Dynamic analysis of railway systems using computationally efficient wheel-rail contact models

The present thesis describes an investigation on the railway system motion like a wheel-set, a bogie or a wagon. Through the search of equilibrium configurations, the positions of contact points between rails and wheels are first located. The detection methods allow also the definition of the normal vectors to rail and wheel surfaces and the principal curvatures at contact points. To reduce computing time the results are stored in a lookup table that can be used for dynamic analysis of wheel-sets, bogie or wagon. A dynamic analysis has been performed on a bogie composed of two wheel-sets and a frame. The bogie frame is joined to the wheel-sets by means of a primary suspension system, acting on the three principal directions, i.e. longitudinal, transverse and vertical. The bogie moves along rails following its variable path. In particular, the dynamic analysis investigates the bogie behaviour in both straight and curved paths, with or without an initial perturbation and a super-elevation angle. Imposing an initial transverse disturbance, the hunting motion is observed and the critical speed value estimated. The contact characteristics have been determined by means of the lookup table. In order to minimize cpu-time, a new method for the interpolation of the lookup table entries has been developed. Finally, two different methods for the integration of the differential equations have been tested and comparisons with the results obtained by Simpack-rail multibody software are discussed. The railway systems have been analyzed in proximity of their critical conditions both in straight and curved tracks. The critical speed is estimated through the rise up of hunting motion. The critical speed, the contact forces in the critical conditions and the derailment limits are determined under different load conditions and track paths; two methods are used for its determination. The influence of the longitudinal suspension stiffness of the primary and secondary suspension systems on the critical conditions of the bogie and wagon are deduced for straight and curved track type.

La presente tesi descrive l’analisi dinamica condotta su un sistema ferroviario quale una sala , un carrello e un vagone. La posizione dei punti di contatto tra la ruota e la rotaia è determinata tramite lo studio delle posizioni di equilibrio della sala poggiata su una coppia di rotaie. L’analisi permette anche di determinare la normale e le curvature principali delle superfici della ruota e della rotaia nei punti di contatto. Al fine di ridurre i tempi di calcolo, i risultati dello studio sono stati memorizzati in una tabella di calcolo usata per l’analisi dinamica della sala, del carrello e del vagone. E’ stata condotta l’analisi dinamica di un carrello formato da due sale e dal telaio. Il telaio è collegato alle sale per mezzo del sistema di sospensione primario che agisce lungo le tre direzioni principali: longitudinale, trasversale e verticale. Il carrello può muoversi lungo un tracciato rettilineo o curvilineo con o senza angolo di sopralzo e in presenza o assenza di una perturbazione trasversale iniziale. Le caratteristiche di contatto sono determinate per mezzo della tabella di calcolo. Per ridurre di tempi di calcolo è stato sviluppato un nuovo metodo per l’interpolazione delle tabella di calcolo. Per l’integrazione delle equazioni differenziali del moto sono stati testati due metodi che sono stati confrontati con i risultati forniti dal software multibody Simpack. E’ stato condotto uno studio in prossimità delle condizioni critiche del carrello sia su un tracciato rettilineo che curvilineo. La velocità critica è stata determinata attraverso l’analisi del moto di serpeggio usando due metodi. La velocità critica, le forze di contatto e i limiti di deragliamento sono stati determinati in diverse condizioni di carico e di tracciato. E’ stata inoltre analizzata l’influenza della rigidezza longitudinale del sistema di sospensione primario e secondario sulle condizioni critiche del carrello e del vagone sia su un tracciato rettilineo che curvilineo.