IMPATTO DELLA SFACCETTATURA DI UNA RUOTA SULL’INTEGRITÀ DELLA ROTAIA: ANALISI FEM E STIMA DELLA VITA RESIDUA

The dynamic wheel-rail interaction represents one of the most critical aspects for the safety and reliability of railway infrastructures. In particular, the presence of wear defects on the wheel tread, such as wheel flats, generates impulsive loads capable of drastically accelerating the degradation of the track structure. This thesis aims to analyze and quantify the fatigue damage and defect propagation on an R260 steel rail subjected to a dynamic load of 225 kN. The investigation was conducted using a multi-level approach, starting with the interface modeling via Autodesk Inventor software. Through the same software, a Finite Element Analysis (FEM) was performed, and the identified stress values were utilized to evaluate damage evolution, first by applying the Dang Van multiaxial fatigue criterion and subsequently through Paris' law within Linear Elastic Fracture Mechanics. The obtained result was the residual life of the component in the presence of a 50 mm long wheel flat. For the defect dimensions within the rail head, an initial crack depth $a_0$ of 0.5 mm was selected, compatible with Rolling Contact Fatigue values. The numerical development of Paris' law yielded an estimated fatigue life of approximately 3,400 cycles. Translating this mechanical data into a realistic operational context, the time elapsing between stable crack initiation and final failure is just 13.5 days. This time window is incompatible with standard non-destructive testing (NDT) inspection intervals for rails. The study concludes that railway infrastructure safety demands a radical shift toward predictive maintenance. This can be achieved through trackside dynamic monitoring systems, such as Wheel Impact Load Detectors (WILD), or scheduled preventive rail milling interventions. Another alternative lies in selecting a rail steel with superior mechanical characteristics compared to R260, such as R350HT.

L’interazione dinamica ruota-rotaia rappresenta uno degli aspetti più critici per la sicurezza e l’affidabilità dell’infrastruttura ferroviaria. In particolare, la presenza di difetti di usura sul battistrada della ruota, come le sfaccettature (note in letteratura anglosassone come wheel flats), genera carichi impulsivi in grado di accelerare drasticamente il degrado della struttura del binario. Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di analizzare e quantificare il danneggiamento a fatica e la propagazione dei difetti su una rotaia in acciaio R260 sottoposta a un carico dinamico di 225 kN. L’indagine è stata condotta con un approccio a più livelli, partendo da una modellazione dell’interfaccia mediante il software Autodesk Inventor. Sempre grazie a questo software è stata svolta un analisi agli Elementi Finiti (FEM) e i valori di sollecitazione individuati sono stati utilizzati per valutare l’evoluzione del danno, prima con l’applicazione del criterio di fatica multiassiale di Dang Van e successivamente con la legge di Paris all’interno della Meccanica della Frattura Elastica Lineare. Il risultato ottenuto è stato la vita residua del componente in presenza di una sfaccettatura di lunghezza 50 mm. Per le dimensioni del danno all’interno del fungo della rotaia è stata scelta una profondità iniziale della cricca a0 pari a 0,5 mm, compatibile con i valori della Rolling Contact Fatigue. Lo sviluppo numerico della legge di Paris ha restituito una vita a fatica stimata di circa 3.400 giri. Traducendo questo dato meccanico in un contesto prossimo alla realtà, il tempo che intercorre tra l’innesco stabile della cricca e la sua rottura risulta essere di appena 13,5 giorni. Questa finestra non è compatibile con gli intervalli canonici di ispezione non distruttiva (NDT) delle rotaie. Lo studio si conclude con la considerazione che la sicurezza delle infrastrutture ferroviarie necessita uno spostamento radicale verso una tipologia di manutenzione predittiva. Questa può essere realizzata mediante sistemi di monitoraggio dinamico a terra come i sistemi WILD o interventi programmati di fresatura preventiva dei binari. Un’altra alternativa può ricadere sulla scelta di un acciaio per la rotaia con caratteristiche meccaniche superiori a quelle dell’R260, come per esempio il R350HT.