Design of force application equipment

Examensarbetet har utförts med fokus på konstruktion av kraftapplikationsutrustning till provrigg för kalibrering av järnvägshjul. Arbetet har utförts på uppdrag av Interfleet Technology vilket är ett världsledande teknikkonsult bolag inom järnvägsindustrin. Tack vare sin unika teknologi kan ett godtyckligt järnvägshjul göras om till ett så kallat mäthjul. Mäthjulen används för att bland annat mäta spårkrafter och utvärdera spårfordons gångdynamiska egenskaper. Kalibrering och provning av utrustningen som mäthjulen utrustats med utförs i provriggen. Principiellt fungerar systemet på så sätt att ett hjulpar spänns fast i riggen och roteras av en elmotor. Genom att med hydraulik trycka ett stålhjul kallad rulle mot järnväghjulet erhålls rullande kontakt mellan dessa vilket simulerar hjul räl kontakten. Ny kraftapplikationsutrustning har konstrueras för att på ett mer verklighetstroget sätt kunna simulera kontakt mellan hjul och räl än med tidigare system, vilket utgörs av provrigg samt kraftapplikationsutrustning. Med tidigare utrustning har kraft kunnat appliceras vertikalt samt lateralt med hjälp av två separata rullar. Laterala kraften har dock ej applicerats på ett korrekt sätt då den inte angrep/verkade i kontaktpunkten utan applicerades med viss ”offset” med hjälp av separat rulle vilken trycktes mot hjulsidan. Enligt kravspecifikation skulle ny utrustning även kunna generera longitudinella krafter för att möjliggöra kalibrering av dessa. Krafter ska således enligt kravspecifikationen kunna appliceras och mätas i kontaktpunkten i alla tre riktningar samt vara mätbara med bättre noggrannhet än i tidigare system. Stora utmaningen under arbetsgången har varit att designa utrustningen enligt kravspecifikationen och samtidigt anpassa dess geometrier till förbestämda gränssnitt ställda av riggens dimensioner. Tillgängliga utrymmet i provriggen är begränsat vilket ställt stora krav på framtagning av en kompakt konstruktion som samtidigt är dimensionerad för de relativt stora laster den utsätts för. En projektplan för arbetet sammanställdes varpå en omfattande förstudie genomfördes där spårfordons karakteristiska egenskaper studerades, speciellt dynamiska kontakten mellan hjul och räl. Med denna bakgrund fastställdes hur applicering av kraft i provriggen ska ske för att på bästa sätt efterlikna verkliga fallet. Liknande system studerades för inspiration varpå olika koncept modellerades. Valt koncept modellerades till fullo som en 3D-modell där dimensionering, remodellering, FEM-analys och rekonstruktion av komponenter har pågått kontinuerligt under designprocessen. Frekvens samt egenmodsanalyser har genomförts på såväl konstruerad utrustning samt befintlig provrigg. Press från tidsbegränsningen har dock medfört att moment som kan arbetas ytterligare med avslutats för att arbetet ska hållas inom förspecificerad tidsram. Det kan därav utföras mer kompletterande arbete i framtiden. Det framtagna konceptet är ingen färdig lösning utan en välfungerade och dimensionerad konceptlösning vilken visar att kravspecifikationen går att uppfylla. Mycket arbete kvarstår därmed innan modellerade komponenter kan klassas som färdiga för tillverkning.The main goal of this thesis has been to design force application equipment which can be installed in an existing testrig. Together the system shall form a unit fulfilling and working as a rollerrig used to calibrate railway wheels. The thesis is the result of an assignment laid down by Interfleet Technology, a world leading railroad consultancy agency, which, by implementing its unique technique and technologies can convert an ordinary railroad wheel into a measurement wheel. The wheels are used to measure and evaluate wheel/rail forces leading to improved dynamic properties of railroad vehicles. Calibration and testing of the equipment applied to the wheels is carried out in the rollerrig. Fundamentally a wheel set is attached in the rollerrig and rotated with the help of an electrical motor. Hydraulics is used to press a steel wheel called roller against the wheel. Rolling contact between the wheels is thereby achieved which simulates the actual contact between wheel and rail when running on track. The aim with the design of new force application equipment is to; in an improved way simulate the wheel rail contact as well as making measurement of forces possible at higher accuracy than with the previous system. Force was able to be applied both vertically and laterally with the previous equipment. Vertically by pressing the roller against the wheel rolling surface and laterally by using a second roller, in a faulty way, which was pressed against the wheel side with a vertical offset regarding to the contact point. As specified in the specification of requirements the new equipment shall also be able to generate and make measurement of longitudinal forces possible. The big challenge throughout the project has been to design the equipment according to the specifications and simultaneously adapting its geometries to boundary conditions set by the surrounding dimensions of the rollerrig. The space available in the rig is very limited which set high demands during the development to create a compact construction dimensioned for the fairly high loads applied to it. A plan for the project was compiled whereby an extensive exploratory study of the characteristic properties of railroad vehicles and especially wheel/rail dynamics was conducted. The best suitable way to apply forces to the wheel, that are as similar to the real case on the track, was determined as a result of this study. Different concepts were evaluated whereby the chosen one was fully designed as a 3D-model. Dimensioning, remodeling, FEM-analyzes and redesigning was performed simultaneously throughout the construction process. Frequency and mode shape analyses have been conducted on the complete rollerrig as well as crucial components. The pressure of time limitation made that phases within the thesis had to be concluded even though more work could be done for optimization of components as well as total design. The developed construction shall not be classified as a finished design ready for manufacturing but rather a well functioning and dimensioned concept solution which shows that the assignment is possible to accomplish regarding to the specification of requirements