Frequency and time domain modelling of railway curve squeal

Nowadays, the mitigation of railway noise and vibrations is increasingly important. The development of adequate countermeasures is strongly favoured by the development of numerical models able to reproduce the dynamics of wheel/rail interaction. Curve squeal noise is one of the most annoying noise problems related to the operation of rail vehicles in urban environments. It typically arises in tight curves and it is a consequence of the self-excited vibration of the wheel. In this thesis, the curve squeal generated by a modern low-floor articulated tramcar is investigated through a frequency and a time domain model of wheel/rail interaction. A modal model of the wheel is coupled with an equivalent state space model of the rail in order to reproduce the actual high frequency behaviour of the two systems. The parameters of the wheel and the rail models are calibrated through experimental impact tests. A multi-Hertzian normal contact model is adopted to include the possible occurrence of simultaneous multiple contacts between the wheel and the rail. The tangential problem is solved for each contact patch through a modified version of the Shen-Hedrick-Elkins heuristic contact model including a velocity-dependent friction coefficient. Simulations in the frequency domain are performed to identify the most critical squealing frequencies, including the statistical variability in wheel/rail contact conditions. Time domain simulations are carried out to investigate specific wheel/rail contact conditions and to estimate the amplitude of wheel and rail vibration. The results show that different mechanism can be responsible for the squeal occurrence. Moreover, it is found that the presence of an additional contact point between the flange back of the leading inner wheel and the check rail can considerably alter the squealing frequencies.

Al giorno d’oggi, la mitigazione del rumore e delle vibrazioni ferroviarie è sempre più importante. Lo sviluppo di contromisure adeguate è fortemente favorito dallo sviluppo di modelli numerici in grado di riprodurre la dinamica dell'interazione ruota/rotaia. Il rumore di stridio in curva è uno dei problemi più fastidiosi legati al funzionamento dei veicoli ferroviari in ambiente urbano. Si verifica tipicamente nelle curve strette ed è una conseguenza della vibrazione autoeccitata della ruota. In questa tesi, lo stridio in curva generato da un moderno tram articolato a pianale ribassato viene studiato modellando l'interazione ruota/rotaia nel dominio della frequenza e del tempo. Un modello modale della ruota è accoppiato con un modello equivalente della rotaia per riprodurre l'effettivo comportamento ad alta frequenza dei due sistemi. I parametri dei modelli della ruota e della rotaia sono calibrati attraverso prove di impatto sperimentali. Viene poi adottato un modello di contatto normale multi-Hertziano per includere il possibile verificarsi di contatti multipli simultanei tra la ruota e la rotaia. Il problema tangenziale è risolto per ciascuna area di contatto attraverso una versione modificata del modello di contatto euristico di Shen-Hedrick-Elkins, che include un coefficiente di attrito dipendente dalla velocità. Sono dunque state eseguite simulazioni nel dominio della frequenza per identificare le frequenze di stridio più critiche, tenendo conto di una variabilità statistica nelle condizioni di contatto tra ruota e rotaia. Le simulazioni nel dominio del tempo sono invece state effettuate per studiare le condizioni specifiche di contatto ruota/rotaia e per stimare l'ampiezza delle vibrazioni della ruota e della rotaia. I risultati mostrano che diversi meccanismi possono essere responsabili della comparsa dello stridio. Inoltre, è emerso che la presenza di un punto di contatto aggiuntivo tra la flangia posteriore della ruota interna di testa e la rotaia di controllo può modificare notevolmente le frequenze di stridio.