Complex eigenvalue analysis (CEA) and design of experiment analysis (DOE) towards the investigation of the interaction effects of track components on rail corrugation development

Rail corrugation, a quasi-sinusoidal wear of the rail head, is a common issue experienced throughout the railway networks worldwide. It generally leads to high wheel-rail dynamic loads, an increased noise production and a poor ride comfort. Most commonly, rail corrugation is likely to develop on tight curved tracks. A common way to remedy rail corrugation is rail grinding, which nevertheless is an expensive and intrusive solution. Novel methods for inhibiting rail corrugation from occurrence are still being researched. A 3D finite element model for the prediction of the self-excited vibrations of the leading wheelset-rails system in a tight curved condition has been developed by using the commercial software ABAQUS. The friction coupling between the wheel and rail is taken into account. It is assumed that the creep forces between wheel and rail are saturated. The proposed model is applied to investigate the effect of several structural factors on rail corrugation. The simulation results show a strong influence of the interaction effect of the wheelset geometry and the rail gauge on rail corrugation. For a typical European wheel geometry, corrugation occurred only for a widened rail gauge. Wheels geometry is potentially an inhibitor factor at a particular rail gauge. Parameter sensitivity analysis shows that the friction coefficient is correlated linearly with the system instability and the frequency of the unstable modes of vibration.

L’usura ondulatoria, fenomeno di rimozione periodica di materiale dalla testa dei binari, è una problematica comunemente riscontrata in tutte le reti ferroviarie. La sua formazione è spesso associata a importanti carichi dinamici scaricati sulla sala montata, un aumento complessivo del rumore emesso dal veicolo e un peggioramento del comfort dei passeggeri. L’usura ondulatoria è più comunemente associata alle zone del tracciato ferroviario a raggio stretto. La soluzione al problema adottata dalle amministrazioni ferroviarie è una semplice molatura dei binari, che tuttavia risulta un metodo costoso e invadente. Metodi precauzionali per la formazione di usura ondulatoria sono obiettivi comuni a diverse ricerche settoriali. Un modello 3D ad elementi finiti per la previsione di vibrazioni auto-eccitate della sala montata di testa di un convoglio ferroviario in corrispondenza di una condizione di curva a raggio stretto è stato sviluppato utilizzando il software commerciale ABAQUS. L’accoppiamento in frizione tra le ruote e i binari del tracciato è stato tenuto in considerazione. Le forze di attrito sono state considerate vicine alla saturazione laterale completa. Il modello proposto è stato utilizzato per investigare l’effetto di diversi parametri strutturali sulla formazione dell’usura ondulatoria. I risultati delle simulazioni evidenziano una considerevole influenza dell’effetto d’interazione tra la geometria delle ruote e lo scartamento dei binari sulla formazione dell’usura ondulatoria. Per un tipico profilo di ruota Europeo, il fenomeno in analisi si è presentato solo per uno scartamento allargato. La geometria delle ruote è quindi un potenziale parametro inibitore dell’usura ondulatoria per un particolare range di valori di scartamento. L’analisi di sensitività di singoli parametri evidenzia la correlazione lineare tra coefficiente di attrito e la stabilità del sistema e delle frequenze dei modi di vibrare instabili.