Improved residual lifetime prediction for railway axles under service condition

This Ph.D. thesis discusses some relevant topics for improving the design of railway axles, based on traditional fatigue concepts, to the novel damage tolerance approach. Firstly an overview of state of art is presented, touching on the points still in discussion and highlighting the importance of the cyclic R-curve concept as key for linking together the infinite life design methodology and fracture mechanics approaches (damage tolerance approach). Successively, an experimental campaign devoted to the determination of the R-curve was carried out. The limitation of existing experimental techniques are shown and a new experimental procedure for evaluating the cyclic R-curve is introduced. Exploiting the R-curve concept the fatigue limit of small-scale specimens was evaluated furthermore a model is proposed, based on the concept of cyclic R-curve and FE simulation results for evaluating the fatigue limit and fatigue crack propagation lifetime of an existing crack beneath the axle wheel’s press-fit contacts under fretting condition. The focus is then pointed onto the residual lifetime prediction of railway axles under service conditions. Series of experimental investigations were performed on full-scale railway axles to analyze the fatigue crack growth behavior of EA4T steel under load spectrum derived from real operating conditions. The full-scale experimental results were compared to simulated predictions carried out adopting two strategies: (i) the conventional Nasgro equation, (ii) the cyclic R-curve concept implemented in the Modified Nasgro equation for describing the crack growth behavior of an arbitrary crack length. This study led to significant improvements in the precision of the residual lifetime predictions. Finally, a statistical model was developed for reliability analysis of the railway axles by investigating the effect of variations of the cyclic R-curve on the scatter of residual lifetime. It is shown that the variability of the R-curve treated in a simplified random variable approach is leading to a sufficient variability of the residual lifetime seen in full-scale railway axle crack propagation experiments.

Questa tesi di dottorato discute alcuni argomenti rilevanti per migliorare la progettazione degli assi ferroviari, sulla base dei tradizionali concetti di fatica, al nuovo approccio di tolleranza ai danni. In primo luogo viene presentata una panoramica dello stato dell'arte, toccando i punti ancora in discussione ed evidenziando l'importanza del concetto di curva R ciclica come chiave per collegare insieme la metodologia di progettazione della vita infinita e gli approcci della meccanica della frattura (approccio della tolleranza al danno). Successivamente è stata condotta una campagna sperimentale dedicata alla determinazione della curva R. Vengono mostrati i limiti delle tecniche sperimentali esistenti e viene introdotta una nuova procedura sperimentale per la valutazione della curva R ciclica. Sfruttando il concetto di curva R è stato valutato il limite di fatica di provini su piccola scala, inoltre viene proposto un modello, basato sul concetto di curva R ciclica e risultati di simulazione FE per valutare il limite di fatica e la durata di propagazione della cricca a fatica di una cricca esistente sottostante i contatti a pressione della ruota dell'asse in condizioni di sfregamento. L'attenzione viene quindi rivolta alla previsione della durata residua degli assi ferroviari in condizioni di servizio. Serie di indagini sperimentali sono state eseguite su assi ferroviari in scala reale per analizzare il comportamento di crescita delle cricche a fatica dell'acciaio EA4T sotto spettro di carico derivato dalle condizioni operative reali. I risultati sperimentali su vasta scala sono stati confrontati con previsioni simulate effettuate adottando due strategie: (i) l'equazione di Nasgro convenzionale, (ii) il concetto di curva R ciclica implementato nell'equazione di Nasgro modificata per descrivere il comportamento di crescita della fessura di una fessura arbitraria lunghezza. Questo studio ha portato a miglioramenti significativi nella precisione delle previsioni sulla durata residua. Infine, è stato sviluppato un modello statistico per l'analisi dell'affidabilità degli assi ferroviari studiando l'effetto delle variazioni della curva R ciclica sulla dispersione della vita residua. È stato dimostrato che la variabilità della curva R trattata con un approccio semplificato a variabili casuali sta portando a una sufficiente variabilità della durata residua osservata negli esperimenti di propagazione delle cricche sugli assi ferroviari su vasta scala.