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Simulation Zehn Tonnen auf der Fläche eines Fingernagels

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Wenn hunderte Tonnen schwere Züge mit 200 km/h und mehr über die Schienen rollen, dann spielt sich zwischen Rädern und Gleisen einiges ab. Immerhin ist der Rad-Schiene-Kontakt für das Tragen, Führen, Antreiben und Bremsen des Zuges verantwortlich. Am Forschungszentrum Virtual Vehicle in Graz wird genau dieses Zusammenwirken anhand von Simulationsmodellen untersucht.

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Wenn hunderte Tonnen schwere Züge mit 200 km/h und mehr über die Schienen rollen, dann spielt sich zwischen Rädern und Gleisen einiges ab. Immerhin ist der Rad-Schiene-Kontakt für das Tragen, Führen, Antreiben und Bremsen des Zuges verantwortlich.
Wenn hunderte Tonnen schwere Züge mit 200 km/h und mehr über die Schienen rollen, dann spielt sich zwischen Rädern und Gleisen einiges ab. Immerhin ist der Rad-Schiene-Kontakt für das Tragen, Führen, Antreiben und Bremsen des Zuges verantwortlich.
(Bild: Virtual Vehicle)

Wird ein Zug in Bewegung versetzt, werden verschiedene Kräfte wirksam. Zunächst entsteht der „Rollkontakt“, bei dem die Reibung eine große Rolle spielt. Sie ermöglicht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Rad und Schiene und sorgt damit dafür, dass die glatten Metallräder auf den glatten Metallschienen nicht leer durchdrehen und sich das Fahrzeug fortbewegt.

Enorme Belastungen für die Komponenten

Auf die Fläche eines Fingernagels kommt im Schienenverkehr eine Last von etwa zehn Tonnen. Die beteiligten Komponenten sind im Bahnbetrieb also enormen Belastungen ausgesetzt. Diese Tatsache hinterlässt ihre Spuren am Material. Bei jedem Kontakt wird der Stahl elastisch verformt, er nimmt also seine ursprüngliche Form nach der Verformung wieder an. Hinzu kommt noch ein Anteil an plastischer Verformung, welche bestehen bleibt. Durch den Rollkontakt können Risse an der Rad- und Schienenoberfläche im Material entstehen und zudem kommt es bei jedem Abrollen zu Verschleißerscheinungen. Dadurch werden die Risse im Stahl bis zu einem gewissen Grad wieder verkürzt. Im Forschungsbereich „Rail Systems“ des Kompetenzzentrums Virtual Vehicle in Graz werden anhand von Simulationsmodellen genau diese Phänomene untersucht.

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Verschiedene Einflussfaktoren

Dabei werden Fahrzeug und Fahrweg immer gemeinsam betrachtet. Die Betriebsbedingungen der Bahn hängen sehr stark von der Gleislage ab. Gemeint ist damit, dass Gleise nie optimal verlegt sind und sich durch hohe Belastungen aus Bahnverkehr und durch Umwelteinflüsse laufend verändern. Das Fahrzeug beginnt beim Rollen zu schwingen. Daraus ergeben sich Beschleunigungen im Fahrzeug und gleichzeitig rückwirkende Reaktionskräfte auf den Fahrweg, die sich auf Fahrkomfort, Sicherheit, Geräuschentwicklung und Beschleunigungskräfte auswirken.

Projekt treibt Schadensprognosen voran

Aufgrund der steigenden Fahrfrequenz, leistungsstarker Lokomotiven und höherer Geschwindigkeiten werden Schadensprognosen im Eisenbahnwesen immer wichtiger. Sie verbessern die Planbarkeit künftiger Investitionen und Instandhaltungsmaßnahmen. Am Virtual Vehicle haben Forschungsteams ein neues Simulationsmodell für den Kontakt zwischen Rad und Schiene entwickelt. Es bezieht die bereits erwähnten physikalischen Gesetzmäßigkeiten und andere Parameter wie Geschwindigkeit, Last oder Oberflächenrauheit mit ein. Außerdem werden zufällig entstehende Zwischenschichten wie Wasser, Schmutz und Abrieb ebenso berücksichtigt wie Sand, der beim Beschleunigen und Bremsen gezielt eingeblasen wird.

Das Projekt wird gemeinsam mit der TU Graz, ÖBB Infrastruktur, Siemens, LB Foster und Voestalpine Schienen vorangetrieben. Zusätzlich wurde ein Schädigungsmodell entwickelt, das Profiländerungen an Rädern und Schienen berechnet, indem es die Daten zu Verschleiß und Schädigungszustand einbezieht. Ein solches Modell wurde an der Wiener U-Bahn erfolgreich getestet und beschrieb in einem Prüfzeitraum von zwei Jahren die tatsächlich entstandenen Schäden mit größter Genauigkeit. (mz)

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