Ein Neuer Radsensor zur Erfassung des multiaxialen Belastungsgeschehens an schienengebundenen Nahverkehrsfahrzeugen

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Curt Solberg
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Moderne Schienenfahrzeuge Tagung 15.-18.

1 Moderne Schienenfahrzeuge Tagung April 2007, Graz Ein Neuer Radsensor zur Erfassung des multiaxialen Belastungsgeschehens an schienengebundenen Nahverkehrsfahrzeugen M. Kieninger *, A. Rupp **, T. Gerlach *** * Fraunhofer LBF; ** FH Kempten, *** Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH, Oberhausen

kommissarische Evaluierung, kommissarische Leitung Prof. Leitung G.

2 Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit Historie und Systemzuverlässigkeit LBF 1938 Gründungsjahr als Laboratorium für Betriebsfestigkeit 1962 Aufnahme in die Fraunhofer- Gesellschaft 1973 Namensänderung in Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit LBF 1999 kommissarische Evaluierung, kommissarische Leitung Prof. Leitung G. Müller Prof. G. Müller, Konzept für Neuausrichtung 2001 Neuberufung und Kooperation mit TUD Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka 2004 Namenserweiterung in Fraunhofer- Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Seite 2

3 LBF-Beteiligung an Europäischen Forschungsvorhaben 5. Rahmenprogramm HIPERTRACK HIPERWHEEL HEMBOT 6. Rahmenprogramm SPURT MODTRAIN 7. Rahmenprogramm Seite 3

4 Methodik zur zuverlässigen Entwicklung von aktuellen und zukünftigen Straßenbahnfahrwerken Wo liegen die Herausforderungen? Niederflurfahrzeuge => neue Straßenbahnkonzepte Erhöhung Achslasten Fahrzeuge werden breiter und länger Leichtbau Lärm und Vibrationsreduzierung Verschleißreduzierung Minimierung Instandhaltung Kostendruck => Wie können die Herausforderungen gelöst werden? Seite 4

5 Heutige Auslegungsvorgaben für schienengebundene Nahverkehrsfahrzeuge UIC TRF DIN EN DIN ORE BoStrab VDV 152 Seite 5

6 Aktuelle Technologien zur Messung von Rad-Schiene Kontaktkräften Kanada USA Schweden Quelle: Internet Quelle: Internet Japan Quelle: Internet Quelle: Internet Deutschland Quelle: Interfleet SFT Graz 2005 Italien UK... Seite 6

7 Wozu eine weitere Technologie zur Rad- Schiene Kontaktkrafterfassung? Höhere Ergebnisgüte (Genauigkeit, Übersprechen) Messung von allen 6 Größen Erhöhung der Anwendungsfreundlichkeit Messungen mit gummigefederten Rädern Seite 7

8 Messräder für Nutzfahrzeuge Quelle: Messrad zur zuverlässigen Erfassung der Belastungsbedingungen im Betrieb, A.Rupp Seite 8

9 Das Projekt Schienenmessrad am LBF Ziel: Entwicklung und Realisierung eines Schienenmessrads zur Messung von Radlasten (3 Kräfte und 3 Momente) an einer Straßenbahn in einer deutschen Großstadt Quelle: Gute Hoffnungshütte Radsatz GmbH Seite 9

Transportation Baujahr 2003 bis 2007 Personen 64 (+6) / 115 Länge: 30,04 m, Breite: 2,40 m, Höhe:

10 Auswahl eines Fahrzeugtyps Duewag / Siemens Baujahr 1993/1997, Personen 59/111 Länge: 27,60 m, Breite: 2,35 m, Höhe: 3,37 m Gewicht: 36,88 t, Motor: 8 x 50 kw Anzahl Fahrzeuge: 38 Bombardier Transportation Baujahr 2003 bis 2007 Personen 64 (+6) / 115 Länge: 30,04 m, Breite: 2,40 m, Höhe: 3,49 m Gewicht: 40,50 t, Motor: 4 x 105 kw Anzahl Fahrzeuge: 65 Quelle: Seite 10

11 Gummigefederte V60 Rad für Nahverkehrsfahrzeuge (Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH, Oberhausen) Seite 11

12 Lastdaten - Rechnerische Betriebsfestigkeitsuntersuchung Physikalisch Lastfälle Vertikallast Laterallast Ideales Rollen Geradeausfahrt Bogenfahrt Weichenüberfahrt Fv,stat = 46,0 kn Fv,sr = 91,0 kn (n = 1,98) Fv,cor = 72,7 kn (n = 1,58) Fv,ps = 91,0 kn (n = 1,98) Fl,cor = + 36,3 kn (n = 0,79) Fl,cor = + 36,3 kn (n = 0,79) Fl,sh = + 50,1 / - 36,3 kn (n = + 1,09 / - 0,79) Seite 12

13 Kollektiv - Rechnerische Betriebsfestigkeitsuntersuchung Einsatzprofil - Bemessungslebensdauer: km Physikalische Lastfälle Häufigkeiten Verteilung Geradeausfahrt H/Ht = 0,58 Hn/Ht = 0,29 He/H = 5e-7 Bogenfahrt H/Ht = 0,42 Hn/Ht = 0,21 He/H = 2,5e-5 Weichenüberfahrt H/Ht = 0,0015 Hn/Ht = 0,0 He/H = 0,00033 Linear Gauss Gauss Seite 13

14 Ergebnisse neu RFS-Werte Gesamt Sichtseite abgenutzt Seite 14

15 Wissenschaftliche Herausforderungen Schwächung der Struktur zur Erhöhung der messbaren Dehnungen optimale Geometrie für Fertigung, Sicheres Design des Messrades, Optimale Positionierung der Sensoren zur Messung von Vertikal-, Lateral- und Longitudinalkräften und der Momente sowie der Position des Rad-Schiene Kontaktes, Optimale Position der Sensoren zur Minimierung von Übersprechen Optimale Verschaltung der Dehnungsmessstreifen in Wheatstone Brücken Seite 15

16 Vorder- und Rückansicht der Messradgeometrie Seite 16

17 Wirkungslinie der vertikalen Kraft 16,5 mm R = 127,5 mm Rückseite Sichtseite Rückseite Sichtseite Wirkungslinie der vertikalen Kraft Seite 17

18 Ergebnisse Vergleichsspannung (Von Mises +/-) Sichtseite Scheibe Lastfall Bogenfahrt positiv 2. Rechenschritt Auswertung Bereich 1 Seite 18

19 Ergebnisse RFS Werte Sichtseite Scheibe Bereich 1 Nd RFS = 127 MPa Seite 19

20 DMS Applikation nach dem numerisch entwickelten Messstellenkonzept Seite 20

21 Instrumentiertes Schienenmessrad mit Verstärkerbox und Schleifringübertrager Seite 21

22 Schienenmessrad-Kalibrierstand Kalibrierprozedur entsprechend Nutzfahrzeugmessrädern Seite 22

23 Kalibrierprozedur angelehnt an Nfz-Messradkalibrierungen Seitenkraft auf Radius 310mm der kleinen Bohrungen des Radreifens von außen in mindestens 4 (besser 8) Winkelpositionen in 5 Laststufen bis ca. 40kN 3 mal Radialkraft möglichst weit außen FRa und weit innen FRi in mindestens 8 Winkelpositionen in 5 Laststufen bis ca. 80kN 3 mal Umfangskraft in mindestens 4 Winkelpositionen über Verschraubung an Radreifen eingeleitet in 5 Laststufen bis ca. 10kN 3 mal Seite 23

24 Calilbration of the measuring wheel Seite 24

25 Seite 25 Kalibrierung der Seitenkraft

26 Brems- und Antriebsmomentkalibrierung MY in V MY in V Brake/Drive Moment in knm Seite 26

27 Radialkraftkalibrierung - Gleichförmigkeit 0,08 Radial Load Cells in V/kN 0,06 0,04 0,02 0-0,02-0,04-0,06 R1 R2 R -0, Spoke No. Seite 27

28 Straßenbahnschienenmessrad im Radsatzprüfstand Seite 28

29 Vergleich Maschinenkräfte und Messradkräfte im LBF Radsatzprüfstand Seite 29

30 Vergleich Maschinenkräfte und Messradkräfte im LBF Radsatzprüfstand Seite 30

31 Fahrbetriebsmessungen Fahrbetriebsmessungen werden Im April/Mai 2007 durchgeführt Seite 31

32 Einbau des Schienenmessrads in die Straßenbahn Seite 32

33 Linie 17 Rebstockbad-Pforzheimerstr. Draufsicht Seite 33

34 Seite 34 Weiche

35 Was soll erfasst werden? Typische Manöver Bogenfahrten, Weichenüberfahrten, Geradeausfahrten, Brückenüberfahrten, Bremsen, Beschleunigen, Sensitivitätsanalysen Variation Geschwindigkeit, Beladung, Spurkranz neu, verschlissen Straßenbahnnetz reguläre Linien Fahrten im und zum Betriebshof, Seite 35

36 Potenziale direkt gemessener Rad Schiene Kontaktkräfte Rad Schiene Kontaktkräfte 1. Bewertung Infrastruktur 2. Betriebsfeste Auslegung 3. Entwicklung zukünftiger Fahrwerke 4. Entwicklung Monitoringsysteme Seite 36

37 Lastannahmen für Rad-Schiene Kontaktkräfte Auslegung Fahrwerks- und drehende Komponenten Auslegung Wagenkasten Überprüfung und Optimierung Fahrwerksabstimmung Eingangsgrößen für die numerische Simulation Verifikation der numerischen Simulation Eingangsgrößen für Standards Seite 37

38 Potenziale direkt gemessener Rad Schiene Kontaktkräfte Rad Schiene Kontaktkräfte 1. Bewertung Infrastruktur 2. Betriebsfeste Auslegung 3. Entwicklung zukünftiger Fahrwerke 4. Entwicklung Monitoringsysteme Seite 38

39 Zusammenfassung Erstmalige Entwicklung eines gummigefederten Schienenmessrads Erfassung aller drei Kräfte und aller drei Momente Erprobung im Fahrbetrieb im April/Mai 2007 Schneller und unkomplizierter Einbau des Messrads Lastannahmen für dauerfeste und betriebsfeste Auslegungskonzepte Überwachung und Bewertung der Infrastruktur Werkzeug zur zuverlässigen Entwicklung zukünftiger Fahrzeugkonzepte Seite 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 40

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