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Opportunities, challenges and countermeasures for the application of small wheels on railway vehicles from the perspective of vehicle dynamics

Zhou, Yichang

Some special rail vehicles, such as piggyback wagons and double-deck passenger coaches require a much lower floor due to the limitation of structural gauges. The floor height of these vehicles along the train-length direction is not unified in most scenarios, as the floor height above the bogies is generally higher than that at other positions. This extends the boarding and alighting time for passenger coaches and reduces the loading capacity for piggyback wagons. Taking a double-deck coach as an example, the height of each deck is approximately 2000 mm and the minimum structural height in Germany is 4800 mm. Therefore, the floor height of the lower deck above the top of the rail (TOP) is generally less than 550 mm when considering the floor thickness. However, wheels with a radius of 460 mm are widely used on the double-deck coaches and the floor height above the bogie is approximately 1200 mm, which leads to a height difference of 650 mm or more between the lower deck and the connection area above the bogies. Several stairs are designed to transit between the lower deck and the connection area and the mobility along the train-length direction is largely decreased. To eliminate or reduce the height difference, the potential value of using small-radius wheels is discussed in this dissertation from the perspective of running dynamics. The effects of reducing the wheel radius from 460 to 210 mm and changing the corresponding mass properties on the running behaviour of a passenger coach, including hunting stability, curve negotiation performance, long-term wear behaviour, S&C performance, etc., are discussed in detail in Chapter 3 using simulation technology. The results of the simulation show that reducing the wheel size could mitigate the wheel-rail interaction due to the lower unsprung mass. However, this approach faces some challenges such as hunting stability loss, high normal wheel-rail contact pressure due to a large curvature and severe wheel wear due to more revolutions. To fully exploit the potential of small-radius wheels, two countermeasures to overcome these challenges are further investigated. The first countermeasure is to design a new profile for the wheel with a radius of 275 mm by using multi-objective optimization. The rotary-scaling fine-tuning (RSFT) method, introducing two design variables is employed to generate 81 profile samples in Chapter 4, and eight simulation scenarios including seven curves and one straight track are created to obtain the short-term performance of these profiles. The wear rate, critical hunting speed, wheel-rail contact pressure and the lateral wheel-rail force are regarded as optimization targets while evaluation criteria of the running safety such as derailment coefficient and the sum of guiding force are set as constraints. This multi-objective optimization problem is transformed into a single function by using the scalarization method and weights, and the optimum profile is obtained by checking the surface response. Two alternative profiles, namely the Opt1 and Opt2 profiles are obtained to balance the hunting stability and wheel damage on the premise of running safety. The results show that the optimized profiles could affect the hunting stability and normal contact pressure but they do not have too much benefit in terms of reducing the long-term wheel wear. The second countermeasure is to use hydraulic bushings with frequency-dependent stiffness for axlebox guidance to improve the radial-steering ability of the bogie and then reduce the wheel wear. The working theory of this kind of bushing is presented in Chapter 5. It could provide low longitudinal stiffness when the wheelset yaw frequency is below 1 Hz, and the bushing stiffness becomes much larger when the wheelset yaw frequency exceeds 2 Hz. This frequency-dependent stiffness characteristic enables to achieve high stability on straight tracks and good curving performance in curves, which is validated in many simulation scenarios. Besides, the long-term wheel wear can be largely decreased using this type of bushing and its effectiveness is also proven in the crossing panel. In summary, using the hydraulic bushing might be a perfect solution against the performance loss of small-radius wheels, and on-track tests should be conducted in the future to validate its effectiveness.
Einige spezielle Schienenfahrzeuge wie Taschenwagen und Doppelstockpersonenwagen erfordern aufgrund der Beschränkung der strukturellen Maße eine deutlich niedrigere Bodenhöhe. Die Bodenhöhe dieser Fahrzeuge in Fahrtrichtung ist in den meisten Fällen nicht einheitlich, da die Bodenhöhe über den Drehgestellen in der Regel höher ist als an anderen Stellen. Dies verlängert die Ein- und Ausstiegszeit für Personenwagen und verringert die Ladekapazität für Taschenwagen. Am Beispiel eines Doppelstockwagens beträgt die Höhe jeder Etage etwa 2000 mm, während die minimale strukturelle Höhe in Deutschland bei 4800 mm liegt. Daher beläuft sich die Bodenhöhe der unteren Etage über der Oberkante der Schiene unter Berücksichtigung der Bodendicke in der Regel auf weniger als 550 mm. Allerdings werden für Doppelstockwagen häufig Räder mit einem Radius von 460 mm verwendet, wobei die Bodenhöhe über dem Drehgestell etwa 1200 mm beträgt. Dadurch entsteht ein Höhenunterschied von 650 mm oder mehr zwischen der unteren Etage und dem Verbindungsabschnitt über den Drehgestellen. Es sind mehrere Treppen zur Überwindung des Höhenunterschieds zwischen der unteren Etage und dem Verbindungsabschnitt vorgesehen, was die Mobilität in Fahrtrichtung erheblich verringert. Um den Höhenunterschied zu beseitigen oder zu verringern, wird in dieser Arbeit der potenzielle Nutzen von Rädern mit kleinem Radius aus der Perspektive der Fahrwerksdynamik diskutiert. Der Einfluss der Verringerung des Radradius von 460 auf 210 mm und der Veränderung der entsprechenden Masseeigenschaften auf das Fahrverhalten eines Personenwagons, einschließlich Jagdstabilität, Kurvenverhandlungsleistung, Langzeit-Verschleißverhalten, Leistung in Schienenweichen und -kreuzungen usw., werden in Kapitel 3 unter Verwendung von Simulationstechnik eingehend diskutiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Reduzierung der Radgröße aufgrund der geringeren ungedämpften Masse die Rad-Schiene-Interaktion mildern kann. Es gehen damit jedoch einige Herausforderungen einher, wie zum Beispiel der Verlust der Jagdstabilität, hoher Druck in der Rad-Schiene-Kontaktfläche aufgrund großer Krümmungen und starke Radverschleißerscheinungen aufgrund von mehr Umdrehungen. Um das Potenzial von Rädern mit kleinem Radius voll auszuschöpfen, werden zwei Gegenmaßnahmen zur Bewältigung dieser Herausforderungen weiter untersucht. Die erste Gegenmaßnahme besteht darin, ein neues Profil für das Rad mit einem Radius von 275 mm unter Verwendung der Mehrzieloptimierung zu entwerfen. Die Methode der Rotary-Scaling-Feineinstellung, bei der zwei Designvariablen eingeführt werden, wird verwendet, um 81 Profilmuster in Kapitel 4 zu generieren. Acht Simulationsszenarien, darunter sieben Kurven und eine gerade Strecke, werden erstellt, um die kurzfristige Leistung dieser Profile zu ermitteln. Die Verschleißrate, kritische Jagdgeschwindigkeit, Rad-Schiene-Kontaktdruck und seitliche Rad-Schiene-Kraft werden als Optimierungsziele betrachtet, während Bewertungskriterien für die Laufsicherheit wie Entgleisungskoeffizient und Summe der Führungskraft als Einschränkungen festgelegt werden. Dieses Mehrzieloptimierungsproblem wird unter Verwendung der Skalarisierungsmethode und Gewichte in eine einzige Funktion umgewandelt, während das optimale Profil durch Überprüfung der Oberflächenreaktion ermittelt wird. Zwei alternative Profile, Opt1 und Opt2, werden erhalten, um die Jagdstabilität und den Radverschleiß im Rahmen der Laufsicherheit auszugleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimierten Profile die Jagdstabilität und den normalen Kontaktdruck beeinflussen können, aber in Bezug auf die Reduzierung des langfristigen Radverschleißes nicht allzu vorteilhaft sind. Die zweite Gegenmaßnahme besteht darin, hydraulische Armdämpfer mit frequenzabhängiger Steifigkeit zu verwenden, um die radiale Lenkfähigkeit des Drehgestells zu verbessern und den Radverschleiß zu reduzieren. Die Arbeitsweise dieser Art von Dämpfer wird in Kapitel 5 vorgestellt. Dieser Ansatz kann eine geringe longitudinale Steifigkeit bieten, wenn die Gierfrequenz des Radsatzes unter 1 Hz liegt. Die Dämpfersteifigkeit wird wesentlich größer, wenn die Gierfrequenz des Radsatzes 2 Hz überschreitet. Diese frequenzabhängige Steifigkeit ermöglicht eine hohe Stabilität auf geraden Strecken und gute Leistung in Kurven, was in vielen Simulationsszenarien validiert wurde. Darüber hinaus kann der langfristige Radverschleiß durch die Verwendung dieser Art von Dämpfer erheblich reduziert werden. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes wurde auch in der Kreuzungsbahn bestätigt. Zusammenfassend könnte die Verwendung des hydraulischen Armdämpfers eine perfekte Lösung gegen den Leistungsverlust von Rädern mit kleinem Radius sein. In Zukunft sollten On-Track-Tests durchgeführt werden, um die Wirksamkeit zu validieren.