An investigation of active steering systems for a railway locomotive

Steering system for a rail vehicle locomotive is one of the key sub-systems that improves the vehicle curving performance with respect to traditional rolling stock that relies on natural curving feature of wheelset. During the last decades, various configurations of passive, semi-active and active steering systems attempted to optimize the system performance with different pros and cons. The aim of present work is a comparative assessment of suitable steering systems among available solutions for a Co-Co locomotive from curving performance improvement and maintenance cost reduction points of view, by reducing wear in wheel-rail contact. In addition, this achievement will address the traction problems faced by the locomotive in cases when traction effort is demanded on curved track. This thesis is mainly focused on two different steering approaches (SYC and AWY) that each of them induce different profundity of changes in traditional design of the bogie and consequently capture distinct levels of improvement in performance. Moreover, an innovative hydraulic actuation system is designed for the AWY steering system that obtains a higher performance enhancement. Simulation results for various curving conditions with PI controller in loop reveals a significant wheel-rail wear reduction and curving improvement with a satisfactory disturbance rejection property against track irregularity. Finally, a FMEA analysis reveals the weaknesses and critical failure modes of the designed actuation system and proposes arguments targeting reduction of the risks associated to such failures.

Il sistema di sterzatura per una locomotiva è uno dei sottosistemi chiave per migliorare le prestazioni in curva del veicolo rispetto al materiale rotabile tradizionale che si basa sulla sterzatura naturale dovuta alla conicità della ruota. Negli ultimi decenni, diverse configurazioni di sistemi di sterzatura passivi, semi-attivi e attivi sono stati proposti al fine di ottimizzare le prestazioni del sistema con diversi pro e contro. Lo scopo del presente lavoro è una valutazione comparativa di alcuni sistemi di sterzatura per una locomotiva Co-Co per il miglioramento delle prestazioni in curva e la di riduzione dei costi di manutenzione riducendo l'usura dei profili di ruota. Inoltre, questa analisi affronterà anche il caso dei problemi dovuti alla trazione che si manifestano sulla locomotiva nei casi in cui è richiesta l’azione di trazione in curva. Questa tesi è focalizzata principalmente su due diversi approcci per la sterzatura (SYC e AWY) che comporta un profondo cambiamento rispetto al disegno tradizionale del carrello e conseguentemente permette di ottenere diversi livelli di miglioramento delle prestazioni. Inoltre, un innovativo sistema di azionamento idraulico per il sistema di sterzata AWY è stato progettato per ottenere un ulteriore incremento delle prestazioni. I risultati delle simulazioni per varie condizioni di curvatura con un controllore di tipo PI mostra una riduzione significativa dell'usura delle ruota e un miglioramento della sterzatura mantenendo un livello soddisfacente di reiezione del disturbo dovuto all’irregolarità di binario. Infine, un'analisi dei modi e degli effetti dei guasti (FMEA) rivela le debolezze e le modalità di guasto critiche del sistema di attuazione progettato e propone contromisure che mirano a ridurre i rischi associati a tali eventi.