The influence of rail lubrication on wear and energy dissipation in wheel/rail contact

Abstract

Abstract: This work investigates the energy dissipation in a wheel/rail system with field measurements and friction work modelling. Friction and contact conditions are measured and analyzed in order to calculate the power saving of one vehicle running over a curve of a metro line. For modelling the contact forces, creepages and spin between the wheels and rails are determined via simulations of a train travelling in a curve of the track. Next the contact stress and the micro-slip in the contact area are computed from the forces, creepages and spin as well as the measured friction coefficient and profiles of wheels and rail. Three friction conditions are tested: dry, lubricated with a friction modifier and a post lubricated condition. The total frictional work is obtained by integrating local frictional dissipation over the contact area. The wear is also analyzed according to the Tγ method including the spin, in combination with Kalker’s simplified theory, assuming that the wear is proportional to the frictional work. The frictional work is then related to the energy consumptions under the different friction conditions, which allows evaluating the effectiveness of the friction modifier and its influence on the wear of the wheel/rail system.

Resumen: Este trabajo investiga la disipación de energía en un sistema rueda/riel a través de mediciones de campo y modelación de trabajo de fricción. Las condiciones de fricción y de contacto son medidas y analizadas con el fin de calcular el ahorro de potencia de un vehículo ferroviario sobre una curva de una línea metro. Para la modelación, las fuerzas de contacto, tasas de deslizamiento y giro entre las ruedas y los rieles, son determinados a través de simulaciones de un tren viajando en una curva específica de la vía. Posterior a esto, los esfuerzos de contacto y el micro-deslizamiento son calculados por medio de las fuerzas, tasas de deslizamiento y giro, así como las mediciones de coeficiente de fricción y perfiles de las ruedas y rieles. Tres condiciones de fricción son estudiadas: seco, lubricado con un modificado de fricción y una condición post-lubricante. El trabajo total por fricción es obtenido integrando la disipación local sobre el área de contacto. El desgaste es también analizado utilizando el método Tγ incluyendo el giro, en combinación con la teoría simplificada de Kalker, asumiendo que el desgaste es proporcional al trabajo de fricción. El trabajo de fricción es por lo tanto, relacionado con los consumos de energía bajo las diferentes condiciones de fricción, lo cual permite evaluar la efectividad de los modificadores de fricción y su influencia en el desgaste del sistema rueda/riel