EVALUATION OF RAILWAY BALLAST LAYER CONSOLIDATION AFTER MAINTENANCE WORKS

The results of the study of the ballast layer consolidation after the work of ballast-tamping machines of different types are given in the article. The existing methods of determining the degree of consolidation of the ballast layer are analysed. The seismic method was improved by means of a complex dynamic and kinematic interpretation of the impulse response. For the dynamic interpretation with the use of statistical analysis, the features are selected so that they correspond to the degree of consolidation of the ballast layer. On the basis of researches, a device and software were developed that allow an automated evaluation of the ballast layer consolidation based on the kinematic and dynamic analysis of the measured impulse response. The measurements of the degree of the ballast layer consolidation after an operation of ballast-consolidation machines in different sequences allowed establishing the efficiency of the consolidation and the feasibility of the machines’ application

COMMON CROSSING CONDITION MONITORING WITH ON BOARD INERTIAL MEASUREMENTS

A railway turnout is an element of the railway infrastructure that influences the reliability of a railway traffic operation the most. The growing necessity for the reliability and availability in the railway transportation promotes a wide use of condition monitoring systems. These systems are typically based on the measurement of the dynamic response during operation. The inertial dynamic response measurement with on-board systems is the simplest and reliable way of monitoring the railway infrastructure. However, the new possibilities of condition monitoring are faced with new challenges of the measured information utilization. The paper deals with the condition monitoring of the most critical part of turnouts - the common crossing. The application of an on-board inertial measurement system ESAH-F for a crossing condition monitoring is presented and explained. The inertial measurements are characterized with the low correlation of maximal vertical accelerations to the lifetime. The data mining approach is used to recover the latent relations in the measurement’s information. An additional time domain and spectral feature sets are extracted from axle-box acceleration signals. The popular spectral kurtosis features are used additionally to the wavelet ones. The feature monotonicity ranking is carried out to select the most suited features for the condition indicator. The most significant features are fused in a one condition indicator with a principal component analysis. The proposed condition indicator delivers an almost two-time higher correlation to the lifetime as the maximal vertical accelerations. The regression analysis of the indicator to the lifetime with an exponential fit proves its good applicability for the crossing residual useful life prognosis

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF TRAIN VELOCITY AND TRAVEL DIRECTION ON THE DYNAMIC BEHAVIOR OF STIFF COMMON CROSSINGS

Common crossing rails are subjected to a rapid deterioration of the rolling surface due to a dynamic loading of trains. The present study is devoted to an experimental study of the displacement and rail strain measurements in the common crossing. The experimental measurements were carried out for two stiff common crossings under the dynamic loading of high-speed train for the velocity range of 54-254 km/h. The results showed 2.5 times increase of the maximal displacements within the velocity range. The absence of the difference in the displacements between the trailing and the facing travel direction is explained with the relative displacement measurements between the rail and the sleeper and the different dynamic impact loading for the wing rail. The proposed model-based analysis of the absolute measurement of rail strain enables us to estimate the dynamic factor under the impact loading. The wing rail for trailing direction is almost twice as highly loaded as the frog rail for the facing direction. The maximal dynamic factor for the trailing direction shows almost no change for the velocities of more than 200 km/h

Common crossing fault prediction with track based inertial measurements: statistical vs. mechanical approach

Abstract The analysis of track based inertial measurements for common crossing fault detection and prediction is presented in the paper. The measurement of spatial acceleration in common crossing spike and impact position during overall lifecycle are studied regarding to rolling surface fatigue degradation. Two approaches for retrieving the relation of inertial parameters to common crossing lifetime are proposed. The first one is based on the statistical learning method - t-SNE algorithm that helps to find out similarities in measured dataset. The second one is a mechanical approach that handles the data with a fatigue and contact models. Both approaches allow the significant improvement of the common crossing fault detection as well as its early prediction

INDICATORS FOR COMMON CROSSING STRUCTURAL HEALTH MONITORING WITH TRACK-SIDE INERTIAL MEASUREMENTS

This paper focuses on the experimental study of an alteration in the railway crossing dynamic response due to the rolling surface degradation during a crossing’s lifecycle. The maximal acceleration measured with the track-side measurement system as well as the impact position monitoring show no significant statistical relation to the rolling surface degradation. The additional spectral features are extracted from the acceleration measurements with a wavelet transform to improve the information usage. The reliable prediction of the railway crossing remaining useful life (RUL) demands the trustworthy indicators of structural health that systematically change during the lifecycle. The popular simple machine learning methods like principal component analysis and partial least square regression are used to retrieve two indicators from the experimental information. The feature ranking and selection are used to remove the redundant information and increase the relation of indicators to the lifetime

Дослідження розладнання геометрії залізничної колії внаслідок нерівномірних осідань баластного шару

A method for calculating impairment of the track geometry under influence of dynamic loads in the course of passing the track unevenness by the rolling stock was developed. The method takes into consideration interrelated short-term processes of dynamic interaction and long-term processes of subsidence of the ballast layer in a mutual influence on each other. Mathematical model of dynamic interaction of the track in the form of a planar three-layer continual beam system with a two-mass discrete system corresponding to the rolling stock is the basis of the first part of the method. This model makes it possible to simulate dynamic loads from individual sleepers to the ballast when the rolling stock passes geometric unevennesses and the track elasticity unevennesses.The second part of the method is based on the phenomenological mathematical model of accumulation of residual deformations formed using the results of laboratory studies of subsidence of individual sleepers in the ballast layer. Peculiarity of this model consists in taking into consideration not only uniform accumulation of residual subsidence from the passed tonnage but also presence of a plastic component of subsidence which depends on the maximum stresses in the history of ballast loading by each sleeper.A new theoretical mechanism of development of the track unevenness was proposed. It takes into consideration not only residual subsidences of the ballast layer but also appearance of gaps under sleepers resulting in a local change of the track elasticity. This mechanism enables taking into consideration the ambiguous influence of subsidences with occurrence of gaps under the sleepers. Subsidence causes an increase in dynamic loads on the track and the ballast layer on the one hand and onset of the gap causes a decrease in the track rigidity and corresponding reduction of dynamic loads on the other hand.Practical application of the developed method was demonstrated on an example of quantitative estimation of long-term uneven subsidences of the ballast layer when changing the sleeper diagramРазработан метод расчета расстройства геометрии пути под действием динамических нагрузок при прохождении подвижным составом неровности пути. Метод учитывает взаимосвязанные краткосрочные процессы динамического взаимодействия и долговременные процессы оседания балластного слоя во взаимном влиянии друг на друга. В основе первой части метода заложено математическую модель динамического взаимодействия пути в виде плоской трехслойной континуальной балочной системы во взаимодействии с двухмассовой дискретной системой, соответствующей подвижному составу. Данная модель позволяет имитировать динамические нагрузки от отдельных шпал на балласт при прохождении подвижным составом геометрических неровностей и неровностей неравноупругости пути.В основе второй части метода заложено феноменологическую математическую модель накопления остаточных деформаций, основанная на лабораторных исследованиях просадок отдельных шпал в балластном слое. Особенностью данной модели является учет не только равномерного накопления остаточных просадок с пропущенным тоннажем, а также наличии пластической составляющей оседания, которая зависит от максимальных напряжений в истории нагрузок балласта под каждой шпалой.Предложен новый теоретический механизм развития неровности пути, который учитывает не только остаточные просадки балластного слоя, а также возникновение люфтов под шпалами, что приводит к локальному изменению упругости пути. Данный механизм позволяет учитывать неоднозначное влияние просадок с возникновением люфта под шпалой: с одной стороны, оседания приводят к увеличению динамических нагрузок на путь и балластный слой, с другой – возникновение люфта приводит к уменьшению жесткости пути и соответствующего уменьшения динамических нагрузок.Практическое применение разработанного метода показано на примере количественной оценки долговременных неравномерных просадок балластного слоя при изменении эпюры шпалРозроблено метод розрахунку розладнання геометрії колії під дією динамічних навантажень при проходженні рухомим складом нерівності колії. Метод враховує взаємопов’язані короткотривалі процеси динамічної взаємодії та довготривалі процеси осідання баластного шару у взаємному впливі один на одного. В основі першої частини методу закладено математичну модель динамічної взаємодії колії у вигляді плоскої тришарової континуальної балкової системи у взаємодії із двохмасовою дискретною системою, що відповідає рухомому складу. Дана модель дозволяє імітувати динамічні навантаження від окремих шпал на баласт при проходженні рухомим складом геометричних нерівностей та нерівностей нерівнопружності колії.В основі другої частини методу закладено феноменологічну математичну модель накопичення залишкових деформацій, яка ґрунтується на лабораторних дослідженнях осідань окремих шпал у баластному шарі. Особливістю даної моделі є врахування не тільки рівномірного накопичення залишкових осідань із пропущеним тоннажем, а також наявності пластичної складової осідання, яка залежить від максимальних напружень в історії навантажень баласту під кожною шпалою.Запропоновано новий теоретичний механізм розвитку нерівності колії, який враховує не тільки залишкові осідання баластного шару, а також виникнення люфтів під шпалами, що призводить до локальної зміни пружності колії. Даний механізм дозволяє враховувати неоднозначний вплив осідань із виникненням люфту під шпалою. З однієї сторони, осідання спричинюють збільшення динамічних навантажень на колію і баластний шар, з іншої – виникнення люфту призводить до зменшення жорсткості колії та відповідного зменшення динамічних навантажень.Практичне застосування розробленого методу показано на прикладі кількісної оцінки довготривалих нерівномірних осідань баластного шару при зміні епюри шпа

Теоретичні дослідження ефективності вдосконаленого поздовжнього профілю хрестовин стрілочних переводів

We have developed a comprehensive method to prolong the time of operation of frogs at railroad switches, based on the consideration of a longitudinal profile of the frog, the magnitude of dynamic forces and normal stresses.We have improved a longitudinal profile of the frog, brand 1/11, project 1740, by the method of surfacing under field operation conditions. The slopes of a trajectory after the passage of an average statistical wheel over the proposed profile amount to 3.7 ‰ instead of 10 ‰ for a standard profile of the frog.It was established that increasing a load on the frog to 60 % at the expense of a deflection under the frog beam leads to the accelerated disarrangement of the frog, as a result of fatigue defects at the rolling surface, while the cost of frog operation in this case increases by five times.We modeled a dynamic interaction between the rolling stock and a standard, as well as the proposed, longitudinal profiles of frogs. Calculation of dynamic processes of the nonlinear interaction between the rolling stock and a standard profile of the frog and the profile restored by surfacing, showed that the magnitude of forces for the proposed frog at the motion speed of 150 km/h is 50 % lower compared with a standard longitudinal profile. At linear simulation of dynamic additions of forces, the magnitude of forces decreases for the proposed profile to 30 %.We employed a graphical method to calculate the magnitudes of axial inertia moments and the moments of resistance in the characteristic cross sections of the frog. The estimation of the stressed-strained state of the frog was performed using equations of five moments for a continuous beam on elastic point supports. It was established that stresses at the static calculation of the frog are low and are much less than the maximum permissible magnitude of stresses for a given grade of steel. Therefore, we can argue that the frog works under a load at the expense of existing reserve of strength.Разработан комплексной метод повышения срока службы крестовин стрелочных переводов, основанный на учете продольного профиля крестовины, величины динамических сил и нормальных напряжений.Усовершенствован продольный профиль крестовины марки 1/11 проекта 1740 методом выполнения наплавки в полевых условиях эксплуатации. Уклоны траектории после прохода среднестатистического колеса предложенным профилем достигают 3,7 ‰, вместо 10 ‰ у заводского профиля крестовины.Установлено, что увеличение нагрузки на крестовину до 60% за счет просадки под брусом крестовины приводит к ускоренному расстройство крестовины, вследствие возникновения усталостных дефектов на поверхности катания, при этом затраты на эксплуатацию крестовины увеличиваются в пять раз.Проведено моделирование динамического взаимодействия подвижного состава с заводским и предложенным продольными профилями крестовин. Расчеты динамических процессов нелинейного взаимодействия подвижного состава с крестовиной заводского профиля и профиля восстановленного наплавкой показали, что величина сил в предложенной крестовине при скорости движения 150 км/ч является на 50% ниже по сравнению с заводским продольным профилем. При линейном моделировании динамических добавок сил величина сил уменьшается в предложенного профиля до 30%.Рассчитано графическим методом величины осевых моментов инерции и моментов сопротивления в характерных сечениях крестовины. Проведена оценка напряженно-деформированного состояния крестовины с использованием уравнений пяти моментов для неразрезной балки на упругих точечных опорах. Установлено, что напряжение при статическом расчете крестовины невысоки и гораздо меньше предельно допустимую величину напряжений для данной марки стали. Поэтому можно утверждать, что крестовина работает под нагрузкой за счет использования имеющихся резервов прочностиРозроблений комплексний метод підвищення терміну служби хрестовин стрілочних переводів, що базується на врахуванні поздовжнього профілю хрестовини, величини динамічних сил та нормальних напружень.Удосконалено поздовжній профіль хрестовини марки 1/11 проекту 1740 методом виконання наплавки у польових умовах експлуатації. Уклони траєкторії після проходу середньостатичного колеса запропонованим профілем сягають 3,7 ‰, замість 10 ‰ у заводського профілю хрестовини.Встановлено, що збільшення навантаження на хрестовину до 60 % за рахунок просадки під брусом хрестовини призводить до прискореного розладнання хрестовини, внаслідок виникнення втомних дефектів на поверхні кочення, при цьому витрати на експлуатацію хрестовини збільшуються у п’ять разів.Проведено моделювання динамічної взаємодії рухомого складу із заводським та запропонованим поздовжніми профілями хрестовин. Розрахунки динамічних процесів нелінійної взаємодії рухомого складу залізниць із хрестовиною заводського профілю і профілю відновленого наплавкою показали, що величина сил у запропонованій хрестовині при швидкості руху 150 км/год є на 50 % нижчою порівняно із заводським поздовжнім профілем. При лінійному моделюванні динамічних добавок сил величина сил зменшується у запропонованого профілю до 30 %.Розраховано графічним методом величини осьових моментів інерції та моментів опору у характерних перерізах хрестовини. Проведено оцінку напружено-деформованого стану хрестовини із використанням рівнянь п’яти моментів для нерозрізної балки на пружних точкових опорах. Встановлено, що напруження при статичному розрахунку хрестовини є невисокими і набагато меншими за гранично допустиму величину напружень для даної марки сталі. Тому можна стверджувати, що хрестовина працює під навантаженням за рахунок використання наявних резервів міцност

Дослідження розладнання геометрії залізничної колії внаслідок нерівномірних осідань баластного шару

A method for calculating impairment of the track geometry under influence of dynamic loads in the course of passing the track unevenness by the rolling stock was developed. The method takes into consideration interrelated short-term processes of dynamic interaction and long-term processes of subsidence of the ballast layer in a mutual influence on each other. Mathematical model of dynamic interaction of the track in the form of a planar three-layer continual beam system with a two-mass discrete system corresponding to the rolling stock is the basis of the first part of the method. This model makes it possible to simulate dynamic loads from individual sleepers to the ballast when the rolling stock passes geometric unevennesses and the track elasticity unevennesses.The second part of the method is based on the phenomenological mathematical model of accumulation of residual deformations formed using the results of laboratory studies of subsidence of individual sleepers in the ballast layer. Peculiarity of this model consists in taking into consideration not only uniform accumulation of residual subsidence from the passed tonnage but also presence of a plastic component of subsidence which depends on the maximum stresses in the history of ballast loading by each sleeper.A new theoretical mechanism of development of the track unevenness was proposed. It takes into consideration not only residual subsidences of the ballast layer but also appearance of gaps under sleepers resulting in a local change of the track elasticity. This mechanism enables taking into consideration the ambiguous influence of subsidences with occurrence of gaps under the sleepers. Subsidence causes an increase in dynamic loads on the track and the ballast layer on the one hand and onset of the gap causes a decrease in the track rigidity and corresponding reduction of dynamic loads on the other hand.Practical application of the developed method was demonstrated on an example of quantitative estimation of long-term uneven subsidences of the ballast layer when changing the sleeper diagramРазработан метод расчета расстройства геометрии пути под действием динамических нагрузок при прохождении подвижным составом неровности пути. Метод учитывает взаимосвязанные краткосрочные процессы динамического взаимодействия и долговременные процессы оседания балластного слоя во взаимном влиянии друг на друга. В основе первой части метода заложено математическую модель динамического взаимодействия пути в виде плоской трехслойной континуальной балочной системы во взаимодействии с двухмассовой дискретной системой, соответствующей подвижному составу. Данная модель позволяет имитировать динамические нагрузки от отдельных шпал на балласт при прохождении подвижным составом геометрических неровностей и неровностей неравноупругости пути.В основе второй части метода заложено феноменологическую математическую модель накопления остаточных деформаций, основанная на лабораторных исследованиях просадок отдельных шпал в балластном слое. Особенностью данной модели является учет не только равномерного накопления остаточных просадок с пропущенным тоннажем, а также наличии пластической составляющей оседания, которая зависит от максимальных напряжений в истории нагрузок балласта под каждой шпалой.Предложен новый теоретический механизм развития неровности пути, который учитывает не только остаточные просадки балластного слоя, а также возникновение люфтов под шпалами, что приводит к локальному изменению упругости пути. Данный механизм позволяет учитывать неоднозначное влияние просадок с возникновением люфта под шпалой: с одной стороны, оседания приводят к увеличению динамических нагрузок на путь и балластный слой, с другой – возникновение люфта приводит к уменьшению жесткости пути и соответствующего уменьшения динамических нагрузок.Практическое применение разработанного метода показано на примере количественной оценки долговременных неравномерных просадок балластного слоя при изменении эпюры шпалРозроблено метод розрахунку розладнання геометрії колії під дією динамічних навантажень при проходженні рухомим складом нерівності колії. Метод враховує взаємопов’язані короткотривалі процеси динамічної взаємодії та довготривалі процеси осідання баластного шару у взаємному впливі один на одного. В основі першої частини методу закладено математичну модель динамічної взаємодії колії у вигляді плоскої тришарової континуальної балкової системи у взаємодії із двохмасовою дискретною системою, що відповідає рухомому складу. Дана модель дозволяє імітувати динамічні навантаження від окремих шпал на баласт при проходженні рухомим складом геометричних нерівностей та нерівностей нерівнопружності колії.В основі другої частини методу закладено феноменологічну математичну модель накопичення залишкових деформацій, яка ґрунтується на лабораторних дослідженнях осідань окремих шпал у баластному шарі. Особливістю даної моделі є врахування не тільки рівномірного накопичення залишкових осідань із пропущеним тоннажем, а також наявності пластичної складової осідання, яка залежить від максимальних напружень в історії навантажень баласту під кожною шпалою.Запропоновано новий теоретичний механізм розвитку нерівності колії, який враховує не тільки залишкові осідання баластного шару, а також виникнення люфтів під шпалами, що призводить до локальної зміни пружності колії. Даний механізм дозволяє враховувати неоднозначний вплив осідань із виникненням люфту під шпалою. З однієї сторони, осідання спричинюють збільшення динамічних навантажень на колію і баластний шар, з іншої – виникнення люфту призводить до зменшення жорсткості колії та відповідного зменшення динамічних навантажень.Практичне застосування розробленого методу показано на прикладі кількісної оцінки довготривалих нерівномірних осідань баластного шару при зміні епюри шпа

Analysis of Track Bending Stiffness and Loading Distribution Effect in Rail Support by Application of Bending Reinforcement Methods

Abstract Railway track is a linearly inhomogeneous object that consists of geometrical and elastic discontinuities such as bridges, transition zones, rail joints and crossings. The zones are subjected to the development of local instabilities due to quicker deterioration than the other tracks. Until now, there have been no efficient approaches that could fully exclude the problem of accelerated differential settlements in the problem zones. Many structural countermeasures are directed at controlling the sleeper/ballast loading with the help of fastenings/under-sleeper pad elasticities, sleeper forms and additional bending stiffness reinforcements. However, the efficiency of the methods is difficult to compare. The current paper presents a systematic approach in which the loading distribution effect in the rail support by application of two bending reinforcement methods is compared: auxiliary rail and under-sleeper beam. The study considers only the static effects to reach a clear understanding the influence of the main factors. The track equivalent bending stiffness criterion is proposed for comparing reinforcement solutions. The analysis shows that the activation of the bending stiffness of the reinforcement beams depends on the relative ratio of the rail fastenings stiffness and track support stiffness under sleepers (or under the under-sleeper beam). The comparison demonstrates that conventional auxiliary rail reinforcement solutions are ineffective due to their weak bending because of the high elasticity of fastening clips and the main rail fastenings. The share of an auxiliary rail is maximally 20% in the track bending stiffness and cannot be significantly improved by additional rails. The under-sleeper beam-based reinforcement solutions show noticeably higher efficiency. The highest effect can be achieved by the activation of the horizontal shear interaction between the under-sleeper beam and the rail. The additional track bending stiffness of the under-sleeper-based solutions is about 3.5 times more of the rail one and could be potentially increased to 6–10 times

Stiffness and strength of structural layers from cohesionless material

The deformation modulus and permissible stress are two independent parameters that depict the carrying capacity of foundations, including earthworks and ballast layer. Nevertheless, while designing the track superstructure or controlling its state, they are considered separate to each other, even though they are terms of the same measure. The scientific problem is due to the practical necessity of unified building rules and standards. The carrying capacity of earthworks and foundations is regulated with standards based both on deformation and on stress criteria, which are not related to each other. This plays particularly important role for railway ballast layer, as an intermediate between the solids and soil. The objective of the present research is to estimate the relationship between deformation modulus and the strength of ballast layer. An overview of modern approaches according to the relation between the stiffness, deformation modulus, elasticity and strength of soils and crushed stone is done. The strength of ballast layer is considered depending on the experimental test: the direct shear test, compressive strength in the uniaxial or biaxial stress state. Load transfer model in crushed stone is proposed. The load transfer angle and cone of loading distribution are determined based on the load transfer and compressive strength models. The relation between deformation modulus and strength is derived from two simple laboratory experiments with cohesionless ballast material. The experiment tests have shown that the ballast stiffness as well as its strength are influenced with the support stress. The measurement of elastic and residual settlements for the different support stress values enables to determine the relation. It can be potentially used for the development of methods for the ballast compaction control, unification of construction norms. The research result should be considered as an approach for unification of two different ways to reflect the carrying capacity of ballast layer