Genauigkeit und Grenzen von Kohlepapier und Druckmessfolie im Kontakt Hertz’scher Körper und von Rad und Schiene

Stratmann, Ina; Schindler, Christian; Pospischil, Ferdinand

doi:44395

Genauigkeit und Grenzen von Kohlepapier und Druckmessfolie im Kontakt Hertz’scher Körper und von Rad und Schiene = Accuracy and limits of carbon paper and pressure measurement film in contact with Hertzian bodies and of wheel and rail

Stratmann, Ina^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeIna Stratmann

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-292-4

ReiheSchriftenreihe Schienenfahrzeuge und Transportsysteme ; 6

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schindler, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Pospischil, Ferdinand (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05813
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013945/files/1013945.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Schienenfahrzeuge (414210)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)273675311 - Bestimmung der Messgenauigkeit von Druckmessfolie im Rad-Schiene-Kontakt (273675311) (273675311)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Druckmessfolie (frei) ; finite Elemente (frei) ; Kohlepapier (frei) ; Kontaktbestimmung (frei) ; Rad-Schiene Kontakt (frei) ; Schienenfahrzeuge (frei) ; Schienenverkehr (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen des Ausbaus des öffentlichen Personennahverkehrs wird eine Steigerung der Fahrtaktungen im Schienenverkehr angestrebt, wodurch insbesondere die Schienen und die Räder der Schienenfahrzeuge höheren Beanspruchungen aus-gesetzt sein werden, als es augenblicklich der Fall ist. Dies stellt aus materialtechnischer Betrachtung eine Herausforderung dar, da die Kontaktflächen zwischen Rad und Schiene wesentlich kleiner sind als bei Straßenfahrzeugen, gleichzeitig aber die wirkenden Belastungen mit über 1.000 MPa deutlich höher sind als im Straßenverkehr. Die Form, Größe und Lage der Kontaktfläche beeinflussen die Wälzreibung und damit den Verschleiß. Gleichzeitig beeinflusst die Kontaktfläche auch die Polygonisierung der Räder. Dieser Zusammenhang führt zu einem erheblichen Forschungsinteresse an der Bestimmung der Kontaktfläche in Bezug auf ihre Größe und Form, um ein umfangreicheres Verständnis des Rad-Schiene-Kontaktes bezüglich des Verschleißes bei modernen Schienenfahrzeugen zu erlangen. Die Evaluation der Kontaktflächen kann mittels analytischer, experimenteller oder numerischer Methoden erfolgen. Die Ermittlung der Kontaktfläche in dieser Arbeit erfolgt mittels der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) mit anschließender erkenntnisbasierter experimenteller Validierung der numerischen Ergebnisse. Zur experimentellen Bestimmung der Kontaktflächen eignen sich Druckmessfolien sowie Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier. Die entsprechenden Zwischenschichten führen zu einer veränderten Kontaktsituation, welche simulativ implementiert werden muss. Die simulative Berücksichtigung dieser Zwischenschichten und die dafür benötigten Materialmodelle sind die Ausgangsbasis dieser Arbeit. Zu Beginn wurden Materialmodelle für drei einlagige Druckmessfolientypen sowie für Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier erarbeitet. Die Grundlage für die Bestimmung der Materialmodelle der Druckmessfolien waren experimentelle Ergebnisse von Kontaktuntersuchungen eines sphärischen Körpers mit einer ebenen Platte. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden zuerst elasto-plastische Materialmodelle erarbeitet, welche nicht auf den Rad-Schiene-Kontakt übertragbar waren. Darauf aufbauend wurden linear-elastische Materialmodelle für die drei Druckmessfolientypen bestimmt. Für Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier wurde ein vereinfachtes Materialmodell mathematisch hergeleitet, da hierfür keine experimentellen Ergebnisse von Untersuchungen mit sphärischen Körpern und Platten vorlagen. Die bestimmten linear-elastischen Materialmodelle für Kohlepapier und Druckmessfolien wurden anschließend um Abstands-Druck-Kurven erweitert, welche die Oberflächenrauheit des Rad-Schiene-Kontaktes berücksichtigten. Zur Validierung der bestimmten Materialmodelle wurde zu Beginn dieser Arbeit ein Prüfstand entwickelt, an welchem Abdrücke des Rad-Schiene-Kontakts experimentell erzeugt wurden. Es konnte um-fassend durch die experimentellen und simulative Untersuchungen gezeigt werden, dass Druckmessfolien und Kohlepapier einerseits sich als valides Messmittel eignen und valide in simulativen Methoden abgebildet werden können. Dabei können Kohlepapier kombiniert mit herkömmlichem Papier äquivalent zu Druckmessfolien eingesetzt werden.

As part of the expansion of the local public transport, the aim is to increase the frequency of rail services, which means that the rails and particularly the wheels of rail vehicles will be exposed to higher stresses than is currently the case. From a mate-rials engineering point of view, this represents a challenge, as the contact surfaces between wheel and rail are considerably smaller than in road vehicles. However, with loads of more than 1,000 MPa, the loads acting on them are significantly higher than in road traffic. The shape, size, and position of the contact surface influence the rolling friction and thus the wear. Simultaneously, the contact surface influences the polygonization of the wheels. These relationships lead to considerable research interest in determining the contact area in terms of its size and shape for a more comprehensive understanding of the wheel-rail contact with regard to wear in modern rail vehicles. The evaluation of the contact area can be done via analytical, experimental, or numerical methods. In this research, the contact area is determined using the numerical finite element analysis (FEA) with subsequent knowledge-based experimental validation of the numerical results. Pressure measurement films and carbon paper combined with conventional paper are suitable for the experimental determination of the contact surfaces. The corresponding intermediate layers lead to a changed contact situation, which has to be implemented simulatively. The simulative consideration of these intermediate layers and the required material models are the starting point of this work. Initially, material models were developed for three single-layer pressure measurement films and for carbon paper in combination with conventional paper. The basis for determining the material models of the pressure measurement films was results of experimental investigations of a spherical body with a flat plate. Based on the results of these investigations, elasto-plastic material models were developed, which were afterwards not transferable to the wheel-rail contact. Subsequently, linear-elastic material models were developed for three types of pressure measurement film. A simplified material model was mathematically derived for carbon paper in combination with conventional paper, as no experimental results were available from prior investigations with spherical bodies and plates. The linear-elastic material models for carbon paper and pressure measurement films were extended by pressure-overclosure curves, which took the surface roughness of the wheel-rail contact into account. To validate the material models, a test rig was developed at the beginning of this research, which was used to experimentally generate impressions of the wheel-rail contact. The experimental and simulative investigations comprehensively demonstrated that pressure measurement films and carbon paper are suitable as a valid measuring medium and can be validly mapped via simulations. Carbon paper combined with conventional paper can be used in the same way as pressure measurement films to detect the wheel-rail contact situation.

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