Numerical and experimental analyses of residual stresses in monobloc railway wheels

Considering monobloc railway wheels, a compressive state of stress is required in order to guarantee the structural integrity during service. Unfortunately, the heat generated on the tread by the malfunction of the brakes or to extended braking cycles relax the compressive residual stress within the rim. So the compressive state of stress can be transformed in tensile one, thus favouring the nucleation and the propagation of a crack. This thesis work aims to define the residual compressive stress in an ER8 railway wheel after its production cycle and the thermal treatments to which it is subjected to, in an experimental and in a numerical way. Regarding the experimental work, the strain gauge method, described in the standard UNI EN 13262, has been used; in addition to the strain gauges, the optical fibre and the theory of photoelasticity have been used in order to have more information about the stresses. Regarding the numerical analysis, a finite element analysis on the thermal treatments has been carried out.

Prendendo in considerazione le ruote ferroviarie monoblocco, è richiesto uno stato di sforzo di compressione in modo da garantire l’integrità strutturale durante il servizio. Sfortunatamente il calore generato sulla tavolo di rotolamento dal malfunzionamento dei freni o da prolungati cicli di frenata rilassa lo sforzo residuo di compressione all’interno del cerchione. Perciò lo stato di sforzo di compressione si può trasformare in tensione, favorendo così la nucleazione e la propagazione di una cricca. Lo scopo di questo lavoro di tesi è definire lo sforzo residuo di compressione in una ruota ferroviaria ER8 dopo il suo ciclo di produzione e i trattamenti termici a cui è soggetta, in modo sperimentale e numerico. Riguardo al lavoro sperimentale, è stato utilizzato il metodo dei tagli, descritto nella norma UNI EN 13262; oltre agli estensimetri, sono stati utilizzati la fibra ottica e la teoria della fotoelasticità per avere più informazioni sugli sforzi. Riguardo all’analisi numerica, è stata effettuata un’analisi a elementi finiti che simula i trattamenti termici.