DE102005044903A1

DE102005044903A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle

Info

Publication number: DE102005044903A1
Application number: DE200510044903
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Klock; Sven Dipl.-Ing. Dostal; Martin Dipl.-Ing. Große-Hovest; Gerhard Dr. Fischer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: WO2007033637A1; DE102005044903B4; EP1926981A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle. Die Vorrichtung umfasst eine Halteeinrichtung für die Radsatzwelle, eine Antriebseinrichtung für einen rotatorischen Antrieb der Radsatzwelle in der Halteeinrichtung sowie eine Belastungseinrichtung für die Radsatzwelle. Die Belastungseinrichtung umfasst ein Kraftübertragungselement, das eine in der Halteeinrichtung gelagerte Radsatzwelle an einer Stelle umschließt und eine Rotation der Radsatzwelle in der Halteeinrichtung zulässt, und zwei mit dem Kraftübertragungselement verbundene Krafteinleitungseinheiten, von denen eine erste eine vertikal zur Radsatzwelle wirkende Kraft auf die Radsatzwelle und eine zweite eine parallel zur Radsatzwelle wirkende Kraft in einem Abstand von der Radsatzwelle auf das Kraftübertragungselement ausüben können. Die vorliegende Vorrichtung weist einen einfachen Aufbau auf und ermöglicht die realitätsnahe Simulation der Belastung einer Radsatzwelle.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle, mit einer Halteeinrichtung, in der die Radsatzwelle im Bereich beider Enden rotierbar gelagert werden kann, einer Antriebseinrichtung für einen rotatorischen Antrieb der Radsatzwelle in der Halteeinrichtung und einer Belastungseinrichtung für die Radsatzwelle.

Radsätze von Schienenfahrzeugen werden in Versuchseinrichtungen geprüft, um bspw. Rückschlüsse auf die Ermüdungsfestigkeit der Radsatzwellen zu erhalten. So sind aus der EP 0 232 855 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung von Schienenfahrzeugrädern bekannt, mit denen die in der Praxis bei einem Schienenfahrzeugradsatz auftretenden Belastungsverhältnisse simuliert und somit Schienenfahrzeugradsätze geprüft werden können. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Vorrichtung weist ein Trommellager mit Schienenring für den Antrieb der Räder des Radsatzes sowie zumindest zwei Radialbelastungseinrichtungen auf. Das Trommellager ist als Belastungstrommel für eine gezielte Axialbelastung des Radsatzes während der Rotation der Radsatzwelle ausgebildet. Die Radialbelastungseinrichtungen greifen an einem der beiden freien Enden der Radsatzwelle über je eines der beiden Radsatzlager an, in denen die Welle gehaltert ist. Die in der Druckschrift beschriebene Belastungsvorrichtung ist jedoch aufgrund der erforderlichen Belastungstrommel mit Schienenring sehr aufwendig. Weiterhin können nur die kompletten Radsätze, d. h. die Radsatzwellen mit den daran befestigten Rädern in dieser Belastungsvorrichtung geprüft werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle anzugeben, die einen geringeren konstruktiven Aufwand erfordert und eine Prüfung von Radsatzwellen ohne daran angebrachte Räder ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Die vorliegende Vorrichtung zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle umfasst eine Halteeinrichtung, in der die Radsatzwelle im Bereich beider Enden rotierbar gelagert werden kann, eine an der Radsatzwelle angreifende Antriebseinrichtung für einen rotatorischen Antrieb der Radsatzwelle in der Halteeinrichtung und eine Belastungseinrichtung für die Radsatzwelle. Die Belastungseinrichtung weist bei der vorliegenden Vorrichtung ein Kraftübertragungselement und zwei mit dem Kraftübertragungselement verbundene Kraftein leitungseinheiten auf. Das Kraftübertragungselement, das vorzugsweise einen Wälzlagerverbund für die Ankopplung an die Radsatzwelle umfasst, umschließt eine in der Halteeinrichtung gelagerte Radsatzwelle an einer Stelle und lässt eine Rotation der Radsatzwelle in der Halteeinrichtung zu. Eine erste der beiden Krafteinleitungseinheiten kann eine vertikal zur Radsatzwelle wirkende Kraft auf die Radsatzwelle ausüben. Eine zweite der beiden Krafteinleitungseinheiten kann eine parallel zur Radsatzwelle wirkende Kraft in einem Abstand zur Radsatzwelle auf das Kraftübertragungselement ausüben, so dass mit dieser parallel zur Radsatzwelle wirkenden Kraft über das Kraftübertragungselement eine Biegemoment auf die Radsatzwelle ausgeübt werden kann. Die Krafteinleitungseinheiten sind dabei vorzugsweise über Gelenke mit dem Kraftübertragungselement verbunden.

Bei dem zugehörigen Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle werden somit über das Kraftübertragungselement Belastungskräfte auf die Radsatzwelle ausgeübt. Die Belastungskräfte umfassen hierbei zumindest eine Kraft senkrecht zur Radsatzwelle, im Folgenden als Vertikalkraft F_Z bezeichnet, und eine parallel zur Radsatzwelle auf das Kraftübertragungselement wirkende Kraft, im Folgenden als Seitenkraft F_Y bezeichnet. Die Vertikalkraft wird direkt in den Untersuchungsquerschnitt eingeleitet, der durch die Position des Kraftübertragungselementes an der Radsatzwelle vorgegeben wird. Die Seitenkraft wird über einen Belastungshebel in die Radsatzwelle eingeleitet, der durch den Abstand von der Mittenachse der Radsatzwelle bestimmt wird, in dem die Seitenkraft am Kraftübertragungselement angreift. Dieser Abstand wird vorzugsweise so gewählt, dass er dem realen Rollradius beim Einsatz der Radsatzwelle, d. h. mit montierten Rädern, entspricht.

Mit der vorliegenden Vorrichtung und dem vorliegenden Verfahren lassen sich in einfacher Weise aus der Vertikalkraft und der Seitenkraft resultierende Biegemomentbelastungen in definierten Querschnitten der Radsatzwelle erzeugen. Durch die oben beschriebene Wahl des Abstandes, mit dem die Seitenkraft am Kraftübertragungselement angreift, lässt sich diese Belastung wie am realen Schienenrad simulieren. Die Vorrichtung weist gegenüber der in der Einleitung genannten Vorrichtung des Standes der Technik einen vereinfachten Aufbau auf, mit dem dennoch eine Simulation der Betriebsbelastungen einer Radsatzwelle möglich ist. Mit der Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren lassen sich gezielt in hoch beanspruchten Bereichen von Radsatzwellen von Schienenfahrzeugen Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit und zum Rissfortschrittsverhalten durchführen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sowie des Verfahrens ist bzw. wird das Kraftübertragungselement an der Stelle des Radsitzes der Radsatzwelle angeordnet. Durch Verwendung eines Kraftübertragungselementes mit einstellbarer Presskraft beim Umschließen der Welle, beispielsweise mit einem einstellbaren Wälzlagerverbund, kann damit der Pressverband zwischen Rad und Welle im Presssitz erzeugt werden. Für die Belastungsprüfung werden hierbei weder die großen Originalradsätze und Räder noch aufwendige Versuchseinrichtungen mit Belastungstrommel und Schienenring benötigt. Dadurch reduziert sich der Aufwand zum Bau und zum Betreiben der Vorrichtung, wodurch sich auch ein geringerer Energieverbrauch ergibt.

Zur überlagerten Simulation von Torsionsmomenten aus Brems- und Antriebskräften kann die Torsion durch zusätzliche Anordnung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung ergänzt werden.

Durch eine geeignete Steuereinheit, durch die die unterschiedlichen Krafteinleitungseinheiten sowie ggf. Brems- und/oder Antriebseinrichtungen angesteuert werden, können die im Betriebseinsatz an einem kompletten Radsatz wirkenden Beanspruchungen simuliert werden. Diese Beanspruchungen resultieren aus den verschiedenen Lastfällen, wie bspw. Bogenfahrt, Geradeausfahrt und Weichenüberfahrten sowie Bremsen und Antrieb. Mit der vorliegenden Vorrichtung und dem zughörigen Verfahren ist es möglich, gezielt in hoch beanspruchten, kritischen Bereichen Untersuchungen, bspw. zum Rissfortschrittsverhalten, unter betriebsähnlichen Belastungen durchzuführen. Dabei kann mit einem betriebsähnlichen Belastungsprogramm gezielt die Entstehung und Entwicklung, insbesondere das Wachstum, von Ermüdungsrissen mit zunehmender Lastspiel/Umdrehungszahl der Radsatzwelle registriert und bewertet werden. Die Phase zwischen erstem Anriss, der bspw. mittels Ultraschall bei regelmäßiger Inspektion festgestellt werden kann, und dem Bruch der Welle ist eine wichtige Kenngröße, die zur Festlegung von Inspektionsintervallen, bspw. beim Betreiben angerissener Wellen, benötigt wird. Darüber hinaus können auch Untersuchungen zum Betriebsfestigkeitsnachweis bis zum Anriss durchgeführt werden. In Presssitzen lässt sich die Kontaktermüdung durch Einstellung der dem Originalsitz entsprechenden Flächenpressung durch das diesbezüglich einstellbare Kraftübertragungselement und die Wahl der Materialpaarung nachbilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Vorrichtung sowie das zughörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung; und
2 ein Beispiel für den Verlauf der Belastungskräfte zur Simulation realer Streckenabschnitte.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle. Die zu untersuchende Original-Radsatzwelle 1 ist hierbei in einer Halteeinrichtung 3 gelagert, die zwei auf einer Grundplatte befestigte Lager aufweist. Bei diesen Lagern kann es sich um die Original-Radsatzlager der Radsatzwelle 1 oder auch um Ersatzlager handeln. Die Radsatzwelle 1 wird mittels eines Antriebsmotors 4 über Antriebsriemen 5 angetrieben.
Die Krafteinleitung erfolgt über ein Kraftübertragungselement mit einem Wälzlagerverbund 2, um den zu untersuchenden Querschnitt realitätsnah zu belasten. Im vorliegenden Beispiel greift dieser Wälzlagerverbund 2 am Radsitz an, um die Belastung an dieser Stelle zu untersuchen. Der Wälzlagerverbund 2 ist einstellbar, um unterschiedliche Presskräfte auf die Radsatzwelle 1 auszuüben.
Bei der Belastungsprüfung werden zweiaxial wirkende Kräfte, die Vertikalkraft F_Z sowie die Seitenkraft F_Y, über zugehörige Krafterzeuger 6, 7 und Gelenke 10 in die Radsatzwelle 1 eingeleitet. Die Krafterzeuger 6, 7 sind am Rahmen 11 bzw. an einer mit dem Rahmen 11 verbundenen Deckplatte befestigt. Der Krafterzeuger 6 zur Vertikalkrafteinleitung ist in diesem Beispiel ein Hydropulszylinder, ebenso wie der Krafterzeuger 7 zur Seitenkrafteinleitung. Die Kräfte werden mittels Kraftaufnehmern 8, 9 gemessen und über eine nicht dargestellte Steuereinheit kontrolliert und gesteuert, die die momentanen Messwerte von den Kraftaufnehmern 8, 9 erhält und die Krafterzeuger 6, 7 geeignet ansteuert. Die nicht dargestellte Steuereinheit steuert und kontrolliert die Drehzahl der Welle.
Im vorliegenden Beispiel ist ergänzend zu den Krafterzeugern 6, 7 ein Torsionszylinder 13 vorgesehen, der mit einem Ende der Radsatzwelle 1 verbunden ist, um Antriebs- oder Bremskräfte auf die Welle auszuüben, die zu einer Torsionsbelastung führen. Auch dieser Torsionszylinder 13 wird über die Steuereinheit zur Erzeugung unterschiedlicher Belastungen angesteuert.
Aus der 1 ist ersichtlich, dass die Vertikalkraft F_Z über den Wälzlagerverbund 2 direkt in den zu untersuchenden Querschnitt der Radsatzwelle 1 eingeleitet wird. Die Seitenkraft F_Y greift in einem Abstand von der Mittenachse der Radsatzwelle 1 an dem Kraftübertragungselement an. Hierdurch wird die Seitenkraft F_Y über den Belastungshebel 12, im vorliegenden Fall im Abstand des Rollradius wie am realen Schienenrad, auf den Untersuchungsquerschnitt übertragen. Damit kann eine Biegemomentbelastung simuliert werden, wie sie im realen Betrieb der Radsatzwelle auftritt.
Mit der vorliegenden Vorrichtung lassen sich beliebige, dem Betriebseinsatz entsprechende Kombinationen der Vertikal- und Seitenkräfte auf einfache Weise simulieren. Durch Wahl eines geeigneten Belastungsprogramms in der Steuereinheit kann die Belastung auf definierten Streckenabschnitten simuliert werden. Diese Streckenabschnitte können reale Strecken, abgeleitet aus Messungen sein, aber auch synthetisch aufgrund vorhandener Lastannahmen und Streckenbeschreibungen erstellt werden.
2 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Vertikalkraft F_Z, der Seitenkraft F_Y sowie der Torsion T, wie sie mit der vorliegenden Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren zur Belastung der Radsatzwelle in unterschiedlichen Streckenabschnitten simuliert werden können. Simulierbare Beanspruchungen ergeben sich bspw. aus den folgenden Lastfällen:

– Rollen mit statischer Radlast,
– Geradeausfahrt mit hohen Vertikalkräften und in beide Richtungen wechselnde Seitenkräfte,
– Weichenüberfahrten mit hohen vertikalen Spitzenlasten und wechselnden Seitenkräften,
– Bogenfahrten in Links- und Rechtsbögen mit entsprechenden Vertikalkräften und nach innen und außen wirkenden Seitenkräften, oder
– Torsionsbelastung aus Bremsen und Antrieb.

2 zeigt hierzu die Lastfälle des Rollens mit statischer Radlast (A), des Geradeauslaufs (B), der Bogenfahrt im Linksbogen (D₁) und der Bogenfahrt im Rechtsbogen (D₂).

1: Radsatzwelle
2: Wälzlagerverbund
3: Halteeinrichtung
4: Antriebsmotor
5: Antriebsriemen
6: Krafterzeuger für Vertikalkraft
7: Krafterzeuger für Seitenkraft
8: Kraftaufnehmer
9: Kraftaufnehmer
10: Gelenke
11: Rahmen
12: Belastungshebel
13: Torsionszylinder

Claims

Vorrichtung zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle, mit – einer Halteeinrichtung (3), in der die Radsatzwelle (1) im Bereich beider Enden rotierbar gelagert werden kann, – einer an der Radsatzwelle (1) angreifenden Antriebseinrichtung (4, 5) für einen rotatorischen Antrieb der Radsatzwelle (1) in der Halteeinrichtung (1), und – zumindest einer Belastungseinrichtung (2, 6, 7) für die Radsatzwelle (1), – wobei die Belastungseinrichtung ein Kraftübertragungselement (2), das eine in der Halteeinrichtung (3) gelagerte Radsatzwelle (1) an einer Stelle umschließt und eine Rotation der Radsatzwelle (1) in der Halteeinrichtung (3) zulässt, und zwei mit dem Kraftübertragungselement (2) verbundene Krafteinleitungseinheiten (6) umfasst, von denen eine erste Krafteinleitungseinheit (6) eine vertikal zur Radsatzwelle (3) wirkende Kraft auf die Radsatzwelle (1) und eine zweite Krafteinleitungseinheit (7) eine parallel zur Radsatzwelle (1) wirkende Kraft in einem Abstand zur Radsatzwelle (1) auf das Kraftübertragungselement (2) ausüben können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (2) einen Wälzlagerverbund umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungseinheiten (6, 7) über Gelenke (10) mit dem Kraftübertragungselement (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Krafteinleitungseinheiten (6, 7) und dem Kraftübertragungselement (2) Kraftaufnehmer (8, 9) angeordnet sind, mit denen die über die Krafteinleitungseinheiten (6, 7) auf die Radsatzwelle (1) oder das Kraftübertragungselement (2) ausgeübten Kräfte messbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (2) in einem Abstand von einer Mittenachse der Radsatzwelle (1) mit der zweiten Krafteinleitungseinheit (7) verbunden ist, der einem Rollradius von an der Radsatzwelle (1) im Einsatz angebrachten Rädern entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungseinrichtung (2, 6, 7) so angeordnet ist oder positioniert werden kann, dass das Kraftübertragungselement (2) die Radsatzwelle (1) am Radsitz umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Krafteinleitungseinheit (13) vorgesehen ist, mit der eine zusätzliche Antriebs- oder Bremskraft auf die Radsatzwelle (1) ausgeübt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Krafteinleitungseinheiten (6, 7, 13) und die Antriebseinrichtung (4, 5) nach einem vorgegebenen Programm zur Simulation bestimmter Belastungssituationen ansteuern kann.
Verfahren zur Belastungsprüfung einer Radsatzwelle, bei dem – die Radsatzwelle (1) in einer Halteeinrichtung (3) an beiden Enden rotierbar gelagert wird, – in der Halteeinrichtung (3) rotierend angetrieben wird, und – mit einer Belastungseinrichtung (2, 6, 7) über ein Kraftübertragungselement (2), das die Radsatzwelle (1) an einer Stelle umschließt und die Rotation der Radsatzwelle (1) in der Halteeinrichtung (3) zulässt, Belastungskräfte auf die Radsatzwelle (1) ausgeübt werden, – wobei die Belastungskräfte zumindest eine Kraft senkrecht zur Radsatzwelle (3) und eine in einem Abstand parallel zur Radsatzwelle (1) auf das Kraftübertragungselement (2) wirkende Kraft umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte über einen Wälzlagerverbund als Teil des Kraftübertragungselements (2) auf die Radsatzwelle (1) ausgeübt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zur Radsatzwelle (1) auf das Kraftübertragungselement (2) wirkende Kraft in einem Abstand von einer Mittenachse der Radsatzwelle (1) auf das Kraftübertragungselement (2) ausgeübt wird, der einem Rollradius von an der Radsatzwelle (1) im Einsatz angebrachten Rädern entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungskräfte im Bereich des Radsitzes auf die Radsatzwelle (1) ausgeübt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Antriebs- oder Bremskraft auf die Radsatzwelle (1) ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch zeitliche Variation der Belastungskräfte und gegebenenfalls der zusätzlichen Antriebs- und Bremskraft die Belastungen realer Fahrsituationen eines mit der Radsatzwelle (1) ausgestatteten Schienenfahrzeugs an der Radsatzwelle (1) simuliert werden.