DEM Modellierung: Reibung im gesandeten Rad-Schiene-Kontakt

Im Eisenbahnbereich treten im Rad-Schiene Kontakt Radlasten von 10 Tonnen und mehr auf der Fläche eines Fingernagels auf. Dies resultiert in extrem hohen Kontaktspannungen, sowohl senkrecht zur Schieneoberfläche (Normalenrichtung) als auch tangential dazu (Tangentialrichtung), z.B. verursacht durch Bremsen oder Spurführungskräfte in Bögen. Die maximal übertragbare Tangentialkraft ist begrenzt durch den Adhäsionskoeffizienten (AC), der unter trockenen Bedingungen ca. 0.35 ist. Verschmutzungen im Rad-Schiene Kontakt, z.B. durch Regenwasser oder Blätter im Herbst, können den AC reduzieren, z.T. unter 0.1, was z.B. zu massiven Problemen beim Bremsen führen und im Extremfall auch die Sicherheit negativ beeinflussen kann. Um dies zu verhindern und den AC zu erhöhen, werden bereits seit Jahrzehnten Sandungssysteme eingesetzt, wobei Sandkörner in den Rad- Schienen Kontakt geblasen werden. Das Sanden des Rad-Schiene Kontakts ist experimentell gut untersucht. Sowohl im Labor als auch auf der Strecke wurden bereits verschiedene Kontaktbedingungen (z.B. trocken, nass, div. Verschmutzungen) untersucht, ebenso wie verschiedene Typen von Sand. Bei Nässe können verschiedene Sandtypen den AC schlimmstenfalls unverändert lassen oder ihn erhöhen, bis hin wieder zu trockenen Bedingungen. Die physikalischen Mechanismen hierfür sind bisher nicht durchgängig verstanden. Im Kontakt werden die Sandkörner teilweise zermahlen und es treten plastische Verformungen an der Oberfläche von Rad und Schiene auf. Der AC wird möglicherweise durch Formschlusseffekte erhöht, wenn Teile des Sandkorns in die Oberflächen von Rad und Schiene gedrückt werden, oder der zermahlene Sand verfestigt unter dem hohen Druck und vergrößert somit die effektive Kontaktfläche im Rad-Schiene Kontakt. Auch die Interaktion des Wassers mit dem Sand ist bislang unklar. Dieser Mangel an Verständnis beruht auch auf fehlenden Möglichkeiten zu experimentellen Untersuchungen der genannten Mechanismen direkt im Rad-Schiene Kontakt. Um genauer zu verstehen, welche Mechanismen den AC erhöhen, wird im Projekt ein Simulationsmodell basierend auf der Discrete Element Method entwickelt. Dieses Modell wird die verschiedenen Mechanismen abbilden, die während des Überrollens im gesandeten Rad-Schienen-Kontakt auftreten. Es ist eine detaillierte Parametrierung und Validierung des Modells mit Experimentaldaten geplant. Auf diese Weise soll das Modell dazu beitragen, ein tieferes Verständnis der adhäsionserhöhenden Mechanismen im gesandeten Rad-Schienen-Kontakt zu erlangen.

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit im Bahnverkehr hängen maßgeblich von der Reibung im Rad-Schiene Kontakt ab. Diese Reibung, die auch als Kraftschluss bezeichnet wird, kann z.B. durch Nässe oder Verschmutzungen stark reduziert werden - im englischsprachigen Raum wird dieser Effekt auch als "Low Adhesion" bezeichnet. Die Folge: Züge bremsen bzw. beschleunigen langsamer oder Lokomotiven können weniger Zugkraft übertragen. Eine bewährte Gegenmaßnahme ist das Sanden wobei kleine Mengen von Sand gezielt in den Rad-Schiene Kontakt eingebracht werden. Trotz jahrzehntelanger Anwendung war bislang noch nicht vollständig verstanden, welche physikalischen Mechanismen dabei den Kraftschluss erhöhen. Dies erschwert die Entwicklung von Sandungsstrategien, die neben der Kraftschlusserhöhung auch unerwünschte Nebeneffekte wie Oberflächenschäden und erhöhten Verschleiß minimieren. Dieses Forschungsprojekt schließt nun genau diese Wissenslücke und liefert erstmals detaillierte Einblicke in die physikalischen Prozesse , die beim Sanden unter nassen Bedingungen stattfindenden. Mithilfe innovativer Experimente und Simulationen auf Basis der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) konnten die Forschenden nachvollziehen, wie sich Sandkörner unter extremen Belastungen verhalten. Die dabei auftretenden Drücke sind enorm - vergleichbar mit dem Gewicht von zehn Tonnen auf der Fläche eines Fingernagels. Untersucht wurden zwei Typen von Eisenbahnsand, einer der in Großbritannien und einer der in Österreich verwendet wird, die sich deutlich in ihrer kraftschlusserhöhenden Wirkung unterscheiden. Generell zeigen Experimente, dass einzelne Sandkörner unter hohem Druck wiederholt zerbrechen und feine Partikelverbände bilden. Diese sogenannten Cluster drücken sich in die Stahloberflächen von Rad und Schiene ein, allerdings mit deutlichen Unterschieden in der Ausbreitung der Bruchstücke je nach Sandtyp. Auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelte das Forschungsteam ein neuartiges Simulationsmodell, das erstmals alle wesentlichen physikalischen Vorgänge im Kontakt beim Sanden realitätsnah abbildet. Dazu zählen unter anderem das Brechen der Körner, die Ausbreitung der Bruchstücke, die Bildung von Clustern sowie deren Eindrücken in die Stahloberflächen. Das Modell wurde sorgfältig mit experimentellen Daten kalibriert und qualitativ anhand von Reibungsversuchen validiert. Mit Hilfe des Simulationsmodells konnte an einzelnen Sandkörnen nachvollzogen werden, warum sich Sanden bei Nässe positiv auswirkt. Der Kraftschluss ist höher, wenn ein größerer Anteil der Normalkraft über Kontakte zwischen Sand und Stahl übertragen wird, statt direkt zwischen den Stahloberflächen. Dieser Effekt wird durch größere Sandkörner und eine stärkere Ausbreitung der Sandbruchstücke verstärkt. Auch härtere Stahloberflächen und eine höhere Reibung zwischen Sandfragmenten und Stahl tragen zu einem höheren Kraftschluss bei. Mit diesem Projekt gelang es erstmals, ein detailliertes Verständnis für die physikalischen Prozesse in gesandeten Rad-Schiene-Kontakten zu erlangen. Die gewonnenen Erkenntnisse können z.B. als Basis für die Entwicklung gezielterer und effizienterer Sandungsstrategien dienen. Für Bahnbetreiber bedeutet das: besserer Kraftschluss auch unter schwierigen Bedingungen - und damit ein wichtiger Beitrag zu mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit im Eisenbahnbetrieb.