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RCF & Verschleiß: Prognose gefragt!
Die Instandhaltung von Gleis und Schienenfahrzeugen spielt eine große Rolle, um Qualität und Verfügbarkeit des
Schienenverkehrs zu gewährleisten. Für die Instandhaltungsplanung ist es notwendig, die Schäden, die durch
RCF und Verschleiß entstehen, vorherzusagen. Das VIRTUAL VEHICLE entwickelt neue Berechnungsmodelle
zur Prognose dieser Schäden, wobei durch Verknüpfung von globalem Fahrzeugverhalten mit lokaler
Schädigung das Gesamtsystem Bahn berücksichtigt wird.
Rollkontaktermüdung und Verschleiß
Wenn das Rad die Schiene überrollt, treten
hohe Kontaktkräfte auf. Diese Kontaktkräfte
(rund 10 t) verteilen sich auf eine Kontaktfläche
von der Größe einer 1-€-Münze, eine typische
Fläche für den Rad-Schiene-Kontakt. Daraus
ergeben sich hohe Kontaktspannungen,
die oberflächennah hohe plastische Verformungen
bewirken. Die große Anzahl an Überrollungen
führt unter ungünstigen Bedingungen
zur Bildung von Rissen. Eine bekannte Ausprägung
dieser sogenannten Rollkontaktermüdung
(engl. rolling contact fatigue, RCF) sind
zum Beispiel Head-Checks (siehe Abb. 2).
Begleitet wird der Rollkontakt immer von einem
mehr oder weniger großen Verschleiß. Dieser
trägt ähnlich einem Schleifprozess sukzessive
die obersten Werkstoffschichten ab. Entsteht
ein Riss durch RCF, wird dieser durch den
Verschleiß verkürzt. Die beiden Schädigungsmechanismen
hängen also zusammen. Ein gewisser
Verschleiß ist durchaus vorteilhaft, weil
die Risse dadurch verkürzt werden und so der
RCF-Schädigung entgegenwirken.
Grenzen der Instandhaltung
Die beschriebenen Schädigungsmechanismen
Verschleiß und RCF agieren in dem enorm
komplexen System Bahn, in dem nahezu jedes
Zusammentreffen von Rad und Schiene einzigartig
ist. Hinzu kommt, dass sich während jeder
Überrollung die Profile von Rad- und Schiene
aufgrund des Verschleißes ändern. Dennoch
sind die Schäden durch Verschleiß und RCF
durch die etablierten Instandhaltungsmaßnahmen
der Infrastrukturbetreiber unter Kontrolle.
Steigende Beförderungszahlen und erhöhte
Verfügbarkeit verlangen allerdings große
Anstrengungen, um die Infrastrukturqualität
auch in Zukunft aufrecht zu erhalten. Einerseits
sollen die bereits hohen Kosten der Instandhaltung
nicht weiter steigen, andererseits muss
die Instandhaltungsplanung immer früher
erfolgen – eineinhalb Jahre vor Instandhaltungsdurchführung
sind heute bereits Realität.
In diesen immer größeren Zeiträumen können
auch größere Änderungen im System Bahn
12 magazine Nr. 14, II-2013
entstehen, wie beispielsweise die Veränderung
des Fahrzeugmix. Die Prognose von Verschleiß
und RCF auf Basis von Inspektionen wird damit
schwieriger. Daher ist es sinnvoll, zusätzlich auf
rechnergestützte Prognosemodelle zurückzugreifen,
um Kosten und Qualität gleichermaßen
zu gewährleisten. Die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen
kann so zielgerichtet und
bedarfsgerecht erfolgen.
Berechnung von Verschleiß und RCF
Gemeinsam mit unseren Partnern wurde eine
Simulationskette entwickelt, um eine gute Prognose
von Verschleiß und RCF zu ermöglichen.
Für die Beschreibung des Gesamtsystems
werden unterschiedliche, großteils eigens
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Berechnungsablaufes
für Verschleiß und Schädigung
Quelle: VIRTUAL VEHICLE
entwickelte Berechnungsmodelle kombiniert,
siehe Abb. 1. Mit Hilfe einer Mehrkörpersystem
(MKS) Simulation wird das globale dynamische
Fahrzeugverhalten berechnet. Die in
der MKS-Simulation eingesetzten Kontaktmodelle
bilden den Rad-Schiene Kontakt mit einer
ebenen, elliptischen Kontaktfläche ab.
Beim Kontakt von verschlissenem Rad und
Schiene ergeben sich aber vor allem an der
Fahrkante gekrümmte, nicht-elliptische Kontaktflächen.
Durch die nicht-elliptischen, gekrümmten
Kontaktflächen kommt es zu lokal
großen Veränderungen der Kontaktspannungen
in der Kontaktfläche. Diese spielen für
Verschleiß und RCF eine bedeutende Rolle und
müssen deshalb ausreichend genau modelliert
werden.
Um diese lokalen Änderungen der Kontaktspannungen
zu berechnen, wurde ein Kontaktmodell
entwickelt, das einerseits die gekrümmte, nichtelliptische
Kontaktfläche ausreichend genau
abbildet und andererseits die notwendige Recheneffizienz
für die häufige Anwendung in der
Schadenssimulation sicherstellt.
Nach der detaillierten Kontaktanalyse erfolgt
die Berechnung von Verschleiß und Schädigung.
Das Schädigungsmodell berechnet
näherungsweise die auftretende plastische
Verformung und Verfestigung pro Überrollung.
Damit werden die erwähnten großen plastischen
Verformungen nahe der Schienenoberfläche
berechnet, wobei die Interaktion zwischen
Verschleiß und plastischer Verformung
berücksichtigt wird.
Obwohl die Schiene sehr große Verformungsgrade
erträgt, steigt mit jeder weiteren Überrollung
die Wahrscheinlichkeit zur Rissinitiierung.
Die berechnete plastische Verformung wird nun
zum Beispiel mit einer kritischen Verformung,
bei der Rissinitiierung auftritt, verglichen und
so ein Maß für die Schädigung angegeben.
Am Ende der Berechnungsabfolge werden die
Profiländerung aufgrund des Verschleißes und
der aktuelle Schädigungszustand berechnet.
Die beschriebene Simulationskette in Abb. 1
wird so lange wiederholt, bis die geforderte Anzahl
an Zugüberfahrten erreicht ist.
Anwendung der Simulationskette
am Beispiel der Wiener U-Bahn
Im Folgenden sind die Ergebnisse der Berechnung
für einen ausgewählten Gleisabschnitt im
U-Bahn Netz der Wiener Linien dargestellt. In
der MKS-Simulation sind die Fahrzeugtypen
abgebildet, die in der U-Bahn verwendet werden.
Es handelt sich dabei um Fahrzeuge mit
konventionellen und radialstellenden Drehgestellen.
Die Rad- und Schienenprofile stammen
aus Messungen.