Untersuchung des Einflusses von Schienenkopfkonditioniermitteln auf den Reibungskoeffizienten am Rad-Schiene-Teststand der TU Wien : Verifizierung mittels Feldtests

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss unterschiedlicher Schienenkopfkonditioniermittel und deren Menge auf den Reibungskoeffizient des Rad-Schiene-Kontaktes. Zu Forschungszwecken wurden experimentelle Untersuchungen am Rad-Schiene-Teststand der TU Wien durchgeführt und deren Ergebnisse jenen aus den Feldversuchen am Zentralverschiebebahnhof Wien-Kledering gegenübergestellt. Am Teststand wurden drei Schienenkopfkonditioniermittel verschiedener Hersteller getestet. Diese wurden auf den gesamten Schienenradumfang aufgetragen. Nach dem Aufsprühen erfolgte die Messung des Reibungskoeffizienten bei kurzzeitigem Schlupf (2%) sowie konstanter Radlast und Prüfraddrehzahl. Weiters wurde der Reibungskoeffizient bei trockenen und nassen Bedingungen als Referenzwert herangezogen. Ziel der Untersuchungen war es, vergleichbare Ergebnisse zu den Versuchen unter realen Feldbedingungen zu erhalten. Damit soll ein wesentlicher Beitrag für die übergeordneten Forschungsschwerpunkte geleistet werden. Diese verfolgen wiederum das Ziel, in Zukunft ein standardisiertes, kostengünstiges Beurteilungsverfahren für Schienenkopfkonditioniermittel zu entwickeln. Anhand einfacher Laborversuche zur Umweltverträglichkeit, zur Nichtüberbrückung von Isolierstößen sowie zur Sicherstellung eines definierten Reibungskoeffizienten sollen potenziell gut geeignete Schienenkopfkonditioniermittel aus dem Marktangebot identifiziert werden können. Dank der Messergebnisse vom Rad-Schiene-Teststand und der Bremsmessfahrten sowie Handtribometermessungen unter Feldbedingungen zeigte sich, wie erwartet, dass die Menge des Schienenkopfkonditioniermittels eine entscheidende Rolle spielt. Bei einer Reduktion der aufgebrachten Menge sank der Reibungskoeffizient im Vergleich zum trockenen Zustand weniger stark. Dies gilt für alle Messreihen. Gleiche Mengen desselben Schienenkopfkonditioniermittels führten am Teststand und im Feld jedoch nicht zu demselben Reibungskoeffizienten. Dies ist auf die unterschiedlichen Kontaktbedingungen (Werkstoffpaarung, Oberflächenstruktur, Verunreinigungen, Kontaktspannungen, usw.) zurückzuführen, wodurch Ergebnisse am Rad-Schiene-Teststand und aus dem Feld nicht direkt vergleichbar sind. Die optimale Menge eines bestimmten Schienenkopfkonditioniermittels muss also vorerst weiterhin durch Feldversuche ermittelt werden. Deutlich zu erkennen war aber, dass sich die gleiche relative Reihung der mit Schienenkopfkonditioniermittel gemessenen Reibungskoeffizienten mit unterschiedlichen Mengen ergibt. Es zeigte sich sowohl am Teststand als auch im Feld, dass bei gleicher Menge das Schienenkopfkonditioniermittel A den Reibungskoeffizient am wenigsten beeinflusst. Im Vergleich dazu war bei Schienenkopfkonditioniermittel B und C ein stärkerer Abfall des Reibungskoeffizienten zu erkennen. Mit dieser Arbeit konnte schlussendlich belegt werden, dass die Reihung der Schienenkopfkonditioniermittel am Rad-Schiene-Teststand der TU Wien und im Feld ident ist und kleine Mengen zu einer deutlichen Reduktion des Reibungskoeffizienten führen. Daher besteht trotz der unterschiedlichen Kontakt- und Ausgangsbedingungen zwischen Teststand und Feld die Möglichkeit, Schienenkopfkonditioniermittel unterschiedlicher Hersteller vorab an einfachen Testständen zu prüfen und erst infolge mit einem potenziell geeigneten Schienenkopfkonditioniermittel die Felduntersuchungen aufzunehmen. Zukünftige Untersuchungen an einem Zwei-Scheiben-Teststand mit wesentlich kleinerer Kontaktfläche werden zeigen, ob die Reihung der verwendeten Schienenkopfkonditioniermittel ebenfalls ident zu dem Rad-Schiene-Teststand und Feldversuchen ist.

This diploma thesis deals with the impact on the coefficient of friction between wheel and rail caused by selected top-of-rail friction modifiers and their application in various amounts. For this purpose experimental examinations were carried out at the full-scale test facility at the Vienna University of Technology (TU Wien). Their results were compared with those from the field tests at the central shunting yard in Wien-Kledering. Three top-of-rail friction modifiers from different manufacturers were tested. These were applied to the whole circumference of the rail test wheel. The coefficient of friction was measured after spraying with a short-term slip (2%) and a constant wheel load and wheel speed. Moreover, the coefficients of friction in dry and wet conditions acted as reference values.The examinations aim at providing a comparison between the results under actual conditions on the rail track and those at the test rig. A valuable contribution to further examinations is meant to be made due to this thesis. Considering that, these examinations are supposed to establish a standardized, inexpensive method to assess top-of-rail friction modifiers. In order to be able to choose suitable top-of-rail friction modifiers other examinations regarding the environmental impact, non-bridging of insulated rail joints and to ensure an acceptable coefficient of friction should be realized.On the basis of the examinations undertaken it is evident that the amount of the top-of-rail friction modifier plays a decisive role. A reduced amount led to a smaller coefficient of friction compared to the one in dry condition. This applied to all measurements. However, equal amounts of the top-of-rail friction modifier did not result in the same coefficients of friction on the rail track and the test rig. This is due to the different contact conditions (material pairing, surface structure, impurity, contact stresses, etc.), which makes results on the test rig and from the field not directly comparable. This means that the ideal amount of a top-of-rail friction modifier still has to be determined by tests on the rail track. Nevertheless, the same relative order of the coefficients of friction was given with different amounts of top-of-rail friction modifiers. When applied at equal amounts, the top-of-rail friction modifier "A" had the least impact on the coefficient of friction at the full-scale test facility as well as on the rail track. In comparison, top-of-rail friction modifiers "B" and "C" showed a greater decrease in the coefficient of friction. The top-of-rail friction modifiers were ranked by the coefficient of friction. To conclude, the order of the top-of-rail friction modifiers at the full-scale test facility and also on the rail track was the same. Already little amounts led to a significant reduction in the coefficient of friction. Despite different conditions it is possible to verify top-of-rail friction modifiers with the help of common test rigs. Consequently, further examinations can be made on the rail track after having elaborated a suitable top-of-rail friction modifier. Finally, future examinations on a twin-disc machine will show the ranking of the top-of-rail friction modifiers there.