Research of influential parameters in wheel-rail interaction on running stability of railway vehicles

U ovom radu izvršeno je istraživanje uticajnih parametara u interakciji točak-šina na dinamičko ponašanje odnosno na stabilnost kretanja železničkih vozila. Identifikovani su uticajni parametri i analizirani su glavni problemi kretanja železničkih vozila na pravcu i u krivini. Kao ključni uticajni parametri i pokazatelji kvaliteta dinamičkog ponašanja i stabilnosti kretanja železničkih vozila, identifikovani su bočna sila Y i vertikalna sila Q u interakciji točak- šina, odnosno njihov odnos Y/Q. Shodno tome, težište istraživanja stavljeno je na razvoj jedinstvene metode za eksperimentalno određivanje sila u interakciji točak- šina primenom mernog osovinskog sklopa. Pored određivanja sila u postupku sertifikacije i ispitivanja stabilnosti kretanja železničkih vozila, koje je definisano relevantnim međunarodnim standardima UIC 518 i EN 14363, razvijena metoda omogućava i eksperimentalno određivanje položaja tačke kontakta između točka i šine. Na osnovu formiranog numeričkog modela točka, definisani su načini rešavanja ključnih problema pri razvoju mernih osovinskih sklopova koji se odnose na određivanje optimalnih lokacija, rasporeda, broja i načina povezivanja mernih traka, kao i razvoj algoritma inverzne identifikacije. Na osnovu rezultata testiranja pomoću numeričkog modela točka, konstatovana je izuzetno visoka tačnost razvijene metode i algoritma inverzne identifikacije koji je zasnovan na metodi slepog izdvajanja signala pomoću analize nezavisnih komponenti (Blind signal separation BSS using independent component analysis ICA). Odstupanja parametara u interakciji točak-šina dobijenih pomoću razvijenog algoritma od stvarno zadatih parametara u modelu kreću se u granicama do 2 %, dok se greška koja potiče od nesavršenosti samog algoritma nalazi u granicama do 0,5 %. U cilju verifikacije razvijene metode i algoritma inverzne identifikacije, izvršena su i eksperimentalna ispitivanja na realnom objektu. Korišćen je merni osovinski sklop mernog sistema MEROSA i specijalna probnica M10.09 proizvodnje OSS (Optički senzorski sistemi, Beograd, Srbija). Identifikovan je odnos signal-šum, kao glavni uticajni parametar na tačnost eksperimentalnog određivanja sila u interakciji točak-šina i položaja tačke kontakta, primenom razvijene metode. Razvijena metoda omogućava merenje vertikalne sile Q, bočne sile Y, kao i odnosa Y/Q, sa greškama koje se nalaze u granicama do 10 %, dok se greška merenja položaja tačke kontakta nalazi u granicama do 15 %. Pri kontaktu na vencu točka i većim vrednostima koeficijenta Y/Q odnosno Y sile, ove greške merenja se smanjuju, što je izuzetno značajno za pouzdanost i kvalitet eksperimentalnih ispitivanja sigurnosti protiv iskliznuća železničkih vozila prema pomenutim standardima. Eksperimentalna istraživanja potvrđuju da je razvijena metoda primenljiva u razvoju mernih osovinskih sklopova, pri čemu omogućava veoma pouzdano određivanje parametara u interakciji točak- šina, sa tačnošću koja se kreće u rangu najsavremenijih svetskih rešenja.This paper deals with the research of influential parameters in wheel-rail interaction on the dynamic behaviour or running stability of railway vehicles. The influential parameters and main problems of running of railway vehicles on the tangent and curved track are identified and analysed. As a key influential parameters and indicators of the quality of the dynamic behavior and stability of movement of railway vehicles, lateral force Y and vertical forces Q in wheel-rail interaction, or their ratio Y/Q, are identified. Consequently, the focus of the research is placed on developing of unique method for experimental determination of the forces in the wheel-rail interaction by using instrumented wheelset. In addition to determining forces in the process of certification and testing of running stability of railway vehicles which is defined by the relevant international standards UIC 518 and EN 14363, developed method enables experimental determination of the contact point position between wheel and rail. Based on the formed numerical model of the wheel, the ways of solving of key problems in development of instrumented wheelsets are defined. They are related to the determination of optimal locations, layout, number and connection of strain gauges, as well as the development of the inverse identification algorithm. Based on the results of testing using a numerical model of the wheel, the high accuracy of the developed method and inverse identification algorithm which is based on the method of blind signal separation (BSS) using independent component analysis (ICA), is founded. Deviations between the wheel-rail interaction parameters obtained using the developed algorithm and really placed parameters in the numerical model are in range of 2 %, while the measurement error that stems from the imperfections of the algorithm lies in the range of 0.5 %. In order to validate the developed method and inverse identification algorithm, the experimental tests on the real object are also performed. The instrumented wheelset of measuring system MEROSA and special test stand M10.09 production OSS (Optical sensor systems, Belgrade, Serbia) are used. Signal-to-noise ratio is identified as the main parameter influencing the accuracy of experimental determination of the wheel-rail interaction forces and contact point position using the developed method. The developed method enables measurement of vertical force Q, lateral forces Y, as well as the ratio Y/Q, with an errors that are in the range of 10 %, while the error of measurement of contact point position is in the range of 15 %. At the flange contact and the higher values of ratio Y/Q or Y force, these measurement errors are reduced, which is extremely important for reliability and quality of assessment of safety against derailment according to the standards mentioned. Experimental tests confirm that developed method is very applicable in the development of instrumented wheelsets and enables highly accurate determination of parameters in the wheel-rail interaction, with measurement accuracy that is in the range of the most contemporary world solutions