Self-excited vibrations of magnetic track brakes : Modelling, analysis and mitigation

Abstract

Magnetic track brakes are braking systems of railway vehicles independent of the wheel-rail contact, which are activated in emergency braking manoeuvres. Electromagnets installed in the bogie are lowered onto the rail and generate a magnetic attraction force between the brake and the rail. This creates a frictional force in the magnet-rail contact, which is transmitted to the bogie by the structure of the brake. To avoid high deceleration peaks, magnetic track brakes are not used until standstill of the vehicle. To reduce braking distances, especially in low wheel-rail adhesion conditions, magnetic track brakes are to remain active until standstill in the future. However, severe vibrations of a magnetic track brake were detected in vehicle tests at low velocities, leading to high mechanical loads and thus impeding this target. This dissertation focuses on identifying the self-excitation mechanisms causing these vibrations. Vehicle tests performed under realistic operating conditions are the starting point. The analysis of these tests shows periodic vibrations in an asymmetric vibration mode of the brake correlating with high magnitudes of braking forces. To investigate the underlying self-excitation mechanism, simplified and more detailed dynamical models of a magnetic track brake are developed, which are assembled from coupled sub-models in the electrical, magnetic and mechanical domains. Model parameters required for the models are determined from vehicle tests and laboratory experiments. By applying established methods of linear stability theory to the simplified models, two mechanisms are identified which (in combination) may cause self-excited vibrations. On the one hand, it is found that negative gradients of the coefficient of friction in the magnet-rail contact lead to negative damping terms of the system equations, resulting in self-excitation. On the other hand, an inertial coupling exists between mechanical and electromagnetic state variables, which can also cause oscillatory unstable system behaviour. This coupling is influenced both by geometric dimensions of the track brake and by the magnitude of the coefficient of friction, as well as parameters of the magnetic circuit. For systems with multiple magnets in series connection, this self-excitation mechanism is amplified for asymmetrical oscillation modes. Time-domain analyses determine the energy sources for maintaining the resulting limit cycles. Using a more detailed multibody dynamics model, the findings obtained with the simplified models are validated and braking manoeuvres are simulated, which are compared with vehicle test data. It is shown that self-excited vibrations of magnetic track brakes are dependent on both design parameters and external influences such as accumulation of material on friction surfaces, as well as the magnet-rail contact conditions. To avoid self-excited vibrations at low velocities in the future, new designs are proposed to increase the braking capacity of rail vehicles.

Magnetschienenbremsen sind vom Rad-Schiene Kontakt unabhängige Bremssysteme von Schienenfahrzeugen, die im Falle von Schnellbremsungen aktiviert werden. Im Drehgestell eingebaute Elektromagnete werden auf die Schiene abgesenkt und erzeugen eine magnetische Anzugskraft zwischen Bremse und Schiene. Dadurch entsteht im Magnet-Schiene Kontakt eine Reibkraft, die durch die Struktur der Bremse auf das Drehgestell übertragen wird. Um hohe Verzögerungsspitzen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu vermeiden, wurden Magnetschienenbremsen bisher nicht bis zum Stillstand verwendet. Um gerade bei niedrigen Rad-Schiene Kraftschlüssen die Bremswege zu verkürzen, sollen in Zukunft Magnetschienenbremsen auch bis zum Stillstand aktiv bleiben. Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich wurden jedoch starke Vibrationen der Magnetschienenbremse festgestellt, die zu hohen mechanischen Belastungen führen und damit den Einsatz bis zum Stillstand verhindern. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Identifikation von Selbsterregungsmechanismen, die für diese Vibrationen ursächlich sind. Den Beginn bilden Fahrversuche unter realen Bedingungen, deren Analyse periodische Schwingungen in einem asymmetrischen Schwingungsmode der Bremse zeigt, deren Auftreten mit hohen Bremskräften korreliert. Zur Erforschung des zugrunde liegenden Selbsterregungsmechanismus werden vereinfachte und detailliertere dynamische Modelle der Magnetschienenbremse entwickelt, die sich aus gekoppelten Teilmodellen in den elektrischen, magnetischen und mechanischen Domänen zusammensetzen. Dafür erforderliche Modellparameter werden aus Fahrversuchen und Laborversuchen ermittelt. Durch Anwendung etablierter Methoden der linearen Stabilitätstheorie werden mit den vereinfachten Modellen zwei Mechanismen identifiziert, die (in Kombination) selbsterregte Schwingungen auslösen können. Einerseits führen negative Gradienten des Reibwerts zwischen Polschuhen und Schiene bei niedrigen Geschwindigkeiten zu negativen Dämpfungstermen der Systemgleichungen, wodurch eine Selbsterregung entsteht. Andererseits besteht eine träge Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektromagnetischen Zustandsgrößen, die in ungünstigen Fällen ebenfalls zu oszillatorisch instabilem Systemverhalten führt. Beeinflusst wird diese Wechselwirkung sowohl durch geometrische Abmessungen, als auch durch den Betrag des Reibwerts, sowie Parameter des magnetischen Kreises. Bei Systemen mit mehreren Elektromagneten in Serienschaltung wird dieser Selbsterregungsmechanismus für asymmetrische Schwingungsformen zusätzlich verstärkt. Durch Analysen im Zeitbereich werden die Energiequellen bestimmt, die für die Aufrechterhaltung der entstehenden Grenzzykel verantwortlich sind. Anhand eines detaillierteren Mehrkörperdynamik-Modells werden die mit den vereinfachten Modellen gewonnenen Erkenntnisse überprüft sowie Bremsmanöver simuliert, die mit Fahrversuchsdaten verglichen werden. Dabei wird gezeigt, dass selbsterregte Schwingungen von Magnetschienenbremsen sowohl von Konstruktionsparametern, als auch äußeren Einflüssen wie Materialansammlungen an Reibflächen, sowie den Magnet-Schiene Kontaktbedingungen abhängen. Um in Zukunft selbsterregte Schwingungen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu vermeiden, werden Konstruktionsvorschläge entwickelt, um damit das Bremsvermögen von Schienenfahrzeugen zu erhöhen.