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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-14092020-095005
Document
Author
Full name
Debora Naomi Higa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Gay Neto, Alfredo (President)
Santos, Guilherme Fabiano Mendonça dos
Souza, Roberto Martins de
Title in Portuguese
Metodologia para quantificação do efeito da pressão de contato em trilhos sujeitos à passagem de uma família de rodas.
Keywords in Portuguese
Contato
Ferrovias
Mecânica do contato
mMaster-master
Otimização
Roda-trilho
Rodas
Transporte de carga
Trilhos
Abstract in Portuguese
A interação de contato entre a roda e o trilho em uma ferrovia tem forte influência no desempenho de todo o sistema ferroviário. Durante a operação, fenômenos indesejáveis podem ocorrer devido aos esforços que ocorrem no contato roda-trilho, como desgaste, fadiga por contato de rolamento, descarrilamento, entre outros. Os esforços no contato roda-trilho variamde acordo com as condições da via e da geometria dos perfis envolvidos. Há diversos modelos disponíveis para identificar a posição, a área de contato e os esforços envolvidos. No âmbito ferroviário, alguns processos de análise da interação roda-trilho foram desenvolvidos, dentre eles, um dos principais é o pummelling, que fornece uma medida de acúmulo de efeitos gerados em um par de trilhos devido à atuação de uma população de rodas com diferentes perfis geométricos. O objetivo do presente trabalho é elaborar uma metodologia para avaliar o acúmulo de dano na estrutura de um par de trilhos baseada na metodologia pummelling. A primeira etapa do desenvolvimento do modelo consiste na descrição e parametrização geométrica dos perfis de rodas e trilhos. Em seguida, apresenta-se o desenvolvimento do modelo de contato quase estático, que utiliza a formulação master-surface to master-surface, porém com adaptações para o caso bidimensional, possibilitando obter solução analítica para o problema local de contato. Este modelo, utilizado para determinar a posição do contato, também é capaz de lidar com situações em que há mais de uma interação pontual e em que há superfície não convexa no contato. De posse da localização do contato e das características da via e do veículo em operação, as tensões normais advindas do contato podem ser avaliadas com base na teoria de Hertz, dentre outras metodologias disponíveis. Como resultados, são gerados diagramas de pressão acumulada no par de trilhos, causadas pela atuação da população de rodas considerada. Um dos requisitos do presente projeto é a implementação do modelo em um programa computacional capaz de avaliar a interação roda-trilho de modo rápido - por ser um modelo bidimensional com poucos graus de liberdade - e gerar resultados realísticos - pois utiliza geometria de perfis reais. Os resultados obtidos neste modelo poderão ser utilizados como base para otimização de perfis de trilhos em trabalhos futuros.
Title in English
Methodology to quantify the effect of contact pressure on rails subjected to the passage of a familyof wheels.
Keywords in English
Contact
Contact mechanics
Master-master
Optimization
Wheel/rail
Abstract in English
The contact interaction between wheel and rail on a railroad has a strong influence on the performance of the entire railway system. During operation, undesirable phenomena may occur due to stresses in the wheel-rail contact, such as wear, rolling contact fatigue, derailment among others. These efforts vary according to the track conditions and the wheel and rail profiles geometry. There are many models to identify the position, the contact patch and the stresses that occur in the interaction between two bodies. In the railway field, some analysis processes of the wheel-rail interaction were developed, among them, pummelling is one of the most important, which gives a measure of accumulated effects induced on a pair of rails due to a wheel population performance. This work aims to elaborate a methodology to evaluate the accumulated damage on a pair of rails structure based on the pummelling methodology. The first step of the model consists of the geometric description and parameterization of the wheel and rail profiles. Next, the development of the quasi-static contact model is presented, based on master-surface to master-surface formulation, but with adaptations to two-dimensional case, in which one employs an analytical solution for each local contact problem. This model, used to determine the contact locus, is also able to handle situations where there is more than one contact pointand where there is nonconvexity on contact surfaces. Given the location of the contact and the characteristics of the track and the vehicle in operation, the normal stresses are calculated based on Hertz's or others theories. As result, diagrams of accumulated pressure in the pair of rails are generated, caused by the actuation of the considered wheels population. One requirement of the present project is the implementation of the model in a computational program that will be able to evaluate the wheel-rail interaction quickly - due to the two-dimensional model with few degrees of freedom - and generate realistic results - because it uses geometry of real profiles. The results obtained from this model can be used as basis for optimization of rail profiles in future works.
 
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Publishing Date
2020-12-07
 
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