Continuous health monitoring of railway axles using vibration measurements

Railway axles are one of the most critical components in railway vehicles since their failure can lead to derailment and, potentially, to major safety issues. A large proportion of all accidents in the rail industry related to rolling stock failures is due to fatigue crack propagation in the axles. To avoid catastrophic failure, axles are inspected periodically at regular intervals to detect the presence of defects or faults. However, despite the high standards of present engineering practice in nondestructive inspection of axles, fatigue-induced in-service failures of railway axles still occasionally occur, representing a serious threat to the safe operation of railway systems. Therefore, the implementation of continuous structural health monitoring (SHM) technique plays a pivotal role in further reducing in-service failures of railway axles. In this thesis, a new approach for continuous SHM parameters of railway axle during its operation is proposed. The approach depends on measuring the Low Frequency Vibration (LFV) arising from the axle in-service bending deflections. The methodology for estimating the condition of axle is based on the so called breathing mechanism of fatigue crack, which is affecting the bending stiffness and thus generating additional vibration in vertical and horizontal (perpendicular to axle axis in the traveling direction) directions due to the change of crack angular position with respect to the load direction. Specific patterns of this vibration, namely NxRev components (harmonic components at frequencies that are integer multiples of the frequency of rotation), can be used for axle fault detection purposes. To assess the possible use of the proposed SHM approach, a combination of numerical and experimental investigations has been carried out. The numerical investigations are based on non-linear Finite Element (FE) models of cracked railway axle (considering both detailed solid models (using 3D elements) and simplified beam-line models (using Timoshenko beam elements) for solid and hollow axles. After validation, the models are used to investigate the optimal placement of sensors as well as the minimum size of a detectable crack. Experimental activities have been performed on the test bench for rotating bending tests on full-scale railway axle specimen available at the laboratory of the Department of Mechanical Engineering of Politecnico di Mialno. In order to consider the effect of disturbances arising from train-track interaction, track irregularity and wheel out-of-roundness, a multi-body model of a complete railway vehicle is defined, incorporating one axle modelled as a flexible cracked axle. This model is totally new and, after verifications, was used to evaluate the NxRev components of axle vibration occurring in presence of axle cracks having different position along the axle and different size, in combination with different sources of disturbance. Finally, signal processing techniques are proposed which are able to deal with the unfavorable signal/noise ratio presented by the crack detection problem and with the fact that the speed of revolution of the axle is not constant, leading to non-stationary vibration signal. To this aim, two de-noising strategies are proposed, one using a tachosignal, the other only relying on acceleration measurements. The final results of this work show that the fatigue crack of railway axles can be detected using the axle bending vibrations measurements. The 2xRev and 3xRev components of the horizontal axle-box acceleration are well correlated to the size of the crack and are almost insensitive to the effect of the disturbances considered in this study, hence, they can be used for the continuous monitoring of axle integrity. The signal processing technique developed in this work proved to be fully adequate to extract information related to the presence of a crack even in case of large variation of vehicle speed and large disturbance from wheel-rail interaction. A simple criterion for crack detection threshold is defined and applied to the results, showing the possibility of detecting cracks with size in the order of 15-20% of the total section area, depending on crack location.

Gli assili ferroviari sono tra i componenti più critici di un treno dal momento che la loro rottura può portare al deragliamento e, potenzialmente, a gravi problemi di sicurezza. Una larga parte degli incidenti nell’industria ferroviaria legati al guasto di parti meccaniche in rotazione è causata dalla rottura a fatica dell’assile. Per questo motivo, gli assili vengono sottoposti a ispezioni a intervalli di tempo regolari, al fine di identificare la presenza di difetti ed evitare guasti catastrofici. Tuttavia, nonostante gli alti standard raggiunti dall’ingegneria moderna nella pratica di tecniche di ispezione non distruttive, si assiste ancora al verificarsi di rotture a fatica degli assili ferroviari, cosa che rappresenta una seria minaccia alla sicurezza di questo settore. Per questo motivo, l’implementazione di tecniche di monitoraggio continuo del sistema meccanico (SHM – Structural Health Monitoring) gioca un ruolo fondamentale nella riduzione degli incidenti legati alla rottura dell’assile ferroviario. Nella presente tesi, viene presentato un approccio innovativo per il monitoraggio in continuo (SHM) dei parametri significativi di un assile ferroviario durante il suo funzionamento. L’approccio seguito si basa sulla misura delle vibrazioni a bassa frequenza (LFV – Low Frequency Vibrations) che scaturiscono dalla deformazione flettente a cui l’assile è sottoposto durante la rotazione. La metodologia per stimare le condizioni dell’assile si basa sul cosiddetto CBM (Crack Breathing Mechanism), il quale influisce sulla rigidezza flessionale, generando una vibrazione verticale e longitudinale (perpendicolare all’asse di rotazione e diretta secondo la direzione di avanzamento del veicolo) dovuta al cambiamento di posizione angolare rispetto alla direzione del carico. Alcuni specifici contributi di vibrazione, in particolare le componenti NxGiro (NxRev) ovvero le componenti armoniche a frequenze multiple della frequenza di rotazione, possono essere utilizzati al fine di identificare la presenza del difetto. Al fine di verificare la fattibilità dell’approccio proposto, vengono svolte una serie di indagini numeriche e sperimentali. Le analisi numeriche svolte si basano su modelli non lineari agli Elementi Finiti dell’assile criccato, considerando sia un modello dettagliato a elementi solidi che un modello semplificato a elementi di tipo trave di Timoshenko, sia per l’assile cavo che per quello pieno. Dopo la validazione, i modelli sono utilizzati per identificare il posizionamento ideale dei sensori così come la minima dimensione della cricca identificabile. Le misure sperimentali sono state effettuate sul banco prova per momenti flettenti rotanti su un provino di assile ferroviario in scala al naturale, disponibile presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano. Al fine di considerare l’effetto dei disturbi generati dall’interazione treno-armamento, dalla irregolarità geometrica del binario e dalla poligonizzazione delle ruote (OOR – Out Of Round), viene definito un modello multi-body completo di un veicolo ferroviario, che incorpora il modello di assile criccato flessibile. Questo modello, sviluppato in maniera totalmente innovativa nell’ambito della tesi, è stato utilizzato per valutare le componenti di vibrazioni NxGiro in presenza di cricca sull’assile in diverse posizioni e in combinazione con vari tipi di disturbi. Infine, vengono proposte diverse tecniche di analisi del segnale capaci di gestire il rapporto sfavorevole tra segnale e rumore (s/n ratio) e compensare il fatto che la velocità di rotazione dell’assile non sia costante nel tempo, cosa che porta ad avere un segnale non stazionario. A tale scopo, vengono proposte due strategie per abbattere il rumore. Una prevede l’utilizzo di un segnale tachimetrico, l’altra si basa invece sulle misure dei segnali di accelerazione. I risultati finali di questo lavoro mostrano che la presenza di una cricca a fatica in un assile ferroviario può essere identificata a partire dalle misure di vibrazioni flessionali degli stessi. Le componenti di vibrazioni corrispondenti a 2xGiro e 3xGiro della accelerazione longitudinale delle boccole mostrano un’ottima correlazione con la dimensione della cricca mentre non sono quasi per nulla affette dai disturbi considerati nel presente studio e dunque possono essere utilizzate per effettuare un monitoraggio continuo dello stato di salute dell’assile. Le tecniche di elaborazione delle misure accelerometriche sviluppate durante il lavoro di tesi sono in grado di estrarre informazioni legate alla presenza di una cricca anche in caso di ampie variazioni della velocità del veicolo e importanti disturbi derivanti dall’interazione ruota-rotaia. Infine nella Tesi si definisce un semplice criterio per l’identificazione della cricca, basato sulla definizione di una soglia, dimostrando la possibilità di individuare una cricca con estensione del 15-20% della sezione resistente totale, a seconda dalla posizione della cricca stessa.