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Dank Optimierung effizient
auf der Schiene unterwegs
Sandungsanlagen unterstützen Eisenbahnen beim Beschleunigungs- und Abbremsvorgang. Die virtuelle
Optimierung solcher Anlagen hilft, die ökologischen und ökonomischen Verbesserungen durchzuführen. Die
Zusammenarbeit mit dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der Technischen Universität
Graz, Knorr-Bremse GmbH und Wiener Linien ermöglichte eine durch experimentelle Daten verifizierte
Beschreibung einer Sandungsanlage.
Verschmutzte, nasse oder vereiste Schienen
stellen Schienenfahrzeuge verschiedenster
Art beim Beschleunigen oder Verzögern vor
spezielle Herausforderungen. Bei solchen Bedingungen
wird der Reibwert zwischen Rad und
Schiene aber auch zwischen Magnetschienenbremse
und Schiene herabgesetzt, so dass
Brems- oder Beschleunigungskräfte nur ungenügend
übertragen werden können.
Seit langer Zeit werden deshalb Sandungsanlagen
eingesetzt, um Sand auf die Schiene
aufzubringen und damit die Reibverhältnisse zu
verbessern. Unter einer Sandungsanlage versteht
man eine in Schienenfahrzeugen verwendete
Einrichtung, bei der mit Hilfe von Druckluft
Sand aus einem Sandkasten gefördert und über
Rohre oder Schläuche in den Kontaktbereich
zwischen Rad und Schiene eingebracht wird.
Dort wird der Sand zermahlen und steigert somit
den Reibwert.
Ökonomische und ökologische
Kriterien
Für die Betreibergesellschaften sind neben der
technischen Betriebssicherheit auch ökonomische
Kriterien wie geringer Sandverbrauch
bei höchster Effizienz maßgeblich, denn der
Sand muss in Vorratsbehältern mitgeführt und
regelmäßig nachgefüllt werden, was zusätzliche
Kosten verursacht.
Auch aus ökologischen Gründen ist ein möglichst
geringer Sandeinsatz anzustreben. Denn
der beim Überrollen zermahlene Sand erzeugt
Rückstände, die entweder auf der Schiene zurückbleiben
oder aufgewirbelt und in der Umgebung
verteilt werden. Dies stellt einen Beitrag
zur Feinstaubbelastung dar. Im Ernstfall können
diese Rückstände auch zur Beschädigung von
Rad und Schiene führen.
Sandungsanlagen sind komplexe technische
Systeme, in denen verschiedene Funktionen
zuverlässig umgesetzt werden müssen. Dazu
gehören zum Beispiel die Trockenhaltung des
Sandes, die reproduzierbare Bereitstellung von
bestimmten Massenströmen von Sand und Luft,
und letztendlich die gezielte Ausbringung auf
die Schienen. Gerade der letzte Punkt ist Gegenstand
der hier vorgestellten Untersuchung,
um eine optimale Geometrie-Variation des Sandungsrohrs
zu erzielen. Vier Parameter sind
dafür ausschlaggebend:
• Druckverlust im Endstück
• Die durchschnittliche Teilchen-
geschwindigkeit nach dem Verlassen
des Sandungsrohrs
• Das Verhältnis der axialen und radialen
Teilchengeschwindigkeit und der sich
daraus ergebende Winkel zur Mittelachse
des Sandstrahls
• Der radiale Abstand der Teilchen von der
Strahlachse
Um das Verhalten dieser vier Zielgrößen analysieren
zu können, wurden verschiedene virtuelle
Kontrollebenen im Berechnungsgebiet
definiert, an welchen die verschiedenen Eigenschaften
untersucht werden. Die Simulation der
vielversprechendsten Geometrievariation wurde
im Laborversuch bei Knorr-Bremse GmbH
bestätigt.
So wurden die oben geschilderten Größen im
Detail betrachtet:
Druckverlust beim Endstück
Durch ein verändertes Design des Endstückes
ändern sich die Strömungsverhältnisse und
auch der Druckverlust bei der Durchströmung
(vgl. Abbildung 1). Um die Funktion der Sandungsanlage
sicherzustellen, darf sich der
Druckverlust nicht zu stark erhöhen.
Durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit
Je schneller die Teilchen beim Verlassen des
Sandrohrs sind, desto kleiner sind im Realbe-
trieb die Effekte durch äußere Einflüsse wie
Querströmungen – etwa durch Wind.
Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls
Das Verhältnis von axialer zu radialer Teilchengeschwindigkeit
und der sich daraus ergebende
Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls sind
geeignet, die Bewegungsrichtung der Teilchen
zu beschreiben. Der Mittelwert dieses Winkels
über alle Teilchen ist somit ein Maß für die Fokussierung
des Strahles.
Radialer Abstand der Teilchen
von der Strahlachse
Zusätzlich wurde die Aufweitung des Strahles
in einem bestimmten Abstand von der Austrittsöffnung
des Sandrohrs untersucht. Diese ist definiert
durch den radialen Abstand der Teilchen
von der Strahlachse.
Wissenschaftlicher Zugang
Moderne Software-Pakete unter Berücksich-
Abbildung 1: Simulation verschiedener Geometrien des
Endstückes des Sandungsrohrs
Quelle: VIRTUAL VEHICLE
magazine Nr. 14, II-2013
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