Optimierung moderner Lok-Drehgestelle durch fahrzeugdynamische Systemanalyse. Oldrich Polach Bombardier Transportation (Schweiz) AG, Winterthur

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1 Optimierung moderner Lok-Drehgestelle durch fahrzeugdynamische Systemanalyse Oldrich Polach Bombardier Transportation (Schweiz) AG, Winterthur

2 Inhalt Typische fahrzeugdynamische Analysen (Standardanalysen) Optimierung der Anforderungen auf Fahrstabilität und Bogenfahrt Systemanalyse der Kraftschlussregelung und Fahrzeugdynamik Erweitertes Kraftschlussmodell Beispiel der Systemanalyse Kraftschlussregelung- Fahrzeugdynamik 2

3 Systemdynamik der Schienenfahrzeuge MKS MKS (Starrkörpermodellmodell) + Flexible Strukturen + Aktive Aktive Elemente Analyse: Linearisierte Analyse Numerische Simulation Y [kn] Zeit [s] 3

4 Beispiele der Simulationsmodelle: ADAMS/Rail Lokomotive SBB 46 4

5 Beispiele der Simulationsmodelle: SIMPACK Multi-System-Lok Lok DB BR 11 5

6 Fahrtechnische Standardanalysen bei Lokomotiven Eigenwerte Linearisierte Stabilitätsanalyse Nichtlineare Stabilitätsanalyse Fahrt in der Geraden mit gemessener Gleislagestörung Bogenfahrt ohne und mit gemessener Gleislagestörung 6

7 Eigenwerte Beurteilung der Eigenfrequenzen und -dämpfungen Nicken Wanken Wenden p g

8 Linearisierte Stabilitätsanalyse (Stabilitätskarte) Vcr [km/h] Konizität Conicity Kasten-Schlingern Drehgestell-Schlingern 8

9 Nichtlineare Stabilitätsuntersuchung Queranregung Fahrtsimulation Fahrtsimulation (Abklingverhalten) (Abklingverhalten) Auswertung Auswertung der der Quer- Quer- und und Wendebewegung Wendebewegung Queranregung stabil instabil 9

10 Fahrverhalten und Fahrkomfort Gleisunebenheiten (Störung) Fahrtsimulation Auswertung der der Beschleunigung Bewertungskurven nach ERRI B 153 für Messungen auf dem Fussboden 1.E+ horizontal vertikal 1.E-1 1.E-2 1.E-1 1.E+ 1.E+1 1.E+2 Frequenz [Hz] 1

11 Bogenfahrt Trassierung Trassierung (+ (+ Gleislagestörung) Gleislagestörung) Simulation Auswertung: Auswertung: Kräfte, Kräfte, Verschleiss Verschleiss R 1 R 2 Stellung der Radsätze im Gleis + 1st: st: nd: st: st: Q Y 1st: st: nd: st: st:

12 Optimierung des Konflikts Fahrstabilität - Bogenfahrt Auslegung der Radsatzführung: Zielkonflikt zwischen Stabilität und Bogenfahrt 5 Bogenfahrt: Führungskraft 3 Stabilität: Kritische Geschwindigkeit 4 25 Y [kn] Bogenradius 5 m Querbeschleunigung 1,1 m/s 2 vcr [km/h] Konizität Rad-Schiene,45 Restdämpfung 5 % cx [kn/mm] cx [kn/mm] 12

13 Lösung des Zielkonflikts: Kopplung der Radsätze Erprobte Lösung: Koppelwelle im Drehgestell der Lokomotive 2 (SBB 46, BLS 465, NSB El 18, VR Sr2) Radsatz Lenkerstange Funktionen der Koppelwelle Erhöhung der Stabilität Koppelwelle Übertragung der Zug/Bremskräfte Radsatz-Drehgestellrahmen Bessere radiale Einstellung der Radsätze im Bogen Achslager 13

14 Entwicklungsprojekt: Drehgestell der Multi-System-Lok Antriebsvarianten Antrieb mit Hohlwelle Tatzlagermotor Radsatzführung: modulare Bauweise 14

15 Modulare Bauweise der Radsatzführung Module steife Radsatzführung weiche Radsatzführung sehr weiche Radsatzführung mit Koppelwelle (KW) sehr weiche Radsatzführung mit Koppelwelle und Koppelwellendämpfer (KWD) 15

16 Konstruktion des Drehgestells steife / weiche Radsatzführung sehr weiche Radsatzführung mit Koppelwelle 16

17 Stabilität - linearisierte Analyse Kritische Geschwindigkeit (Konizität Rad-Schiene,45) 35 3 vcr [km/h] c x [kn/mm] ohne Koppelwelle mit Koppelwelle mit Koppelwelle und Koppelwellendämpfer 17

18 Stabilität - nichtlineare Analyse Maximalwerte bei der Simulation der Fahrt mit Testgeschwindigkeit Querbeschleunigung am DG-Rahmen ÿ [m/s 2 ] Weg [m] 4 35 Summe der Führungskräfte 1 3 y" [m/s 2 ] s Y [kn] ohne KW mit KW mit KW und KWD ohne KW mit KW mit KW und KWD 18

19 Bogenfahrt Führungskraft des anlaufenden Rades Y [kn] c x [kn/mm] ohne Koppelwelle, R = 3 m mit Koppelwelle, R = 3 m ohne Koppelwelle, R = 5 m mit Kopellwelle, R = 5 m 19

20 Bogenfahrt Führungskraft des anlaufenden Rades Verschleiss am anlaufenden Rad Y [kn] AR [N m / m] ohne Koppelwelle, R = 3 m ohne Koppelwelle, R = 3 m 2 mit Koppelwelle, R = 3 m mit Koppelwelle, R = 3 m 2 ohne Koppelwelle, R = 5 m 1 ohne Koppelwelle, R = 5 m mit Kopellwelle, R = 5 m mit Kopellwelle, R = 5 m c x c x [kn/mm] 2

21 Bogenfahrt: Einfluss der Einbauneigung der Schienen Führungskraft Rad-Schiene (Radprofil S 12, Schiene UIC 6) Neigung 1 : 4 Neigung 1 : ohne KW mit KW 7 6 ohne KW mit KW 5 5 Y [kn] 4 3 Y [kn] Bogenradius [m] Bogenradius [m] 21

22 Erfahrungen mit radial einstellbaren Drehgestellen Verschleissreduktion: Reprofilierungsintervale mit Lok SBB 46 auf der Gotthardstrecke 3-4 x länger als bei älteren Lok Reprofilierungsintervale der Lokomotiven Ge 4/4 III der RhB etwa 4x länger als bei älteren Lokomotiven Radprofil der Lok RhB Ge 4/4 III nach 31 km Laufleistung

23 Weiterentwicklung des Rad-Schiene-Modells Fahrzeugdynamik Antriebsdynamik Kraftschluss trocken nass Kraftschluss trocken nass Schlupf [%] Schlupfgeschwindigkeit [km/h] geeignet für Lauftechnik (Mikroschlupf) notwendig für Antriebsdynamik (Makroschlupf) wird für Längs- und Querrichtung betrachtet in Rechnung bis jetzt nur für Längsrichtung betrachtet abhängig vom Schlupf abhängig von Schlupfgeschwindigkeit 23

24 Rad-Schiene-Modell für Fahrzeug- und Antriebsdynamik Einfluss der Fahrgeschwindigkeit Kraftschluss V = 1 km/h Kraftschluss V = 4 km/h f x [-] Schlupf [%] Schlupf [%] s x [%] v [km/h] 1 Kraftschluss V = 7 km/h Kraftschluss V = 9 km/h Schlupf [%] Schlupf [%] 24

25 Erweitertes Rad-Schiene-Modell auf Basis von Messungen Zusammenhang Längs-, Quer-, Bohrschlupf und Form der Kontakellipse im erweiterten Kraftschlussgesetz f x ω B = rad/m a/b = 1 f y % % % % s x s y s x s y ω B = 1 rad/m a/b = 3.5 f x f y % % % % s x s y s x s y 25

26 Co-Simulation Fahrzeugdynamik - Kraftschlussregelung Kraftschlussregler (MATLAB-SIMULINK) Fahrzeugmodell (SIMPACK) ω R3 ω R4 V M R3 M R4 26

27 Fahrzeugmodell: Versuchslokomotive BR 128 (Lok 12X) Modellaufbau 27

28 Fahrzeugmodell: Versuchslokomotive BR 128 (Lok 12X) Ergänzung des Lokmodells Antriebstrang (Motor, Getriebe, Hohlwelle) Torsionselastischer Radsatz Linkes Rad Kupplung Radsatz - Hohlwelle Eigenschwingungen des Antriebstrangs: Rattern (21.7 Hz) Rollieren (49.2 Hz) Hohlwelle Torsionssteifigkeit der Radsatzwelle Rechtes Rad 28

29 Evaluation der Parameter des Kraftschlussmodells Anpassung des Rad-Schiene-Modells nach gemessenen Kraftschluss-Kennlinien Ein Parametersatz berücksichtigt die Einflüsse: Geschwindigkeit Längsschlupf.3 Querschlupf Spin Berührgeometrie Normalkraft Kraftschluss km/h, 2 km/h, Messung Rechnung 6 km/h, Rechnung 6 km/h, 2 km/h, Messung 6 km/h, Messung Schlupf [%] 29

30 Simulation des Übergangs trocken-nass Anfahrt in der Geraden.4 Reibwert Rad-Schiene Kraftschluss als Funktion von Schlupf.3 linke Schiene rechte Schiene.3 [ - ] fx [ - ].15.1 Radsatz 3 links 15 Weg [m] Antriebsmoment am Rotor.5 Radsatz 4 links Längsschlupf [ - ] MR [knm] 1 5 Sollwert Istwert Rotor 3 Istwert Rotor Zeit [s] 3

31 Vergleich Messung - Rechnung Anfahrt der Versuchkomposition auf bogenreicher Strecke (Kanderviadukt, Schweiz, August 21) Längskräfte in der Radsatzführung (Differenz links - rechts) 2 15 Messung Radsatz 3 Messung Radsatz 4 Rechnung Radsatz 3 Rechnung Radsatz 4 1 Kraft [kn] Rechtsbogen 3 m Linksbogen 385 m Rechtsbogen 29 m Weg [m] 31

32 Schlussfolgerungen Die Standardanalysen ermöglichen virtuelle Erprobung während der Entwicklung Die Zielkonflikte der fahrtechnischen Anforderungen auf die Drehgestellkonstruktion lassen sich mit Unterstützung der Simulationen weitgehend optimieren Weiterentwicklung der Modellierung des Rad-Schiene- Kontaktes zusammen mit Co-Simulation ermöglichen komplexe Analysen mechatronischer Systeme moderner Lokomotiven 32