• Nie Znaleziono Wyników

Detection of early squats by axle box acceleration

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Detection of early squats by axle box acceleration"

Copied!
138
0
0

Pełen tekst

(1)

 

Detection of early squats  

by axle box acceleration 

(2)
(3)

 

Detection of early squats  

by axle box acceleration 

Proefschrift  ter verkrijging van de graad van doctor  aan de Technische Universiteit Delft,  op gezag van de Rector Magnificus prof. ir. K.C.A.M. Luyben,  voorzitter van het College voor Promoties,  in het openbaar te verdedigen op woensdag 9 january 2013 om 12:30 uur  door MARIA MOLODOVA  Master of Mechanics, Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Russia  geboren te Nizhny Novgorod, Russia 

(4)

  Copromotor    Dr.ir. Z.Li  Samenstelling promotiecommissie:  Rector Magnificus,   voorzitter  Prof. dr.ir. R.P.B.J. Dollevoet,   Technische Universiteit Delft, promotor   Dr.ir. Z.Li,   Technische Universiteit Delft, copromotor  Prof.dr.ir. J.G. Rots,   Technische Universiteit Delft  Prof.dr.ir. B. De Schutter,   Technische Universiteit Delft  Prof.ir. A.Q.C. van der Horst,   Technische Universiteit Delft  Ir. T. Sysling,   ProRail  Prof. N. Bowring,   Manchester Metropolitan University  Prof. Dr. Ir. L.J. Sluys,  Technische Universiteit Delft, reservelid  Published and distributed by:  Maria Molodova  Email: m.molodova@gmail.com  Road and Railway Engineering Section  Faculty of Civil Engineering and Geosciences  Delft University of Technology  P.O. Box 5048  2600 GA Delft  The Netherlands  ISBN   978‐94‐6203‐273‐6  Cover design: Maria Molodova  Printing: Wohrmann Print Service, Zutphen, the Netherlands  Copyright: © 2012 Maria Molodova  All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval  system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying,  recording, or otherwise without the prior permission of the proprietor. 

(5)

 

I dedicate this dissertation to my parents, Yulia and Vladimir 

   

(6)
(7)

Acknowledgments 

After  I  have  accomplished  my  PhD  research  in  the  Road  and  Railway  Engineering group  of  the Delft University of Technology (TU Delft) I would like to thank everyone who has been  helping me for all this time.  

I  would  like  to  thank  my  daily  supervisor  and  co‐promoter,  associate  professor  Zili  Li,  who  gave me the opportunity to come to Delft and guided me through all stages of my PhD. My  research benefited a lot from his experience in railway engineering, his critical reviews and  valuable suggestions. 

I  am  grateful  to  my  promoter,  Professor  Rolf  Dollevoet,  for  his  cooperation  during  my  research project. I would also like to express my gratitude to Professor André Molenaar, who  was my promoter for several years, for sharing with me his academic experience. I am also  grateful  to  Professor  Coenraad  Esveld  for  supervising  me during  the  first  year  of  my  PhD  study.  

I  would  like  to  acknowledge  Ton  Weel,  Roland  Bongenaar,  Gert  Jansen  from  Eurailscout;  Hans  van  der  Vecht  from  Cauberg‐Huygen  Raadgevende  Ingenieurs  BV;  Robbie  Klein  Wolterink  from  Klein  Wolterink  Automation;  and  Jan  Moraal  from  TU  Delft  for  their  cooperation in collecting the axle box acceleration data for this research. 

My special thanks go to Xin Zhao for our insightful discussions on squats and finite element  modelling.  I  would  also  like  to  thank  Nico  Burgelman  for  translating  the  summary  of  this  thesis into Dutch. 

I  am  very  grateful  to  the  secretary  of  Road  and  Railway  Engineering  group  of  TU  Delft,  Jacqueline  Barnhoorn  for  her  daily  assistance  in  various  issues.  I  am  also  grateful  to  the  former secretary Sonja van den Bos and former manager Abdol Miradi. 

I  would  like  to  thank  my  colleagues,  Valéry,  Maider,  Nico,  Milliyon,  Xin,  Mingliang,  Mohamad,  Chang,  Mauricio,  Shaoguang,  and  my  officemates  Pengpeng  and  Gang,  who  made my work at TU Delft pleasant. My special gratitude goes to my former colleagues Ivan  Shevtsov  and  Maryam  Miradi  for  their  generous  support  during  my  first  year  in  the  Netherlands. 

I  owe  deep  gratitude  to  my  friend  Ilia  Korjoukov  for  encouraging  me,  giving  me  the  inspiration, sharing his ideas on my research and even correcting this manuscript. Without  his support I would never have reached this.  

(8)

I  would  like  to  express  my  sincere  gratitude  to  my  parents,  Yulia  and  Vladimir,  who  encouraged me to follow my PhD study and supported me through all the years I spent in  the Netherlands. To them I dedicate this thesis.  

   

(9)

Summary 

This  thesis  discusses  a  new  method  for  detection  of  short  track  irregularities,  particularly  squats, with axle box acceleration (ABA) measurements.  

A squat is a surface initiated short track defect, associated with high frequency vibrations of  the  wheel‐rail  system.  High  stresses  in  the  contact  patch  at  squats  cause  accumulation  of  plastic  deformation  of  the  rail  and  growth  of  cracks.  Cracks  growing  in  the  subsurface  can  cause a rail fracture. Light squats can be treated by grinding of the rail surface; while mature  squats  lead  to  replacement  of  the  rail  section.  For  cost  effective  maintenance  policy  and  operational safety squats should be detected at an early stage. Detection of light squats is  the main aim of this study. 

Till  now,  ultrasonic  measurements  have  been  mainly  used  for  detection  of  squats.  By  that  method the depth of cracks is measured; hence, it is applicable only to detection of severe  squats  with  sufficiently  large  cracks.  In  the  present  work,  ABA  measurements  were  employed. The advantages associated with this method are that ABA measurements can be  performed on standard operating vehicles travelling with usual traffic speeds and squats can  be detected at their early stage.  The first goal of this study was to find a relationship between squats and ABA characteristics,  such as magnitude and frequency content, and apply them for detection of squats. To this  end, a three‐dimensional finite element (FE) model was applied for dynamic simulations of  the  wheel‐track  interaction  in  the  high  frequency  range.  By  parameter  variation,  the  influence of the geometry of squats, speed of the train and location of the squats relative to  the  sleepers  on  ABA  characteristics  was  studied.  Local  frequency  characteristics  of  ABA  at  squats were obtained and their relation with the severity of squats was established. These  frequency characteristics can be applied for detection of squats and their assessment.  

The  second  goal  was  to  improve  the  signal‐to‐noise  ratio  of  ABA  measurements  to  enable  detection  of  light  squats.  Several  methods  to  improve  signal‐to‐noise  ratio  of  ABA  measurements  were  suggested.  These  included  noise  reduction  techniques,  reduction  of  disturbances  from  the  wheel  defects  and  signal  enhancement  by  improvement  of  the  measuring  system  by  using  longitudinal  ABA.  Owing  to  the  improvement  of  the  signal‐to‐ noise ratio, the hit rate of moderate squats increased from 60% to 100% and the hit rate of  light squats together with trivial defects1 increased from 57% to 85%. Since light squats are          1  Trivial defects are small rail surface defects which are so small that they will be worn away, and will therefore  not grow into squats. 

(10)

larger than trivial defects and, therefore, easier to detect, the hit rate of light squats, which  depends on the threshold that separates light squats from trivial defects, is higher. 

The third goal was to develop an algorithm for automatic detection of squats, which enables  continuous analysis of track. The initial results indicated that 78% of light squats and trivial  defects can be detected automatically by ABA. The hit rate of severe squats was 100%.  

The  presented  ABA  method  enables  automatic  detection  of  squats  at  their  earliest  stage,  when preventive and early corrective actions can be taken. The employment of such method  can significantly reduce life cycle costs of a track infected by squats. 

(11)

Samenvatting 

Deze  thesis behandeld een  nieuwe  methode  voor  de  detectie  van  kleine  oneffenheden  op  de spoorstaaf, in het bijzonder squats, met behulp van metingen van de aspotversnellingen  (Axle Box Accelerations, ABA). 

Een  squat  is  een  gebrek  aan  de  spoorstaaf  dat  ontstaat  in  het  spoorstaafoppervlak,  het  wordt gelinkt met hoogfrequente trillingen in het wiel/spoor systeem. De hoge spanningen  in  het  contactoppervlak  tussen  wiel  en  spoorstaaf  ter  hoogte  van  de  squats,  veroorzaken  een  accumulatie  van  plastische  vervorming  en  scheurgroei  in  de  spoorstaaf.  Lichte  squats  kunnen  weggewerkt  worden  door  het  spoorstaafoppervlak  te  slijpen, bij  volgroeide  squats  moet een stuk spoorstaaf vervangen worden. Om een kostenefficiënte politiek te voeren en  de  operationele  veiligheid  te  garanderen  moeten  squats  op  tijd  gedetecteerd  worden.  De  detectie van lichte squats is het belangrijkste doel van deze studie. 

Tot  nog  toe  werden  vooral  ultrasone  metingen  gebruikt  voor  de  detectie  van  squats.  Die  methode  meet  de  diepte  van  de  scheuren,  daarom  is  deze  methode  alleen  geschikt  voor  volgroeide  squats  die  voldoende  grote  scheuren  bevatten.  In  deze  studie  worden  ABA  metingen  gebruikt.  Het  voordeel  is  dat  de  ABA  kunnen  gemeten  worden  op  gewone  diensttreinen aan normale snelheid, zo kunnen squats gedetecteerd worden hun een vroeg  stadium. 

De  eerste  stap  was  om  een  relatie  te  vinden  tussen  de  squats  en  de  gemeten  ABA  karakteristieken,  zoals  amplitude  en  frequentie‐inhoud,  deze  relatie  kan  dan  aangewend  worden voor de detectie van squats. Hiervoor werd een driedimensionaal eindige elementen   (Finite  Elements,  FE)  model  ontwikkeld,  dat  kan  gebruikt  worden  om  de  interactie  tussen  wiel  en  spoorstaaf  te  simuleren  in  het  hoogfrequente  gebied.  De  invloed  op  de  ABA  karakteristieken van de geometrie van de squats, de snelheid van de trein en de positie van  de squats ten opzichte van de dwarsliggers, werd bestudeerd. De lokale karakteristieken van  de  ABA  rond  de  squats  werden  gerelateerd  aan  de  ernst  van  de  squats.  Deze  frequentiekarakteristieken kunnen dan aangewend worden om squats te detecteren en hun  ernst te bepalen. 

De tweede stap was om de signaal‐ruisverhouding van het ABA signaal te verbeteren zodat  ook  lichte  squats  gedetecteerd  kunnen  worden.  Er  werden  verschillende  methodes  gesuggereerd  om  de  signaal‐ruis  verhouding  te  verbeteren:  ruisreductie  technieken,  reductie  van  storingen  door  wielgebreken,  verbetering  van  het  meetsysteem  en  signaal  opwaardering  door  het  gebruik  van  longitudinale  ABA.  Door  deze  verbeteringen  in  de  signaal‐ruisverhouding is het percentage middelmatige squats dat gedetecteerd kan worden 

(12)

gestegen  van  60  tot  100%.  Het  trefpercentage  voor  lichte  squats  samen  met  onschuldige  gebreken1  is gestegen van 57 tot 85%. Lichte squats zijn groter dan onschuldige gebreken en  daardoor  gemakkelijker  te  detecteren,  daarom  is  het  trefpercentage  voor  lichte  squats  hoger.  Dit  trefpercentage  is  afhankelijk  van  de  drempel  die  gehanteerd  wordt  om  licht  squats van onschuldige gebreken te onderscheiden. 

De derde stap was een algoritme te ontwikkelen dat die automatische detectie van squats  mogelijk  maakt,  dat  maakt  doorlopende  analyse  van  het  spoor  mogelijk.  De  eerste  resultaten wijzen erop  dat  78%  van  de  lichte squats  en  onschuldige gebreken  automatisch  kunnen opgespoord worden. Het trefpercentage voor zware squats is 100%.  De gepresenteerde methode laat toe squats te detecteren in hun vroegste stadium, op tijd  om preventieve en correctieve maatregelen te nemen. De toepassing van deze methode kan  totale levenskosten van een spoor met squats significant verlagen.              1  Onschuldige gebreken zijn gebreken op het spoorstaafoppervlak, die zo klein zijn dat ze zullen wegslijten en  dus niet tot squats zullen uitgroeien 

(13)

Abbreviations 

ABA  axle box acceleration  RCF  rolling contact fatigue  FE  finite element  3D  three‐dimensional  STFT  short time Fourier transform  CWT  continuous Fourier transform  PSD  power spectral density  WPS  wavelet power spectrum  SAWP  scale averaged wavelet power  RMS  root mean square error     

(14)

 

 

(15)

Table of contents 

ACKNOWLEDGMENTS ...I  SUMMARY ... III  SAMENVATTING ... V  ABBREVIATIONS ... VII  1.  INTRODUCTION ... 1  1.1.  Track defects ... 1  1.2.  Squats ... 2  1.2.1.  Characteristics of squats ... 2  1.2.2.  Historical background ... 3  1.2.3.  Initiation of squats ... 4  1.2.4.  Growth of squats ... 5  1.3.  Detection and assessment of short track irregularities ... 6  1.3.1.  Feasibility of track inspection methods for early detection of squats... 6  1.3.2.  Novelty of the current research ... 8  1.3.2.1  Periodic or isolated defects ... 8  1.3.2.2  Frequency range ... 8  1.3.2.3  Local characteristics of short irregularities ... 10  1.4.  Research approach ... 10  1.5.  Chapter outline ... 12  2.  FEASIBILITY STUDY OF ABA MEASUREMENTS FOR EARLY DETECTION OF SQUATS 13  2.1.  Introduction ... 13  2.2.  Trial measurements ... 13  2.2.1.  Instrumentation setup ... 13  2.2.2.  Track defects ... 14  2.2.2.1  IRIS ... 14  2.2.2.2  Monitoring ... 14 

(16)

2.2.3.  Measurements in Zuid Holland ... 16  2.2.4.  Measurements in Weert ... 17  2.3.  Detection of squats ... 17  2.4.  Relation between ABA and size of a squat ... 19  2.5.  Time‐frequency techniques ... 20  2.6.  Conclusions ... 22  3.  FE MODELLING OF ABA AND VALIDATION ... 24  3.1.  Introduction ... 24  3.2.  FE model ... 25  3.2.1.  Geometry... 25  3.2.2.  Solution procedure ... 27  3.2.3.  Length of the modelled track ... 28  3.3.  Simulation of a rail surface defect with uniform lateral profile ... 28  3.3.1.  Artificial defect ... 28  3.3.2.  Dependence of ABA on vertical‐longitudinal profile of defect ... 30  3.3.3.  Comparison with measured ABA ... 31  3.3.4.  Frequency content of ABA at the defect ... 33  3.4.  Simulation of a class C squat ... 35  3.4.1.  Geometry of a squat ... 35  3.4.2.  Comparison with measured ABA ... 36  3.4.3.  Influence of the vertical‐longitudinal profile of the squat to ABA ... 37  3.4.4.  Frequency content of ABA at the squat ... 39  3.5.  Conclusions ... 41  4.  SIGNATURE TUNES OF SQUATS ... 43  4.1.  Introduction ... 43  4.2.  Variation of defect’s geometry ... 43  4.2.1.  Modelling of defects ... 43  4.2.2.  ABA at varied geometry of short track defects ... 46 

(17)

4.2.3.  PSD of ABA at a range of defect sizes ... 48  4.3.  Variation of train speed ... 50  4.3.1.  Geometry of the modelled defect ... 50  4.3.2.  ABA with varied speed ... 51  4.3.2.3  ABA wavelength ... 51  4.3.2.4  ABA magnitude ... 52  4.3.3.  PSD of ABA with varied speed ... 53  4.4.  Variation of location of a squat ... 53  4.5.  Track parameters ... 56  4.5.1.  Frequency response function of the track ... 56  4.5.1.1  FE model ... 56  4.5.1.2  Classification of the track vibration modes ... 57  4.5.1.3  Modes of vibrations ... 58  4.5.1.4  Validation of the frequency response function ... 60  4.5.2.  Relation between signature tunes of squats and track parameters... 61  4.6.  Conclusions ... 62  5.  ASSESSMENT OF SEVERITY OF SQUATS BY ABA ... 64  5.1.  Introduction ... 64  5.2.  Regression analysis ... 64  5.3.  Data ... 65  5.4.  Relation between the squat and ABA magnitude ... 67  5.4.1.  Defects with battered edges ... 67  5.4.2.  All defects ... 69  5.4.3.  Reduced model... 70  5.5.  Relation between the squat and the power spectrum of ABA ... 71  5.5.1.  Defects with battered edges ... 72  5.5.2.  All defects ... 72  5.6.  Validation of the Regression Models ... 74  5.6.1.  Validation of relation between ABA magnitude and squats ... 75 

(18)

5.6.2.  Validation of relation between PSD300Hz and squats ... 77  5.7.  Conclusions ... 78  6.  IMPROVEMENTS OF THE ABA MEASURING SYSTEM ... 79  6.1.  Introduction ... 79  6.2.  Wheel vibrations ... 79  6.2.1.  Modes of vibration of the wheel ... 79  6.2.2.  Transfer function ... 81  6.3.  ABA measurements with improved instrumentation ... 83  6.4.  Improvement of signal processing of ABA ... 84  6.4.1.  Noise reduction ... 84  6.4.2.  Effect of noise reduction on the detection of light squats ... 85  6.4.3.  Reduction of the influence of wheels’ defect on ABA ... 87  6.5.  Hit rate of light squats ... 90  6.6.  Conclusions ... 90  7.  AUTOMATIC DETECTION OF SQUATS ... 91  7.1.  Introduction ... 91  7.2.  Validation of signature tunes of squats ... 91  7.2.1.  Small rail surface defects ... 91  7.2.2.  Light squats ... 92  7.2.3.  Moderate and severe squats ... 93  7.3.  Signature tunes of other short track irregularities ... 95  7.3.1.  Insulated joints ... 95  7.3.2.  Thermite welds ... 96  7.4.  Automatic detection ... 97  7.4.1.  Scale averaged wavelet power ... 97  7.4.2.  Evaluation of prediction ... 98  7.4.3.  Detection procedure ... 98  7.4.4.  Prediction ... 101 

(19)

7.4.4.1  Detection of light squats ... 101  7.4.4.2  Severe squats ... 102  7.5.  Conclusions ... 104  8.  CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS ... 105  8.1.  Conclusions ... 105  8.1.1.  Frequency characteristics of squats ... 105  8.1.2.  Assessment of severity of squats ... 105  8.1.3.  Speed dependency ... 106  8.1.4.  Wheel state ... 106  8.1.5.  Track parameters ... 106  8.1.6.  Improvement of signal‐to‐noise ratio ... 107  8.1.6.1  Instrumentation ... 107  8.1.6.2  Signal processing ... 107  8.1.7.  Automatic detection of squats ... 107  8.2.  Recommendations ... 108  9.  REFERENCES ... 109  CURRICULUM VITAE ... 116  RELEVANT PUBLICATIONS ... 117 

 

(20)
(21)

1. I

NTRODUCTION 

 

Condition  monitoring  of  the  railway  track  is  very  important  for  timely  maintenance.  Therefore,  many  methods  for  detection  of  track  irregularities  have  been  developed.  The  objective of this research is to investigate the possibility of early and automatic detection of  local  isolated  short  track  irregularities.  The  study  is  focused  on  detection  of  squats.  This  chapter reviews the main studies on squats that have been made so far. Then, an overview  of methods for detection and assessment of short track irregularities is made.  

1.1. TRACK DEFECTS 

In  recent  years  railways  have  experienced  significant  changes  in  the  vehicle‐track  interaction, caused by the increase in axle load and operational speed. The consequences of  these changes are higher stresses at the wheel‐rail interface. The situation is aggravated by  track irregularities.  

Track  irregularities  associated  with  low  frequency  vibrations  may  cause  discomfort  to  passengers and damages to cargo. Such irregularities, which normally have a length longer  than 3 meters are often called long track irregularities. Examples of long track irregularities  include poor track alignments, switches, level crossings and bridges. 

Track irregularities shorter than about 3 m are often referred to as short track irregularities.  Examples of short track irregularities include squats, corrugation, thermite welds with poor  finishing  quality,  insulated  joints,  blades  and  frogs  of  switches  and  crossings  (Figure  1.1).  They can cause large dynamic contact forces and wheel‐rail vibrations in the mid‐ and high  frequency  ranges.  According  to  [1]  the  mid‐frequency  range  is  40‐400  Hz  and  the  high  frequency range is 400‐2000 Hz or even higher. 

Short  track  irregularities  are  detrimental  to  the  wheel‐rail  interface  and  the  track  infrastructure due to the impacting nature of the interaction. Excessive contact forces cause  increase of stresses in the contact patch and accumulation of plastic deformation of the rail.  Moreover,  they  lead  to  initiation  and  propagation  of  cracks,  damages  in  the  track  infrastructure such as fastening and sleepers, fast deterioration of the track and rolling noise  emission.  Deterioration  of  the  track  influences  the  operational  safety,  since  the  growth  of  cracks, if not controlled, may cause rail fracture.  

When damage of the rail exceeds a certain value, the rail should be replaced, which involves  high maintenance costs and reduces the availability of the network. However, if damage is  detected at a proper time, low cost preventive maintenance actions, like grinding of the rail, 

(22)

may  be  taken.  Hence,  measurements  which  are  appropriate  for  diagnosis  of  the  track  technical state are needed.           (a) – Squat  (b) – Corrugation           (c) – Insulated joint  (d) – Two squats initiated at a thermite weld  Figure 1.1 Short track irregularities.  1.2. SQUATS  A squat is one of the most dangerous short track irregularities. At an early stage squats can  be treated by grinding of a thin layer from the rail surface. At the late stage squats always  lead to rail replacement. If not treated in time, the cracks may grow in the subsurface and  cause rail break. Therefore, for cost effective maintenance policy squats should be detected  at an early stage. Early detection of squats is the focus of this study.  1.2.1. Characteristics of squats  Squats are generally considered as surface initiated defects [2]. Squats can be classified as  being  light,  moderate  and  severe,  or  class  A,  B,  and  C  correspondingly  [3],  see  Figure  1.2.  Light squats are also called early squats, initiating squats, or squats seeds. 

A severe squat is normally characterized by localized depression of the contact surface of the  rail  head  that  can  have  a  shape  of  two  lungs,  accompanied  by  a  dark  spot  with  V,  U,  Y  or  circular shaped cracks [4]. It is believed that the cracks are initiated in the surface [4]. These  cracks propagate inside the rail head at a shallow angle to the surface, and grow till about 3– 6  mm  deep  in  the  subsurface,  before  they  branch  downward  transversely  [5].  Another  characteristic is widening of the running band, as a result of plastic deformation caused by  the impact wheel‐rail interaction.  

(23)

At  the  light  stage  squats  usually  do  not  bear  these  characteristics  that  are  typical  of  moderate  and  severe  squats.  At  the  last  stage  the  lung  shape  might  become  less  obvious,  but the nearly circular boundary due to the widening of the running band can still be seen  [4]. The cracks may become more visible in the surface.  

                 

  (a) – Light   (b) – Moderate   (c) – Severe  Figure 1.2 Squats: class A – light, class B – moderate, and class C – severe. 

1.2.2. Historical background 

A squat is a type of rolling contact fatigue (RCF) damage. It was first reported in Japan in the  1950s [4],[6]. In the 1970s squats became known in the UK [7]. In France they were reported  in the early eighties [8].  

To  understand  the  squats’  phenomena,  research  on  squats  has  been  carried  out  over  the  past  decades  in  several  countries.  In  Japan,  Masumoto  et  al.  [9]  attempted  to  reproduce  squats  through  RCF  tests.  The  test  setup  consisted  of  two  discs  rotating  in  the  opposite  direction. Slipping on the contact surfaces was generated by a difference in circumferential  speed. A normal load was applied to represent the wheel load. The resulting defects (squats  and head checks) were similar to those found on the running surface. The defects initiated  on the contact surface; for their initiation tangential component of the load was necessary in  addition to the normal load. The effect of microstructure of rail steels on the initiation and  propagation of cracks was also investigated.  

Kondo  et  al.  [5]  discussed  hypotheses  for  causes  of  the  Shinkansen  rail  surface  shelling,  which  was  similar  to  squats.  They  mentioned  the  following  causes  of  such  phenomenon:  dents  due  to  entrapped  solids  between  wheel  and  rail,  deformation  of  the  rail  top  due  to  rolling of the wheels, high dynamic load from wheel flats and increased wheel torque. The  formation and growth of the cracks was also considered.  

Ishida  et  al.  [10]  studied  the  effect  of  preventive  grinding  on  reduction  of  the  number  of  squats.  The  study  combined  theoretical  modelling,  laboratory  experiments  with  twin  disc  machine and field tests. They observed that the number of squats was decreasing as a result  of grinding.  class A  Wave pattern class B  Cracks class C  Crack  Wave pattern 

(24)

In the UK, Clayton and Hill [11] investigated RCF behaviour under water‐lubricated condition  through a laboratory test. The results of the test showed plastic deformation on the surface  and surface‐initiated cracks in the specimen, similar to the ones at squats.   Bold et al. [12] studied the surface‐initiated cracks growing at a shallow angle to the surface  which appear at squats. The loading, experienced by RCF cracks and the growth rate of the  cracks were calculated. 

Cannon  and  Pradier  [13]  presented  a  review  of  an  RCF  research  program  of  the  European  Rail Research Institute started in 1987. The purpose of the program was to understand the  RCF problem and develop means to control or eliminate it. The program involved theoretical  analyses, laboratory and field tests. The authors indicated factors significant for RCF, such as:  head  hardened  rails  showed  improved  fatigue  resistance,  while  lubrication  of  the  rails  encouraged the development of cracks. 

Bogdanski et al. in [14] introduced 2D modelling of a squat‐type crack, where the influence  of crack inclination angle, residual stresses, traction load and the liquid trapped in the crack  were studied. In [15] Bogdanski et al. presented a 3D finite element model of a squat‐type  crack. The stress state in the vicinity of the crack front was determined and the values and  ranges  of  the  stress  intensity  factors  at  the  crack  front  were  calculated.  In  his  later  paper  Bogdanski  et  al.  [16]  studied  the  liquid  entrapment  mechanism  for  a  squat‐type  crack  through 3D finite element modelling.  

Squats  are  also  an  important  RCF  problem  for  the  Dutch  Railways  (ProRail)  [3],  [17].  Therefore,  ProRail  have  launched  a  project  which  aimed  at  the  causes  of  squats,  their  initiation and early detection. Some results of the study on squats that have been reported  by Li et al. in [4], [17], [18], and [19] are summarized below.  1.2.3. Initiation of squats  Squats mainly occur on tangent tracks, shallow curves, at switches and crossings. They may  appear as individual isolated defects or as closely spaced multiple defects. Multiple defects  are more dangerous, because multiple rail fractures may occur, causing significant gaps in a  rail.  

A  squat  may  initiate  at  any  geometrical  deviation  which  can  cause  sufficiently  large  stress  and  strain,  resulting  in  localized  deformation  [17],  [20].  Indentation  by  hard  objects  in  the  wheel–rail  contact  is  one  of  the  sources  of  squat’s  initiation  [3],  [4],  [5],  [17].  The  indentations can be caused by ballast stones [5]. Indentations may also be caused by other  hard objects, such as balls from roller bearings or from aerosol paint [4], indented in wheels 

(25)

and  brought  forward.  In  this  case  multiple  indentations  with  a  periodicity  equal  to  the  wheel’s circumference (about 3 m) can often be observed.  

Another source of initiation of squats is differential wear and differential plastic deformation  [17],  [19].  Normally,  both  wear  and  plastic  deformation  are  uniform  along  the  rails.  However,  if  large  contact  forces  are  excited  at  a  certain  place  at  each  wheel  passage,  differential wear  and/or  deformation  will  occur  at  that  place.  Such  wear  and  deformation,  when  it  is  accumulated  to  certain  amount,  may  become  a  source  of  squat’s  initiation.  Sometimes short wave defects in rail, rail pads, fastening, and sleepers may excite the large  dynamic contact force that is necessary for squat’s initiation and growth, repeatedly at the  same location so that differential wear and plastic deformation occur.  

Short  pitch  corrugation  is  the  consequence  of  periodic  differential  wear  or  plastic  deformation which is related to the occurrence of squats. In [4] it was reported that 33% of  squats  initiated  from  the  corrugation  and  another  41%  had  corrugation‐like  wave  pattern  after them. That suggests that development of corrugation and squats may be related to the  same  local  natural  characteristics  of  the  track.  A  corrugation‐related  squat  is  counted  as  a  squat only when a locally dented rail surface is observed.  

Thermite  welds  and  flash  butt  welds  often  have  differential  wear  and  deformation,  due  to  material inhomogeneity at the heat affected zone. Figure 1.1(d) shows two squats initiated  at  a  thermite  weld.  Spin  and  sliding  damages  by  wheels  during  traction  and  braking  is  a  frequent  initiation  source  of  squats  [4].  Some  wheel  slide  protection  systems  allow  large  wheel slip accompanied by large tangential contact force. Hence, they may promote squat  initiation and growth.  

Rail surface defects which were not removed completely by grinding (like previous squats or  head checks) may also cause squats.  

It  has  been  mentioned  above  that  severe  squats  are  characterized  by  cracks.  However,  initiating  squats  are  usually  free  from  cracks,  since  indentations,  corrugation,  welds,  differential wear and differential plastic deformation usually do not contain cracks.    

1.2.4. Growth of squats 

Observations  of  rail  surface  defects  have  shown  that  not  all  of  them  can  grow  into  squats  [18]. According to [2], rail surface defects can be divided by their mechanisms of initiation  and  growth  into  two  categories:  the  passive  and  the  active  types.  The  active  type,  like  corrugation,  differential  wear  and  differential  deformation,  are  self‐initiated.  The  passive  type,  like  the  ones  caused  by  wheel  slip  or  indentations,  can  be  smoothed  out  by  wear  and/or plastic deformation, if they are small enough.  

(26)

If the size of a rail surface defect exceeds a critical size, it may grow into a squat. In [18] the  critical size has been found to be 6–8 mm for both the rolling and the transverse directions  in  the  case  the  traction  and  braking  efforts  are  maximal  for  the  Dutch  railways.  The  rail  surface  defects  that  exceed  the  critical  size  are  considered  in  this  thesis  as  light  squats.   Defects those are below this threshold are considered as trivial.  In [17] a squats’ growth process has been postulated based on numerical simulation of a rail  surface defect without cracks. The postulation has been validated in [4]. A small rail surface  defect (like the one in Figure 1.2(a)) excites a dynamic contact force of a certain wavelength  with a series of peaks. These contact force peaks are repeated at every wheel passage at the  same location, causing localized differential wear and differential plastic deformation. After  many wheel passages, the deformation caused by the contact force peaks forms the specific  lung‐like shape of a mature squat and the wave pattern that follows it (see Figure 1.2(c)).   1.3. DETECTION AND ASSESSMENT OF SHORT TRACK IRREGULARITIES 

Current  methods  for  track  inspection  may  be  divided  into  several  groups:  ultrasonic  and  eddy  current  measurements,  visual  methods,  strain  gauge  instrumented  wheelsets  and  accelerometer‐based methods. Feasibility of these methods for early detection of squats is  discussed below. 

1.3.1. Feasibility of track inspection methods for early detection of squats 

Ultrasonic test vehicles for inspection of a railway track were introduced in Germany about  50  years  ago  [21].  Kondo  et  al.  [5]  reported  that  ultrasonic  measurements  and  visual  inspection  for  detection  of  the  shelling,  which  is  similar  to  squats,  had  been  performed  in  Japan since 1971. However, ultrasonic measurements may be applied only for detection of  squats with cracks, which mainly appear at the late stage of squat and it is reliable only when  the cracks are deeper than 5 mm. Therefore, this method is inappropriate for early detection  of squats. Visual inspections are subjective to the experience of the inspectors. Besides, they  are unsafe for the inspectors and are labour intensive.  Thomas et al. [21] discussed a combination of ultrasonic and eddy current measurements for  track  inspection.  It  was  reported  that  such  combination  can  improve  detection  and  classification  of  welds,  rail  joints,  and  head  checks,  compared  to  results  of  only  one  test  method.  However,  the  authors  admitted  that  determination  of  depth  of  squats  was  problematic with both inspection techniques.  

Strain gauge instrumented wheelsets can be used for measurements of vertical, longitudinal  and  lateral  forces.  Magel  et  al.  [22]  utilized  instrumented  wheelsets  to  evaluate  adhesion,  peak  curving  tractions,  wheel  climb  index  and  RCF  damage.  The  standard  method  of 

(27)

measuring wheel‐rail  contact  forces  by  instrumented  wheelsets  includes  frequencies  up  to  90 Hz [23]. However, detection of squats requires higher frequency signals to be measured  and  analysed  [17].  Gullers  et  al.  [23]  and  Nielsen  [24]  discussed  a  method  to  measure  the  high‐frequency contents (up to 2 kHz) of the contact force using instrumented wheelsets. A  new method of signal processing including suppression of disturbing wheel resonances was  introduced. The method showed a correlation between high values of the contact forces and  several  types  of  track  irregularities,  such  as  bad  rail  joints,  indentations  from  damaged  wheel,  corrugations,  and  stiff  rail  pads.  Although  an  instrumented  wheelset  is  capable  to  measure wheel‐rail contact forces, it might be sensitive to damage of the wheel tread; it is  also an expensive tool which is not available to most researchers and daily operation of infra  managers.  

Berry  et  al.  [25]  presented  an  image‐based  visual  inspection  system  that  can  detect  the  cracks  in  fishplates  of  rail  joints.  This  system  was  developed  and  tested  to  capture  high  quality digital video images of fishplates from a moving vehicle. A similar system can also be  applied  to  inspection  of  the  rail  surface.  However,  it  can  be  difficult  in  distinguishing  between squats and contaminations; further, an image does not reflect the dynamic wheel‐ rail interaction, therefore, it cannot predict the growth rate of squats.  

Delprete  and  Rosso  [26]  developed  a  transducer  for  measuring  vertical,  lateral  and  longitudinal contact forces. Since the transducer is installed on the rail web, by this method  only the local forces can be measured. This method, as well as other wayside measurements,  is not applicable for continuous monitoring along the track.  

Grassie [27] introduced a trolley profilometer to measure the vertical‐longitudinal profile of  the  rail  at  short  pitch  corrugation.  The  profile  was  measured  using  an  accelerometer  mounted in a resilient suspension relative to the trolley at a speed of about 0.7 m/s. Double  integration was used to get vertical‐longitudinal profile of the rail. In [28] Grassie concluded  that  the  advantage  of  the  axle  box  acceleration  (ABA)  measuring  technique  compared  to  other  methods  of  measurement  of  railhead  vertical‐longitudinal  profile  is  the  ability  to  measure the irregularities of the rail at line speeds.  

Since  accelerometer‐based  methods  are  feasible  for  measuring  the  rail  irregularities,  and  besides,  have  the  advantages  of  being  simple  and  cheap  compared  to  most  of  other  methods, further literature study was made on such methods, which is presented below. 

(28)

1.3.2. Novelty of the current research  1.3.2.1 Periodic or isolated defects  Lewis [29] ‐ [30] presented an inertial measuring system for monitoring of track quality from  standard track inspection vehicles at high speed, which had been in use on British Rail since  1982.  The system included accelerometers, rate gyroscopes and displacement transducers.  Double integration of acceleration was used to calculate the vertical profile of the running  surface. In [29] the wavelength range of measured track irregularities was from 0.5 to 50 m.  In [30] a method of determining short wave (50‐80 mm) rail head corrugations based on the  processing of ABA was described.   Bocciolone et al. [31] discussed a track maintenance strategy using ABA measurements. The  paper was focused on short‐pitch corrugation. The study showed correlation between ABA  and corrugation level. Caprioli et al. [32] analysed the possibilities of the wavelet techniques  for detection of short pitch corrugation from axle box acceleration.  

Matsumoto  et  al.  [33]  developed  a  portable  on‐board  detection  system  for  passenger  service vehicles to enable detection of rail corrugation on a commercial line. They proposed  two  methods  to  detect  corrugation:  by  wavelet‐based  multi‐resolution  analysis  of  the  measured acceleration on the cabin floor; and by the spectra which were obtained by using  a  windowed  Fourier  transform  of  cabin  noise  data,  recorded  with  a  microphone.  They  concluded that both methods were able to detect the occurrences of rail corrugation at early  stage. Tsunashima and Mori [34] summarized the development of this system. 

Remennikov  and  Kaewunruen  [35]  discussed  the  application  of  ABA  to  estimation  of  the  contact forces at both corrugation and wheel flats.  

All  the  papers  discussed  above  were  focused  on  detection  of  defects  that  produce  a  periodically repeated dynamic interaction between wheel and rail, such as corrugation and  wheel  flats.  These  defects  excite  vibrations  with  a  certain  frequency  over  a  long  track  section,  which  facilitate  their  detection.  In  contrast,  the  present  study  discusses  detection  and  assessment  of  local  isolated  short  track  defects.  Their  major  difference  from  periodic  defects  is  that  the  wheel‐rail  response  at  isolated  defects  has  short  duration  and  unpredictable occurrence.  

1.3.2.2 Frequency range 

Kawasaki  and  Youcef‐Toumi  [36]  proposed  a  method  to  estimate  rail  irregularities  by  measuring  passenger  car  accelerations.  Using  data  obtained  by  simulations  based  on  a  three‐dimensional rail vehicle model with rail irregularities, the inverse problem was solved, 

(29)

where  inputs  are  accelerations  of  a  vehicle  and  outputs  are  rail  irregularities.  The  frequencies considered were up to 70 rad/sec, which is approximately 11Hz. 

Reicke  and  Popp  [37]  proposed  the  identification  of  the  running‐state  of  the  wheelset  by  ABA in longitudinal, transversal and vertical direction. The transient behaviour of structural  vibrations  of  the  wheelset  was  analysed  by  time‐frequency  transforms.  The  considered  frequency range was up to 200 Hz.  

Tanaka  and  Furukawa  [38]  analysed  the  relation  between  the  wheel  load  and  the  vertical  ABA  in  the  frequency  range  up  to  100Hz.  Wheel  loads  were  measured  by  strain  gauges  attached on the wheel. It was assumed that the large value of the wheel load included an  impact component and a quasi‐static component. The quasi‐static components of axle box  acceleration and the wheel load were eliminated by applying high pass filter; only variable  impact components were analysed. Based on the result of regression analysis, it was found  that  the  relation  between  the  maximum  values  of  wheel  load  and  vertical  axle  box  acceleration could be expressed by linear equation.  

Sunaga  et  al.  [39]  proposed  to  use  ABA  to  evaluate  wheel  load  fluctuation  at  short  track  irregularities for a cut‐off frequency of up to 300 Hz, to maintain good quality of Shinkansen  track. He discussed the possibility to detect welds, corrugations of wavelength between 1.2  and  1.5  m,  as  well  as  loose  sleepers  by  axle  box  acceleration.  The  method  showed  good  correlation between ABA and dynamic wheel load in the frequency range from 10 to 80 Hz.  To  distinguish  the  rail  defects  from  loose  sleepers  an  adaptive  filter  process  was  used  for  analysis  of  the  frequency  range  of  axle  box  acceleration.  Consequently,  track  maintenance  actions were selected with either a rail grinding or ballast tamping. 

Real et al. [40] presented a new inertial method to obtain rail vertical‐longitudinal profile by  ABA measurements in the frequency range up to 250 Hz. The paper was focused on long rail  irregularities. The method was based on a model representing the interaction between the  train  and  the  track.  The  model  used  the  Fourier  transform  in  order  to  find  the  transfer  function  that  relates  the  axles’  vertical  displacement  to  the  vertical  rail  profile  and  the  bogie’s  vertical  movement.  The  solution  was  obtained  in  the  frequency  domain  and  then  reverted  back  into  the  time  domain  by  applying  the  inverse  Fourier  transform.  The  procedure  was  employed  in  order  to  determine,  by  measuring  accelerations,  whether  the  track has to be maintained or not.  

In  the  papers  mentioned  above  the  considered  frequency  range  was  below  300  Hz.  In  a  recent study [17] it has been found, that squats are related to the frequency components up  to  2  kHz  or  even  higher.  The  present  study  therefore  investigates  the  high  frequency  characteristics of ABA at local isolated short track defects. 

(30)

1.3.2.3 Local characteristics of short irregularities 

Elia et  al.  [41]  presented  a  research  program  for  condition  monitoring  of  the  railway  track  from standard operation vehicle. One of the points of this research program was detection  of long wavelength irregularities by accelerations measured from car bodies, bogies and axle  boxes.  

Xia et al. [42] used axle box acceleration measurements to  study the dynamic response of  railway  bridges  under  train  loads.  The  paper  was  focused  on  long  wave  irregularities.  The  dynamic  interaction  on  railway  bridges  was  simulated  to  design  bridge  reinforcement.  The  axle box acceleration was obtained from the train running at different speeds between 40  and  155  km/h,  and  integrated  twice  to  calculate  the  displacement  responses.  Random  excitations  were  generated  by  a  time  series  autoregressive  model  from  experimentally  obtained  displacement.  The  generated  random  excitations  were  used  in  simulations  train  running on the bridge.  

Dings  et  al.  [43]  presented  a  traffic‐dependent  acoustical  grinding  criterion  for  the  Dutch  railway  network  based  on  ABA  measurements.  It  was  proposed  to  measure  the  rail  roughness on the entire network, to compare it with the wheel roughness of the trains for  each line, and to select the track sections where rail grinding could bring a significant noise  reduction.  The  decisions  about  grinding  were  made  based  on  the  average  roughness  for  every 25 m track section.  

Spanner  [44]  proposed  a  new  approach  of  assessing  rail  roughness,  based  on  signal  processing  of  measured  ABA  data.  The  spectrograms,  where  the  rail  roughness  was  presented with both spatial and wavelength resolution, were used to make decisions about  grinding. The roughness is assessed for long track sections (≥10m). 

The papers mentioned above discuss long track irregularities or roughness characteristics of  long  track  sections,  while  the  present  research  is  focused  on  local  characteristics  (length  scale is shorter than 1 m) of isolated short track irregularities. 

1.4. RESEARCH APPROACH 

Based on the literature study presented above, ABA measurements will be employed in this  work for early detection of squats. Since the ABA is a measure of the vibrations of the wheel  in the vehicle‐track system, excited during the wheel‐rail interaction, it can give an indication  of  the  irregularities  at  the  wheel‐rail  interface.  There  are  several  advantages  associated  to  this method. Firstly, the presence of cracks is not necessary for detection; therefore, early  squats  can  be  detected.  Secondly,  the  method  can  also  give  indication  of  the  level  of  the  dynamic  contact  force.  Besides,  ABA  measurement  does  not  need  complicated 

(31)

instrumentation  as  accelerometers  can  easily  be  mounted  on  many  of  the  standard  operating vehicles. Further, this method may be used for automatic detection of short rail  top irregularities. 

Some  drawbacks  of  axle  box  acceleration  measuring  method  have  been  indicated  in  [44].  Firstly,  the  measured  ABA  signal  is  influenced  by  the  vibrations  of  both  the  track  and  the  wheelset.  When  the  wheel  is  damaged,  the  assessment  of  rail  irregularities  is  affected  by  vibrations originated from the wheel. It is expected that this problem will be solved by signal  processing  of  the  measured  data.  Since  the  vibrations  excited  by  a  wheel  defect  have  a  certain  periodicity,  it  should  be  possible  to  distinguish  between  these  vibrations  and  the  ones  originated  at  an  isolated  track  defect.  However,  the  ABA  responses  at  wheel  defects  have the same periodicity with ABA responses at periodic rail surface defects initiated from a  hard  object  indented  into  wheel;  yet  it  is  expected  that  they  can  be  distinguished.  This  question will be further discussed in chapter 6 of this thesis. 

Secondly, ABA measurements are speed dependent. To eliminate the influence of the train  speed,  the  measurements  should  be  performed  at  nearly  constant  speed,  and  where  not  possible, a mapping between ABA measurements and speed is needed. This question will be  addressed in chapter 4 of this thesis.  

Thirdly,  the  frequencies  of  track  vibrations  are  dependent  on  the  stiffness  and  damping  properties of the track. The ABA responses on tracks with different properties can be studied  by numerical simulations. Then, the algorithm for detection of squats can be calibrated for  each type of track. This question will be investigated in chapter 4 of this thesis.  

The primary task of this research is to study relationships between ABA and squats. These  relationships can be studied with signal processing of measured ABA and with finite element  (FE)  simulations.  Wavelet  technique  can  be  applied  for  analyses  of  the  measured  and  calculated  ABA  responses. The  established  relationships  are  then  used  for  development  of  detection  procedure.  The  following  measurement  data  is  available  for  research:  recorded  ABA, information about positions and severity of squats in the track and rail profiles at these  squats.  

The  advantage  of  the  FE  modelling  is  the  ability  to  establish  quantitative  relationships  between  squats  and  ABA  characteristics  under  controlled  parameter  conditions.  The  influence  of  track  parameters  on  ABA  can  be  examined  by  parameter  variation  study.  Although  it  can  also  be  obtained  by  track  or  lab  tests  and  measurements,  they  are  much  more  expensive  and  time  consuming.  The  track  parameters  used  in  this  work  are those  of  the Dutch railways, but the approach is applicable to other tracks.  

(32)

When the relationships between ABA and squats are established and the influence of track  parameters is studied, detection criteria may be introduced. Then, the detection procedure  can be validated by track inspection.  

1.5. CHAPTER OUTLINE 

Feasibility study of ABA for early detection of squats is discussed in chapter 2. A pilot analysis  of  the  relationship  between  ABA  and  squats  demonstrates  the  need  for  improvement  of  instrumentation and signal processing of ABA in order to gain the capability of detection of  light squats.  

To obtain a quantitative relationship between ABA characteristics and squats, an FE model of  the vehicle‐track system is employed for dynamic simulations of a wheel rolling over a rail  with  surface  geometrical  irregularity.  Chapter  3  is  focused  on  validation  of  the  FE  model  against ABA measurements.  

In chapter 4 the ABA frequencies related to squats (signature tunes) are identified through  FE modelling of ABA at a number of squats of different severity. The influence of varied train  speed, varied track parameters and location of a squat on ABA is studied. 

The  relationships  between  ABA  characteristics  such  as  magnitude  and  frequency  contents  and severity of squats are established in chapter 5. 

Based on the analysis of ABA measurements, FE simulations and hammer tests, a prototype  of  the  improved  ABA  system  for  the  detection  of  light  squats  is  developed  in  chapter  6.  Problems  with  the  instrumentation,  revealed  by  trial  measurements  are  treated.  The  improvement of instrumentation provides better signal‐to‐noise ratio of ABA measurements  which facilitated detection of light squats.  

Then,  employing  the  signature  tunes  obtained  by  FE  modelling  and  confirmed  by  field  measurements,  an  automatic  detection  algorithm  for  squats  is  developed  and  validated  in  chapter 7.  

The  main  conclusions  are  summarized  in  Chapter  8.  The  necessity  of  further  work  is  also  indicated.  

   

(33)

2. F

EASIBILITY STUDY OF 

ABA

 MEASUREMENTS FOR EARLY DETECTION OF  SQUATS

 

2.1. INTRODUCTION 

In  the  previous  chapter  a  literature  overview  of  different  methods  of  track  inspection  has  been  presented.  It  has  been  indicated  that  among  others,  ABA  method  is  the  most  appropriate  for  early  detection  of  squats.  In  this  chapter  a  feasibility  study  of  ABA  measurements  for  early  detection  of  squats,  based  on  field  measurements,  is  presented.  This chapter also discussed advanced signal processing techniques for the analysis of ABA. 

2.2. TRIAL MEASUREMENTS  2.2.1. Instrumentation setup 

Two  trial  measurement  rounds  were  performed:  in  Zuid  Holland  (at  the  end  of  2005  –  beginning  2006),  and  in  Weert  (in  2007).  The  instrumentation  setup  (see  Figure  2.1)  was  similar for both trial measuring rounds. The accelerometers were mounted on the four axles  of a bogie. The mounting position of an accelerometer is shown in Figure 2.2. Each data set  included four vertical ABA signals, recorded on the axle boxes of one bogie, GPS coordinates  for determining the location of the signals, and the train speed.     Figure 2.1 Instrumentation setup 

The  ABA  measurements  were  repeated  three  times  on  the  same  track.    That  was  made  because  of  several  reasons.  First  of  all,  to  examine  the  repeatability  of  ABA  at  short  track  irregularities: ABA signals measured at a short track irregularity should have similar response  for every measurement within one day. The second reason to repeat the measurements is to  increase  the  probability  to  detect  light  squats.  The  wheel‐rail  interaction  at  a  squat  is  influenced by the lateral geometry of the squat. However, during the several measurement  runs  a  wheel  might  have  travelled  along  different  trajectory  on  the  rail  because  of  the  hunting oscillation. This factor becomes even more influential when the size of the squat is 

Vehicle Accelerometers 

(34)

smaller than the width of the rolling band, because not every wheel passage will necessarily  run  over  it.  The  third  reason  is  to  check  the  accuracy  of  on‐board  GPS  positioning:  the  responses measured at one location should have the same GPS.     Figure 2.2 Position of accelerometer.  2.2.2. Track defects  2.2.2.1 IRIS  Track geometrical irregularity data are obtained by a measuring train running twice a year  over  the  entire  Dutch  network  and  collected  in  a  database  called  IRISsys  [17].  IRIS  also  contains information about locations of squats, their severities, and photos of the rail tops.  Locations of joints, switches, bridges, viaducts, level crossing can be also found there.  

In this database, the locations of short track irregularities are identified by the GeoCode* of  the  track  and  conventional  kilometre  position.  This  conventional  kilometre  position  is  also  used in this work for positioning of ABA responses and identification of locations of squats.  

2.2.2.2 Monitoring 

For  the  current  research,  the  most  complete  and  up  to  date  information  about  the  short  track irregularities on the track sections, where the ABA was measured, was necessary. Thus,  several  tracks  (Weert,  Assen,  Schiedam,  and  Steenwijk)  were  regularly  monitored  since  2007. 

The monitoring provided the following data for this research: GPS coordinates measured on  the  ground,  photos,  vertical‐longitudinal  profiles  of  the  rail  measured  with  the  RAILPROF  device  (Figure  2.3,  Figure  2.4),  and  the  MINIPROF  measurements  of  the  cross‐sectional  profile of the rail at short track irregularities, such as squats, welds and insulated joints. The  accuracy of the handheld GPS was ±5 m.           *  GeoCode is a unique code assigned to each track  Axle Rail  Wheel Accelerometer

(35)

    Figure 2.3 RAILPROF    ‐1.5 ‐1 ‐0.5 0 0.5 ‐500 ‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400 500 Position, mm Ve rt ic al  de vi at io n,  mm     (a) Insulated joint  (b) Rail profile at insulated joint      ‐1.5 ‐1 ‐0.5 0 0.5 ‐500 ‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400 500 Position, mm Ve rt ic al  de vi at io n,  mm     (c) Thermite weld  (d) Rail profile at thermite weld    ‐0.5 ‐0.3 ‐0.1 0.1 0.3 0.5 ‐500 ‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400 500 Position, mm Ve rt ic al  de vi at io n ,  mm     (e)Severe squat  (f) Rail profile at severe squat    ‐0.5 ‐0.3 ‐0.1 0.1 0.3 0.5 ‐500 ‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400 500 Position, mm Ve rt ic al  de vi at io n,  mm     (g)Light squat  (h) Rail profile at light squat  Figure 2.4 Photos and measurements of vertical‐longitudinal profile of the rail at track irregularities. The  travelling direction is from left to right in all the pictures. White line indicates the centre line of the rail,  where the measurements were taken. 

(36)

Figure 2.4 shows examples of RAILPROF measurements at an insulated joint, a weld, a severe  squat  and  a  light  squat,  with  corresponding  photos.  The  horizontal  axis  is  the  longitudinal  position  along  the  rail  in  millimetres;  the  vertical  axis  is  the  vertical  deviation  of  the  rail  surface in millimetres. RAILPROF measures rail profile within 1 meter on the centre line of  the rail. If a defect is offset, like the light squat in Figure 2.4(g), the RAILPROF can miss it.  

The data obtained by monitoring were used for several purposes: 

 The GPS coordinates of defects were used to find relation between the ABA peaks  and track defects.  

 The  measurements  of  rail  profiles  were  used  as  an  input  to  the  FE  model  for  numerical simulation of dynamic responses at short track defects.  

2.2.3. Measurements in Zuid Holland   

The first ABA measurements were performed in Zuid Holland in December 2005 – January  2006. Three different sections of the Dutch Railway track were measured: Delft – Den Haag,  Lage  Zwaluwe  –  brug  Hollands  Diep,  and  Lage  Zwaluwe  –  Dordrecht.  For  the  reasons  explained in section 2.2.1, each track was measured several times.  

It  was  found  that  insulated  joints  cause  high  peaks  in  ABA  signals.  Knowing  the  distances  between  the  insulated  joints  from  IRIS  database  and  comparing  to  the  distances  between  peaks in ABA signals, the peaks excited by insulated joints were identified. Figure 2.5 shows  the  ABA  signal  measured  on  the  track  Lage  Zwaluwe  –  Dordrecht.  The  positions  of  the  insulated joints were taken from IRIS database and marked with red asterisks. The travelling  direction  is  from  left  to  right.  The  negative  values  in  the  abscissa‐axis  mean  that  the  train  was travelling in the direction of decreasing conventional kilometre position.  

 

Figure 2.5 ABA measured in Lage Zwaluwe – Dordrecht. The measurement was taken on the leading  wheelset. The abscissa axis is position along the track in kilometres. Red asterisks indicate positions of 

(37)

Comparing the GPS coordinates of insulated joints taken during the track monitoring to on‐ board GPS coordinates corresponding to the ABA peaks, it was found that the error of on‐ board  GPS  coordinates  was  up  to  80  m  in  longitudinal  direction.  Because  of  the  large  positioning error it was not possible to locate other short track irregularities, such as squats,  in these measurements. Another measurement round was needed to find relation between  ABA and squats.  

2.2.4. Measurements in Weert  

Another  trial  measurement,  with  improved  GPS  positioning,  was  made  on  the  track  Eindhoven  –  Weert  in  March  2007.  The  measurements  were  repeated  three  times  on  the  same  section  of  track  of  about  3  km  long.  The  on‐board  GPS  coordinate  recorded  at  the  same short track irregularity were compared, and the calculated positioning error of the on‐ board GPS system was within 1 m. Thus, it was possible to make a correlation analysis to find  the  relation  between  ABA  and  short  track  irregularities.  The  kilometre  position  of  joints  known from IRIS database was used for cross checking of the positioning of the ABA signals. 

The quality of the data was checked by simple repeatability analysis. The ABA signals from  different  runs  measured  at  a  severe  squat  were  overlapped  (see  Figure  2.6).  The  characteristics  of  the  signals,  such  as  magnitude  and  wavelength,  were  similar  in  the  different runs; thus, the measurements were reliable.     ‐150 ‐100 ‐50 0 50 100 150 ‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Ac ce le ra ti o n , m/ s 2 Position, m

Measurement 1 Measurement 2 Measurement 3

 

Figure 2.6 Repeatability of ABA at a severe squat 

2.3. DETECTION OF SQUATS 

To  assess  the  feasibility  to  detect  squats  from  ABA,  the  magnitude  of  ABA  signals  at  positions, corresponding to squats, were examined. If an outstanding magnitude of ABA was  observed  at  such  location,  the  squat  was  considered  as  detectible.  The  feasibility  for  detection of squats by ABA was assessed in terms of hit rate, which is the ratio of detected 

(38)

irregularities  over  the  total  number  of  irregularities.  The  hit  rate  presented  in  Table  2.1  is  obtained based only on ABA peaks. 

Table 2.1 Hit rate of squats based on statistics of ABA peaks 

Squats  Total Number  Detectable  Hit rate, % 

Severe  6  6  100 

Moderate  15  9  60 

Light  21  12  57 

The  hit  rate  for  severe  squats  was  100  %.  Severe  squats  can  be  detected  in  every  measurement run. A severe squat causes peaks in signals measured both at the leading and  trailing wheels.   The hit rates of moderate and light squats were 60% and 57% respectively. The light squats  in Table 2.1 were larger than the critical size of squats, i.e. no trivial defects were included in  these statistics.   The reason for the low hit rate of light and moderate squats is that such squats do not excite  peaks in each measurement run, since the size of these squats may be not large enough and  the wheel does not hit these defects in every run. Another reason is that ABA measurements  in  Weert  were  low‐pass  filtered  with  a  cut‐off  frequency  of  1  kHz  during  the  measuring  process.  However,  for  detection  of  light  and  moderate  squats,  the  measured  frequency  range should be higher, as the excited frequencies lie in the frequency range up to 2 kHz. In  [17]  it  was  found  that  the  wavelength  of  the  contact  force,  determined  by  the  natural  frequencies of the system, is between 20mm and 40mm, which corresponds to 950–1900Hz  for a rolling speed of 140 km/h, the typical speed of Dutch passenger trains. Since ABA is a  measure  of  vibration  of  the  coupled  vehicle‐track  system,  it  should  be  influenced  by  the  same natural frequencies as the contact force. Because of that, the presented hit rate may  be improved by analysis of the high frequency part of ABA. In later measurements attention  was  paid  to  ensure  that  no  mechanical  filter  was  applied,  so  that  the  measured  signals  contained higher frequency components. 

The hit rate of detection may also be improved by considering the frequency content of ABA.  The  ABA  is  a  combination  of  vibrations  of  the  vehicle‐track  system  excited  by  short  irregularities  and  long  irregularities.  Therefore,  at  the  moment  of  impact  at  a  squat  the  different  resonance  characteristics  could  be  seen  in  the  time‐frequency  representation  of  the ABA signal. These characteristics may be used for detection of squats.  

(39)

Further,  on  a  track  with  high  rail  roughness  the  average  amplitude  of  ABA  vibrations  is  higher than that of recently ground rails. On rough tracks it might be difficult to distinguish  squats  based  only  on  the  magnitude  of  ABA.  Investigating  the  frequency  contents  of  the  signals might be helpful in this case. An overview of time‐frequency techniques is presented  below. 

2.4. RELATION BETWEEN ABA AND SIZE OF A SQUAT 

To  get  an  insight  into  relation  between  the  ABA  and  size  of  squat,  ABA  responses  at  a  number of squats from the same track were investigated. Figure 2.7 shows three examples  of  squats,  the  ABA  responses  of  which  were  compared.  Note  that  the  geometry  of  these  squats was significantly different: squat 1 in Figure 2.7(a) is a moderate squat, while squats 2  and 3 are severe. 

     

  (a) Squat 1  (b) Squat 2  (c) Squat 3 

Figure 2.7 Squats. 

The ABA signals measured at these squats are presented in Figure 2.8. After the excitation  point (around position zero meters) the peaks appear at the same positions. This means that  the  ABA  wavelength  is  mainly  determined  by  the  natural  frequencies  of  the  wheel‐track  system.  As  it  was  mentioned  earlier,  it  is  also  dependent  on  the  train  speed,  but  in  these  measurements the speed was constant. 

 

Cytaty

Powiązane dokumenty

Nie wydaje się bowiem, żeby Herman Balk, zdając sobie sprawę z rozgrywającego się konfliktu między książętami polskimi, miał możliwość przekonania Henryka

Other values in above equation have the next meaning: ω stands for angular speed of pendulum, m is mass of pendulum, g denotes acceleration of the free fall close to the surface

the vibro-diagnostic method can not only successfully detect defects in the axle-box bearings of rolling stock, but also the frequency ranges of increase in vibration acceleration

As shown in Fig. 1, to prevent the detection of an object by a probing electromagnetic plane wave from a far-away radar system, we generate an APSF using a binary optical element and

W 1994 roku ukazały się w ramach tej serii książki na temat zespołowych gier sportowych dla dzieci, w 1995 roku ukazała się książka na temat judo oraz wznowienie poradnika na

Co ja na ich czołobit nie uczynił, według którego mają się oni sprawować i rządzić w tym samym mieście Włodawie prawem Magdeburskim, tak jako i po innych

świat jako profanum. Dopiero świat pojęty w ten sposób może stać się tworzywem twórczej działalności człowieka. Ten kierunek świadomości Kościoła wypływa z nowego