Optimum railway transition curves for different circular arc radii

• Autorzy: Zboinski Krzysztof , Woznica Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143029

Warianty tytułu

PL

Optymalne kolejowe krzywe przejściowe dla różnych promieni łuku kołowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article concerns assessing the dynamical properties and shape optimization of railway transition curves (TCs) for the wide range - 600, 900, 1200, 2000, 3000, and 4000 m - of circular arc radii. The search for the optimum shape means in the current article the evaluation of the curve properties based on chosen dynamical quantities and generation of such shapes with use of a mathematically understood optimization method. As a transition curve in the studies performed, the authors adopted a polynomial of n-th degree, where n = 9 and 11. In the study one model of rail vehicle was used. The model represented 2-axle freight car of the average values of parameters. The authors took the so-called standard transition curves of 9th and 11th degrees, and 3rd degree parabola as initial transition curves in the optimization processes. As quality functions (evaluation criteria) the authors used three functions concerning lateral and vertical vehicle dynamics, and creepages in wheel-rail contact. In this work, the results of the optimization - types of the curvatures of the optimum transition curves - were presented and compared.

PL

Celem pracy była optymalizacja kolejowych wielomianowych krzywych przejściowych 9. i 11. stopnia z wykorzystaniem niestandardowych kryteriów oceny krzywej oraz modelu pojazdu szynowego. Jako wspomniane kryteria oceny autorzy pracy zastosowali tu minimalizację wartości całki ze zmiany przyspieszenia poprzecznego i kątowego nadwozia pojazdu po długości drogi oraz poślizgów w kontakcie koło-szyna. W pracy jej autorzy użyli jednego modelu pojazdu kolejowego. Był nim model 2-osiowego wagonu towarowego o uśrednionych wartościach parametrów, który jest rozważany w stanie ładownym. Prosta konstrukcja pojazdu skutkuje akceptowalnymi czasami obliczeń, co jest korzystne w dużej liczbie optymalizacji. W modelu tym przyjęto liniowość zawieszenia pojazdu - liniową sztywność i tłumienie elementów zawieszenia pojazdu. To samo zastosowano w modelu toru. Wykorzystany w pracy model zawiera wszystkie kluczowe elementy modeli dynamicznych pojazdów szynowych, takie jak: kluczowe elementy masowe (zestawy kołowe i nadwozie pojazdu), elementy zawieszenia (elementy sprężyste i tłumiące), koła i geometrię szyn opisaną przez rzeczywisty, nieliniowy kształt ich profili. Poza tym, styczne siły kontaktowe są obliczane przy użyciu uproszczonej nieliniowej teorii kontaktu J.J. Kalkera. Ponadto, model pojazdu jest uzupełniony modelem toru. Może on być traktowany jako zaawansowany model dynamiczny, zwłaszcza gdy porówna się go do punktu materialnego reprezentującego pojazd w tradycyjnych metodach oceny i kształtowania krzywych przejściowych. W pracy przyjęto następujące wartości promienia łuku kołowego R równe: 600 m, 900 m, 1200 m, 2000 m, 3000 m oraz 4000 m. Dla konkretnych wartości R i przechyłki d, autorzy zawsze obliczali prędkość pojazdu, zgodnie ze wzorami tradycyjnie przyjętymi w praktyce inżynierskiej. Przyjęto, że każda krzywa otrzymana w pracy ma krzywiznę (oraz rampę przechyłkową), która została zakwalifikowana do jednej z 5 grup. Wspomniane 5 grup (typów) to: - typ 1 - krzywizna jest w praktyce zbliżona do krzywizny wzorcowej 9. i 11. stopnia, - typ 2 - krzywizna ma kształt pośredni pomiędzy krzywizną wzorcową 9. i 11. stopnia, a parabolą 3. stopnia, krzywizna ta ma styczność typu G1 w skrajnych punktach, - typ 3 - krzywizna quasi-liniowa, bardzo zbliżona do krzywizny paraboli 3. stopnia, - typ 4 - krzywizna ma wklęsły charakter, jest ostra (4a) lub ma ciągłość typu G1 (4b) na początku KP i zawsze ostra na końcu KP, - typ 5 - krzywizna ma wypukły charakter i styczność typu G0 na początku i końcu krzywej.

Słowa kluczowe

EN

railway curve; transition curve; optimization; railway dynamics; computer simulation

PL

krzywa kolejowa; krzywa przejściowa; optymalizacja; dynamika kolejowa; symulacja komputerowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 111--125
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Zboinski Krzysztof

• Warsaw University of Technology, Faculty of Transport, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6967-4244

autor

Woznica Piotr

• Warsaw University of Technology, Faculty of Transport, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3715-966X

Bibliografia

• [1] A. Ahmad, J. Ali, “G3 transition curve between two straight lines”, in Proceedings 5th CGIV’08. IEEE Computer Society, 2008, pp. 154-159.
• [2] A. Ahmad, R. Gobithasan, J. Ali, “G2 transition curve using quadratic Bezier curve”, in Proceedings of the Computer Graphics, Imaging and Visualisation Conference. IEEE Computer Society, 2007, pp. 223-228.
• [3] Z. Barna, L. Kisgyorgy, “Analysis of hyperbolic transition curve geometry”, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2015, vol. 59, no. 2, pp. 173-178.
• [4] J.A. Bonneson, “A kinematic approach to horizontal curve transition design”, Transportation Research Record, 2000, vol. 1737, pp. 1-8.
• [5] G. Bosurgi, A. D’Andrea, “A polynomial parametric curve (PPP) for design of horizontal geometry of highways”, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2012, vol. 27, no. 4, pp. 304-312; DOI: 10.1111/j.1467-8667.2011.00750.x.
• [6] BS EN 12299:2009 Railway applications. Ride comfort for passengers. Measurement and evaluation.
• [7] N. Eliou, G. Kaliabetsos, “A new, simple and accurate transition curve type, for use in road and railway alignment design”, European Transport Research Review, 2014, vol. 6, no. 2, pp. 171-179; DOI: 10.1007/s12544-013-0119-8.
• [8] C. Esveld, Modern Railway Track. MRT-Productions, 2001.
• [9] S. Fischer, “Comparison of railway track transition curves types”, Pollack Periodica, An International Journal for Engineering and Infrastructure Science, 2009, vol. 4, no. 3, pp. 99-110; DOI: 10.1556/pollack.4.2009.3.9.
• [10] H. Hasslinger, Measurement proof for the superiority of a new track alignment design element, the so-called “Viennese Curve”. ZEVRail, 2005.
• [11] E. Jacobs, “Die sinusoide als neuzeitliches trassierungselement”, Vermessung-Ingenieur, 1987, vol. 87, pp. 3-9.
• [12] Q.P. Jiang, “Study of the new type of transition curve of road”, China Journal of Highway and Transportation”, 2002, vol. 15, no. 2.
• [13] D. Kahler, “Ein übergangsbogen für den S-Bahnverkehr mit linearer Überhöhungsrampe”, Vermessungstechnik und Raumordnung, 1990, vol. 52, pp. 10-18.
• [14] D. Kahler, “Übergangsbögen zur ausrundung der neigungswechel im schienen-schnellverkehr”, Zeitschrift für Vermessungwesen, 1990, vol. 115, pp. 154-162.
• [15] W. Kik, “Comparison of the behaviour of different wheelset-trackmodels”, in Proceedings of the 12th IAVSD Symposium on the Dynamics of Vehicles on Roads and on Tracks, Vehicle System Dynamics, G. Sauvage, Ed. Amsterdam: Swets & Zeitlinger. 1992, pp. 325-339.
• [16] L.T. Klauder, S.M. Chrismer, J. Elkins, “Improved spiral geometry for high-speed rail and predicted vehicle response”, Rail Track and Structures, 2003, vol. 6, pp. 15-17.
• [17] A. Kobryn, “New solutions for general transition curves”, Journal of Surveying Engineering, 2014, vol. 140, no.1, pp. 12-21; DOI: 10.1061/(ASCE)SU.1943-5428.0000113.
• [18] W. Koc, “New transition curve adapted to railway operational requirements”, Journal of Surveying Engineering, 2019, vol. 145, no. 3; DOI: 10.1061/(ASCE)SU.1943-5428.0000284.
• [19] W. Koc, “The method of determining horizontal curvature in geometrical layouts of railway track with the of moving chord”, Archives of Civil Engineering, 2020, vol. 66, no. 4; DOI: 10.24425/ace.2020.135238.
• [20] W.Koc, K. Palikowska, “Analiza sposobów modelowania krzywizny - krzywe Bezier a metoda analityczna”, Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK in Cracow. Conference Proceedings, 2012, vol. 99, no. 3, pp. 225-237 (in Polish).
• [21] W. Koc, K. Palikowska, “Ocena dynamiczna wybranych sposobów łączenia elementów trasy o zróżnicowanej krzywiźnie”, Technika Transporu Szynowego, 2012, vol. 18, no. 9 (in Polish).
• [22] B. Kuvfer, “Optimisation of horizontal alignments for railway - procedure involving evaluation of dynamic vehicle response”, Ph.D. Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2000.
• [23] X. Li, M. Li, C. Ma, J. Bu, L. Zhu, “Analysis on mechanical performances of high-speed railway transition curves”, in ICCTP 2009: Critical Issues In Transportation Systems Planning, Development, and Management. ACSE, 2009, pp. 1-8.
• [24] X. Li, M. Li, H.Wang, J. Bu, M. Chen, “Simulation on dynamic behaviour of railway transition curves”, 2010, in ICCTP 2010: Integrated Transportation Systems: Green, Intelligent, Reliable. ASCE, 2010, pp. 3349-3357.
• [25] X. Li, M. Li, J. Bu, H. Wang, “Comparative analysis on the linetype mechanical performances of two railway transition curves”, China Railway Science, 2009, vol. 30, no. 6, pp. 1-6.
• [26] X. Li, M. Li, J. Bu, Y. Shang, M. Chen, “A general method for designing railway transition curve algebraic equations”, in ICCTP 2010: Integrated Transportation Systems: Green, Intelligent, Reliable. ASCE, 2010, pp. 3340-3348.
• [27] S.L. Lian, J.H. Liu, X.G. Li, W.X. Liu, “Test verification of rationality of transition curve parameters of dedicated passenger traffic railway lines”, Journal of the China Rail Society, 2006, vol. 28, no. 6, pp. 88-92.
• [28] M. Lindahl, Track geometry for high-speed railways. Stockholm: Department of Vehicle Engineering Royal Institute of Technology, 2001.
• [29] X.Y. Long, Q.C. Wei, F.Y. Zheng, “Dynamic analysis of railway transition curves”, Proc. IMechE, Part F: Journal Rail and Rapit Transit, 2010, vol. 224, no. 1, pp. 1-14; DOI: 10.1243/09544097JRRT287.
• [30] Y. Michitsuji, Y. Suda, “Improvement of curving performance with assist control on transition curve for single-axle dedicated passenger traffic railway lines”, Journal of the China Railway Society, 2006, vol. 28, no. 6, pp. 88-92.
• [31] W. Oleksiewicz, C. Kraśkiewicz, “Układy geometryczne rozjazdów na kolejach dużych prędkości”, in Teoretyczne podstawy budownictwa. Konstrukcje inżynierskie, vol. 3, S. Jemioło, M.D. Gajewski, Eds. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2013 (in Polish).
• [32] A. Pirti, M.A. Yucel, T. Ocalan, “Transrapid and the transition curve as sinusoid”, Tehnicki Vjesnik, 2016, vol. 23, no. 1, pp. 315-320.
• [33] J. Pombo, J. Ambrosio, “General spatial curve joint for rail guided vehicles: kinematics and dynamics”, Multibody System Dynamics, 2003, vol. 9, no. 3, pp. 237-264; DOI: 10.1023/A:1022961825986.
• [34] T.-I. Shen, C.H. Chang, K.Y. Chang, C.C. Lu, “A numerical study of cubic parabolas on railway transition curves”, Journal of Marine Science and Technology, 2013, vol. 21, no. 2, pp. 191-197; DOI: 10.6119/JMST-012-0403-1.
• [35] E. Tari, O. Baykal, “A new transition curve with enhanced properties”, Canadian Journal of Civil Engineering, 2005, vol. 32, no. 5, pp. 913-923.
• [36] D. Vermeij, “Design of a high speed track”, HERON, 2000, vol. 45, no. 1, pp. 9-23.
• [37] Y.L. Xu, Z.L. Wang, G.Q. Li, S. Chen, Y.B. Yang, “High-speed running maglev trains interacting with elastic transitional viaducts”, Engineering Structures, 2019, vol. 183, pp. 562-578; DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.01.012.
• [38] J.Q. Zhang , Y.H. Huang, F. Li, “Influence of transition curves on dynamics performance of railway vehicle”, Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2010, vol. 10, no. 4, pp. 39-44.
• [39] K. Zboinski, “Dynamical investigation of railway vehicles on a curved track”, European Journal of Mechanics A-Solids, 1998, vol. 17, no. 6, pp. 1001-1020.
• [40] K. Zboinski, “Numerical studies on railway vehicle response to transition curves with regard to their different shape”, Archives of Civil Engineering, 1998, vol. 44, no. 2, pp. 151-181.
• [41] K. Zboinski, P. Woznica, “Optimisation of railway polynomial transition curves: a method and results”, in Proceedings of the First International Conference on Railway Technology: Research, Development and Maintenance, J. Pombo, Ed. Civil-Comp Press, 2012.
• [42] K. Zboinski, P. Woznica, “Combined use of dynamical simulation and optimisation to form railway transition curves”, Vehicle System Dynamics, 2018, vol. 56, no. 9, pp. 1394-1450; DOI: 10.1080/00423114.2017.1421315.