Analyse und Klassifikation der Einflüsse und Auswirkungen von Ein- und Ausschaltvorgängen und Vibrationen auf die Luftlagerung einer motorisierten Kühlturbine

Abstract

Liebherr-Transportation Systems in Korneuburg, namhafter Entwickler und Hersteller von Klimasystemen für Schienenfahrzeuge, stattet seit dem Jahr 2000 Hochgeschwindigkeitszüge der Deutschen Bahn (ICE 3) mit luftgestützten Klimaanlagen aus. Diese Klimaanlagen funktionieren nur mit Luft als Kältemittel und ist somit absolut umweltfreundlich. Nun soll aus wirtschaftlichen Gründen die aktive Magnetlagerung der motorisierten Kühlturbine dieser luftgestützten Klimaanlagen durch eine aerodynamische Lagerung, eine konzerneigene Entwicklung, ersetzt werden. Bei der aktiven Magnetlagerung können Dämpfung und Steifigkeit im Betrieb durch Sensoren und Regelung variiert werden, wodurch sie sehr resistent auf Schwingungen reagiert. Diese Aufgabe übernimmt der Magnetlager-Controller. Der Wegfall des Magnetlager-Controllers und der Einsatz eines aerodynamischen Lagers, das den Luftpolster, der für eine stabile Lagerung notwendig ist, nur durch ausreichende Relativbewegung zwischen Rotor und Stator aufbaut, birgt Schädigungspotentiale, die ermittelt und klassifiziert werden müssen. Zum einen haben Ein- und Ausschaltvorgänge der motorisierten Kühlturbine, bei denen es aufgrund zu geringer Drehzahl zu Festkörperreibung zwischen Welle und Lagerschale kommt, eine lebensdauerlimitierende Wirkung. Zum anderen werden Vibrationen und Stöße, die vom Schienenfahrzeug auf das Gerät einwirken, im Gegensatz zur aktiven Magnetlagerung nicht aktiv kompensiert und stellen ebenfalls ein erhebliches Verschleißpotential für eine Luftlagerung dar. Diese Einflüsse und Auswirkungen werden ermittelt und klassifiziert und Handlungsempfehlungen für Gegenmaßnahmen aufgezeigt, um eine Luftlagerung der motorisierten Kühlturbine realisieren zu können.

Liebherr-Transportation Systems in Korneuburg, renowned developer and manufacturer for air conditioning systems for rail vehicles, provides air cycle air conditioning systems for German high speed trains (ICE 3, Deutsche Bahn) since the year 2000. This air conditioning system only works with air as refrigerant and hence thoroughly environmentally friendly. For economic reasons the active magnetic bearing of the motorized air cycle machine of the air condition system should be replaced by an aerodynamic bearing which is a company-owned development. The magnetic bearing controller varies damping and stiffness of the active magnetic bearing due to sensors and control and, therefore, the bearing is resistant to vibration. The elimination of the magnetic bearing controller and the use of an aerodynamic bearing, which needs enough rotation speed of the shaft for a stable bearing effect, bears damage potential. These potentials have to be analyzed and classified. On the one hand, start/stop cycles represent a damage potential, since low rotation speed leads to solid state friction between the shaft and the bearing shell which is limiting the lifecycle of the bearing. On the other hand, vibration and shocks deriving from the train cannot be compensated in contrast to an active magnetic bearing and, consequently, represent a damage potential as well. These influences and effects are analyzed and classified and possible countermeasures are demonstrated to allow the application of an aerodynamic bearing for the motorized air cycle machine of the air cycle air conditioning system.