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Auswirkung von Fahrzeuglasten auf Schienenstöße

Projektbeschreibung

Die Ausgangssituation für dieses F&E-Projekt bildet ein Optimierungsvorhaben seitens der
ÖBB Infrastruktur AG wobei sowohl betriebswirtschaftliche als auch technische Optimierungen
im Bereich der Schienenverbindungen mittels Laschen angestrebt werden.
Im Fokus dieses Vorhabens steht einerseits der optimale Zeitpunkt für Instandhaltungsmaßnahmen
betreffend die Schienenprofile/Laschen bei geschraubten Schienenstößen und
andererseits die Analyse der Auswirkung von verschiedenen Fahrzeuglasten auf den
Verschleiß im Bereich von Schienenstößen.
Die Forschungsaktivitäten gliedern sich dabei in folgende Bereiche:
? Anwendung geeigneter Simulationsmodelle
? Anpassung und Applikation des Modells mit Eingangsgrößen auf Basis realer Daten
(z.B. Neuprofil, verschlissenes Profil, Bettungssteifigkeiten, Fahrzeugarten)
? Lab-to-Field: Kombination von Laborexperiment zur Verschleißparameterbestimmung
mit der numerischen Verschleißsimulation
Das relevante Gesamtsystem wird in verschiedene Teilsysteme geeignet untergliedert sowie
mit jeweils adäquaten Methoden modelliert und damit das Verhalten simuliert.
Die globalen Einflussgrößen, welche das Belastungskollektiv bei der Interaktion zwischen
Schienenfahrzeug und Gleisrost beschreiben, werden mit Hilfe eines Mehrkörpersystem
(MKS) Modells ermittelt und liefern Parameter für ein detailliertes Rad/Schiene-Kontaktmodell.
Für Detailanalysen an den spezifizierten Systemkomponenten (z. B. Schienenstoß, Lasche)
werden Detailmodelle insbesondere auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM)
verwendet. Auf Basis der Simulationsmodelle werden Zonen kritischer Beanspruchungen
identifiziert. Da numerische Modelle und die Simulationen im Wesentlichen auf
Vereinfachungen (Modell ? Realsystem) basieren, bildet die experimentelle Nachstellung im
Labormaßstab eine notwendige Ergänzung, um valide Ergebnisse darzustellen. Dies wird
durch einen speziellen Lab-to-Field-Ansatz (Rad/Schiene-Labormodelaufbau) realisiert.
Anhand der Variation von Systemparametern, wie z. B. Lastkollektiv, Bettungs- bzw.
Verbindungssteifigkeit, Gleislagefehler, werden relevante Belastungseinflüsse auf Verschleißund
Versagensarten experimentell ermittelt und in weiterer Folge in das Simulationsmodel
eingearbeitet.
Durch die Möglichkeit, in einem einzelnen Labormodellversuch (z.B. mittels Staffelung
mehrerer Schienenstöße mit unterschiedlichen Überrollzyklen) experimentell dynamisch zu
belasten, können mit minimalem Kostenaufwand und somit hoher Effizienz gezielte Aussagen
bzgl. unterschiedlicher Verschleiß- und Versagensarten erarbeitet bzw. in weiterer Folge
Standzeitintervalle und somit Empfehlungen für die Instandhaltung abgeleitet werden.

Abstract

This R&D project is based on an optimization programme of the ÖBB Infrastruktur AG, in which
they pursue economical as well as technical improvements in the area of fish-plated rail joints.
The focus of this endeavour lies on the optimal time for maintenance work on rail profiles and
fish plates of rail joints, as well as on the analysis of the effect of varying vehicle loads on the
wear behaviour of rail joints.
The research activities are grouped into the following categories:
? Utilisation of suitable simulation models
? Adaptation and application of the model with input parameters based on realistic
railway network data (e.g. new/worn rail profile, track bed stiffness, car type)
? Lab to field: Combination of laboratory experiment for the identification of wear
parameters with numerical wear simulation
In this view, it is necessary to section the underlying system into various subsystems for
modelling them and simulating their behaviour with adequate methods.
The global influence quantities that describe the load configuration for the interaction between
rail vehicle and track grid will be determined using a multibody system model and yield the
necessary parameters for a detailed wheel/rail contact model. For in-depth analyses of the
specified system components (e.g., rail joint, fish plate), detail models will be developed
particularly thru application of the finite elements method (FEM). Based on the simulation
models, it‘s possible to identify critical loading zones. As numerical models are usually based
on simplifications (model ? real system), experimental modelling constitutes a necessary
supplement for producing validated results. This will be achieved via a special lab-to-field
approach (laboratory scale wheel/rail-test rig). By varying the system parameters, e.g., load
configuration, track bed and joint stiffness, rail misalignment, the relevant influences of the load
configuration on the wear and failure mode are experimentally determined and furthermore
implemented in the simulation model. The possibility to dynamically load the sample on a small
scale model experiment (e.g. by staggering several track joints to represent different rolling
cycles) allows one cost-effective to derive specific statements on differing wear and failure
modes and recommendations for service life intervals and subsequently also suggestions for
maintenance.

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