Finite element modelling of the frictional sliding contact within the application of the magnetic track brake

Abstract

The magnetic track brake is an additional brake on the train, which acts independently of the wheel-rail contact and is thus an important safety and economical factor. When the magnetic track brake is designed as an articulated magnet, calculating the braking forces can be challenging as the braking forces are generated with several brake elements (pole shoes) that are able to move within a certain clearance and adjust to the topology of the rail. Each pole shoe is electromagnetically attracted to the rail and in contact with the rail. In the presence of friction in this contact the braking forces are generated. These braking forces are transmitted from the pole shoe to the coil body of the magnetic tack brake. This coil body has plates welded between each pole shoe which separate the single pole shoes and transmit the arising braking forces that occur via the contact to these plates.This concept of the electromagnetically attracted pole shoe in frictional sliding contact with the rail and in contact with the plate is modelled in this thesis using the finite element method, as the components are considered to be elastic bodies in contact. In this modelling, the electromagnetic attraction force is applied as a mechanical surface load, which acts on the contact surface of the conformal contact between the pole shoe and the rail. This mechanical surface load acts on both the pole shoe and the rail, in which the elastic deformation of the components is the leading factor in transforming the applied mechanical surface load into the resulting contact pressure distribution. The integration of this resulting contact pressure distribution leads to the contact forces and their force application points, which are determined for the contact to the rail and the contact to the plate for the quasi-static and transient simulation.This modelling approach is discussed in detail and a parametric analysis is carried out for the quasi-static case in order to show the influence of friction, the magnitude of the mechanical surface load and its distribution.

Die Magnetschienenbremse ist eine zusätzliche Bremse am Zug, die unabhängig vom Rad-Schiene Kontakt wirkt und somit ein wichtiger Sicherheits- und Wirtschaftsfaktor ist. Bei der Ausführung der Magnetschienenbremse als Gliedermagnet kann die Berechnung der Bremskräfte eine Herausforderung darstellen, da die Bremskräfte mit mehreren Bremselementen (Polschuhe) erzeugt wird, die sich innerhalb bestimmter Toleranzen frei bewegen und an dieTopologie der Schiene anpassen können. Jeder Polschuh wird elektromagnetisch an die Schiene angezogen und befindet sich im Kontakt mit der Schiene. Bei vorhandener Reibung in diesem Kontakt werden die Bremskräfte erzeugt. Diese Bremskräfte werden von den Polschuh auf den Spulenkörper der Magnetschienenbremse übertragen. Beim Spulenkörper sind zwischen den einzelnen Polschuhen Bleche eingeschweißt, welche die einzelnen Polschuhe von einander trennen und die auftretenden Bremskräfte durch den Kontakt mit diesen Blechen übertragen. Dieses Konzept des elektromagnetisch angezogenen Polschuhs im reibschlüssigen Gleitkontakt mit der Schiene und im Kontakt mit dem Blech wird in der vorliegenden Arbeit mit der Methode der finiten Elemente modelliert, da die Bauteile als elastische Körper in Kontakt betrachtet werden. Bei dieser Modellierung wird die elektromagnetische Anziehungskraft als externe, mechanische Flächenlast aufgebracht, welche in der Kontaktfläche des formschlüssigen Kontakts zwischen dem Polschuh und der Schiene wirkt. Diese Flächenlast wirkt sowohl auf den Polschuh als auch auf die Schiene, wobei die elastische Verformung der Bauteile der maßgebliche Faktor für die Transformation dieser Flächenlast in die resultierende Kontaktdruckverteilung ist. Die Integration dieser resultierenden Kontaktdruckverteilung führt auf die Kontaktkräfte und deren Kraftangriffspunkte, welche sowohl für den Kontakt zur Schiene als auch den Kontakt zum Blech im quasi-statischen und transienten Fall ermittelt werden.Dieser Modellierungsansatz wird im Detail diskutiert und eine Parameteranalyse für den quasi-statischen Fall durchgeführt um den Einfluss der Reibung, des Betrags der Flächenlast sowie deren Verteilung aufzuzeigen.