Friction in Wheel - Rail Contacts Radu Popovici This research was supported by the Dutch rail operator (NS) and the Dutch network infrastructure manager (ProRail). De promotiecommissie is als volgt samengesteld: prof.dr. F. Eising, Universiteit Twente, voorzitter en secretaris prof.dr.ir. D.J. Schipper, Universiteit Twente, promotor prof.dr.ir. A. de Boer, Universiteit Twente prof.dr.ir. A.J. Huis in’t Veld, Universiteit Twente prof.dr.ir. S. Cretu, Universiteit Gh. Asachi, Roemenië prof.dr.ir. P. De Baets, Universiteit Gent, België dr.ir. A.H. van den Boogaard Popovici, Radu Ionut Friction in Wheel - Rail Contacts ISBN 978-90-365-2957-0 Ph.D. Thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands February 2010 Keywords: wheel - rail contact, mixed lubrication, friction model, Stribeck curve, traction curve, wheel - rail friction measurement. Cover designed by Xiao Ma, Enschede Copyright © 2010 by R.I. Popovici, Enschede All right reserved Printed by Wöhrmann Printing Service, Zutphen FRICTION IN WHEEL - RAIL CONTACTS PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Twente, op gezag van de rector magnificus, prof. dr. H. Brinksma, volgens besluit van het College voor Promoties in het openbaar te verdedigen op vrijdag 19 februari 2010 om 15.00 uur door Radu Ionuţ Popovici geboren op 13 oktober 1978 te Iaşi, Roemenie. Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: prof.dr.ir. D.J. Schipper in memoria bunicului, Barbu Summary In the autumn, railroad traffic is often interrupted due to the occurrence of slippery tracks. The Dutch main operator (NS) and the infrastructure manager (ProRail) struggle with repeated delays. The layer between wheel and rail causing this phenomenon has not yet been identified, but can be quantified by rheological properties determined by correlating the measured friction between wheel and rail and the developed friction model. To this end, the research described in this thesis is twofold: theoretical; in which the wheel - rail contact is modelled in terms of contact and friction, and experimental; in which the friction between wheel and rail is measured to validate the developed model. The contact model between wheel and rail is approximated to be elliptical, which is shown to be accurate for the described purpose. The low friction situation is assumed to be caused by an interfacial layer, which is acting like a lubricant. Combining the previous two assumptions, a mixed lubrication friction model is developed for the Hertzian elliptical contact situation in which the interfacial layer is acting as a lubricant governed by the Eyring model. The mixed lubrication friction model results in the so-called Stribeck curve and/or the traction curve, which both take frictional heating and starved conditions into consideration. In addition, the changes in attack angle are also taken into account and a general viscoelastic model is proposed for both interfacial and boundary layers. In this way, most of the situations occurring in the wheel - rail contacts are covered, with the recommendation that future research should include the effect of spin. The validation of the friction model was performed by conducting laboratory experiments on general elliptical contacts in the presence of a lubricant. Field experiments are conducted for extracting the rheological properties of the interfacial layer causing the low friction by using the presented model. For the field experiments, two pioneer devices were developed and successfully used on the real track. One is a sliding sensor which measures the coefficient of friction between a curved shaped specimen pressed against and sliding along the rail, i.e. simple sliding conditions. A second device is developed and mounted on a train for measuring traction curves between a measuring wheel and the head (top) of the rail, i.e. rolling/sliding conditions, at velocities of up to 100 km/h. The measuring campaign was scheduled over 20 nights during the autumn of 2008 on three tracks of the Dutch rail network (Hoekselijn, Zeeuwselijn and Utrecht - Arnhem - Zwolle). Five characteristic traction curves were identified by the use of a statistical approach and rheological properties were extracted for the layer causing the low friction situation. Most of the approximately 6000 measured traction curves showed good agreement with the friction model, in which the viii Summary interfacial layer is represented by the Eyring behaviour. However, for some of them, viscoelasticity had to be taken into account. Based on the results from the measuring campaign combined with the modelled wheel - rail friction model, conclusions were drawn and important recommendations made to both the Dutch train operator (NS) and the rail infra manager (ProRail) from theoretical and practical points of view. Samenvatting Gedurende de herfst wordt het treinverkeer vaak verstoord als het gevolg van gladde sporen. De Nederlandse Spoorwegen en de beheerder van de infrastructuur ProRail hebben daardoor problemen met herhaalde vertragingen. De samenstelling van de laag tussen treinwiel en spoorrails die ten grondslag ligt aan dit probleem is nog onbekend, maar kan met behulp van rheologische eigenschappen gekwantificeerd worden door de gemeten wrijving tussen wiel en spoor te correleren aan het ontwikkelde wrijvingsmodel. Teneinde dit te bereiken is het onderzoek in dit proefschrift tweeledig: enerzijds theoretisch, waarbij het contact en de wrijving in het wiel-rail contact worden gemodelleerd, en anderzijds experimenteel, waarbij de wrijving tussen wiel en spoorrails wordt gemeten om het model te kunnen valideren. Het contact tussen wiel en rail is bij benadering elliptisch, deze benadering is accuraat voor de beschreven toepassing. Het wordt aangenomen dat het optreden van lage wrijving veroorzaakt wordt door een grenslaag/tussenlaag tussen het wiel en de rail die zich gedraagt als een smeermiddel. Door het combineren van deze twee aannames is een model ontwikkeld dat de gemengde smering en de wrijving in een elliptisch Hertz contact beschrijft, waarbij de tussenlaag zich gedraagt als een smeermiddel volgens Eyring. Dit gemengde smerings- en wrijvingsmodel resulteert in de zogenaamde Stribeck-curve en/of de tractie-curve, beide met inachtname van wrijvings geïnduceerde verhitting en schrale smeringscondities. Daarbij worden ook de veranderingen in wiel stand t.o.v. rail (hoek) acht genomen en wordt een visco-elastisch model voorgesteld voor zowel de interface als de grenslagen. Op deze manier wordt het merendeel van de optredende situaties in wiel-spoor contacten beschreven, met de aanbeveling dat toekomstig onderzoek de effecten van 'spin', of rotatie in het contact vlak, zou moeten meenemen. Het wrijvingsmodel is gevalideerd met behulp van laboratorium experimenten aan algemeen elliptische contacten in de aanwezigheid van een smeermiddel. Daarnaast zijn veldtesten uitgevoerd om met behulp van het gepresenteerde model de rheologische eigenschappen van de tussenlaag, die resulteert in lage wrijving, te bepalen. Voor de veldtesten zijn twee tribotesters ontwikkeld die succesvol zijn toegepast in het dagelijkse spoorbedrijf. De ene is een glijdende sensor die de wrijvingscoëfficiënt meet wanneer een gekromd proefstuk tegen het spoor wordt gedrukt, ofwel glijdende condities. Een tweede opstelling is ontworpen en gemonteerd op een trein voor het meten van tractiecurves tussen een meetwiel en de kop (bovenkant) van het spoor, resulterend in een combinatie van rollende en glijdende condities, met snelheden tot 100 kilometer per uur. De metingen werden x Samenvatting uitgevoerd gedurende een periode van 20 nachten in het najaar van 2008 op drie trajecten van het Nederlandse spoornet: de Hoekselijn, de Zeeuwselijn en de driehoek Utrecht - Arnhem - Zwolle. Met behulp van een statistische benadering zijn vijf karakteristieke tractiecurves geïdentificeerd, waarmee de rheologische eigenschappen van de tussenlaag die de lage wrijving veroorzaakt bepaald kunnen worden. Het meerendeel van de bij benadering 6000 tractiecurves vertoonde een goede overeenstemming met het wrijvingsmodel waarin de tussenlaag wordt beschreven met behulp van Eyring gedrag. Voor een enkele curves moest visco- elastisch gedrag ook in beschouwing genomen worden. Gebaseerd op zowel de resultaten behaald gedurende de meetperiode als het model voor de wrijving in het wiel-rail contact zijn conclusies getrokken en belangrijke aanbevelingen gedaan aan de Nederlandse Spoorwegen en ProRail, zowel vanuit een theoretisch als een praktisch oogpunt. Acknowledgements As the project I worked on was very large, the number of people who I wish to thank is significant. The root of any PhD research lies in the project proposal made by those who open the eyes of the people working in industry, convincing them of the importance of research. The two men who accomplished this in the case of my project are Frans Kokkeler and Dik Schipper. Thank you both, for giving me the chance to work for my doctoral degree on such an exciting topic. The AdRem group was rather large and I shall first acknowledge the people from both NS and ProRail for the support they showed. Full credit must go to the project managers: to Marco Sala for his continuous challenges and to Marcel Vos for his genuine interest, but especially for answering the phone at 1:00 a.m. when we encountered a logistical problem, and to Frank Koster for being with us throughout these four years. Thanks to Felix Chang, Erik Sikma and Robert van Ommeren for hosting all our meetings and for being