Vergleich der Simulationsrechnung gemäß EN 14363 und der Auswertung ortsfester Messstellen zur Quantifizierung von Schienenoberflächenschäden, die bei Überfahrten von Schnellzügen verursacht werden

Abstract

Die Schädigung von Schienen im Bereich der konventionellen Eisenbahn ist eine von einer großen Anzahl von Parametern abhängige Größe. Um optimale Wartungsinterval-le vorausschauend planen zu können, ist es unter anderem notwendig, die Belastung auf die Schiene und somit auch auf den gesamten Oberbau zu kennen. Derzeitige Ansätze schätzen die Schienenoberflächenschädigung meist über die eingebrachte Reibleistung in dem Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene ab. Für die eingebrachte Reibleistung in die Schienen wird allerdings die Relativgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene benötigt. Die Relativgeschwindigkeit im Kontaktpunkt Rad/Schiene bzw. der Schlupf wird bei konventionellen Messfahrten nicht ermittelt. Eine entsprechende Bestimmung der Reibleistung ist mit Messdaten daher nicht direkt möglich. Im Vergleich dazu lassen sich durch numerische Simulation beliebige Größen aus einem Mehrkörpersystem (MKS) herauslesen. Die meistverwendete und akzeptierte Größe zur Bestimmung der Schienenoberflächenschädigung ist Tγ. Tγ, auch Verschleißziffer genannt, ist ein Maß für die eingebrachte Reibungsenergie im Rad-Schiene-Kontakt.Im informativen Anhang K der Norm EN 14363 wird die quasistatische Größe Tqst vorgestellt, die eine Regression aus Tγ darstellt. Tqst ist daher eine vereinfachte Approximation, alleine abhängig von den Kräften im Kontaktpunkt. Für die Approximation wurden gemäß Norm eine Parameterstudie und eine anschließende Regression an einem generischen Fahrzeugmodell durchgeführt. Diese Größe bietet den Vorteil, dass alleine durch Kenntnis der Kräfte eine Abschätzung zur Schädigung der Schienen durchgeführt werden kann. Die Kräfte, die auf den Gleiskörper wirken, können einerseits mit Mess-radsätzen oder andererseits mit ortsfesten Messstellen ermittelt werden.Ziel der Arbeit ist es daher, die Aussagekraft der Größe Tqst im Vergleich zur Verschleißziffer Tγ anhand repräsentativer Fahrzeugmodelle zu analysieren, um in weiterer Folge aus Messungen der Rad-Schiene-Kräfte eine Abschätzung der Schienenoberflä-chenschädigung auf Basis der Verschleißziffer erhalten zu können. Mithilfe des MKS Programms „Simpack“ und einem von der Siemens AG zur Verfügung gestellten „Railjet“-MKS-Modell (Lokomotive und Reisezugwagen) wird eine numerische Simu-lationen anhand realer Gleislagedaten durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit Messdaten von ortsfesten Messstellen der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) verglichen, wobei hier ebenfalls ausschließlich „Railjet“-Garnituren betrachtet werden. Um ein breites Spektrum der Betriebsbedingungen erfassen zu können, werden insgesamt vier Messstellen betrachtet, die nach EN 14363 einem entsprechenden Prüfbereich zugeordnet werden können. Der Auswertungszeitraum erstreckt sich über mehrere Wochen des dritten Quartals des Jahres 2017, um für die statistische Auswertung der Messdaten eine ausreichend große Datenmenge bzw. Anzahl an Überfahrten zu erhalten. Die erhaltenen Ergebnisse werden anschließend miteinander verglichen und kritisch betrachtet.

The damage of rails in the field of conventional railway systems depends on a big amount of several parameters. For optimal planning of maintenance actions it is neces-sary to know the loads on the rails and on the whole track-system. Nowadays there are approaches which estimate the Rail-Surface-Damage (RSD) with frictional power which is transferred to the rail. To determine the actual frictional power the relative ve-locity between the wheel and the rail has to be measured. The relative velocity in the contact point (contact patch) or the creep can´t be measured with conventional meas-urement systems. So the determination of the current frictional power is not possible with these measurement data. Compared to this, numeric simulations allow to determine any figure in a Multi-Body-System (MBS). The most common and accepted quantity for estimating the rail surface damage is the so called Wear-Number Tγ. Tγ is a size for the transferred frictional energy into the rail in the rail-wheel contact patch.The informative appendix K in the standard EN 14363 presents the quasi static size Tqst which is a regression of Tγ. Tqst is a simple approximation, which is only influenced by the forces in the contact patch. For the approximation a parameter study was used with a following regression on a generic vehicle multi-body model. The quantity has the main advantage that only the forces have to be measured. The measurement of the forces can be achieved on one side with special measuring wheelsets or on the other side with stationary measurement sites.The purpose of this work is to analyse the quality of Tqst in comparison to the wear-number Tγ using representative multi-body vehicle models to ensure an accurate estima-tion of the rail surface damage with measuring methods. For the multi-body simulation the software “Simpack” is used. The vehicle models (locomotive and passenger vehicle) are provided by Siemens AG. To ensure realistic conditions the actual track characteris-tics are implemented in the software. The results will be compared to actual measure-ment data of stationary measurement sites of the Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) exclusively regarding “Railjet” vehicles. To cover a wide spectrum of operation-al conditions four different measurement sites are considered which can be related to corresponding test sections of EN 14363. The evaluation span of the measurement data is several weeks in the third quarter of the year 2017. The results finally are compared to each other and critically analysed.