Acuracy improvement of measurements by analyzing dynamic response of a tram wheel roller-rig

Ing. Bekir Tuna Kayaalp

Doctoral thesis

Accuracy improvement of measurements by analyzing dynamic response of a tram wheel roller-rig

Abstract:

Železniční doprava se stává stále populárnější vzhledem k její efektivitě při delších vzdálenostech a také proto, že poskytuje environmentálně příznivější alternativu k dalším přepravním módům. To je důvodem, proč je nutné hledat inovativní řešení stávajících problémů. Experimentální stavy kolo-kolejnice jsou velmi účinným testovacím nástrojem, který je rozšířen po celém světě mezi vědci, kteří studují problémy železničního průmyslu ať přímo či nepřímo. Jsou používány pro ověřování, testování a vylepšování železničních vozidel a přidružených součástí již mnoho let. Z toho důvodu se nároky na experimentální stav kolo-kolejnice rok od roku zvyšují, stejně jak se vyvíjí železniční průmysl. V této práci jsou zkoumány různé aspekty vertikálního experimentálního stavu tramvajové kolo-kolejnice za účelem zlepšení jeho měřicích schopností a dynamického chování. Úvodem jsou stanoveny problémy, které se vztahují k měřením a chování stavu. Dále jsou formulovány hypotézy adresující důvody uvedených problémů a tyto hypotézy jsou systematicky testovány za účelem jejich ověření či zamítnutí. Obecně lze říci, že systém je rozdělen do dvou součástí: mechanická část, elektrická část. V rámci mechanické části je celý systém považován za systém tvořený dvěma subsystémy, kterými jsou statická část a pohyblivá část. Aby bylo možno definovat jejich chování a vliv na kvalitu měření, bylo nutno provést řadu numerických a experimentálních studií. Statické části systému (rám) byly zkoumány metodou konečných prvků a získané hodnoty byly experimentálně ověřeny. Pohyblivé části (kolo, rotující kolejnice a motory) byly modelovány v MATLABu a výsledky simulace byly experimentálně ověřeny. Po ověření simulace byla provedena řada parametrických studií a z nich vyšla dvě hlavní řešení pro eliminaci problémů týkajících se kvality měření a dynamického chování. Z pohledu získávání dat byl vytvořen vyhlazovací filtr, který poskytuje lepší výsledky měření. Dvě hlavní měření byla použita a simulována na ověřených modelech. Vytvořený filtr byl také vyzkoušen při různých rychlostech. Vytvořená řešení umožnila eliminovat problémy měření a zlepšit dynamické chování.

Abstract:

Railway transport is becoming popular due to efficiency in long distances also being an environment-friendly solution when it is compared to other transportation methods. Thus, more innovative solutions to existing problems are essential. Roller-rigs are very efficient testing tools which are widely prevalent around the world for researchers studying on the railway industry directly or indirectly. They are being used for validating, testing, improving the railway vehicles or related components from many years. Hence, demanding to the roller-rigs are also increasing parallel to the development of the railway industry. In this study, a full-scale vertical plane tram wheel roller-rig has been investigated from several aspects in order to provide improvement of its measurement capabilities and dynamic behaviour. Firstly, the issues related to the measurements and behaviour have been determined. Followingly, the possible hypothesis of the reasons for the issues proposed and these hypotheses have been tested in a systematically order to verify or falsify. From the general aspect the system divided into two components; Mechanical parts, Electric parts. From the mechanical aspect, the whole system considered as two sub-systems which are steady parts and moving parts. In order to define their behaviour and influence on the measurement quality, several numerical and experimental studies have been performed in order. Steady parts of the system (Frame) has been investigated by an FE solution, and the obtained values have been verified via experimental study. Moving parts (Wheel, Rotating Rail and Motors) have been modelled on MATLAB environment and results of the simulation has been verified by experimental studies. After verification of the simulation, several parametric studies have been performed, and two main solutions have been generated in order to eliminate the issues regarding the measurement quality and dynamic behaviour. From the data acquisition aspect, a smoothing filter has been generated in order to provide better measurement results. Two main solutions have been provided and simulated on verified models. Also, the generated filter has been tried for a variety of speeds. With the generated solutions, the measurement issues have been eliminated, and dynamic behaviour has been improved.

Keywords

kolo-kolejnice, měření adheze, simulace, dynamické chování, filtrování dat

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 12. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 28. 1. 2020
• Supervisor: doc. Ing. Michael Lata, Ph.D.

University of Pardubice

Faculty of Transport Engineering

Doctoral programme / field:
Technique and Technology in Transport and Communications / Transport Means and Infrastructure