati controlli non distruttivi ad intervalli variabili in funzione del carico applicato, utilizzando ultrasuoni convenzionali e Phased Array, al fine di verificare l’eventuale danneggiamento dei componenti. Parallelamente, è stato effettuato un monitoraggio continuo attraverso Emissione Acustica, focalizzando l’attenzione sulla possibilità di localizzare con precisione l’origine dei segnali e, essendo un’applicazione assolutamente innovativa, cercare una relazione con i risultati delle ispezioni convenzionali. Viste le difficoltà di una localizzazione online dettate da ingombri del banco prova che non hanno consentito l’applicazione di 2 o più sensori, sono stati impiegati metodi di elaborazione dati in post processing. Tra questi, due algoritmi basati sulle reti neurali, rispettivamente Supervisionato e Non Supervisionato, sono stati sviluppati e i risultati commentati e confrontati. Al termine dei test, a seguito di numerose processi distruttivi, entrambi gli assili sono stati sottoposti a controlli visivo e magnetico, sono stati ricavati dei provini per analisi al SEM e le due cricche più grandi sono state aperte in sezione attraverso infragilimento in azoto liquido.