Low Adhesion in the Wheel-Rail Contact Investigations towards a better understanding of the problem and its possible countermeasures Oscar Arias-Cuevas Low Adhesion in the Wheel-Rail Contact Investigations towards a better understanding of the problem and its possible countermeasures 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 8 september 2010 om 10:00 uur door Oscar ARIAS-CUEVAS Ingeniero Superior Industrial, Universidad Carlos III de Madrid geboren te Madrid (Spanje) Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof.dr.ir. A.A.A. Molenaar Copromotor: Dr.ir. Z. Li Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, Technische Univestiteit Delft, voorzitter Prof.dr.ir. A.A.A. Molenaar, Technische Universiteit Delft, promotor Dr.ir. Z. Li, Technische Universiteit Delft, copromotor Prof.dr.ir. L.J. Sluys, Technische Universiteit Delft Prof.dr. U. Olofsson, KTH Royal Institute of Technology Prof.dr. X.S. Jin, Southwest Jiantong University Dr. R. Lewis, The University of Sheffield Ir. F. Verheij, ProRail Prof.ir. A.Q.C. van der Horst, Technische Universiteit Delft, reservelid Published and distributed by: O. Arias-Cuevas E-mail: [email protected], [email protected] Section of Road and Railway Engineering Faculty of Civil Engineering and Geosciences Delft University of Technnology P.O. Box 5048, 2600 GA Delft, the Netherlands ISBN 978-90-8570-588-8 Keywords: wheel-rail contact; low adhesion; friction modifiers; sand; lubrication; leaves; magnetic track brakes; field tests; traction control; multi-body dynamics. Cover design: Margot Nieuwstad Printing: Wohrmann Print Service, Zutphen, the Netherlands © 2010 by Oscar Arias-Cuevas. All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without written permission from the author. To everyone who has (directly or indirectly) supported me Summary Adhesion, or adhesion coefficient, is given by the ratio of the longitudinal tangential (i.e., braking or traction) force over the normal force at the wheel-rail contact. The tangential force that a braking or tractive railway wheel can exert on a rail is limited by the friction coefficient available between the surfaces in contact for a given normal load. In clean steel-on-steel contacts, the friction coefficient is known to be mostly higher than the adhesion requirements for normal traction and braking operations of existing rolling stock. However, contaminations, such as leaves, grease and water, can easily be present at the wheel-rail contact and reduce the friction level, leading to low adhesion problems. In recent decades, some railways, such as in the Netherlands, the United Kingdom, Sweden and Germany, have particularly been affected in autumn due to the presence of moisture and fallen leaves, among other contaminants. When low adhesion occurs, delays in the train service may be the clearest consequence to the railway commuters. However, many other negative effects may arise, such as damages to wheels and rails, signals passed at danger, station platform overruns and even collisions. Therefore, not only the reliability but also the safety and costs of railway transportation may be compromised. Extreme low adhesion conditions in the Netherlands on October 27, 2002 forced the major train operating company (NS) and the infrastructure manager (ProRail) to stop the services on most of the sections of the network during that day and considerable disruptions continued the days after. In order to mitigate the low adhesion problem, the affected infrastructure managers and train operating companies have taken a variety of countermeasures. However, the problems still persist. This may partly be attributed to insufficient understanding of the problem and its possible countermeasures. The investigations presented in this dissertation, which have been commissioned by ProRail and NS within a research project called AdRem, have aimed at improving this understanding towards an effective solution to the problem. Four existing countermeasures have been investigated in this dissertation, namely friction modifiers, sanding, magnetic track brakes and traction control. Friction modifiers, sanding and magnetic track brakes are countermeasures that can be taken to improve the adhesion by conditioning the surfaces of rails, wheels, or both. Some friction modifiers may rely upon sand, or other solid particles, but they are normally engineered to deliver a better performance than just sand. Both friction modifiers and sand may be applied to the wheel-rail contact either by trackside or trainborne installations. Magnetic track brakes operate trainborne sliding over the rails, which may contribute to an increase in the train braking performance and some contamination removal. Traction control (as well as braking control, not explicitly treated in this dissertation) can be employed to make optimal use of the adhesion available by adjusting the right amount of wheel slip, or to improve the adhesion by operating at high slip. Moreover, traction control may be combined in practice with any of the other three countermeasures, depending on the railway, the track and the type of railway vehicle. In this research, an improved insight into the low adhesion problem and the effectiveness of the four countermeasures is obtained by means of experimental and vii Summary numerical approaches. The experimental investigations have been carried out in the laboratory and in field. In the laboratory a twin-disk roller rig has been employed, in which the actual wheel-rail contact is simulated by two disks in rolling-sliding motion. The influence of different types of contamination on the wheel-rail adhesion, as well as the effectiveness of friction modifiers and sanding, has been studied. Furthermore, two field investigations have been carried out: one is on sanding using the sanders of an electrical locomotive to obtain quantitative insight in actual wheel-rail adhesion and to validate some of the laboratory findings. The other is with the magnetic track brakes of an electrical multiple unit towards their effectiveness and possible side effects to overcome low adhesion. Numerical modeling has also been employed to examine the effectiveness of an existing traction control system on one hand, and to investigate the wheel-rail adhesion during curve negotiation in typically contaminated contacts on the other. The research has shown that none of the investigated friction modifiers was entirely optimal for the tested conditions. It is also proven that sanding may be an effective method to improve the wheel-rail adhesion in leaf contaminated contacts, but some of the sanding parameters currently employed by some railways may still need improvement. Magnetic track brakes have been found to be effective against low adhesion, but less effective than one of the friction modifiers under certain tested conditions. Furthermore, the investigated traction control has shown to lead to excessive wheel slip under low adhesion conditions. Based on the findings of the investigations, conclusions have been drawn and recommendations have been made to outline possible interesting future lines of research, as well as promising lines of development and application for rolling stock operators and railway network managers dealing with low adhesion problems. viii Samenvatting De adhesie, of adhesiecoëfficiënt, wordt weergegeven door de verhouding van de longitudinale tangentiële rem- of tractiekracht en de normaalkracht in het wiel-rail contactvlak. De tangentiële kracht, die een remmend of aanzettend treinwiel op de rail kan uitoefenen, is gelimiteerd door de beschikbare wrijvingscoëfficiënt tussen wiel en rail bij een gegeven normaalkracht. De wrijvingscoëfficiënt in schone staal-op-staal contacten is meestal hoger dan vereist voor normale rem- en tractie-operaties van het huidige rollend materieel. Vervuiling door bladeren, vet en water kan echter gemakkelijk optreden in het wiel-rail contact en het wrijvingniveau reduceren, waardoor problemen t.g.v. lage adhesie kunnen vóórkomen. In de afgelopen jaren zijn er in sommige landen, zoals in Nederland, Groot Brittannië, Zweden en Duitsland problemen in de herfst geweest t.g.v. de aanwezigheid van vocht en bladeren en nog andere vervuiling op de rails. Als gevolg van lage adhesie op de rails kunnen vertragingen voor treinreizigers optreden. Er kunnen echter ook veel andere negatieve effecten vóórkomen, zoals wiel- en railschade, het negeren van seinen, het niet tijdig kunnen stopen op stations en zelfs botsingen. Daarom kunnen door adhesieproblemen niet alleen de betrouwbaarheid, maar ook de veiligheid van het railtransport in gevaar gebracht worden. Door een enorme herfststorm op zondag 27 oktober 2002 kwamen er veel bladeren tegelijkertijd op de rails, wat leidde tot veel adhesieproblemen. Dit dwong de grootste vervoerder (NS) en de infrabeheerder (ProRail) het railtransport in het land op die dag grotendeels te stoppen. Ook in de hierop volgende dagen traden nog veel storingen op als gevolg van bladeren op de rails. Vervoerders en infrabeheerders hebben een aantal maatregelen genomen om de adhesieproblematiek te verminderen. De problemen zijn echter nog niet voorbij. Dit zou gedeeltelijk een gevolg kunnen zijn van nog onvoldoende begrip van de problematiek en daarmee onvoldoende inzicht in het effect van mogelijke maatregelen. Dit promotieonderzoek, dat in het kader van het project AdRem in opdracht van ProRail en NS is uitgevoerd, had tot doel het inzicht in de adhesieproblematiek te vergroten. Vier bestaande maatregelen zijn binnen dit onderzoek bestudeerd: adhesieverbeteraars, zandstrooien, magneetremmen en tractiecontrole. Adhesieverbeteraars, zandstrooien en magneetremmen zijn maatregelen, die bedoeld zijn om de adhesie te verbeteren door middel van het conditioneren van het oppervlak van de rails, de wielen, of beide. Sommige adhesieverbeteraars zouden op zand, of ander korrelmateriaal, gebaseerd kunnen zijn, maar meestal zijn ze verder ontwikkeld om betere prestaties te leveren dan zand. Adhesieverbeteraars en strooizand kunnen op de rails toegepast worden met behulp van spoor- of materieel-gebonden installaties. Magneetremmen zijn materieel gebonden en ze glijden over de rails om de remprestaties van de trein te verbeteren. Ze kunnen ook enige vervuiling verwijderen. Tractiecontrole (alsook remcontrole die in dit proefschrift niet onderzocht is) kan toegepast worden om optimaal gebruik te maken van de beschikbare adhesie door de juiste wielslip te selecteren, of om de adhesie te verbeteren door een hoge slip te selecteren. Tractiecontrole kan in de praktijk gecombineerd worden met elk van de drie ix Samenvatting andere maatregelen, afhankelijk van de spoorwegmaatschappij, het spoor en het rollend materieel. In dit proefschrift is met behulp van experimentele en numerieke methoden nieuw inzicht verkregen in de adhesieproblematiek in het algemeen en de effectiviteit van de vier maatregelen in het bijzonder. Het experimentele onderzoek is in het laboratorium en in de praktijk uitgevoerd. In het laboratorium is een tweeschijven machine gebruikt, waarbij het wiel-rail contact wordt gesimuleerd door middel van twee schijven die tegen elkaar rollen en glijden. Met deze proeven is het effect bestudeerd van verschillende typen vervuiling op de wiel-rail adhesie, evenals de effectiviteit van adhesieverbeteraars en het zandstrooien. Daarnaast zijn er twee testen in de praktijk uitgevoerd. Een met de zandstrooiers van een elektrische locomotief om een kwantitatief inzicht in de daadwerkelijke adhesie te kunnen krijgen en om enkele laboratoriumresultaten te valideren. In de andere test is de effectiviteit van magneetremmen van een elektrisch treinstel ter bestrijding van lage adhesie bestudeerd alsmede enige mogelijke bijwerkingen. Bovendien is een numeriek model gemaakt om het tractiecontrolesysteem te bestuderen evenals de adhesie als het voertuig door een boog rijdt bij aanwezigheid van vervuiling in het wiel-rail contact. Het onderzoek toont aan dat geen van de onderzochte adhesieverbeteraars helemaal optimaal is geweest onder de testcondities. Het is ook bewezen dat zand in een wiel-rail contact, dat vervuld is met blad, effectief kan zijn om de adhesie te verbeteren, maar ook dat bij sommige spoorwegmaatschappijen een aantal parameters van het zandstrooien verbeterd kunnen worden. Magneetremmen zijn effectief tegen adhesieproblemen maar onder bepaalde testcondities minder effectief dan één van de onderzochte adhesieverbeteraars. Het bestudeerde tractiecontrolesysteem leidt tot veel wielslip bij lage adhesie. De bevindingen van het onderzoek hebben een aantal conclusies opgeleverd. Eveneens zijn er aanbevelingen gedaan, die mogelijk interessante werkrichtingen beschrijven voor vervoerders en infrabeheerders die geconfronteerd worden met de lage adhesie problematiek. x