Fatigue crack growth monitoring and life assessment of railway axles

This thesis work aims at proposing an optimized setup for the adoption of the potential drop method for the inspection and monitoring of crack advancement on a railway axle. The first part of the thesis is devoted to find an optimal setup for measuring the crack propagation by means of the direct current potential drop method onto a full scale railway axle. The activity was constituted of different phases, starting from the determination of a suitable setup through Finite Element analysis: the influence of the main parameters was assessed and an optimal solution was proposed. The experiment was then conducted applying a variable load to the specimen and inspecting the crack propagation using both potential drop and visual testing; the obtained data were exploited for the creation of a calibration curve ruling the configuration. The second part of the thesis is dedicated at the extrapolation of a series of stress spectra measurements from a locomotive axle on different routes. This task was conducted analysing different extrapolation techniques, assessing the role of both mean and cyclic stresses; the peak over threshold and block maxima sampling were implemented to a suitable equivalent stress, while it has been studied the Kernel density function extrapolation technique. The extrapolated results were then translated in the assessment of the fatigue life of the component through the study of the growth rate of a crack under the determined stress spectra.

Questo documento si propone di individuare una configurazione ottimale al fine di sfruttare il metodo della caduta di potenziale per l’ispezione di cricche su assili ferroviari, allo scopo di identificare e valutare la curva R per la propagazione dei difetti del componente. Questa attività è tradotta nell’utilizzo del metodo ad elementi finiti per la scelta dei parametri di controllo del metodo della caduta di potenziale, impiegato quindi in un esperimento pratico di propagazione di cricca. Alla caduta di potenziale si affiancano metodi di ispezione visivi e magnetoscopici, al fine di identificare una curva di calibrazione della configurazione. Nella seconda parte della tesi una serie di spettri di carico, ottenuti durante l’esercizio di un assile di un locomotore, è estrapolata su una distanza estesa. Tale studio prevede l’analisi di diverse tecniche di estrapolazione, a partire dall’analisi delle eccedenze sopra una soglia, applicata ad uno sforzo equivalente che tenga conto della natura media e alternata dei carichi, per poi analizzare la tecnica di estrapolazione mediante funzioni di densità Kernel. Gli spettri di carico estrapolati sono poi impiegati per lo studio della previsione di propagazione di cricche, quindi per la stima della vita a fatica del componente.