Berechnung und Validierung eines Modells einer Haftkraftwaage mittels Finite Elemente Methode

Abstract

Für moderne Züge sind bei der Auslegung von Bremssystemen Magnetschienenbremsen nicht mehr wegzudenken. Deren Berechnung stellt Ingenieure bisweilen vor schwierige Aufgaben. Dafür werden zumeist magnetische Felder auf Basis der Finite Elemente- Methode simuliert. Um diese Simulationen durchführen zu können, benötigt man möglichst genaue Materialdaten. Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Simulation eines Teils einer Magnetschienenbremse. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein möglichst genaues Modell der Messung eines Magneten mit einer Haftkraftwaage, mit welcher die magnetischen Haftkräfte von Magnetschienenbremsen gemessen werden, zu erstellen. Die dafür erforderlichen B-H- Kurven der diversen Materialien, welche für die Simulation erforderlich sind, wurden bei verschiedenen Temperaturen gemessen, um auch die Auswirkung von erhöhten Temperaturen abschätzen zu können. Mit den so erhaltenen Daten wurden in Finite Elemente- Simulationen mit einem vereinfachten Modell die grundlegenden Eigenschaften einer Magnetschienenbremse ermittelt. Danach wurde im Zuge mehrerer Geometriestudien ein Simulationsmodell erstellt, welches einen guten Kompromiss zwischen Simulationsdauer und erreichter Genauigkeit darstellt. Zuletzt wurde, um die Qualität des Modells zu ermitteln, eine Messung der Haftkräfte an der Haftkraftwaage durchgeführt und mit den berechneten Werten verglichen.

Magnetic track brakes are essential parts in the design of breaking systems in modern trains. The calculation of these systems is very challenging for engineers. Usually, these track breaks are calculated by simulating their magnetic field with the Finite Element method (FEM). It is necessary for FEM- simulations to have reliable material data to perform correct calculations. This diploma thesis deals with the simulation of a part of an articulated magnet. The aim is to create an accurate model of a magnetic force measurement device, which is used to measure the adhesive force of the magnets. The therefore necessary B-H- curves of the used rails and magnetic materials which are essential for the calculation with FEM were measured at different temperatures, to later simulate the magnetic fields of the magnet and estimate the influences of high temperatures on the magnetic forces. With the measured magnetisation curves, Finite element simulations were conducted with a simplified model of the magnet. With the help of these models the fundamental characteristics of the breaking system was evaluated. Then, the influence of some geometrical details were examined with the help of some geometry- studies and an accurate model was created, which makes a good compromise between simulation time and accuracy. Finally, the magnetic force measurement device was used to measure the magnetic forces of the magnet. The obtained data was compared to the calculation of the magnet to evaluate the accuracy of the created model.