Bachelor's Thesis

Design of a module to measure the coefficient of friction on the side of the rail

Final Thesis 3.58 MB Appendix 961.6 kB

Author of thesis: Dominik Chlebek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Valena, Ph.D.

Reviewer: Ing. Tomáš Jordán

Abstract:

This bachelor thesis addresses the measurement of adhesion and friction conditions at the wheel-rail interface, which fundamentally affect operational safety and the wear of railway tracks. An analysis of the current state of knowledge revealed that existing diagnostic tools are limited in their ability to accurately simulate real Hertzian contact pressures and are often structurally restricted to measurements on the rail head, thus neglecting the critically loaded guiding edge.
The main objective of this thesis is to design and construct a swappable, adjustable module for the existing portable BUT Rail tribometer. The proposed device is designed to enable detailed diagnostics of the coefficient of friction at six defined positions across the rail profile, while maintaining high structural rigidity, low weight for ease of field mobility, and ergonomic operation.
The problem was solved by designing a compact module that combines lateral displacement, vertical adjustment using a loading spring, and eccentric tilting of the entire measuring mechanism. The resulting structural design, with a total mass of 5.57 kg, reliably generates the required Hertzian contact pressures in the range of 0.7–1 GPa. The module successfully reaches all six defined measuring positions on standard flat-bottom rails and five positions on grooved rails, where the lowest position is limited by a structural collision with the rail body.
The proposed device significantly expands the diagnostic capabilities for friction mapping on real, irregularly worn rail profiles directly in the field. The detailed data obtained can contribute directly to the optimization of lubrication processes, effective wear reduction, and the overall extension of railway infrastructure service life, while the identified structural limits provide a clear basis for further development of the module.

Keywords:

Tribometer, coefficient of friction, rolling slip, wheel-rail contact, gauge face

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. V závěru uvádíte, že u blokové žlábkové kolejnice narážíte na konstrukční limit, kdy kvůli prostorové kolizi tělesa modulu s hranou kolejnice nelze změřit nejnižší polohu (pozici 6). Dokázal byste v jednoduchosti nastínit, jakým konkrétním způsobem lze tento problém v budoucí modifikaci zařízení řešit? - částečně zodpovězeno Doc. Nečas - Kolik jste vytvořil koncepčních řešení a jak jste postupoval s jejich vyhodnocením? - zodpovězeno Doc.Kubík - Jak se tribometr upne ke kolejnici? - zodpovězeno Ing.Košťál - Jak je zajištěno ložisko? Proč je na hřídeli osazení? - zodpovězeno Ing.Škaroupka - Navrhoval jste celý tribometr? Proč jste se tak rozhodnul? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. David Nečas, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Škaroupka, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Valena, Ph.D. (člen)
Ing. David Košťál, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Valena, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá návrhem modulu traťového tribometru pro měření na pojížděné hraně kolejnice. V rešeršní části je nejprve obecně popsán kontakt kola a kolejnice, látky ovlivňující tření a tvary kolejnic. Tyto informace však nejsou dále hlouběji analyzovány. Následující kapitola věnovaná traťovým tribometrům je poměrně obsáhlá a detailní, nicméně by bylo přínosné doplnit vzájemné porovnání jednotlivých zařízení. Vzhledem k tomu, že byl kladen důraz na kompaktnost konstrukce, postupoval autor při návrhu od nejmenšího celku (měřicího modulu) přes zatěžovací a naklápěcí modul až po příčný posuv. V důsledku tohoto přístupu působí jednotlivé koncepty poněkud vytrženě z kontextu, což čtenáři ztěžuje orientaci v textu. Některé koncepty jsou navíc popsány pouze slovně. To však nijak nesnižuje kvalitu samotného konstrukčního návrhu, který je na velmi dobré úrovni a je detailně popsán. Za největší přínos považuji navržený kompaktní měřicí modul, u něhož student provedl také analýzu Hertzových kontaktních tlaků, a dále nízkou celkovou hmotnost. Jako drobný nedostatek vnímám absenci některých technických výpočtů a kontrolních ověření zvolených komponent. Výkresová dokumentace i samotný text práce jsou na dobré úrovni. Místy je však patrné, že text vznikal pod časovým tlakem, což se projevilo zejména v oblasti citací. Student byl v průběhu řešení práce samostatný, iniciativní a spolehlivý. Z pohledu vedoucího jsem s prací spokojen a práci doporučuji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Jordán

Předložená bakalářská práce se věnuje návrhu modulu pro měření součinitele tření na boku kolejnice, a to v šesti definovaných polohách. Tento modul má v praxi sloužit jako funkční rozšíření již existujícího tribometru, který byl doposud určen výhradně pro měření na temeni hlavy kolejnice. V rešeršní části autor velmi podrobně popisuje dostupná komerční i laboratorní zařízení určená pro měření tření na kolejnici. Zároveň jsou zde popsány různé parametry a vlivy okolního prostředí, které dokážou velikost tření ovlivnit. Na základě shrnutí rešerše však není jasné, jaký konkrétní přínos měly tyto poznatky pro následný konstrukční návrh. V této části práce je navíc nejasné uspořádání citací, kdy autor neodkazuje na literaturu postupně, ale indexy začínají netradičně a neuspořádaně. Koncepční část působí nepřehledně a obtížně se v ní orientuje. Bylo by mnohem lepší, kdyby autor využil více zjednodušených schémat pro snazší pochopení jednotlivých částí mechanismů. Samotné detailní konstrukční řešení naopak hodnotím pozitivně a oceňuji hezké grafické zpracování, nicméně pro větší přehlednost by bylo vhodné doplnit jeden komplexní přehledový obrázek s vyznačením a popisem jednotlivých hlavních částí. Cíle práce jsou splněny, přičemž lze vyzdvihnout snížení hmotnosti měřícího zařízení vzhledem k existujícímu řešení. Samotný text práce je pak místy hůře čitelný a srozumitelný. I přes tyto uvedené výhrady však doporučuji práci k obhajobě a navrhuji výslednou známku B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací D
Topics for thesis defence:
  1. V závěru uvádíte, že u blokové žlábkové kolejnice narážíte na konstrukční limit, kdy kvůli prostorové kolizi tělesa modulu s hranou kolejnice nelze změřit nejnižší polohu (pozici 6). Dokázal byste v jednoduchosti nastínit, jakým konkrétním způsobem lze tento problém v budoucí modifikaci zařízení řešit?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová