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Über die Spurweite
Berührverhältnisse Rad/Schiene
Herausforderungen und Lösungen aus Sicht der Praxis
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
Instabilität in der Praxis
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
2
Ein Beispiel – Das Fahrzeug
Instabilität in der Praxis
Spurweite
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
3
1435 mm
1430 mm
Trassierung
1435 mm
Ein Beispiel – Die Gleislage und die Trassierung
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
4
Instabilität in der Praxis
HY1
HY2
HY3
HY4
Y*Ι
Y*M
Y*ΙΙ
Ein Beispiel – Die Fahrzeugreaktion
Spurweitenkorrektur behebt nicht alle Probleme
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
5
Öffentlichkeitswirksame Vorfälle
Die äquivalente Konizität
6 CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
y[m m]
mittl. Laufkreisrad ius
460.000 [m m]
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äquivalente
Konizität
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Ermittlung der Kontaktpunkte bei
Querverschiebung
Bestimmung der
Rollradien-
differenz bei
Querverschiebung
Berechnung des Radsatz-
Wellenlaufes im Gleis
ist ein Maß für die Kombination der Profile von Rad und Schiene,
welche die Stabilitätsanforderungen an die Fahrwerkskonstruktion beschreibt
Radprofillaufleistung [km]
0,3
0,2
0,1
0,025
Bandbreite der äquivalenten Konizität
äquivalente
Konizität
[-]
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
7
Die Fahrwerksauslegung erfolgt üblicherweise für eine Bandbreite der äquivalenten Konizität
CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
8
Das Standardradprofil S1002 mit
Spurmaß 1425 mm
Grundlagen für die Einführung des Verschleißprofiles
Umfangreiche Untersuchungen der Deutschen Bundesbahn unter den damaligen
Betriebsbedingungen (Fernverkehrsreisezugwagen, geringe Anteile Ausbaustrecken,
keine Neubaustrecken)
Schienenformen S49, S54, UIC 60 mit stark unterschiedlichen Verschleißzuständen
und Spurweiten
Nachweis der Formstabilität über die berührgeometrische Größe äquivalenter
Konizität
galt als formstabiles Verschleißprofil für alle Verkehrsarten
9
Formstabile Entwicklung der Konizität über die
Laufleistung
äquivalente
Konizität
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
reale Abzeichnungen, ICE 1 Mittelwagen, Schienenprofil UIC 60 E1, Radprofil S1002
Radprofil S1002, reale Profilabzeichnung
Randbedingungen
Radprofilentwicklung ICE 1 Mittelwagen, starre Radsatzführung,
mechanische Drehhemmung
Laufleistung mit annähernd konstanten Berührbedingungen bis zu 800 Tkm
10 CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
Formstabile Profilentwicklung, ICE 1 Mittelwagen
äquivalente
Konizität
[-]
Radprofillaufleistung [km]
0,3
0,2
0,1
0,025
Anregung von Strukturschwingungen
des Wagenkastens;
Anregung des Wellenlaufes
Veränderung der Konizität über der Laufleistung
Niedrigfrequente Anregung von
Eigenformen des Fahrzeuges
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11
Fahrtechnische Effekte
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
12
Baureihenspezifische Fahreigenschaften führen in
der Praxis zu Abweichungen von Standardprofil
Fahrzeugtyp Profilform Nennspurweite [mm]
ICE 1 / ICE 2 TK S1002 1423
ICE 1 MW S1002 1425
ICE 2 MW DBS 1421
ICE 3 S1002 1423
ICE T S1002 1423
Dosto 2003 (DB Regio) S1002 1421
Dosto 2010 (DB Regio) S1002 1421
Dosto 2010 / IC2 EPS 1420
ET 422/423/430 S1002 1420
ET 424-426 S1002 1420
Konizitätsentwicklung über die Laufleistung
K-Wagen:
Fahrwerke mit
hydraulischer
Drehdämpfung
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
13
ICE 1, Mittelwagen eines Triebzuges, Einfluss der Fahrwerkskonstruktion
Weiterentwicklung des Schienenkopfprofils
UIC 60 - UIC60E2
Schiene UIC 60
Schiene UIC 60 E2
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
14
Schiene UIC 60 E2, SN 1:40
Schiene UIC 60, SN 1:40
Zielsetzung, Kontur und Berührverhältnisse
Niedrige äquivalente Konizität [tan γe = 0,17] - tan γe =0,07
Gleichmäßige Berührpunktverteilung
Zielsetzung
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
15
Der Einfluss konsequenter Schienenbearbeitung
auf das Berührverhalten
Schmale Berührspiegel
Radprofil S1002, reale Profilabzeichnung
Radprofilentwicklung ICE 3 Mittelwagen, hydraulische Drehdämpfung
Erhöhter Anteil Schnellfahrstrecken
Laufleistung 263 Tkm.
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
16
Nicht-formstabile Profilentwicklung
Randbedingungen
Nicht-formstabile Entwicklung der Konizität über die
Laufleistung
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
17
UnterschiedlicheSpurmaße
*
*
reale Abzeichnung, Schienenprofil UIC60E2, Radprofil S1002
Geringfügige Abweichungen von Neuprofilen haben
starken Einfluss auf die Konizität
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
18
äquivalente
Konizität
äquivalente
Konizität
Streckenkilometer Streckenkilometer
Strecke Ingolstadt-Nürnberg, Schienenprofil UIC60E2, geschliffen, Neuspurweite 1436 mm
Reales Radprofil (nicht formstabil)
Theoretisches Radprofil S1002
äquivalente
Konizität
[-]
Radprofillaufleistung [km]
0,3
0,2
0,1
0,025
Prinzipielle Konizitätsentwicklung der Radprofile auf
dem deutschen Streckennetz
Handlungsbedarf Verbesserungsbedarf
19 CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
Einflussparameter
Spurmaß und
Radprofile
Einflussparameter
Spurweite und
Schienenprofile
Einflussparameter
Fahrzeug und
Betrieb
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
20
Das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen
sicher, komfortabel, wirtschaftlich
Anforderungsgerechtes
Fahrverhalten
Angemessene Instandhaltungskonzepte für Fahrzeuge und Infrastruktur
anforderungs-
gerechte Spurweite
formstabile
Schienenkopfform
anforderungs-
gerechtes Spurmaß
formstabile Radprofile
hohes Stabilitätsniveau
der Fahrwerke
strukturdynamische
Unempfindlichkeit des
Wagenkastens
Anforderungen und konzeptionelle Möglichkeiten
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
21
Radprofildiagnose über ortsfeste Checkpoints im
Betriebsgleis
gemessene Profilkonturen
Radquerprofilmessung mit Streckengeschwindigkeit
(OptiPro)
Messung der geometrischen Radparameter (Sh, Sd, qR )
Messung der Radprofile und Berechnung äquivalenter
Konizität
Reproduzierbare Ergebnisse
in ausreichender Genauigkeit
22
Msim0,
2
Msim0,
1
Design Radprofil:
 Verschleißsimulationmit betrieblichen Lastkollektiven
 Radprofilemit Potenzial bis 400 Tkm
 Erprobung im ICET
Entwicklung formstabiler Radprofile für Fahrzeuge
mit hydraulischer Drehdämpfung
CTO DB AG  Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
Simulationsergebnisse
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  • 1. Über die Spurweite Berührverhältnisse Rad/Schiene Herausforderungen und Lösungen aus Sicht der Praxis CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
  • 2. Instabilität in der Praxis CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 2 Ein Beispiel – Das Fahrzeug
  • 3. Instabilität in der Praxis Spurweite CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 3 1435 mm 1430 mm Trassierung 1435 mm Ein Beispiel – Die Gleislage und die Trassierung
  • 4. CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 4 Instabilität in der Praxis HY1 HY2 HY3 HY4 Y*Ι Y*M Y*ΙΙ Ein Beispiel – Die Fahrzeugreaktion
  • 5. Spurweitenkorrektur behebt nicht alle Probleme CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 5 Öffentlichkeitswirksame Vorfälle
  • 6. Die äquivalente Konizität 6 CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 y[m m] mittl. Laufkreisrad ius 460.000 [m m] -1 0 -5 0 5 10 -10 -5 0 5 10 y[mm] -5 5 r1-r2 [mm] 5 -5 delta-r = f(y) L [ m ] 2 4 6 8 1 0 - 3 - 2 - 1 1 2 3 y = f ( L ) 0 , 0 0 0 5 0.5 yo [mm] äquivalente Konizität [-] äquivalente Konizität = f(yo) 0.180 3.0 Ermittlung der Kontaktpunkte bei Querverschiebung Bestimmung der Rollradien- differenz bei Querverschiebung Berechnung des Radsatz- Wellenlaufes im Gleis ist ein Maß für die Kombination der Profile von Rad und Schiene, welche die Stabilitätsanforderungen an die Fahrwerkskonstruktion beschreibt
  • 7. Radprofillaufleistung [km] 0,3 0,2 0,1 0,025 Bandbreite der äquivalenten Konizität äquivalente Konizität [-] CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 7 Die Fahrwerksauslegung erfolgt üblicherweise für eine Bandbreite der äquivalenten Konizität
  • 8. CTO DB AG & Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 8 Das Standardradprofil S1002 mit Spurmaß 1425 mm Grundlagen für die Einführung des Verschleißprofiles Umfangreiche Untersuchungen der Deutschen Bundesbahn unter den damaligen Betriebsbedingungen (Fernverkehrsreisezugwagen, geringe Anteile Ausbaustrecken, keine Neubaustrecken) Schienenformen S49, S54, UIC 60 mit stark unterschiedlichen Verschleißzuständen und Spurweiten Nachweis der Formstabilität über die berührgeometrische Größe äquivalenter Konizität galt als formstabiles Verschleißprofil für alle Verkehrsarten
  • 9. 9 Formstabile Entwicklung der Konizität über die Laufleistung äquivalente Konizität CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 reale Abzeichnungen, ICE 1 Mittelwagen, Schienenprofil UIC 60 E1, Radprofil S1002
  • 10. Radprofil S1002, reale Profilabzeichnung Randbedingungen Radprofilentwicklung ICE 1 Mittelwagen, starre Radsatzführung, mechanische Drehhemmung Laufleistung mit annähernd konstanten Berührbedingungen bis zu 800 Tkm 10 CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 Formstabile Profilentwicklung, ICE 1 Mittelwagen
  • 11. äquivalente Konizität [-] Radprofillaufleistung [km] 0,3 0,2 0,1 0,025 Anregung von Strukturschwingungen des Wagenkastens; Anregung des Wellenlaufes Veränderung der Konizität über der Laufleistung Niedrigfrequente Anregung von Eigenformen des Fahrzeuges CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 11 Fahrtechnische Effekte
  • 12. CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 12 Baureihenspezifische Fahreigenschaften führen in der Praxis zu Abweichungen von Standardprofil Fahrzeugtyp Profilform Nennspurweite [mm] ICE 1 / ICE 2 TK S1002 1423 ICE 1 MW S1002 1425 ICE 2 MW DBS 1421 ICE 3 S1002 1423 ICE T S1002 1423 Dosto 2003 (DB Regio) S1002 1421 Dosto 2010 (DB Regio) S1002 1421 Dosto 2010 / IC2 EPS 1420 ET 422/423/430 S1002 1420 ET 424-426 S1002 1420
  • 13. Konizitätsentwicklung über die Laufleistung K-Wagen: Fahrwerke mit hydraulischer Drehdämpfung CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 13 ICE 1, Mittelwagen eines Triebzuges, Einfluss der Fahrwerkskonstruktion
  • 14. Weiterentwicklung des Schienenkopfprofils UIC 60 - UIC60E2 Schiene UIC 60 Schiene UIC 60 E2 CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 14 Schiene UIC 60 E2, SN 1:40 Schiene UIC 60, SN 1:40 Zielsetzung, Kontur und Berührverhältnisse Niedrige äquivalente Konizität [tan γe = 0,17] - tan γe =0,07 Gleichmäßige Berührpunktverteilung Zielsetzung
  • 15. CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 15 Der Einfluss konsequenter Schienenbearbeitung auf das Berührverhalten Schmale Berührspiegel
  • 16. Radprofil S1002, reale Profilabzeichnung Radprofilentwicklung ICE 3 Mittelwagen, hydraulische Drehdämpfung Erhöhter Anteil Schnellfahrstrecken Laufleistung 263 Tkm. CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 16 Nicht-formstabile Profilentwicklung Randbedingungen
  • 17. Nicht-formstabile Entwicklung der Konizität über die Laufleistung CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 17 UnterschiedlicheSpurmaße * * reale Abzeichnung, Schienenprofil UIC60E2, Radprofil S1002
  • 18. Geringfügige Abweichungen von Neuprofilen haben starken Einfluss auf die Konizität CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 18 äquivalente Konizität äquivalente Konizität Streckenkilometer Streckenkilometer Strecke Ingolstadt-Nürnberg, Schienenprofil UIC60E2, geschliffen, Neuspurweite 1436 mm Reales Radprofil (nicht formstabil) Theoretisches Radprofil S1002
  • 19. äquivalente Konizität [-] Radprofillaufleistung [km] 0,3 0,2 0,1 0,025 Prinzipielle Konizitätsentwicklung der Radprofile auf dem deutschen Streckennetz Handlungsbedarf Verbesserungsbedarf 19 CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019
  • 20. Einflussparameter Spurmaß und Radprofile Einflussparameter Spurweite und Schienenprofile Einflussparameter Fahrzeug und Betrieb CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 20 Das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen sicher, komfortabel, wirtschaftlich Anforderungsgerechtes Fahrverhalten Angemessene Instandhaltungskonzepte für Fahrzeuge und Infrastruktur anforderungs- gerechte Spurweite formstabile Schienenkopfform anforderungs- gerechtes Spurmaß formstabile Radprofile hohes Stabilitätsniveau der Fahrwerke strukturdynamische Unempfindlichkeit des Wagenkastens Anforderungen und konzeptionelle Möglichkeiten
  • 21. CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 21 Radprofildiagnose über ortsfeste Checkpoints im Betriebsgleis gemessene Profilkonturen Radquerprofilmessung mit Streckengeschwindigkeit (OptiPro) Messung der geometrischen Radparameter (Sh, Sd, qR ) Messung der Radprofile und Berechnung äquivalenter Konizität Reproduzierbare Ergebnisse in ausreichender Genauigkeit
  • 22. 22 Msim0, 2 Msim0, 1 Design Radprofil: Verschleißsimulationmit betrieblichen Lastkollektiven Radprofilemit Potenzial bis 400 Tkm Erprobung im ICET Entwicklung formstabiler Radprofile für Fahrzeuge mit hydraulischer Drehdämpfung CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 Simulationsergebnisse
  • 23. CTO DB AG Vorsitzender der Geschäftsführung DB Systemtechnik GmbH | Hans Peter Lang | 17.09.2019 23