Dynamic assessment of railway vehicles through a multibody system

Os acidentes com veículos ferroviários podem ter origem em muitos fatores, mas os principais são relacionados com a dinâmica do veículo e carga, via permanente em péssimas condições e operações inseguras nos trens. Os acidentes causam mortes, danos materiais e ao meio ambiente e prejuízos para as operadoras e seus clientes. Para avaliar a dinâmica dos veículos ferroviários, um sistema multicorpos foi desenvolvido (programa computacional) para representar matematicamente um típico veículo ferroviário com seus principais graus de liberdade. As equações de movimento foram desenvolvidas utilizando a equação de Lagrange de movimento, a qual considera princípios da mecânica como: energia cinética, energia potencial e a dissipação de energia do sistema. As equações acopladas e desacopladas são programadas e resolvidas para acelerações, estas são integradas duas vezes, obtendo-se as velocidades e deslocamentos. A partir das repostas do sistema o comportamento do veículo pode ser avaliado em várias condições de operação. A verificação do programa é realizada através de comparações com resultados de outros programas publicados na literatura, onde se verifica uma adequada correlação. Avaliações nos principais regimes de operação são realizadas de forma a simular condições determinadas pela norma AAR e condições extras originadas por irregularidades aperiódicas da via do tipo cusp e jog. Dois tipos de veículos são simulados para representar as condições típicas das ferrovias brasileiras: veículos operando em bitola métrica e em bitola larga. Os resultados das simulações apresentam valores de amplitude e fase que estão de acordo com resultados expostos nas normas e na literatura ferroviária de referência utilizada neste trabalho. A avaliação dinâmica de veículos ferroviários através de um programa computacional é importante, pois considera as principais características dos veículos e via permanente. A possibilidade de representar o veículo com uma configuração simples em relação a programas comerciais permite uma simulação rápida e confiável para determinar respostas em regimes como: hunting, twist e roll, pitch e bounce e yaw e sway.The accidents with rail vehicles has origin due to many factors, but the main ones are related to the dynamics of the vehicle and load, the spoiled railway and unsafe operations on the trains. Accidents causing deaths, damage to property and the environment and damage to operators and their customers. In order to evaluate the railway vehicles dynamics, it was developed a multibody system (computer program) to mathematically represent a typical railway vehicle with its main degrees of freedom. The motion equations were developed using Lagrange's equation of motion, which takes into consideration the principles of mechanical, as: kinetic energy, potential energy and energy dissipation of the system. The coupled and uncoupled equations are programmed and solved for accelerations, which are twice integrated, in order to have the speeds and displacements. From the system’s responses, the vehicle behavior can be evaluated in several operating conditions. The comparison of the program is accomplished through confrontations with results from other programs in the literature, in which a good correlation is verified. The evaluations in the main regimes of operation are made in a way simulate the conditions determined by the standard conditions and extra conditions caused by aperiodic irregularities of the track. Two types of vehicles are simulated to represent the typical conditions of Brazilian railways: vehicles operating on meter gauge and large gauge. The simulation results show that amplitude and phase values are consistent with results presented in the standards and in the railway literature of reference of this work. The rail vehicles dynamic evaluation through a computer program was important because it considers the main characteristics of vehicles and permanent way. The possibility of representing the vehicle with a simple configuration in relation to commercial softwares allows a fast and reliable simulation to determine responses in regimes as: hunting, twist and roll, pitch and bounce and yaw and sway