Wheel-rail interaction models for rail corrugation monitoring through axlebox acceleration measurements

Rail corrugation is a degradation phenomenon that affects most of railway lines. It consists of a quasi-periodic irregularity on the railhead which interacts with the wheels passing over it, causing high dynamic forces which, in turn, may damage the vehicle or the tracks and cause discomfort and vibrations. No definite solutions exist for all types of corrugation: the most frequently used treatment is periodic rail grinding. Costs associated with these maintenance operations and the need to optimize them make rail corrugation monitoring a priority for infrastructure managers. In this thesis, an algorithm for the identification and monitoring of rail corrugation growth using axlebox acceleration measurements taken from an instrumented trainset is developed, starting from a state-of-the-art approach to the problem. Different models for the analysis of wheel-rail interaction in the frequency domain are derived to compute the measurement system transfer function. At first, the vertical dynamics of the interaction between wheel and rail is investigated. Effects of the full dynamic of the wheelset and the influence of the inclination of the wheel-rail contact plane are then added. The transfer functions obtained by these models are used for the estimation of railhead irregularity profile from axlebox acceleration measurements. The robustness of this approach is investigated, discovering that changes in the measurement system parameters and speed variations cause a large dispersion of the results. This is particularly evident when the system is excited at frequencies corresponding to resonances in the wheel-rail dynamics. The possibility of monitoring the evolution of corrugation over time with the use of subsequent surveys is verified.

La marezzatura delle rotaie è un fenomeno di degrado dell’infrastruttura che interessa quasi tutte le linee ferroviarie. Essa consta in un’irregolarità quasi-periodica presente sulla superficie superiore delle rotaie che interagisce con le ruote che vi passano sopra, provocando quindi lo scambio di elevati carichi dinamici che, a loro volta, possono danneggiare il veicolo o i binari e causare disagi e vibrazioni. Non esistono soluzioni definitive per tutti i tipi di marezzatura: il trattamento più utilizzato contro di esse è la molatura periodica delle rotaie. I costi associati a queste operazioni di manutenzione e la necessità di ottimizzarle rendono il monitoraggio delle rotaie una priorità per il gestore dell’infrastruttura. In questa tesi viene sviluppato un algoritmo per l’identificazione e il monitoraggio della crescita della marezzatura utilizzando le misure di accelerazione in boccola acquisite da un convoglio strumentato, partendo dallo stato dell’arte. La funzione di trasferimento del sistema di misura viene ricavata tramite lo sviluppo di diversi modelli per l’analisi dell’interazione ruota-rotaia nel dominio delle frequenze. In un primo momento, viene analizzata la dinamica verticale dell’interazione tra ruota e rotaia. Gli effetti della dinamica completa della sala e l’influenza dell’inclinazione del piano di contatto ruota-rotaia vengono quindi aggiunti. Le funzioni di trasferimento ottenute da questi modelli sono quindi utilizzati per stimare il profilo di irregolarità della rotaia a partire da misure di accelerazione. La robustezza di questo approccio viene quindi analizzata, scoprendo che le variazioni dei parametri del sistema di misura e le variazioni di velocità causano una grande dispersione dei risultati. Ciò è particolarmente evidente quando il sistema di misura viene eccitato a frequenze corrispondenti a risonanze del sistema ruota-rotaia. Si verifica la possibilità di monitorare l’evoluzione della marezzatua nel tempo mediante l’uso di misurazioni successive.