Mechanische Auslegung von Magnetschienenbremsen

Abstract

Die Grundlage für die mechanische Auslegung der Magnetschienenbremse bildeten umfangreiche Fahrversuche, bei denen Kräfte und Beschleunigungen gemessen und als Eingangsgrößen für die Festigkeitsanalysen verwendet wurden. Die Simulation soll nun ein Hilfsmittel sein, bereits im Konstruktionsstadium Aussagen über mögliche Anregungen bzw. Belastungen zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit werden nun Modelle vorgestellt, welche die Betriebsbedingungen der Magnetschienenbremse abbilden können.<br />Für den Absenkvorgang wird ein Simulationsmodell erstellt, welches den elektrodynamischen Vorgang vom Einschalten der Bremse bis zu jenem Zustand beschreibt, bei dem der Magnet mit der maximalen magnetischen Anzugskraft an die Schiene gedrückt wird. Durch die Kopplung des elektrischen Schaltvorgangs mit dem Bewegungsvorgang des Magneten kann in jedem Zeitschritt die magnetische Anzugskraft zwischen Magnet und Schiene rechnerisch ermittelt werden.<br />Für den Reibungsvorgang wurden Versuche am Reibungsprüfstand durchgeführt. Die Untersuchungen der Vorgänge in der Kontaktzone von trockenlaufenden Reibpaarungen bei hoher Flächenpressung zeigten, dass zu Kontaktbeginn der Reibungskoeffizient noch nicht sein Maximum erreicht, sondern je nach Geschwindigkeit, vorhandener Flächenpressung und Materialpaarung eine bestimmte Zeit für den Reibungsaufbau notwendig ist. Die aus den Laborversuchen abgeleitete Funktion für den Reibungskraftaufbau ergibt gemeinsam mit der magnetischen Anzugskraft die wirkende Bremskraft zwischen Magnet und Schiene.<br />Die ermittelte Bremskraft ist die Eingangsgröße für die erstellten MKS-Modelle. Es konnte gezeigt werden, dass mit den vorgestellten Simulationsmodellen die im Betrieb auftretenden Belastungen der Magnetschienenbremse rechnerisch ermittelbar sind. Damit stehen Werkzeuge zur Verfügung, die im Entwicklungsstadium wertvolle Erkenntnisse für die betriebsfeste Auslegung aller kraftübertragenden Teile einer Magnetschienenbremse liefern.

The basis of the mechanical calculation of track brakes were extensive field tests, where forces and accelerations have been measured and used as input data for the fatigue analysis. The simulation is aimed as a useful tool to obtain necessary information about possible excitations or loads already during the design phase. This work describes models, which can represent all operating conditions of a magnetic track brake.<br />For the vertical movement a tool has been developed, which describes the electrodynamical process beginning with the switching on of the brake until the attractive force, which presses the magnet on the rail, has reached its maximum. Due to the coupling of the electrical circuit with the motion process of the magnet it is possible to calculate the attractive force in each time step of the simulation.<br />For the friction process various tests on a friction test stand have been made. The study of the process in the contact zone of dry friction surfaces under a high pressure have shown that at the beginning of the contact the coefficient of friction has not reached yet its maximum. The function for the build up of the friction force, which was derived from the tests, gives together with the magnetic force the acting braking force between the magnet and the rail.<br />The calculated braking force is the input for the prepared models. It could be shown that with the presented simulation models all loads acting during the operation of the magnetic track brake can be derived numerically. Therewith tools are available, which deliver valuable informations for the property design of all force transmitting parts of a magnetic track brake.