RAD-SCHIENE INTERAKTION ASPEKTE DER FAHRZEUG- FAHRWEG SCHÄDIGUNG

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1 RAD-SCHIENE INTERAKTION ASPEKTE DER FAHRZEUG- FAHRWEG SCHÄDIGUNG 40. Tagung Moderne Schienenfahrzeuge September 2011 Graz Dr. Klaus Six*, Dr. Martin Rosenberger, Christof Marte, Gerald Trummer Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbh (ViF) *Kontakt: Das Kompetenzzentrum VIRTUAL VEHICLE wird im Rahmen von COMET Competence Centers for Excellent Technologies durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT), das Österreichische Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG), das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG) gefördert. Das Programm COMET wird durch die FFG abgewickelt. VIRTUAL VEHICLE

2 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 2

3 Rolling direction Einleitung Ausgangssituation konformer Conformal Kontakt contact Anforderungen an Schienenfahrzeuge Auslegungsgeschwindigkeit Achslast Beschleunigungen/Verzögerungen Vorgegebener Raddurchmesser Randbedingungen für Schienenfahrzeuge Trassierung Gleisqualität Schienenzustand Konizität Witterung/Klima Rad-Schiene Interaktion Verschleiß Schäden Schiene - verschlissen Normen EN EN Fahrtechnik Gleisinstandhaltung VIRTUAL VEHICLE 3 Viewing direction

4 Einleitung Ausgangssituation Schadensmechanismen und deren Wechselwirkungen nach wie vor nicht vollkommen erforscht Beispiel: Komplexes Zusammenspiel zwischen Verschleiß und Rollkontaktermüdung (RCF) Anforderungen an Schienenfahrzeuge Randbedingungen für Schienenfahrzeuge Rad-Schiene Interaktion Verschleiß Schäden Normen Unterschiedliche Sichtweisen hinsichtlich der Mechanismen, die hinter Verschleiß und Schädigung stehen VIRTUAL VEHICLE 4

5 Einleitung Ausgangssituation Beispiel für unterschiedliche Sichtweisen Entstehung von Rollkontaktermüdung (RCF) Spurführungseigenschaften Antreiben/Bremsen Ziel Analyse und Gegenüberstellung des Einflusses diverser Parameter auf Belastungen im Rad-Schiene Kontakt Breitere Sicht bezüglich der Problematik VIRTUAL VEHICLE 5

6 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 6

7 Schädigungsmodelle Globale Schädigungsmodelle T -Model [3] p 0 /k / - Shake-Down Map [5] d / - RCF RCF + Verschleiß Verschleiß Plastic shakedown f p 0 k ausgenutzter Kraftschlussbeiwert max. Kontakt- Normalspannung Streckgrenze bei Scherbeanspruchung Tγ / N Elastic shakedown Ratchetting Empirisches Model RCF Rolling Contact Fatigue (Rollkontaktermüdung) Elastic Verschleiß wird nicht berücksichtigt f / - Globale Modelle lokale Effekte werden nicht betrachtet Aussagen eher qualitativ Modell-Eingangsgrößen Tγ, f und p 0 Maß für die Belastung des Rad- Schiene Kontakts VIRTUAL VEHICLE 7

8 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 8

9 Fahrzeugmodell Modell eines Reisezugwagens Parameter Achslast kg Fahrwerkmasse 6150 kg Achsstand 2,5 m Fahrwerkabstand 19 m Schienenprofil UIC 60 Radprofil S 1002 Spurweite 1,435 m Schieneneinbauneigung 1:40 Messkreisabstand 1,5 m Raddurchmesser 1000 mm Reibungskoeffizient 0,4 SIMPACK-Model VIRTUAL VEHICLE 9

10 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 10

11 Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten Stabilitätslandkarte: v=100km/h Radsatzführung RSF Stabilitätslandkarte v=100km/h - 0% Restdämpfung - µ=0,4 1,0E+07 8,0E+06 c y / Nm -1 c y / Nm -1 6,0E+06 4,0E+06 2,0E+06 λ=0,4 λ=0,6 λ=0,8 0,0E+00 0,0E+00 2,0E+06 4,0E+06 6,0E+06 8,0E+06 1,0E+07 c x c x // Nm -1 Auslegungsspielraum bei den RSF-Steifigkeiten Zunehmende Konizität höhere RSF-Steifigkeiten VIRTUAL VEHICLE 11

12 Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten Stabilitätslandkarte: v=140km/h 1,0E+07 8,0E+06 Stabilitätslandkarte v=140km/h - 0% Restdämpfung - µ=0,4 c -1 y / Nm -1 6,0E+06 4,0E+06 2,0E+06 λ=0,4 λ=0,6 λ=0,8 0,0E+00 0,0E+00 2,0E+06 4,0E+06 6,0E+06 8,0E+06 1,0E+07 c c x / x / Nm -1 Zunehmende Auslegungsgeschwindigkeit höhere RSF-Steifigkeiten VIRTUAL VEHICLE 12

13 Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten Untersuchte Steifigkeitskombinationen 1,0E+07 längsweich Stabilitätslandkarte v=100km/h - 0% Restdämpfung - µ=0,4 8,0E+06 c y / Nm -1 c y / Nm -1 6,0E+06 4,0E+06 2,0E+06 λ=0,4 λ=0,6 λ=0,8 0,0E+00 0,0E+00 2,0E+06 4,0E+06 6,0E+06 8,0E+06 1,0E+07 Konstantes Stabilitätsverhalten c x / Nm -1 c x / Nm -1 längssteif VIRTUAL VEHICLE 13

14 Tγ / N Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten T -Model [3] Stabilitätsauslegung Bogengängigkeit (vorlaufendes bogenäußeres Rad) längssteif d / - Wear Number v=100km/h - λ=0,6 - µ=0, längsweich Bogenradius / m RCF RCF + Verschleiß Verschleiß Tγ-Model Tγ / N RCF Rolling Contact Fatigue (Rollkontaktermüdung) cx=2,1kn/mm x cx=3kn/mm x cx=4kn/mm x cx=6kn/mm x cx=10kn/mm x Hoher Einfluss der gewählten RSF-Steifigkeiten auf die Wear Number längsweiche Variante produziert niedrigere Werte VIRTUAL VEHICLE 14

15 Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten Stabilitätsauslegung Reaktion auf Einzelstörungen Sinusförmiger Einzel-Richtungsfehler L y x A VIRTUAL VEHICLE 15

16 Analyse - Vergleich Auslegungsgeschwindigkeit Radsatzführungssteifigkeiten Stabilitätsauslegung Reaktion auf Einzelstörungen (vorlaufender Radsatz) längssteif d / - T -Model [3] RCF RCF + Verschleiß Verschleiß Tγ-Model Tγ / N längsweich RCF Rolling Contact Fatigue (Rollkontaktermüdung) längsweiche Variante produziert niedrigere Werte Abnehmende Wellenlänge L höhere Werte kann Ergebnisse für enge Bögen überschreiten Werte bei L=16m entsprechen ca. 900m Bogen VIRTUAL VEHICLE 16

17 Analyse - Vergleich Antrieb Bogenlaufverhalten trocken nass Gerades Gleis Einfluss Antrieb Hertz mit FASTSIM RSL =11,5t p 0 =710N/mm 2 Antrieb auf diesen Kraftschluss ausgelegt kein Schnittpunkt Schlupfregelung aktiv Ausreichend hohes µ Schlüpfe ca. 0,15-0,2% bei µ=0,3-0,5 Nicht ausreichend hohes µ Schlupfregelung höhere Schlüpfe VIRTUAL VEHICLE 17

18 Analyse - Vergleich Antrieb Bogenlaufverhalten Gerades Gleis Einfluss Antrieb Hertz mit FASTSIM d / - T -Model [3] RCF RCF + Verschleiß Verschleiß Tγ-Model Tγ / N RCF Rolling Contact Fatigue (Rollkontaktermüdung) ausreichend Kraftschluss vorhanden Ausreichend hohes µ (µ=0,3-0,5) Wear Number im Bereich von 25N Bogenlauf kann wesentlich höhere Werte produzieren entspricht z.b. einem 1500m Bogen bei der längssteifen Variante VIRTUAL VEHICLE 18

19 Analyse - Vergleich Antrieb Bogenlaufverhalten Gerades Gleis Einfluss Antrieb Hertz mit FASTSIM d / - T -Model [3] RCF RCF + Verschleiß Verschleiß Tγ-Model Tγ / N RCF Rolling Contact Fatigue (Rollkontaktermüdung) 5% Schlupf 1% Schlupf Nicht ausreichend hohes µ Schlupfregelung 1% Schlupf Wear Number ca. 110N bei µ=0,2 5% Schlupf Wear Number ca. 560N bei µ=0,2 Abhängig vom geregelten Schlupf höhere Werte als in engsten Bögen VIRTUAL VEHICLE 19

20 Analyse - Vergleich Antrieb Bogenlaufverhalten Tγ / N Bogen Einfluss Antrieb (vorlaufendes bogenäußeres Rad) Wear Number im Bogen - Einfluss Antrieb v=100km/h - λ=0,6 - µ=0,4 längssteif Bogenradius / m längsweich cx=2,1kn/mm x cx=2,1kn/mm x --Antrieb f=0,25 cx=10kn/mm x cx=10kn/mm x --Antrieb f=0,25 Ausreichend hohes µ deutliche Erhöhung der Wear Number notwendiger Längsschlupf ist den Bohr- und Querschlüpfen überlagert Nicht ausreichend hohes µ Schlupfregelung je nach geregeltem Schlupf deutlich höhere Werte für die Wear Number VIRTUAL VEHICLE 20

21 Analyse - Vergleich Radsatzlast - Bogenlaufverhalten Tγ / N Bogen Einfluss Radsatzlast (vorlaufendes bogenäußeres Rad) Wear Number - Einfluss Radsatzlast v=100km/h - λ=0,6 - µ=0,4 längssteif Bogenradius / m längsweich cx=2,1kn/mm x cx=2,1kn/mm x -RSL=15t cx=10kn/mm x cx=10kn/mm x -RSL=15t Radsatzlast hat nur geringen Einfluss Höhere Reibkräfte produzieren kleinere Schlüpfe Radsatz stellt sich besser ein VIRTUAL VEHICLE 21

22 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 22

23 Rolling direction Schädigungsmodelle - Anmerkungen Tγ-Model und Shake Down Map sind globale Modelle lokale Effekte werden nicht aufgelöst keine Aussage über Schädigung bei konformen gekrümmten Kontaktbedingungen Schiene - verschlissen konformer Conformal Kontakt contact Viewing direction Normal stress distribution MPa ViF: Entwicklung von physikalischen Kontakt- und Schädigungsmodellen für allgemeine Kontaktbedingungen VIRTUAL VEHICLE 23

24 Szenario 2 Szenario 1 Schädigungsmodelle - Anmerkungen Tγ-Model empirisches Model gleiche Wear Number bei vollkommen unterschiedlichen Szenarien MPa Normalspannung Tangentialspannung Temperatur MPa C Szenario 1 F N =56,4kN s x =0,5% Unterschiedliche Spannungs- und Temperaturverteilungen Unterschiedliches MPa Schädigungsverhalten! MPa Normalspannung Tangentialspannung Temperatur C Szenario 2 F N =112,8kN s x =0,36% µ=0,4, s y =0, s φ =0, A K =konst, Tγ=112N VIRTUAL VEHICLE 24

25 AGENDA Einleitung Schädigungsmodelle Fahrzeugmodell Analyse Vergleich Anmerkungen zu den Schädigungsmodellen Zusammenfassung - Ausblick VIRTUAL VEHICLE 25

26 Zusammenfassung - Ausblick Zusammenfassung Schadensmechanismen und deren Wechselwirkungen nach wie vor nicht vollkommen erforscht Bsp.: Verschleiß RCF Es gibt relativ unabhängig von diversen Fahrzeugparametern immer Szenarien mit hohen Belastungen im Rad-Schiene Kontakt Schäden einzelnen Parametern bzw. Aspekten zuzuordnen ist nicht zielführend Optimierung des Systems-Trassenbenutzungsgebühren Sorgfältige Auswahl und Analyse von Szenarien notwendig Anwendung von zu sehr vereinfachten Modellen nicht zielführend Verwendung von abgesicherten physikalischen Modellen notwendig VIRTUAL VEHICLE 26

27 Zusammenfassung - Ausblick Ausblick Entwicklung von abgesicherten lokalen physikalischen Kontakt- und Schädigungsmodellen Grundlage für Optimierung der Rad-Schiene Interaktion: Fahrzeuginstandhaltung Fahrweginstandhaltung Antriebs-, Bremsregelung Friction Management Wheel MACRO MICRO Schiene Quelle: Rail MACRO VIRTUAL VEHICLE 27

28 bringing the parts together. Die Autoren danken dem COMET K2 Forschungsförderungs-Programm des Österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), des Österreichischen Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG), des Landes Steiermark sowie der Steirischen Wirtschaftsförderung (SFG) für die finanzielle Unterstützung. disclosure or duplication without consent prohibited VIRTUAL VEHICLE 28