Erstellung eines Modells des Druckluftbremssystems von U-Bahnen mittels SimulationX

Abstract

In dieser Arbeit wird die Erstellung eines Simulationsmodells für Druckluftbremssysteme bei U-Bahnzügen beschrieben. Dafür wird das auf der objektorientierten Modellsprache Modelica basierende Programm SimulationX verwendet. Um die Erstellung des Modells besser nachvollziehen zu können, werden einleitend die theoretischen Grundlagen vorgestellt. Ebenfalls wird in einem einleitenden Kapitel ein Überblick über die Systemarchitektur von Druckluftbremssystemen bei U-Bahnen geboten. Im Hinblick auf die spätere Modellerstellung wird zunächst die Tauglichkeit von bestimmten Bibliothekskomponenten in SimulationX für diese konkrete Anwendung bei Druckluftbremssystemen überprüft. Dann werden die Simulationsmodelle eines Druckreduzierventils und eines Lastbremsventils erstellt, da nicht alle pneumatischen Komponenten, die in einem Druckluftbremssystem eingebaut sind, in der zur Verfügung gestellten Bauteilbibliothek von SimulationX abgedeckt sind. Den hier neu generierten Simulationsmodellen eines Druckreduzierventils und eines Lastbremsventils liegen jeweils ein mechanisches, thermodynamisches und strömungsmechanisches Modell zu Grunde. Das Lastbremsventil wird durch den Vergleich mit an bestehenden U-Bahn-Projekten gemessenen Messwerten validiert. Danach wird das Simulationsmodell eines Bremssystems erstellt. Damit ist es möglich auch komplexe Betriebszustände zu simulieren und qualitative Aussagen über das Betriebsverhalten zu treffen. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden beispielhafte Anwendungen des neu geschaffenen Simulationsmodells gezeigt. Wesentliche Ergebnisse sind die Flächendiagramme der Auf- und Abbauzeiten des Bremsdrucks bzw. in weiterer Folge der Klemmkraft in Abhängigkeit von dem Bremsleitungsdurchmesser und der Bremsleitungslänge.

This thesis describes the creation of a simulation model for air brake systems in subway trains. The program SimulationX, which is based on the object-oriented model language Modelica, is used for this purpose. In order to better understand the creation of the model, the theoretical basics are presented at the beginning. Moreover, an introductory chapter provides an overview of the system architecture of air brake systems for subway railroads. With regard to the subsequent model creation, the suitability of certain library components in SimulationX for this specific application in air brake systems is first checked. Then the simulation models of a pressure reducing valve and a complementary valve are created, as not all pneumatic components that are installed in an air brake system are covered in the SimulationX component library provided. The newly generated simulation models of a pressure reducing valve and a complementary valve are each based on a mechanical, thermodynamic and fluid mechanical model. The load brake valve is validated by comparing it with measured values from existing subway projects. The simulation model of a braking system is then created. This makes it possible to simulate even complex operating conditions and to make qualitative statements about the operating behavior.In the final section of the paper, examples of applications of the newly created simulation model are shown. The main results are the surface diagrams of the build-up and reduction times of the brake pressure and, subsequently, the clamping force as a function of the brake pipe diameter and the brake pipe length.