Numerical and experimental dynamic analysis of a railway track with third rail

In the real application, some components of the third rail system of a subway unexpectedly failed, after some years of operation, probably because of high vibrations. The aim of this thesis is the study of the dynamic behaviour of a subway track with a third rail system for the power supply to highlight the real phenomena and to propose some solutions. Starting from the real structure, with its physical characteristics, the finite element model of the system has been created. This method allows to analyse the behaviour of the track without the need of continuous in-line measurements which, besides not always being possible, would lead to a considerable waste of time and money. This is advantageous when changes need to be tested: indeed, tests can be made without the need to test the physical component. For the simulations carried out during this thesis, 2D elements such as beams, plates, lumped springs and dampers were used. The first difficulty raised was the modelling of the elastomeric tabs. Indeed, they do not have a linear behaviour (the stiffness varies as a function of the excitation frequency) and therefore can not be simulated using the simple spring-damper system put in parallel. It was therefore necessary to introduce the Maxwell-Weichert model. The software used for the simulations was created by researchers of the Department of Mechanical Engineering of Politecnico di Milano, written in Fortran language. This software originally did not allow to model the aforementioned elements, consequently this function has been implemented. Subsequently, the correct functioning has been checked by comparing the solutions supplied with those provided by alternative methods. Once this phase has been completed, measurements have been taken on field and used for the tuning of the model parameters. Finally, to improve the performances, some changes to the structure have been proposed and simulated.

Nel corso degli anni si sono verificate alcune rotture di componenti della terza rotaia di una metropolitana, probabilmente dovute all’alto livello di vibrazioni. Lo scopo di questa tesi è lo studio del comportamento dinamico dell’armamento con terza rotaia, per meglio comprendere il fenomeno e per proporre alcune soluzioni. Partendo dalla struttura reale, con le relative caratteristiche fisiche, è stato creato il modello ad elementi finiti del sistema. Questo metodo permette di poter analizzare il comportamento del tracciato senza la necessità di continue misure in linea che, oltre a non essere sempre possibili, porterebbero ad un dispendio elevato di tempo e denaro. Tutto ciò risulta vantaggioso quando devono essere testate modifiche, infatti possono essere fatte delle prove senza la necessità di testare il componente fisico. Per le simulazioni svolte durante questa tesi sono stati utilizzati elementi 2D come travi, piastre, molle e smorzatori concentrati. La prima difficoltà sorta è stata quella legata alla modellizzazione dei tappetini elastomerici presenti. Essi infatti non presentano un comportamento lineare (la rigidezza varia in funzione della frequenza di eccitazione) e quindi non possono essere simulati utilizzando il semplice sistema molla-smorzatore posti in parallelo. É stato quindi necessario introdurre il modello di Maxwell-Weichert. Il software utilizzato per le simulazioni è stato creato dai ricercatori del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, scritto in linguaggio Fortran. Questo software originariamente non prevedeva la possibilità di modellare i sopracitati elementi, di conseguenza questa funzione è stata implementata. Successivamente il corretto funzionamento è stato accertato confrontando le soluzioni fornite con quelle ottenute con metodi alternativi. Terminata questa fase sono state effettuate delle misure in linea ed utilizzate per la taratura del modello. Infine alcune modifiche alla struttura per migliorare il comportamento sono state proposte e simulate.