Characterization and Modeling of the Thermomechanical Fatigue Behavior of Brake Disks for High Speed Trains

Titel in Übersetzung: Charakterisierung und Modellierung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens von Bremsscheiben für Hochgeschwindigkeitszüge

Peter Raninger

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Reibungsbremse ist aus Sicherheitsgründen ein wesentlicher Bestandteil jedes Zuges. Obwohl regenerative Bremssysteme in modernen Zügen den Großteil der kinetischen Energie dissipieren, ist eine robust ausgelegte Reibungsbremse verpflichtend. Sie muss den Zug in jeder möglichen Situation im Betrieb problemlos ohne das Mitwirken weiterer Bremssysteme abbremsen können, denn die anderen Systeme könnten ausfallen. Dies betrifft nicht nur Notbremsungen, sondern auch andere, häufigere Bremsungen im Betrieb mit ähnlicher Energiedissipation. Innerhalb des Bremsmanagements (Blending) zwischen den einzelnen Systemen wie der regenerativen Bremse, der Magnetschienenbremse/ Wirbelstrombremse und der Reibungsbremse sind viele Kombinationen der einzelnen Systeme möglich. Im Eisenbahnbereich steht eine Vielzahl von Scheibengeometrien und Materialien zur Verfügung und mehrere Varianten können in ein und demselben Zug verwendet werden. Ein optimiertes Bremsmanagement zwischen den einzelnen Scheibensätzen der Reibungsbremse ist daher ebenfalls notwendig. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung einer Simulationsmethodik, die sowohl die Entwicklung neuer Bremsscheiben-Designs, als auch die Planung des Bremsmanagements effizienter macht. Die entwickelten Bremssysteme müssen sicher sein, aber eine Überdimensionierung soll vermieden werden. Aus diesem Grund werden sowohl eine umfassende Charakterisierung, als auch die Modellierung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens im Rahmen dieser Arbeit behandelt. Der Bremsscheibentyp, der als Referenz für Komponententests verwendet wird, ist eine Radbremsscheibe. Dieser ist typisch für Triebzüge, bei denen der Antrieb auf die Achsen des Zuges verteilt ist und nicht ausreichend Platz für die normalerweise eingesetzten Wellenbremsscheiben bleibt. Radbremsscheiben bestehen jeweils aus zwei Reibringen, die an den gegenüberliegenden Seiten des Rades befestigt werden. Das mechanische System unterscheidet sich daher von demjenigen der Wellenbremsscheiben, bei denen beide Reibflächen Teil einer Komponente sind. Die Lebensdauer von Bremsscheiben wird wesentlich durch die Charakteristik der Temperaturverteilung auf der Reibfläche beeinflusst. Diese ist für Radbremsscheiben aktuell nicht genau bekannt, Ähnliches gilt für die zugehörigen Schädigungsmechanismen. Diese Arbeit verfolgt drei Zugänge zu diesem Problem: 1) Die systematische Untersuchung der Thermokameradaten von Komponententests, 2) eine umfassende Charakterisierung der auftretenden Schädigung und 3) das themomechanische Modellieren des Bremsprozesses. Die Thermokameradaten liefern die notwendigen Informationen über die Temperaturentwicklung auf der Reibfläche. Die Schadensanalyse identifiziert die relevanten Mechanismen für das Initiieren und Wachstum von Rissen. Diese Informationen bilden die Basis für die Modellierung mit der Finite-Elemente-Methode, die den Bremsprozess, das viskoplastische Materialverhalten des Bremsscheibenmaterials und das Schädigungsverhalten umfasst. Am Ende der Arbeit werden die Simulationsergebnisse mit den Komponententests verglichen und verifiziert.
Titel in ÜbersetzungCharakterisierung und Modellierung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens von Bremsscheiben für Hochgeschwindigkeitszüge
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Dufrénoy, Philippe, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Thermomechanische Ermüdung
  • zyklische Viskoplastizität
  • Schädigung
  • Bruchmechanik
  • Schadensanalysen
  • Infrarotthermographie

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