Wheel-rail contact force measurement. A comparison between distance laser and strain gauges measuring technology

Abstract

The development of this PhD thesis is focus on the wheel/rail contact force measurement on a 1 : 10 scaled railway vehicle. To that end, the author has designed and manufactured a dynamometric wheelset instrumented with several sensors for the direct measurement of forces applied on the instrumented wheel. Two di erent technologies have been used for the wheelset instrumentation: On the one hand, a set of strain gauges measure the radial strains experienced by the wheel-web when a lateral load is applied on the wheel. On the other hand, three high precision lasers have been installed on the axel that measure the lateral de ection experienced by the wheel due to the applied lateral loads. Normal contact forces are measured independently throughout the de ection experienced by the primary suspension. This is also measured with laser distance sensors. After being instrumented, the wheelset has been submitted to a calibration process. A calibration test bench where controlled loads can be applied to the wheelset has been also designed and manufactured. Finally the instrumented wheelset has been installed on the scaled vehicle and tested on a 5 inches wide scale track. The force measurements obtained in the experiments with both set of sensors have been compared with numerical results drawn from a computational model of the vehicle. A novel procedure to measure the track irregularities applied to the scaled track has been also include as part of this thesis.

El desarrollo de esta tesis se centra en la medici on experimental de fuerzas de contacto rueda carril en un veh culo ferroviario a escala 1 : 10. Para ello, el autor ha dise~nado y fabricado un eje dinamom etrico instrumentado con multiples sensores para la medici on directa de las fuerzas aplicadas en las ruedas. Para la instrumentaci on del sistema se han utilizado dos tecnolog as distintas: Por un lado se dispone de un conjunto de bandas extensom etricas que miden las deformaciones radiales experimentadas por el velo de la rueda debidas a la carga lateral aplicada en la misma. Por otro lado se han instalado tres l aseres de alta precisi on que miden la de exi on experimentada por la rueda debidas tambi en a las cargas lateral aplicadas. Las fuerzas normales a las que se ve sometida la rueda son calculadas a trav es de la medici on de la de exi on experimentada por la suspensi on primaria del veh culo, siendo tambi en medida mediante sensores de distancia l aser. Tras la instrumentaci on el eje dinamom etrico ha sido sometido a un proceso de calibraci on, para el cual se ha dise~nado y fabricado un banco de pruebas a escala donde puden aplicarse cargas al eje de forma controlada y conocer la respuesta de los sensores. Finalmente el mencionado eje dinamom etrico ha sido instalado en el veh culo a escala y su funcionamiento ha sido probado en una v a a escala de 5 inches de ancho. En los experimentos realizados se han contrastado las mediciones de fuerzas realizadas por ambos sensores y comparado con resultados num ericos obtenidos de un modelo multicuerpo de simulaci on del veh culo. Como parte de esta tesis se incluye tambi en la descripci on del novedoso proceso de auscultaci on y c alculo de irregularidades realizado en del trazado ferroviario a escala.