Contribució a la detecció de defectes singulars en els perfils de les rodes de ferrocarril mitjançant l’anàlisi de les vibracions generades en el contacte roda-carril
Authors:   , Sanchís Estruch Ricard 
Published: September 2023

One of the main problems presented due to the defects in the profiles of the railway wheels is the generation of vibrations and noise, and their propagation towards the environment. Defects in wheels, such as surface pitting and wheel flats (very common in trains of metro lines, generated by constant braking due to the proximity of the stations), produce vibrations that can reach undesired levels. To avoid this, a monitoring of the state of the wheels must be carried out. The implementation of a system for the acquisition of vibratory signals, generated by the wheel-rail contact, installed on the track, allows permanent control of the status of the wheels, having flexibility when performing maintenance and lowering costs. If no defect is detected in any of the wheels of the train, it should not be removed from the railway network. The main objective of this thesis is to develop a methodology to detect the main types of singular defects in the profiles of the wheels by analyzing the rail vibrations generated by the wheel-rail contact during the passage of the train. The analysis of the recorded signals will be performed in the time domain because the singular defects of the wheel profiles generate transient random vibrations. The passage of the train is already a transitory. In fact, the temporary reference cannot be lost. First, theoretical wheel flats are characterized, and a study of the irregularities of some wheels measured experimentally is done. Synthesized irregularity profiles are also analyzed. The types of metropolitan road are modeled dynamically. A wheel-rail contact model is deduced using Hertz's nonlinear contact theory; it allows to obtain the temporary evolution of the wheel-rail contact force (double convolution algorithm) using different wheel flats and irregularity profiles as input perturbation. Then the vertical vibration speed of the rail is obtained when a wheel passes over a fixed location of the track (variable kernel convolution algorithm), which is associated with the point where the vertical vibration recording system is installed in one of the rails of the track. Several wheel-turns upstream and downstream are simulated by moving the wheel along the rail at a speed of 45 km/h (usual passage speed over the experimental point of measurement). An attenuation model of the vertical vibration speed of the rail is also made as a function of the distance from the point of wheel-rail contact and the point of measurement. With the simulations of wheel passages with synthesized profiles, a time evolution of the RMS value of the vertical vibration speed of the rail is obtained; it will be the base function that will be used to develop the method of detection of the defects of the wheel profile. The detection method consists of adjusting a base function for each wheel passing above the measuring point to the time evolution of the RMS value of the experimental registry of the vibration speed to the passage of a train. An evolution of the theoretical RMS value is obtained, which will be the reference function to be compared with the current evolution of the RMS value and thus be able to detect which bogie may contain any wheel or wheels with some singular defects in its profile. Vibration records are obtained from the performance of experimental measurements in Line 3 of FMB, and others from previous theses. Having this detection method will allow the development of predictive maintenance algorithms and detect the severity of defects caused by continuous rolling. It will allow taking the appropriate actions in a specific way for each train when wheels with these defects are detected; a history of vibration levels and detected defects will be made to correlate these levels and the defects according to type and magnitude.
Una de les principals problemàtiques que presenten els defectes en la banda de rodolament de les rodes de ferrocarril és la generació de vibracions i soroll, i la seva propagació cap a l’entorn. Els defectes en rodes, com ara plans i picat superficial, produeixen vibracions que poden arribar a nivells indesitjats. Per evitar arribar a aquests extrems, es fa imprescindible realitzar una inspecció periòdica o realitzar-ne un monitoritzat de l’estat de les rodes.
Uns dels defectes singulars més comuns en els perfils de les rodes ferroviàries són els plans; són molt comuns en trens d’àmbit metropolità, com ara els trens de les línies de metro que circulen diàriament. Aquests plans s’originen per les constants frenades durant el recorregut de la línia, per les proximitats de les diferents estacions.
Si es pot realitzar una detecció prematura de qualsevol d’aquests defectes, es pot planificar la intervenció necessària per solventar-ne els problemes ocasionats. La implantació d’un sistema d’adquisició de senyals vibratoris, generats pel contacte rodacarril, instal·lat a la via, permet realitzar un control permanent de l’estat de les rodes, disposant de flexibilitat a l’hora de programar el manteniment i abaratint costos. Així, si no es detecta cap defecte en cap de les rodes del tren no s’haurà de treure de circulació de la xarxa ferroviària per on hi circula per tal de fer-hi un manteniment preventiu.
L’objectiu principal de la tesi és desenvolupar una metodologia per detectar els principals tipus de defectes singulars en els perfils de les rodes mitjançant l’anàlisi de les vibracions del carril generades pel contacte roda-carril durant el pas del tren. L’anàlisi dels senyals enregistrats es realitzarà en el domini temporal perquè els defectes singulars dels perfils de les rodes generen vibracions aleatòries transitòries. És a dir, el pas del tren en si mateix ja és un transitori. En definitiva, no es pot perdre la referència temporal.
Prèviament al desenvolupament de la metodologia d’identificació de defectes, es realitzen
les següents tasques i modelitzacions:
 Es caracteritzen els plans en rodes ferroviàries i es realitza un estudi de les irregularitats d’algunes rodes mesurades experimentalment.
 S’analitzen alguns perfils d’irregularitat sintetitzats en que l’espectre de rugositat prové també de registres reals mesurats experimentalment.
 Es modelitzen dinàmicament els diferents tipus de via utilitzades habitualment en els traçats metropolitans. Bàsicament s’obté la seva receptància, és a dir la seva resposta freqüencial, i la seva resposta impulsional; les dues associades al desplaçament vertical de vibració del carril.
Amb els models de via i de roda més suspensió primària, es dedueix un model de contacte
roda-carril. En ell s’ha emprat la teoria del contacte no lineal de Hertz. Emprant com a pertorbació d’entrada diferents plans i perfils d’irregularitat, el model permet obtenir l’evolució temporal de la força de contacte roda-carril resolent el sistema d’equacions directament en el domini del temps mitjançant un algorisme que s’ha anomenat de doble convolució.
Un cop obtingut el registre temporal de la força de contacte es procedeix a l’obtenció de la velocitat de vibració vertical del carril al pas d’una roda per sobre d’una localització fixa de la via, que s’associa amb la localització física on hi ha instal·lat el sistema de captació de la vibració vertical d’un dels carrils de la via. Es simulen vàries voltes de roda aigües amunt i aigües avall desplaçant-se la roda per sobre del carril a una velocitat de l’ordre de 12,5 m/s (45 km/h). Aquesta velocitat dels trens és l’habitual quan passen per sobre del punt de mesura experimental.
L’algorisme implementat per a l’obtenció de la velocitat vertical del carril és l’algorisme de convolució de nucli variable. Cal esmentar que també es desenvolupa un model d’atenuació de la velocitat de vibració vertical del carril en funció de la distància del punt de pertorbació (contacte roda-carril) i el punt de mesura (fix a la via).
Aprofitant les simulacions de passos de rodes amb perfils d’irregularitat sintetitzats i representatius de rodes amb desgasts habituals, s’obté una evolució temporal del valor RMS de la velocitat vertical de vibració, la qual constitueix la funció base que després s’emprarà per a desenvolupar la metodologia de detecció de defectes.
El mètode de detecció consisteix primerament en ajustar una funció base per a cada pas de roda per sobre del punt de mesura a l’evolució temporal del valor RMS del registre experimental de la velocitat de vibració al pas d’un tren. D’aquesta manera s’obté una evolució del valor RMS teòrica que actua com a funció de referència per ser comparada amb l’evolució real del valor RMS i així poder detectar quin bogie pot contenir alguna roda o rodes amb algun defecte singular a la seva banda de rodolament. Els registres de la velocitat de vibració s’obtenen de la realització de mesures experimentals a la Línia 3 del Ferrocarril Metropolità de Barcelona (FMB). Cal esmentar també que s’utilitzen registres experimentals d’altres tesis doctorals dutes a terme en anys anteriors.
Disposar d’aquesta metodologia de detecció permetrà desenvolupar algorismes de manteniment predictiu, i simultàniament poder detectar la severitat dels defectes ocasionats pel rodolament continuat. A més permetrà prendre les accions oportunes de manera específica tren a tren quan es detectin algunes rodes amb aquests defectes; tal i com s’ha esmentat anteriorment, només caldrà treure de circulació els trens que realment presentin defectes singulars significatius en alguns dels perfils de les seves rodes. A més es podrà anar realitzant un històric de nivells de vibració i defectes detectats que permeti establir a la llarga una correlació entre aquests nivells i els defectes segons el seu tipus i la seva magnitud.
Una de las principales problemáticas que presentan los defectos en la banda de rodadura
de las ruedas de ferrocarril es la generación de vibraciones y ruido, y su propagación hacia
el entorno. Los defectos en ruedas, tales como planes y picado superficial, producen
vibraciones que pueden llegar a niveles indeseados. Para evitar llegar a estos extremos,
se hace imprescindible realizar una inspección periódica o realizar uno monitorizado del
estado de las ruedas.
Unos de los defectos singulares más comunes en los perfiles de las ruedas ferroviarias
son los planos; son muy comunes en trenes de ámbito metropolitano, como los trenes de
las líneas de metro que circulan diariamente. Estos planos se originan por las constantes
frenadas durante el recorrido de la línea, por las proximidades de las diferentes estaciones.
Si se puede realizar una detección prematura de cualquiera de estos defectos, se puede
planificar la intervención necesaria para solventar los problemas ocasionados. La
implantación de un sistema de adquisición de señales vibratorios, generados por el
contacto rueda-carril, instalado en la vía, permite realizar un control permanente del
estado de las ruedas, disponiendo de flexibilidad a la hora de programar el mantenimiento
y abaratando costes. Así, si no se detecta ningún defecto en ninguna de las ruedas del tren
no se deberá sacar de circulación de la red ferroviaria por donde circula para hacer un
mantenimiento preventivo.
El objetivo principal de la tesis es desarrollar una metodología para detectar los
principales tipos de defectos singulares en los perfiles de las ruedas mediante el análisis
de las vibraciones del carril generadas por el contacto rueda-carril durante el paso del
tren. El análisis de las señales registradas se realizará en el dominio temporal porque los
defectos singulares de los perfiles de las ruedas generan vibraciones aleatorias transitorias. Es decir, el paso del tren en sí mismo ya es un transitorio. En definitiva, no
se puede perder la referencia temporal.
Previamente al desarrollo de la metodología de identificación de defectos, se realizan las
siguientes tareas y modelizaciones:
 Se caracterizan los planos en ruedas ferroviarias y se realiza un estudio de las
irregularidades de algunas ruedas medidas experimentalmente.
 Se analizan algunos perfiles de irregularidad sintetizados en que el espectro de
rugosidad proviene también de registros reales medidos experimentalmente.
 Se modelizan dinámicamente los diferentes tipos de vía utilizadas habitualmente
en los trazados metropolitanos. Básicamente se obtiene su receptancia, es decir su
respuesta frecuencial, y su respuesta impulsional; ambas asociadas al desplazamiento vertical de vibración del carril.
Con los modelos de vía y de rueda más suspensión primaria, se deduce un modelo de
contacto rueda-carril. En él se ha empleado la teoría del contacto no lineal de Hertz.
Empleando como perturbación de entrada diferentes planos y perfiles de irregularidad, el
modelo permite obtener la evolución temporal de la fuerza de contacto rueda-carril
resolviendo el sistema de ecuaciones directamente en el dominio del tiempo mediante un
algoritmo que se ha llamado de doble convolución.
Una vez obtenido el registro temporal de la fuerza de contacto se procede a la obtención
de la velocidad de vibración vertical del carril al paso de una rueda por encima de una
localización fija de la vía, que se asocia con la localización física donde está instalado el
sistema de captación de la vibración vertical de uno de los carrriles de la vía. Se simulan
varias vueltas de rueda aguas arriba y aguas abajo; se desplaza la rueda por encima del
carril a una velocidad del orden de 12,5 m/s (45 km/h). Esta velocidad de los trenes es la
habitual cuando pasan por encima del punto de medida experimental.
El algoritmo implementado para la obtención de la velocidad vertical del carril es el
algoritmo de convolución de núcleo variable. Cabe mencionar que también se desarrolla
un modelo de atenuación de la velocidad de vibración del carril en función de la distancia
del punto de perturbación (contacto rueda-carril) y el punto de medida (fijo en la vía).
Aprovechando las simulacioness de pasos de ruedas con perfiles de irregularidad
sintetizados y representativos de ruedas con desgastes habituales, se obtiene una
evolución temporal del valor RMS de la velocidad vertical de vibración. Esta evolución
temporal constituye la función base que luego se empleará para desarrollar la metodología
de detección de defectos.
El método de detección consiste primeramente en ajustar una función base para cada paso
de rueda por encima del punto de medida a la evolución temporal del valor RMS del
registro experimental de la velocidad de vibración al paso de un tren. De esta manera se
obtiene una evolución del valor RMS teórica que actúa como función de referencia para
ser comparada con la evolución real del valor RMS y así poder detectar qué bogie puede contener alguna rueda o ruedas con algún defecto singular en su banda de rodadura. Los
registros de la velocidad de vibración se obtienen de la realización de medidas
experimentales en la Línea 3 del Ferrocarril Metropolitano de Barcelona (FMB). Hay que
mencionar también que se utilizan registros experimentales de otras tesis doctorales
realizadas en años anteriores.
Disponer de esta metodología de detección permitirá desarrollar algoritmos de
mantenimiento predictivo, y simultáneamente poder detectar la severidad de los defectos
ocasionados por la rodadura continuada. Además permitirá tomar las acciones oportunas
de manera específica tren a tren cuando se detecten algunas ruedas con estos defectos; tal
y como se ha mencionado anteriormente, sólo será necesario sacar de circulación los
trenes que realmente presenten defectos singulares significativos en algunos de los
perfiles de sus ruedas. Además se podrá ir realizando un histórico de niveles de vibración
y defectos detectados que permita establecer a la larga una correlación entre estos niveles
y los defectos según su tipo y su magnitud.