Diensten – Onderzoek en ontwikkeling

CORRUGATION

Wiel/rail golfslijtage in stedelijk vervoer

Contract: G3RD-CT-2002-00807
Website: www.corrugation.eu
Acroniem: CORRUGATION
Volledige titel: Wheel rail corrugation in urban transport
Project Coördinator: D2S International, Heverlee (BE)
Startdatum: June 1, 2002
Duur (maanden): 52
Budget: € 7,787,628.00
EC-contributie: € 4,198,237.00

Achtergrond

Golfslijtage is een vervelend en duur fenomeen dat de levensduur van zowel wielen als rails vermindert, een irriterend rolgeluid veroorzaakt en tot veiligheidsproblemen leidt. Tot hiertoe bestaat geen echte behandeling en de enige beschikbare oplossing is het slijpen van de rails hetgeen een duur en terugkerend proces is.

Doelstellingen

De doelstelling van dit project was het verminderen van de golfslijtage met 50% gemeten over dezelfde tijdspanne door het ontwikkelen van oplossingen op het niveau van de rails en het rollend materiaal.

Werkbeschrijving

Materiaal om golfslijtage te meten

Het specifieke meetmateriaal en de meetmethodes werden geselecteerd of speciaal ontwikkeld voor de meting van golfslijtage en alle relevante parameters die golfslijtage beïnvloeden. Een nieuw handbediend apparaat voor het meten van golfslijtage werd ontwikkeld naast een nieuw meetapparaat met laser sensoren.

Metingen werden uitgevoerd op de testsecties om de prestaties en de nauwkeurigheid van de geselecteerde apparaten en de methodes te verifiëren en te vergelijken. Deze metingen werden verder gebruikt in het project als referentiegegevens en werden vergeleken met meetgegevens na wijziging van de spoor- en wielstelparameters die de golfslijtage beïnvloeden.

Numerieke modellering van macroscopische wiel/spoorkrachten

Twee verschillende multi-body dynamica modellen, die de passage van een spoorvoertuig op een spoor weergeven werden afzonderlijk ontwikkeld en getest. Een gemeenschappelijke testcase werd gedefinieerd en beide modellen werden gevalideerd door de voorspellingen van de modellen te vergelijken met de meetresultaten op een referentie spoorsectie.

Een samengevoegd (lumped) parametermodel werd ook ontwikkeld en geleidelijk afgestemd en bijgewerkt zodat het overeenkomt met de diverse gemeten gegevens.

Tot slot werd een eindig elementenmodel gemaakt van een ballastspoor op houten dwarsliggers. De parameters van het model werden bijgewerkt aan de hand van de resultaten van experimentele metingen ter plaatse en in het laboratorium. Een gevoeligheidsanalyse werd uitgevoerd om de invloed van de stijfheid van het rail onderlegplaatje en die van een trillingsdempende mat onder de dwarsligger en de modale demping van de overdrachtsfuncties te evalueren.

Alle numerieke modellen kwamen tot dezelfde bevindingen:

  • Het is niet de P2 resonantie (d.w.z. eerste wiel-rail verticale buiging) die verbonden is met de golflengten van golfslijtage, maar vooral verticale anti-resonanties, evenals de rail en wielstel laterale resonanties (in tweede orde). Dit is een belangrijke bevinding van dit project.
  • Een ingebedde rail kan de vorming van golfslijtage verhinderen, op voorwaarde dat een voldoende niveau van raildemping wordt ingebouwd.

De testinstallatie van een wielstel voor de simulatie van de golfslijtage

Een bestaande installatie voor het testen op ware grootte van de wiel/spoor interface die wordt gebruikt voor onderzoek en vermoeidheidstesten werd aangepast om het effect van stick-slip bij de wiel/rail interface te simuleren. Na 200 km verscheen golfslijtage op de rails, wat de verschillende stappen verantwoordelijk voor golfslijtage onder reële omstandigheden aantoonde. Het is de eerste keer dat de aanzet en de groei van de golfslijtage op een proefbank werden gecreëerd. Deze testinstallatie werd verder gebruikt om het effect van de groei van de golfslijtage bij wielstellen met gedempte wielen te volgen.

Ontwerp en validering van anti-golfslijtagemaatregelen

Diverse anti-golfslijtagemaatregelen werden ontworpen voor voertuigen en spoor.

Drie soorten maatregelen betreffen het wielstel:

  • De definitie van geometrische tolerantie van wiel en spoor om golfslijtage te vermijden. Deze parameter heeft een belangrijke invloed op de ontwikkeling van golfslijtage; na het verscherpen van de tolerantie op de diameters van de beide wielen van een wheelset nam STIB een indrukwekkende vermindering waar van de groei van de golfslijtage op de rails in bochten in zijn metronetwerk.
  • Een trillingsdemper afgestemd op de tweede torsie resonantie van het aangedreven wielstel: deze oplossing werd ontworpen en gevalideerd op een proefbank en toont hiermee zijn uitstekende prestaties tegen longitudinale golfslijtage op spoor in rechte lijn (rem-, versnellingsgevolgen).
  • Speciale gedempte wielen werden ontworpen gebaseerd op een combinatie van numerieke simulaties en experimentele testen. Er verscheen geen golfslijtage op de rails van de proefbank. Verder werk is vereist om de gevolgen voor wielslijtage te bestuderen.

terwijl zes andere maatregelen betrekking hebben op het spoor:

  • De zadelprofielrail werd ontwikkeld met een verticale dynamische stijfheid van 10 MN/m en lijkt de groei van golfslijtage te verminderen met een factor van ongeveer 3.
  • Anti-golfslijtage rail onderlegplaatjes en trillingsdempende mat onder de dwarsliggers op ballastspoor leidden niet tot overtuigende resultaten. Hun dynamische stijfheid (boven 25 kN/mm) wordt verondersteld te hoog te zijn om echt efficiënt te zijn in het beperken van de groei van golfslijtage.
  • Alle numerieke modellen en laboratoriumtests voorspellen dat een ingebed soepel continu ondersteund tramspoor werkelijk efficiënt is. Een testspoor met deze kenmerken werd geïnstalleerd in het STIB tramnetwerk in juni 2006.
  • Een spoor met twee-blok dwarsliggers met speciale rail onderlegplaatjes toonde geen betekenisvolle vermindering van de groei van de golfslijtage. De numerieke modellen konden de reden van dit gebrek aan efficiëntie verklaren.
  • Zeer soepele spoorbevestigingssystemen voor metrospoor werken werkelijk efficiënt tegen golfslijtage. Naast de twee aanvankelijk geplande testsporen bij SL (Stockholm) en STIB (Brussel), was er een bijkomende installatie in Milaan, in een netwerk dat geen partner in dit project is. Na meer dan 18 maanden exploitatie is er nog steeds geen golfslijtage.
  • Optimale staal types voor wiel- en rail, met nadruk op het verhogen van de hardheid van het railoppervlak is een goede maatregel om groeisnelheid van golfslijtage te verminderen.

Resultaten

Laboratoriumtesten werden uitgevoerd vóór installatie van testsporen. De groei van de golfslijtage werd regelmatig gecontroleerd op deze testsporen, hetgeen leidt tot een follow-up op lange termijn van de meeste testsporen. De zeer soepele spoorbevestigingen in combinatie met wielen die volgens strikte toleranties worden onderhouden, hebben aangetoond praktisch en efficiënt te zijn. D2S International blijft de STIB-sites op regelmatige tijdstippen controleren.