Development of a dynamometric wheelset for the estimation of wheel-rail interaction forces

The measure of contact forces is a critical issue in rail engineering, indeed, these measures are essential for asserting the safety of rail vehicles and are mandatory in case of homologation. In the present work, the problem of the contact forces measure has been analysed with a particular focus on the dynamometric wheelset method, which basically consists in the instrumentation of a regular wheelset with extensimeters. Knowing the state of deformation on the wheelset, it is possible to reconstruct the forces that caused it provided a calibration matrix, which must be derived by means of a calibration process. The work is focused in the definition of the minimal measurements sets required for a consistent estimation of the forces, highlighting the main issues related to the typical typologies of measurement sections. Secondarily, the problem of the test plan definition has been analysed, providing a methodology for designing optimal test plan by means of D-optimal methods. With the aim of defining univocally the measurement uncertainties associated to the measures, the calibration test-rig was analysed, characterised, and finally calibrated. Finally, the possibility of using a reduced and non-optimal set of measurements has been considered. The study outlined the possibility to gather good forces estimation even with non-optimal measurement sets introducing algorithms for the identification of the lateral position of the wheelset (Fuzzy logic or Interactive Multiple Model) or even using a mix of different nature measurements (for instance the measurement of vertical deflection of primary suspension).

La misura delle forze di contatto è un problema critico per ingegneria ferroviaria, infatti, tali misure sono indispensabili per valutare la sicurezza dei veicoli ferroviari e sono obbligatorie in caso di omologazione. Nel presente lavoro, il problema della misura delle forze di contatto è stato analizzato con particolare attenzione al metodo della sala dinamometrica, che consiste essenzialmente nella strumentazione di un normale assile con estensimetri. Conoscendo lo stato di deformazione della sala montata, è possibile ricostruire le forze che lo hanno originato data una matrice di calibrazione, che deve essere ricavata mediante un processo di calibrazione. Il lavoro è focalizzato nella definizione del set di misure minimo necessario per una stima coerente delle forze, evidenziando le principali problematiche legate alle varie tipologie di sezioni di misura. Secondariamente, è stato analizzato il problema della definizione del piano di prova, fornendo una metodologia per la definizione di un piano di prova ottimale mediante metodi D - ottimale. Con lo scopo di definire univocamente le incertezze di misura associati alla misura delle forze di contatto, il banco prove (utilizzato per la calibrazione delle sale dinamometriche) è stato caratterizzato, e infine tarato. Infine, è stata valutata la possibilità di utilizzare set di misura ridotti e non ottimi per la stima delle forze. Lo studio ha delineato la possibilità di ottenere buone stime delle forze anche con set di misura non ottimali introducendo algoritmi per l'identificazione della posizione laterale della sala montata (logica Fuzzy o Interactive Multiple Model) o anche con una combinazione di misure di diversa natura (ad esempio la misura della deflessione verticale delle sospensioni primarie).