Numerische und experimentelle Kontaktstellenanalyse : Untersuchung des Einflusses von Spurkranzschmierstoffen auf den Reibungskoeffizienten auf verschiedenen Testständen

Abstract

Die Arbeit beinhaltet den Vergleich unterschiedlicher Spurkranzschmierstoffe (SKS) und deren Einfluss auf den Reibungskoeffizienten, auch bei verschiedenen Schmierstoffmengen. Hierzu wurden drei Spurkranzschmierstoffe unterschiedlicher Hersteller zum einen am Rad-Schiene-Teststand der TU Wien und zum anderen auf zwei Zwei-Scheiben-Tribometern (ZST) der AC2T research GmbH untersucht. Ziel der Studie war es, anhand einer abschließenden Bewertung eine Reihung der SKS hinsichtlich der Reduktion des Reibungskoeffizienten vorzunehmen. Zudem wurden Einflüsse von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Wirkung des SKS untersucht. Da im Bereich des Spurkranzes in der Realität sehr große Schlupfe zu erwarten sind, wurden die Versuche mit erhöhtem Schlupf vollzogen. Des weiteren wurde mithilfe simulativer Berechnungen versucht, die Übertragbarkeit der Erkenntnisse zwischen den Testständen und auf das Feld einzuschätzen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass unabhängig von der Schmierstoffmenge der Reibungskoeffizient gegenüber dem Trockenreferenzwert stark reduziert wird, während das Reibungsniveau bei größeren Mengen weiter abgesenkt wird und die Dauer der reibungsmindernden Wirkung verlängert werden konnte. Am Hochlast-Zwei-Scheiben-Tribometer konnte bei Messungen der Einfluss unterschiedlicher Witterungen und des Schlupfes auf den Reibungskoeffizienten festgestellt werden. Bei der Bewertung und Reihung der SKS konnten auf allen Testständen dieselben Tendenzen festgestellt werden. So konnten mit SKS B vor SKS A und SKS C die besten Ergebnisse hinsichtlich des geringsten Reibungskoeffizienten über die längste Wirkungsdauer erzielt werden. Unterschiede in der tatsächlich im Kontakt befindlichen Schmierstoffmenge treten nur aufgrund unterschiedlicher Kontaktbedingungen wie der Oberflächenbeschaffenheit, Verunreinigungen oder der Kontaktspannungen auf, welche bei den simulativen Berechnungen ermittelt wurden. Dennoch war eine relative Beurteilung und daher auch eine Reihung der SKS möglich. Da auch unter Realbedingungen abweichende Kontaktbedingungen zu erwarten sind, werden auch hier Differenzen in der Schmierstoffmenge auftreten. Es wurde gezeigt, dass auf unterschiedlichen Testständen vergleichbare Erkenntnisse gewonnen werden konnten. So können durch kostengünstige und reproduzierbare Laborversuche, SKS vorab bewertet werden und erst im Anschluss den notwendigen Feldversuchen unterzogen werden, um die optimale Schmierstoffmenge für den Betrieb zu ermitteln.

This thesis contains the comparison of different wheel flange lubricants and their impact on the coefficient of friction, also at different quantities. For this purpose, three wheel flange lubricants from different manufacturers were investigated on the one hand at the wheel-rail test rig of TU Wien and on the other hand on two two-disk tribometers of AC2T research GmbH. The aim of the study was to rank the lubricants with regard to the reduction of the coefficient of friction on the basis of a final evaluation. In addition, influences of temperatureand humidity on the performance of the lubricants were investigated. As large slippagesare to be expected in the area of the wheel flange in reality, tests were also carried outwith increased slippage. Furthermore, simulative calculations were used to estimate thetransferability of the findings between the test rigs and the field. The investigations showed that, independent of the lubricant quantity, the coefficient of friction is greatly reduced compared with the dry reference value. The friction level is further lowered with larger quantities, and the duration of the friction-reducing effect could be extended. In addition, measurements on the high-load two-disc tribometer demonstrated the influence of different weather conditions and that caused by higher slip values. When evaluating and ranking the wheel flange lubricants, the same tendencies could be observed on all test stands. Thus, the best results in terms of the lowest coefficient of friction over the longest duration of effect were achieved with wheel flange lubricants “B“ ahead of “A“ and “C“. Differences in the actual amount of lubricant in the contact only occur due to different contact conditions, such as surface condition, impurities or contact stresses, which were determined by the simulative calculations. Nevertheless, a relative assessment and therefore also a ranking of the wheel flange lubricants was possible. Since deviating contact conditions are also to be expected under real conditions, differences in the lubricant quantity available in the contact will also occur here. It was shown that the comparable findings could be obtained on different test rigs. Thus, by means of cost-effective and reproducible laboratory tests, wheel flange lubricants can be evaluated in advance and only then subjected to the necessary field tests to determine the optimum lubricant quantity for operation.