Predictive modelling of curve squeal occurrence in tramways : influence of track properties and bogie architecture

The continuous growth in the mobility demand and the stricter urban regulations require to the whole engineering field an important effort in understanding and modelling the most relevant sources of noise and annoyance, caused by the vehicles interaction with the environment. Curve squeal is one of the most serious and complex noise problems connected with the operation of trains, trams and metros in urban environments. It is produced by the self-excited vibration of the wheel, as a result of the contact phenomena taking place at wheel/rail interface during curve negotiation. This phenomenon typically develops in sharp curves, very common in urban areas, due to the large steady state creep forces. The annoying tonal noise is that corresponding to the natural frequency of the wheel mode that is becoming unstable. The occurrence of curve squeal, as well as its features in terms of frequencies involved, sound levels and duration, depend on the wheel/rail geometric and kinematic contact conditions, on the friction conditions (which are in turn influenced by temperature, humidity, dirt, etc.) and on the dynamic characteristics of the coupled system. In this thesis work a frequency domain model is developed to investigate the role of the railway track properties and vehicle architecture on the squeal occurrence. The first analysis consists in the prediction of the squeal occurrence comparing a vehicle running on an embedded rail system and on a traditional ballasted track. The bogie design choice effect is estimated by performing different squeal simulations, adopting a vehicle with independently rotating wheels and one with solid axle bogie architecture. The methodology proposed in the present work allows to develop low computational cost sensitivity analysis, by accounting for the most important parameters responsible for the squeal noise occurrence.

La continua crescita nella domanda di mobilità e i regolamenti urbani più stringenti richiedono a tutto il settore ingegneristico un importante sforzo nel comprendere e modellare le più rilevanti sorgenti di rumore e disturbo, causate dall’iterazione dei veicoli con l’ambiente. Il rumore di stridio in curva è uno dei più seri e complessi problemi di rumore connessi con le operazioni di treni, tram e metro in ambiente urbano. È prodotto dalla vibrazione auto eccitata della ruota, come risultato dei fenomeni di contatto che si sviluppano all’interfaccia ruota/rotaia durante la negoziazione della curva. Questo fenomeno si sviluppa tipicamente in curve strette, molto comuni nelle aree urbane, a causa delle grandi forze di contatto a regime. Il fastidioso rumore monotonale è quello corrispondente alla frequenza naturale del modo della ruota che sta diventando instabile. L’occorrenza dello stridio in curva, cosi come le sue caratteristiche in termini di frequenze coinvolte, livelli sonori e durata, dipendono dalle condizioni geometriche e cinematiche del contatto ruota/rotaia, dalle condizioni di attrito (a loro volta influenzate da temperatura, umidità, sporco, etc. ) e dalle caratteristiche dinamiche del sistema accoppiato. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modello in frequenza per investigare il ruolo delle proprietà del tracciato e dell’architettura veicolo nell’occorrenza di stridio. La prima analisi consiste nella predizione dell’occorrenza di stridio confrontando un veicolo che procede su un tracciato di tipo embedded e su un tracciato tradizionale appoggiato su ballast. L’effetto della scelta progettuale del carrello è stimato eseguendo diverse simulazioni di stridio, adottando veicoli con ruote indipendenti e con asse rigido. La metodologia proposta nel presente lavoro consente di sviluppare analisi di sensitività a basso costo computazionale, includendo un vasto numero di parametri responsabili dell’occorrenza del rumore di stridio.