Investigation of derailment in underground vehicles : sensitivity analysis of critical parameters

Railways are the back bone for the development of any country. With the expansion of the railway networks, demand for faster, cheaper and safer mode of transportation is inevitable. With today’s available technology it has been possible to meet all these demands, and make railways a pinnacle of engineering feat where transportation of passengers or freight is concerned. But as history dictates, accidents have occurred and they had a disastrous effect on the lives of the people and also on the economic development of the country. So, along with the technological development of the railways, it has also become of utmost importance to mitigate and prevent accidents. Recent cases of derailment have revealed that the wheels of the vehicle ran off the rail while negotiating a curve. Therefore the aim of this thesis is to investigate which parameters play a major role in the process of derailment of the railway vehicles, and also to find the sensitivity of such parameters towards derailment. This problem is addressed by first understanding the mechanisms of derailment. Literature study revealed that parameters such as Curve radius, Track Cant, Speed of the vehicle and Coefficient of Friction at the wheel-rail interface are crucial for the dynamic stability of the vehicle. In order to visualize the effect of each of these parameters simulations will be performed using real track specifications and geometry. The data extracted from these simulations will show the behavior of the vehicle around a curve, which further will be subjected to evaluation on the basis of its tendency towards derailment. In order to perform simulations, a three dimensional non-linear multi-body mathematical model of the vehicle, currently running in Milan-Underground, called ‘Meneghino’ will be used. Moreover a finite element model of a deformable track will be used. Both the models are formulated in the time domain. A generic formulation that has been done to determine, during the dynamic analysis, the contact forces that are generated in the wheel-rail interface is also used. With these models we are able to recreate the exact run time environment of a train currently in service in Italy. Simulation with the railway track Irregularities will help us understand the contributions of these irregularities on the vehicle dynamics. A Statistical analysis of the data obtained from simulations has helped us to deduce the contribution of each parameter on the overall behavior of the vehicle. Based on this decisions are made to understand which parameters could be controlled and what should be the range of values in which the vehicle can operate without derailment. This study will help us to understand which parameters have the most influence on the dynamic behavior of the train and to have a quantitative result of the effects of these parameters.

Ferrovie costituiscono la spina dorsale per lo sviluppo di qualsiasi paese. Con l'espansione delle reti ferroviarie, domanda di modalità di trasporto più veloce, economico e sicuro è inevitabile. Con a disposizione la tecnologia di oggi è stato possibile soddisfare tutte queste esigenze, e rendere le ferrovie un pinnacolo di ingegneria prodezza dove il trasporto di passeggeri o merci è interessato. Ma, come vuole la storia, gli incidenti si sono verificati e hanno avuto un effetto disastroso sulla vita della gente e anche sullo sviluppo economico del paese. Così, insieme con lo sviluppo tecnologico delle ferrovie, è diventata anche della massima importanza per attenuare e prevenire incidenti. Recenti casi di deragliamento hanno rivelato che le ruote del veicolo correvano dalla guida durante la negoziazione di una curva. Pertanto lo scopo di questa tesi è indagare quali parametri svolgere un ruolo importante nel processo di deragliamento dei veicoli ferroviari, e anche per trovare la sensibilità di tali parametri verso deragliamento. Questo problema viene risolto in primo luogo la comprensione dei meccanismi di deragliamento. Studio della letteratura ha rivelato che parametri come il raggio della curva, Pista Cant, velocità del veicolo e il coefficiente di attrito all'interfaccia ruota-rotaia sono cruciali per la stabilità dinamica della vettura. Per visualizzare l'effetto di ciascuno di questi parametri simulazioni verranno eseguite utilizzando le specifiche della pista reali e geometria. I dati estratti dalle simulazioni mostrano il comportamento del veicolo intorno ad una curva, che verrà ulteriormente sottoposto a valutazione sulla base della sua tendenza verso deragliamento. Al fine di effettuare simulazioni, verrà utilizzato un multi-corpo tridimensionale modello a tre non lineare matematico del veicolo, in esecuzione di Milano-sotterraneo, chiamato 'Meneghino'. Inoltre verrà utilizzato un modello ad elementi finiti di una traccia indeformabile. Entrambi i modelli sono formulati nel dominio del tempo. Una formulazione generica che è stato fatto per determinare, durante l'analisi dinamica, è utilizzato anche le forze di contatto che si generano nel interfaccia ruota-rotaia. Con questi modelli siamo in grado di ricreare l'esatto ambiente di runtime di un treno attualmente in servizio in Italia. Simulazione con le irregolarità del binario ferroviario ci aiuterà a capire i contributi di queste irregolarità sulla dinamica del veicolo. L'analisi statistica dei dati ottenuti dalle simulazioni ci ha aiutato a dedurre il contributo di ciascun parametro sul comportamento generale del veicolo. Sulla base di tali decisioni sono fatti per capire quali parametri possono essere controllati e quale dovrebbe essere la gamma di valori in cui il veicolo può funzionare senza deragliamento. Questo studio ci aiuterà a capire quali parametri hanno la maggiore influenza sul comportamento dinamico del treno e avere un risultato quantitativo degli effetti di questi parametri.