Eisenbahntechnik bei. ▫ Eine detailtreue Modellierung der Berührung. Rad-
Schiene stellt das Kernelement der. Schienenfahrzeugdynamik dar ...
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0
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-10
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen Oldrich Polach Antrittsvorlesung ETH Zürich, 22. November 2011
Inhalt
§ Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berechnung der Kraftschlusskräfte § Rad-Schiene-Kontakt und Stabilität § Ausblick und Zusammenfassung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Rad-Schiene-Kontakt im Vergleich
Kontaktfläche
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
[mm]
Q
§ Funktionen des Rad-Schiene-Kontaktes – tragen
Fy
– führen – antreiben / bremsen
Fx Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Auswirkungen des Rad-Schiene-Kontaktes § Kontakt Rad-Schiene beeinflusst – – – –
Fahrsicherheit Fahrkomfort Beanspruchung von Fahrbahn und Fahrzeug Verschleiss
§ Kontakt Rad-Schiene hat grosse Auswirkungen auf das System Fahrzeug-Fahrweg
§ Mehrkörper-Simulationen der Schienenfahrzeugdynamik tragen zur Optimierung der Eisenbahntechnik bei § Eine detailtreue Modellierung der Berührung Rad-Schiene stellt das Kernelement der Schienenfahrzeugdynamik dar Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Inhalt
§ Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berechnung der Kraftschlusskräfte § Rad-Schiene-Kontakt und Stabilität § Ausblick und Zusammenfassung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berührgeometrie Radsatz-Gleis beeinflusst – – – – – –
Stabilität Fahreigenschaften in Bogen Schwingungsverhalten Fahrkomfort Verschleiss Materialermüdung und Schädigung der Räder und Schienen
§ Berührung Rad-Schiene bei Querauslenkung des Radsatzes im Gleis (starre Körper) 10 5
0
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Radsatzauslenkung [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berührgeometrie Radsatz-Gleis beeinflusst – – – – – –
Stabilität Fahreigenschaften in Bogen Schwingungsverhalten Fahrkomfort Verschleiss Materialermüdung und Schädigung der Räder und Schienen
§ Berührung Rad-Schiene bei Querauslenkung des Radsatzes im Gleis (starre Körper) 10 5
0
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Radsatzauslenkung [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berührgeometrie Radsatz-Gleis beeinflusst – – – – – –
Stabilität Fahreigenschaften in Bogen Schwingungsverhalten Fahrkomfort Verschleiss Materialermüdung und Schädigung der Räder und Schienen
§ Berührung Rad-Schiene bei Querauslenkung des Radsatzes im Gleis (starre Körper) 10 5
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Radsatzauslenkung [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berührgeometrie Radsatz-Gleis beeinflusst – – – – – –
Stabilität Fahreigenschaften in Bogen Schwingungsverhalten Fahrkomfort Verschleiss Materialermüdung und Schädigung der Räder und Schienen
§ Berührung Rad-Schiene bei Querauslenkung des Radsatzes im Gleis (starre Körper) 10 5
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Radsatzauslenkung [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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0
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ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berührgeometrie Radsatz-Gleis beeinflusst – – – – – –
Stabilität Fahreigenschaften in Bogen Schwingungsverhalten Fahrkomfort Verschleiss Materialermüdung und Schädigung der Räder und Schienen
§ Berührung Rad-Schiene bei Querauslenkung des Radsatzes im Gleis (starre Körper) 10 5
0
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Radsatzauslenkung [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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5
0
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ETH Zürich, 22. November 2011
Berührgeometrische Funktionen y
§ Berührgeometrische Funktionen: – Rollradiusdifferenz •
relevant betr. Bogenfahrt
rl
r0
r0
rr
Drl
Drr
– Äquivalente Konizität •
relevant betr. Stabilität
§ Berührgeometrische Funktionen werden beeinflusst durch:
y
– Kontaktwinkel ~ nominale Berührungsposition – Konformität
§ Auch Kontaktspannung und Verschleiss werden durch diese Parameter beeinflusst § Änderung der Berührgeometrie beeinflusst auch Verschleiss und vice versa
Konformes Profil
Konisches Profil
y
1
1
2
2
Drr
Drr Kontaktverteilung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
Kontaktverteilung
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Form des Radprofils und seine Optimierung § Bedeutung der Form des Radprofils Bogenfahrt
Stabilität
fahrtechnisch relevant
§ Neue Methode der Profilentwicklung – Zielwert der äquivalenten Konizität – Spezifizierte Verschiebung der Berührfläche entlang des Radprofils in Funktion der Radsatz-Querauslenkung – Berechnung des neuen Radprofils ausgehend aus der Form des Schienenprofils §
Kontaktpunkt am Rad
sicherheitstechnisch relevant
§ Veränderung des Radprofils im Betrieb – Ziel: Gleichmässige Radabnutzung, stabile Form des Radprofils – Verschleiss der Lauffläche überwiegt auf geraden Strecken und bei grossen Traktionskräften – Gleichmässigere Abnutzung kann durch Optimierung des Radprofils erreicht werden
§
ZW¢ (YW )
YW
Transformation zur Schiene
1
YR
2
0, 0
Radprofil
yWS
0, 0 Z R¢ (YR )
YR , Z R
Y0
Schienenprofil
yWS
ZW = ò ZW¢ dYW Polach, O., Wear 271 (2011), S.195–202
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Optimiertes Radprofil: Berührgeometrie und Verschleiss § §
Optimierung der Position und Grösse der Berührfläche bei Querauslenkung des Radsatzes Zielwert der äquivalenten Konizität 5
0 -5
§
Verschleiss des Radprofils während gleicher Zeit und Laufleistung unter ungünstigen Adhäsionsbedingungen
10
Starres Kontakt
0 -10 -20 -30
Wheelset displacement: Radsatzverschiebung 8 mm
Elastisches Kontakt
-60
-40
-20
0
20
40
20
40
60
1
6 Verschleiss [mm]
4 2 0 -2 -4 -6
neu 0 -1 -2
verschlissen
-8 -3
-0.08
-80
-0.06
-60
-0.04
-40
-0.02
-20
0
0
0.02
20
0.04
40
0.06
60
0.08
[mm]
80
-4
-60
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
-40
-20
0
[mm]
60
ETH Zürich, 22. November 2011
Optimiertes Radprofil: Berührgeometrie und Verschleiss § §
Optimierung der Position und Grösse der Berührfläche bei Querauslenkung des Radsatzes Zielwert der äquivalenten Konizität 5
0
-5
§
Verschleiss des Radprofils während gleicher Zeit und Laufleistung unter ungünstigen Adhäsionsbedingungen
10
Starres Kontakt
0 -10 -20 -30
Wheelset displacement: Radsatzverschiebung
Elastisches Kontakt
8 mm
-60
-40
-20
0
20
40
20
40
60
1
6 Verschleiss [mm]
4 2 0 -2 -4 -6
neu 0 -1 -2
verschlissen
-8 -3
-0.08
-80
-0.06
-60
-0.04
-40
-0.02
-20
0
0
0.02
20
0.04
40
0.06
0.08
60
80
-4
-60
[mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
-40
-20
0
[mm]
60
ETH Zürich, 22. November 2011
Inhalt
§ Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berechnung der Kraftschlusskräfte § Rad-Schiene-Kontakt und Stabilität § Ausblick und Zusammenfassung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Entwicklung der Berechnung der Kraftschlusskräfte § Tangentialkräfte zwischen Rad und Schiene – Kraftschlusskräfte § F. W. Carter (1926): – Haftfläche (H) – Schlupf durch Materialdeformation – Gleitfläche (G) – Gleiten der Oberflächensegmente
§ J. J. Kalker: – Lineare Theorie (1967) – Exakte Theorie (1979) – Vereinfachte Theorie (1982)
§ Kraftschlusskräfte – abhängig von vier unabhängigen Variablen – Berechnung für jedes Rad in jedem Integrationsschritt – kurze Rechenzeit sehr wichtig
Bürstenmodel Reibungszahl konstant
Fx fx = — Q
§ Diskretisierung der Kontaktfläche führt zu langen Rechenzeiten Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
Reibungszahl nicht konstant
G
H
G
Mikroschlupf
Makroschlupf Schlupf
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Schnelle Methode der Berechnung der Kraftschlusskräfte § Semi-physikalisches Modell § Annahmen: – Normalspannung in Form eines Ellipsoids – Maximale Tangentialspannung proportional der Normalspannung – Haft- und Gleitgebiet – Lineare Zunahme der Tangentialspannung in der Haftfläche
Rollrichtung
Normalspannung Tangentialspannung
§ Lösung für Längs- und Querschlupf: – Transformation der Verteilung der Tangentialspannung – Berechnung der Schlupfkraft als Volumina geometrischer Körper
Gleitfläche
Haftfläche
§ Lösung für Längs-, Quer- und Bohrschlupf: – Einfluss von Bohrschlupf: Approximation der Lösung nach Kalker
§ Anwendung in Simulationsprogrammen seit 1990 § Bestandteil kommerzieller Programme SIMPACK, ADAMS/Rail, GENSYS Polach, O., Proceedings of the 2nd International Conference on Railway Bogies and Running Gears, Budapest 1992, S.10-17 Polach, O., Vehicle System Dynamics (Suppl.) 33 (1999), S.728-739 17 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Schnelle Methode der Berechnung der Kraftschlusskräfte § Semi-physikalisches Modell § Annahmen: – Normalspannung in Form eines Ellipsoids – Maximale Tangentialspannung proportional der Normalspannung – Haft- und Gleitgebiet – Lineare Zunahme der Tangentialspannung in der Haftfläche
Rollrichtung
Normalspannung Tangentialspannung
§ Lösung für Längs- und Querschlupf: – Transformation der Verteilung der Tangentialspannung – Berechnung der Schlupfkraft als Volumina geometrischer Körper
Gleitfläche
Haftfläche
§ Lösung für Längs-, Quer- und Bohrschlupf: – Einfluss von Bohrschlupf: Approximation der Lösung nach Kalker
§ Anwendung in Simulationsprogrammen seit 1990 § Bestandteil kommerzieller Programme SIMPACK, ADAMS/Rail, GENSYS Polach, O., Proceedings of the 2nd International Conference on Railway Bogies and Running Gears, Budapest 1992, S.10-17 Polach, O., Vehicle System Dynamics (Suppl.) 33 (1999), S.728-739 18 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Vergleich der Methode mit anderen Programmen § Referenz: USETAB - Tabelle berechnet mit Programm CONTACT von Kalker § Parametervariation: Grosse Schlupfwerte (0 - 1), kleine Schlupfwerte (0 - 0.01) § Insgesamt 594 Rechenfälle Differenz der Resultate zu USETAB Kleine Schlupfwerte 25
20
20
15
10
15
10
5
5
0
0 FASTSIM
Polach
Kalker linear
ShenHedrickElkins
Vergleich der Rechenzeiten
Rechenzeit
25
Differenz [ % ]
Differenz [ % ]
Differenz der Resultate zu USETAB Grosse Schlupfwerte
FASTSIM
Polach
Kalker linear
ShenHedrickElkins
FASTSIM
Polach
Kalker linear
ShenHedrickElkins
Arrus, P., De Pater, A. D., Meijers, P.: A comparison of rolling contact models for railway systems. Report No. LTM 1175, Delft University of Technology, 1998 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Kraftschlussmodelle bei grossem Traktionsschlupf § Standardmodelle zur Berücksichtigung der Antriebsdynamik: – Reibungszahl abhängig von der Schlupfgeschwindigkeit – Reduktion der Anfangssteigung (Faktor k)
§ Unterschied zu Messungen bei niedriger Adhäsion
k = 1.0
k = 0.05 Messung
0.4
V = 40 km/h, nass Daten aus 7 Messfahrten
0.4
0.3 [-]
0.3 0.2
0.2
fx
fx coefficient [-] Adhesion
k = 0.2
0.1
Messung Calculation
0.1
0
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
1
Creep [%] sx [%]
2
3
4
5 sx
6 [%]
7
8
9
10
Polach, O., Elektrische Bahnen, Nr. 5/2001, S.219-230 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Ergänzung der Methode bei grossen Schlüpfen und Zwischenschicht §
Unterschiedliche Abminderungsfaktoren kA in der Haftfläche und kS in der Gleitfläche
§
Berücksichtigung der Nichtlinearität der Materialschicht im Kontakt æ e ö çç ÷÷ , + arctan e 2 1 + e è ø
mit
1
1
0.8
0.8
0.6
kA = kS =
fx [ - ]
fx [ - ]
2. Q . m F = òò t dx dy = (U ) p
1.00 0.67 0.50 0.40 0.33
0.4 0.2 0 0
2
4
6
8
2 C. p . a 2 . b e= s 3 Q.m
0.6
kA=1, kS= 1.00 0.67 0.50 0.40 0.33
0.4 0.2 0
10
0
Schlupf ] J x [ % [%]
2
4
6
8
10
Schlupf ] J x [ %[%]
Polach, O., Wear 258 (2005), S. 992-1000 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Zusammenhang von Längs-, Quer- und Bohrschlupf in der erweiterten Methode § §
Identifikation der Parameter des Rad-Schiene-Modells entsprechend den gemessenen Kraftschluss-Kennlinien in Längsrichtung Einfluss vom Längs-, Quer- und Bohrschlupf, Form der Kontaktellipse und Geschwindigkeit berücksichtigt
Kraftschluss
0.3
0.2 km/h, Rechnung 20 20 km/h, Messung 60 km/h, Rechnung
0.1
km/h, Messung 60 20 km/h, Messung 60 km/h, Messung
0 0
5
10
Schlupf
15
20
25
[%]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Zusammenhang von Längs-, Quer- und Bohrschlupf in der erweiterten Methode § §
Identifikation der Parameter des Rad-Schiene-Modells entsprechend den gemessenen Kraftschluss-Kennlinien in Längsrichtung Einfluss vom Längs-, Quer- und Bohrschlupf, Form der Kontaktellipse und Geschwindigkeit berücksichtigt
ωB = 0 rad/m a/b = 1
Kraftschluss
0.3
fx
0.2
f
km/h, Rechnung y 20 20 km/h, Messung 60 km/h, Rechnung
0.1
km/h, Messung 60 20 km/h, Messung 60 km/h, Messung %
%
%
%
0
sx
0
5
sy
10
Schlupf
15
20sx
25
sy
[%]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Zusammenhang von Längs-, Quer- und Bohrschlupf in der erweiterten Methode § §
Identifikation der Parameter des Rad-Schiene-Modells entsprechend den gemessenen Kraftschluss-Kennlinien in Längsrichtung Einfluss vom Längs-, Quer- und Bohrschlupf, Form der Kontaktellipse und Geschwindigkeit berücksichtigt
ωB == 50 rad/m rad/m ω B a/b == 11 a/b
Kraftschluss
0.3
ffxx
0.2
f
km/h, Rechnungfyy 20 20 km/h, Messung 60 km/h, Rechnung
0.1
km/h, Messung 60 20 km/h, Messung 60 km/h, Messung %
% %
0
ssxx
0
5 ssy y
10
Schlupf
% %
% %
%
15
20sx
sx
25
ssyy
[%]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Zusammenhang von Längs-, Quer- und Bohrschlupf in der erweiterten Methode § §
Identifikation der Parameter des Rad-Schiene-Modells entsprechend den gemessenen Kraftschluss-Kennlinien in Längsrichtung Einfluss vom Längs-, Quer- und Bohrschlupf, Form der Kontaktellipse und Geschwindigkeit berücksichtigt
ωB===10 0 rad/m ω rad/m ω BB 5 rad/m a/b===3.5 a/b a/b 11
Kraftschluss
0.3
ffxfxx
0.2
f
km/h, Rechnungfyfyy 20 20 km/h, Messung 60 km/h, Rechnung
0.1
km/h, Messung 60 20 km/h, Messung 60 km/h, Messung %
% %%
0
sssxxx
0
5 sssy yy
10
Schlupf
% %%
% %%
%%
15
20ssx
sx x
25
sssyyy
[%]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Zusammenhang von Längs-, Quer- und Bohrschlupf in der erweiterten Methode § §
Identifikation der Parameter des Rad-Schiene-Modells entsprechend den gemessenen Kraftschluss-Kennlinien in Längsrichtung Einfluss vom Längs-, Quer- und Bohrschlupf, Form der Kontaktellipse und Geschwindigkeit berücksichtigt
§ Einfluss der Fahrgeschwindigkeit
ωB===10 0 rad/m ω rad/m ω BB 5 rad/m a/b===3.5 a/b a/b 11
Kraftschluss
0.3
ffxfxx
0.2
f
km/h, Rechnungfyfyyfx 20 20 km/h, Messung 60 km/h, Rechnung
0.1
km/h, Messung 60 20 km/h, Messung 60 km/h, Messung %
% %%
%%
0
sssxxx
0
5 sssy yy
10
Schlupf
v
% %%
% %%
15 [%]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
km/h
20ssx
sx x
25 sx
sssyyy
%
ETH Zürich, 22. November 2011
Simulation der Fahrzeugdynamik und Kraftschlussregelung § Modell: – Lokomotive und Anhängelast – Antriebsstrang – Kraftschlussregler
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Simulation der Fahrzeugdynamik und Kraftschlussregelung § Modell:
Reibwert Rad-Schiene 0.4
– Lokomotive und Anhängelast – Antriebsstrang – Kraftschlussregler
linke Schiene rechte Schiene
0.2
m
[-]
0.3
0.1
Antriebsmoment am Rotor 15
0 0
20
40
60
10
100
[m]
Längsschlupf Rad-Schiene 0.8
Sollwert
Radsatz 4
Istwert Rotor 3
[-]
5
Radsatz 3
0.6
Istwert Rotor 4
sx
MR
[kNm]
Weg
80
0.4
0.2
0 0
5
10
15 Zeit
20
25
30
[s]
0 0
5
10
15 Zeit
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
20
25
30
[s]
ETH Zürich, 22. November 2011
Inhalt
§ Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berechnung der Kraftschlusskräfte § Rad-Schiene-Kontakt und Stabilität § Ausblick und Zusammenfassung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Geschwindigkeitsrekord 1955 § 29. März 1955 § SNCF Lokomotive BB 9004 § Geschwindigkeit 331 km/h
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Gleisverwerfung durch instabilen Lauf Nach der Rekordfahrt...
Quelle: Eisenbahn-Revue International, 2003
Quelle: CHARMEC Triennial Report/Review/Plans, 2004
Quelle: La Vie du Rail, 1981
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Selbsterregte Schwingungen der Schienenfahrzeuge § Instabilität des Kastens – Frequenz 1 - 2 Hz – niedrige äquivalente Konizität – grosse Kastenbewegungen – Beeinträchtigung des Fahrkomforts – bei Fahrzeugen mit weicher Sekundärfederung keine Überschreitung der Grenzwerte der Fahrsicherheit
§ Drehgestellinstabilität – Frequenz 3 - 9 Hz – hohe äquivalente Konizität – sicherheitsrelevant – Kräfte zwischen Rad und Schiene nehmen mit steigender Geschwindigkeit zu – Risiko von Gleisverschiebung und Entgleisung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
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Nichtlineare Stabilitätsanalyse: Verzweigungsdiagramm § Verzweigungsdiagramm stellt die Attraktoren der Radsatz-Querauslenkungen dar § „Brute-Force“ Methode: Ein Satz numerischer Simulationen
ymax
stabiler Grenzzyklus
instabiler SattelZyklus
vcr,NL Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
Geschwindigkeit
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Vergleich der Methoden der Stabilitätsanalyse §
§ §
Vergleich der Methoden in Zusammenarbeit mit DLR Oberpfaffenhofen: – „Brute Force“ Methode – Pfadverfolgung (Programm PATH) Pfadverfolgung kann nur periodische Lösungen identifizieren Fahrzeugmodell: Brute Force Methode ist unabhängig von der Periodizität 72 Freiheitsgrade und kann auch den instabilen Sattel-Zyklus identifizieren Kennlinie des Schlingerdämpfers 18 kN
15
Kraft [kN]
10
8
12 kN
Radsatzauslenkung [mm]
20
Verzweigungsdiagramm
6 kN
5
Ohne SD
0 -5 -10 -15 -20 -0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
Kolbengeschwindigkeit
0.2
0.3
Ohne SD
6
4
12 kN
6 kN
18 kN Brute Force Methode
2
Pfadverfolgung
0 150
[m/s]
200
250 300 350 Geschwindigkeit [km/h]
400
Polach, O., Kaiser, I., Journal of Computational and Nonlinear Dynamics (eingereicht – auf Einladung) Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Beispiele der Phasendiagramme V = 350 km/h
§ Periodische Lösung Drehgestell 1
Drehgestell 2 0.4
RS 2
RS 4
0.2 dy/dt [m/s]
dy/dt [m/s]
0.2
0.2
RS 1
0
-0.2
0.1 dy/dt [m/s]
0.4
Wagenkasten
RS 3 0
-0.2
-0.4
-0.1
-0.4 -8
-4
0
4
8
0
-0.2 -8
-4
y [mm]
0
4
8
-5
-2.5
0
y [mm]
2.5
5
y [mm]
§ Quasi-periodische Lösung Drehgestell 1
Drehgestell 2
RS 2 RS 1
0
0.1
RS 4
0.2 dy/dt [m/s]
0.2 dy/dt [m/s]
Wagenkasten
0.4
-0.2
0.05 dy/dt [m/s]
0.4
RS 3 0
-0.2
-0.4
-0.05
-0.4 -8
-4
0 y [mm]
4
8
0
-0.1 -8
-4
0 y [mm]
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
4
8
-4
-2
0
2
y [mm]
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Methoden der Stabilitätsbeurteilung und Nichtlinearität der Berührgeometrie Radsatz-Gleis Methode a
Methode b
Rad/Schiene A, Methode a
Rad/Schiene A, Methode b
Normierter Maximalw ert [%]
10 Amplitude [mm]
4 2 0 -2 -4
8 6 4 2
-6 260
240
220
200
180
160
140
0 100
120
150
Geschw indigkeit [km/h]
300
350
400
450
2 0 -2 -4
200
180
160
Geschw indigkeit [km/h]
100 75 50 25 0
Rad/Schiene B, Methode c
8 6 4 2
-6 220
125
180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280
Normierter Maximalwert [%]
Amplitude [mm]
4
240
150
Geschw indigkeit [km /h]
10
260
175
500
12
6
y [mm]
250
200
Rad/Schiene B, Methode b
8
Berührgeometrie B
200
225
Geschw indigkeit [km/h]
Rad/Schiene B, Methode a
-8 280
Rad/Schiene A, Methode c
12
6
y [mm]
Berührgeometrie A
8
-8 280
Methode c
140
120
0 100
150
200
250
300
350
400
450
500
225 200 175
Summe der Führungskräfte (UIC 518) Beschleunigung, RMS-Wert (UIC 518) Beschleunigung, Spitzenw ert (UIC 515) Grenzw ert
150 125 100 75 50 25 0
Geschw indigkeit [km/h]
180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 Geschw indigkeit [km/h]
Polach, O., Proc. IMechE, Part F, Journal of Rail and Rapid Transit 220 (2006), S.13-27 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Nichtlinearität der Berührgeometrie Radsatz-Gleis und die Form des Verzweigungsdiagramms Äquivalente Konizität Equivalent conicity function
Verzweigungsdiagramm: Fahrzeug 1 Bifurcation diagram: Vehicle 1 10
Wheel/rail contact
1.2
Berührpaarung A geometry A
] Konizität[ - [] Conicity
Radsatzauslenkung [ mm] Wheelset amplitude [mm]
1.4
1 0.8 0.6 0.4
Wheel/rail contact Berührpaarung B geometry B
0.2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
8 6 4
B 2 0 50
Wheelset amplitude [mm]
100
Radsatzamplitude [mm]
8
B 6
A
4 2 0
150
200 250 300 350 Speed [km/h] Geschwindigkeit [km/h]
400
Bifurcation diagram: Vehicle 3 Verzweigungsdiagramm: Fahrzeug 3 Radsatzauslenkung [ mm] Wheelset amplitude [mm]
Radsatzauslenkung [ mm] Wheelset amplitude [mm]
Bifurcation diagram: Vehicle 2 Verzweigungsdiagramm: Fahrzeug 2 10
A
10 8
B
6
A
4 2 0
50
100
150
200 250 300 Speed [km/h] Geschwindigkeit [km/h]
350
400
0
50
100
150 200 250 300 Speed [km/h] Geschwindigkeit [km/h]
350
400
Polach, O., Vehicle System Dynamics (Suppl.) 48 (2010), S.19-36 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Zweiparametrische Beschreibung der Berührgeometrie Rad-Schiene § Stand der Technik Andere Charakteristik?
Äquivalente Konizität
Umfangreiche Messungen
Ein Wert der äquivalenten Konizität
?
§ Zweiparametrische Beschreibung – Parameter 1 – Niveau-Parameter: • •
Konizität
Radsatzamplitude [mm]
0.XX
Äquivalente Konizität für Radsatzamplitude von 3 mm Beurteilung im Bezug auf die Grenzwerte der Instabilität
– Parameter 2 – Nichtlinearitätsparameter: • •
Neigung der Funktion der äquivalenten Konizität Beurteilung der Eigenschaften an der Stabilitätsgrenze und der Empfindlichkeit auf Queranregung
1
2
3 4 5 Radsatzamplitude [mm]
Polach, O., Proceedings of the 21st IAVSD Symposium, Stockholm, 17-21 August 2009 Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Inhalt
§ Kontakt Rad-Schiene – Das Kernelement der Eisenbahntechnik § Berührgeometrie Radsatz-Gleis § Berechnung der Kraftschlusskräfte § Rad-Schiene-Kontakt und Stabilität § Ausblick und Zusammenfassung
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Ausblick: Simulationen statt Messfahrten § EU Forschungsprojekt Dynotrain: – Interoperabilität – Anwendung der Simulationen zur Fahrzeugzulassung
§ Team: 22 Partners www.triotrain.eu § Dauer: Juni 2009 – Mai 2013 § Der Autor ist Leiter des Arbeitspakets „Modellbildung und Validierung“ Bruni S., Vinolas, J., Berg, M., Polach, O., Stichel, S., Vehicle System Dynamics 49 (2011), S.1021-1072 (auf Einladung)
§ Kontakt zwischen Rad und Schiene spielt in Dynotrain eine wichtige Rolle: – offener Punkt in TSI (Tech. Spezifikationen für Interoperabilität) – entscheidend für fahrzeugdynamische Simulationen
§ Streckenversuche Oktober 2010: – Messfahrten in Deutschland, Frankreich, Italien und Schweiz, total 7500 km – Kontinuierliche Messung der Gleislage und der Schienenprofile – Total 10 Messradsätze, 300 Messgrössen, mehr als 3 Terabyte Messdaten
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011
Zusammenfassung § Kontakt zwischen Rad und Schiene hat grosse Auswirkungen auf die Eisenbahntechnik § Mehrkörper-Simulationen der Schienenfahrzeugdynamik ermöglichen kontinuierliche Entwicklung der Eisenbahntechnik, reduzieren Risiken und Kosten § Eine genaue und detailtreue Modellierung der Berührung Rad-Schiene ist das Kernelement der Schienenfahrzeugdynamik § Die Präsentation hat einige Beiträge des Autors auf diesem Gebiet vorgestellt: – Optimierung des Radprofils – Schnelle Methode der Kraftschlussberechnung für Simulation der Fahrtechnik und Antriebsdynamik – Zusammenhang der Nichtlinearität der Berührgeometrie Radsatz-Gleis und der Stabilitätsanalyse der Schienenfahrzeuge
Kontakt Rad-Schiene: Ein kleines Detail mit grossen Auswirkungen
ETH Zürich, 22. November 2011