Investigation of the Dynamical Behavior of High-Speed Turnouts

Diese Dissertation untersucht das dynamische Verhalten, die Ermüdungseigenschaften und die Analyse von Eigenspannungen bei Hochgeschwindigkeitsweichen, die wesentliche Komponenten in Hochgeschwindigkeitsbahnnetzen darstellen. Diese Weichen sind erheblichen dynamischen Lasten ausgesetzt, was zu Verschleiß, Ermüdung und Leistungsabfall führt, wodurch ihre Untersuchung entscheidend für die Optimierung des Designs und die Gewährleistung der Zuverlässigkeit ist.
Die Forschung ist in drei Hauptkomponenten gegliedert: eine dynamische Analyse mittels Simulation, eine experimentelle Ermüdungsbewertung und die Eigenspannungsbewertung unter Verwendung der Konturmethode. In der dynamischen Analyse liegt der Fokus auf dem Weichenstück einer beweglichen Herzstückweiche, wobei insbesondere die Auswirkungen der Zuggeschwindigkeit und der statischen Achslast auf die vertikalen Durchbiegungen und die Längsspannungen innerhalb der Weichenstruktur untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Herzstück aufgrund seiner Beweglichkeit und der unterschiedlichen Stützbedingungen eine ausgeprägte Tendenz zur Aufwärtsbewegung im Vergleich zu den Backenschienen aufweist. Die größten Durchbiegungen werden an der Spitze des Herzstücks beobachtet, wobei Zug- und Druckspannungen in der Nähe dieses Bereichs ihren Höhepunkt erreichen; diese Spannungen bleiben jedoch deutlich unter der Dauerfestigkeitsgrenze des Materials. Darüber hinaus hebt die Studie die entscheidende Rolle von Verriegelungsvorrichtungen bei der Minderung intensiver dynamischer Reaktionen, der Gewährleistung der Stabilität und der Reduzierung von Durchbiegungen während der Radüberfahrt hervor.
Die experimentelle Ermüdungsanalyse konzentriert sich auf die Eigenschaften der Hoch- und Ultrahochzyklusermüdung (HCF/VHCF) des perlitischen Stahls R350HT. Tests unter verschiedenen Oberflächenbedingungen (feingedreht, elektropoliert und mechanisch poliert) zeigen, dass Risse im HCF-Bereich hauptsächlich an der Oberfläche initiiert werden, während unter bestimmten Bedingungen im VHCF-Bereich innere Brüche auftreten. Bemerkenswert ist, dass die Studie feststellt, dass ferritische Zonen im Material als kritische Stellen für die Initiierung innerer Risse dienen, die durch fortschrittliche Mikroskopietechniken identifiziert wurden. Der Einfluss unterschiedlicher Lastverhältnisse (R = -1 und R = 0,1) verdeutlicht zusätzlich die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Defekten und seinen Zusammenhang mit Mittelspannungen und Ermüdungsleistung.
Diese Forschung verbessert den Prozess der Auswahl der optimalen Maschengröße für die Analyse von Eigenspannungen mithilfe der Richardson-Extrapolation und führt zwei zusätzliche Methoden ein – die Naive Extrapolation und die Schnittfächen-Extrapolation (IPE) –, um Randverschiebungen effektiv zu bewältigen. Diese Techniken erweisen sich als wertvoll bei der Verbesserung von Eigenspannungsberechnungen in Finite-Elemente-Modellen, insbesondere in Bereichen mit signifikanten Randbedingungen und in denen die Recheneffizienz von größter Bedeutung ist.
Zusammenfassend liefert diese Dissertation umfassende Einblicke in die dynamische Leistungsfähigkeit und das Materialverhalten von Hochgeschwindigkeitsweichenkomponenten. Durch die Untersuchung der Wechselwirkungen von Geschwindigkeit, Achslast und Materialeigenschaften trägt diese Arbeit zur Entwicklung zuverlässigerer und effizienterer Hochgeschwindigkeitsbahnsysteme bei. Die Ergebnisse ebnen den Weg für zukünftige Forschungs- und Ingenieurarbeiten, die darauf abzielen, die Sicherheit und Langlebigkeit der Eisenbahninfrastruktur zu verbessern.