Wheel Polygonization in Trams: Mechanisms and Mitigation Strategies

Abstract

Long-time wear development studies at specific tram lines have pointed out the development of polygonal wheels, which is a widespread problem throughout the different types of rolling stocks. Polygonal wheels insist persistent periodic oscillations of the wheelset, especially in the vertical direction, having a detrimental impact on ride comfort, vehicle--track components, impact noise, ground-borne vibration and the life cycles of the wheels. However, its formation mechanisms are yet not fully understood.Trams differ from conventional railways essentially and their unique characteristics may lead to specific phenomena. Fundamental research into the mechanism of wheel polygonization is necessary to introduce potential remedies. Oscillation phenomena appearing at the wheelset in curves with small radius of curvature may provide an environment where the wheel polygonization is promoted essentially and are the cumulative thesis's focus.To investigate the influence of relevant system parameters, a representative, generic system model applying a multibody dynamics simulation software is set-up. Simulation results revealed the possible appearance of vibrations with stable limit cycles. Effects from the falling friction in the lateral creep force--creepage characteristics have been identified as essential for the appearance of these self-excited vibrations. A basic 2-DOF model, representing a wheelset with non-driven, independently rotating resilient wheels, has been derived to understand key parameters that influence the onset and subsequent vibrational behaviour in detail. It has been found that a dominating motion in the regime with negative gradient of the lateral creep force--creepage characteristics is necessary for possible self-excitation, but is not sufficient for the considered parameter range. The combination and interaction of the lateral oscillations of the resilient wheel and laterally elastic wheelset axle is essential for amplification.Initial, small amplitude wheel out-of-roundness acts as continuous excitation in the vehicle-track system resulting in fluctuating contact forces, creepages and contact patch dimensions. Accompanied wear may influence the evolution of railway wheel polygonization significantly. A suitable wear model is implemented to study the evolution from initial out-of-round wheels to larger radius deviations with a dominant orders. Evolution tendency curves are discussed to analyse significant influences of tram characteristics on the wheel polygonization. It has been revealed that structural modes of the wheelset may dominate wheel evolution of predominant orders. The compliance and interaction of the wheelset axle and the resilient wheel may amplify the the evolution of dominant orders essentially. Wheel--rail contact conditions and related creep force--creepage characteristics appear to be decisive for the evolution directions and evolution speeds of corresponding orders.A dynamic vibration absorber applied on the wheelset may reduce oscillations at the wheelset significantly and is studied as a potential mitigation measure of wheel polygonization at trams. Its mechanism, performance, and basic design guidelines are analysed. Results showed that an adequately tuned absorber might reduce the possible development and further evolution of predominant polygonal orders.

Langzeitstudien zur Verschleißentwicklung bestimmter Straßenbahnlinien zeigen eine Polygonisierung der Radlaufflächen. Dieses Phänomen ist bei Schienenfahrzeugen weit verbreitet und führt zu anhaltenden, periodischen Schwingungen des Radsatzes, insbesondere in vertikaler Richtung. Die Schwingungen wirken sich nachteilig auf den Fahrkomfort, die Fahrzeug- und Gleiskomponenten, die Geräuschentwicklung sowie die Lebensdauer der Räder aus. Die genauen Ursachen der Polygonisierung sind noch nicht vollständig verstanden. Straßenbahnen unterscheiden sich erheblich von herkömmlichen Eisenbahnen und ihre charakteristischen Merkmale könnten spezifische Phänomene verursachen. Daher ist Grundlagenforschung in Bezug auf die Entstehungsmechanismen erforderlich, um potenzielle Abhilfemaßnahmen zu entwickeln. Diese kumulative Arbeit konzentriert sich auf Schwingungsphänomene am Radsatz während enger Bogenfahrten, die Randbedingungen schaffen können, wodurch die Polygonisierung der Räder erheblich begünstigt werden könnte.Um den Einfluss von relevanten Systemparametern zu untersuchen, wird ein repräsentatives generisches Systemmodell mit einer Mehrkörperdynamik-Simulationssoftware erstellt. Die Simulationsergebnisse offenbarten das potenzielle Auftreten von Schwingungen mit stabilen Grenzzyklen. Der Einfluss der fallenden Flanke in der lateralen Kraftschluss--Schlupf--Kurve erwies sich als möglicher Faktor für das Entstehen der selbsterregten Schwingungen. Ein simples 2-DOF-Modell, das einen nicht angetriebenen Losradsatz darstellt, wird abgeleitet, um die für das Auftreten und anschließende Schwingverhalten signifikanten Einflussfaktoren im Detail zu studieren. Die Analyse verdeutlichte, dass eine dominierende Bewegung im Regime mit negativem Gradienten in der lateralen Kraftschluss--Schlupf Kurve für eine mögliche Selbsterregung notwendig aber für den betrachteten Parameterbereich nicht hinreichend ist. Die Kombination und Interaktion zwischen dem gummigefederten Rad und der elastischen Radachse ist für eine Verstärkung der selbsterregten Schwingung signifikant.Initiale Radunrundheiten mit geringen Amplituden regen das System Fahrzeug und Gleis kontinuierlich an, was zu fluktuierenden Kontaktkräften, Schlupf und Kontaktgeometrien führt. Der damit einhergehende Verschleiß kann die Polygonisierung der Eisenbahnräder maßgeblich beeinflussen. Um die Entwicklung von initial unrunden Rädern zu größeren Radiusabweichungen mit einer dominanten Ordnung zu untersuchen, wird ein adäquates Verschleißmodell implementiert. Durch die Diskussion von Entwicklungstendenzkurven werden Einflüsse von charakteristischen Merkmalen der Straßenbahn auf die Polygonisierung der Räder analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass strukturelle Modi des Radsatzes einen maßgeblichen Einfluss auf die vorherrschenden Ordnungen an den Rädern ausüben können. Insbesondere die Kombination und die Wechselwirkung zwischen der Radsatzachse und dem gummigefederten Rad könnte die Entwicklung der vorherrschenden Ordnungen deutlich beschleunigen. Die Rad-Schiene--Kontaktbedingungen und die damit verbundenen Kraftschluss--Schlupf--Kurven scheinen entscheidend für die Entwicklungsrichtungen und -geschwindigkeiten der entsprechenden Ordnungen zu sein.Ein am Radsatz angebrachter dynamischer Schwingungsdämpfer kann die Schwingungen am Radsatz erheblich reduzieren und wird daher als potenzielle Maßnahme zur Verringerung der Radpolygonisierung bei Straßenbahnen eingehend analysiert. Die Wirkmechanismen, Effizienz und grundlegenden Gestaltungsrichtlinien des Schwingungstilger an der Radachse werden sorgfältig untersucht. Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein geeigneter Schwingungsdämpfer die mögliche Entwicklung und Weiterentwicklung der vorherrschenden polygonalen Ordnungen erheblich mindern könnte.