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Vorhersage der Material-schädigung von Gleis-komponenten unter Betriebs-bedingungen

Optimierte Wartung von Infrastruktur erhöht Pünktlichkeit und senkt Kosten

Wissensbasierte Voraussage von Schadenseintritt für das System Eisenbahn, Bild: MCL

Hunderte Mio. Euro in Österreich und Mrd. an Euro in der Europäischen Union gehen durch Schäden und dadurch ausgelöste Betriebsstörungen im System Bahn verloren. Ausgangspunkt solcher Schäden ist meist der hochbeanspruchte Kontaktbereich zwischen Rad und Schiene. Die Kräfte zwischen Fahrzeugrädern und Schienen verursachen extreme Kontaktspannungen. Vergleichbar ist diese Belastung mit einem auf vier 10 Cent Münzen abgestellten 40 t LKW. Durch diese Kräfte wird die Kontaktzone zwischen Rad und Schiene lokal verformt und durch die vielen Mio. Radüberrollungen im Laufe der Zeit unweigerlich geschädigt. Das Schädigungsverhalten von Rädern und Schienen wird dabei von deren Materialeigenschaften, der Dynamik der Fahrzeuge und dem Schwingungsverhalten des Untergrundes bestimmt. Neben einem Materialabtrag an den Kontaktoberflächen kann es auch zu Rissbildungen kommen. Deshalb werden Schienen und Räder aus sicherheitstechnischen Gründen regelmäßig gewartet und abhängig von Art und Größe etwaiger Schädigungen überarbeitet oder ersetzt. Die Schadensmechanismen im Kontakt-bereich werden als Verschleiß und Rollkontaktermüdung bezeichnet. Beide Mechanismen beeinträchtigen die Fahrsicherheit, den Fahrkomfort und verursachen hohe Kosten durch Instandhaltungsmaßnahmen und Betriebsunterbrechungen während der Wartung oder beim Tausch von Schienen.

Kostensenkung bei gleichbleibender Qualität
Die wirksamste Möglichkeit Kosten bei gleichem Komfort und gleichbleibender oder erhöhter Sicherheit zu senken, ist die wissensbasierte, materialabhängige Voraussage von Schadenseintritt und Schadensentwicklung und davon abgeleitet die Erstellung von Maßnahmen zur Minimierung oder Vermeidung von Schäden. Dazu wurden am Materials Center Leoben nicht nur numerische Modelle, sondern auch neue Experimente designt, mit welchen die Entwicklung der verschiedenen Schädigungs-mechanismen gut vorausgesagt werden kann. Herausfordernd war dabei natürlich einerseits die Erstellung der numerischen Modelle, welche sich als extrem aufwendig gestaltete, weil es sich um ein multiskaliges Problem im Bereich von Metern bis zu Nanometern handelt. Des Weiteren handelt es sich um eine Kombination von Nichtlinearitäten aus der Kontaktmechanik und der Materialbeschreibung. Aber auch die Modellverifikation der im Kontaktbereich Rad / Schiene auftretenden komplexen Belastung der Materialien konnte nicht einfach mit Standardtests durchgeführt werden. Deshalb wurden am Materials Center Leoben spezielle Probengeometrien entwickelt, mit welchen die Schädigungsentwicklung ähnlich dem Rad Schiene Kontakt nachgebildet werden kann.

Wirkungen und Effekte
Die neuen experimentellen Ergebnisse werden in den speziell für die Eisenbahn entwickelten Modellen eingesetzt und erlauben in Kombination mit den numerischen Modellen eine quantitative Voraussage der Schädigungsentwicklung. Damit können Bahnbetreiber den Verschleiß, die Rissentstehung und das Risswachstum in verschiedenen Bereichen des Gleises (Geraden, Kurven, Ein- und Ausfahrten von Bahnhöfen) aufgrund der darauf fahrenden Züge bewerten. Schienen- und Radhersteller haben damit die Möglichkeit neue oder verbesserte Materialien hinsichtlich ihres Schädigungsverhaltens einzusetzen und zu bewerten.

 

Projektkoordination (Story)
Georg Schnalzger
Junior Scientist Computational Product Reliability
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 3842 45922-0
georg.schnalzger(at)mcl.at

 

Projektpartner
• voestalpine Railway Systems GmbH, Österreich
• The University of Sheffield, England
• Österreichische Akademie der Wissenschaften, Österreich
• Montanuniversität Leoben, Österreich

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