Erhöhung der Liegedauer von Schienen durch kontrolliertes Risswachstum mit Hilfe von gesteuertem Schienenverschleiß
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die experimentelle Untersuchung des Ermüdungs- und Verschleißverhaltens des Rad-Schiene-Systems, um unterstützende Aussagen für Schienenschleifstrategien ableiten zu können. Von besonderem Interesse waren in diesem Zusammenhang Rollkontaktermüdungsschäden, und zwar so genannte Head Checks. Diese geraten zunehmend in den Fokus der Betrachtungen, da sie einen großen Teil der rollkontaktermüdungsbedingten Instandhaltungsarbeiten verursachen. Zur Untersuchung von RolIkontaktschäden und speziell der Head Checks wurden Versuche auf einem 2-Rollen-Prüfstand mit Rollen in der Werkstoffkombination R7(Rad) / R260(Schiene) durchgeführt. Eine Besonderheit dieser Versuche war die abwechselnde Zugabe der Zwischenstoffe Fett und Wasser. Durch die passende Auswahl der Belastungsparameter und der Art der Zugabe der Zwischenstoffe konnte das Modellsystem Rolle-Rolle gut an das reale Rad-Schiene-System angenähert werden. Die Art der Zwischenstoffzugabe wurde anhand der Variation der Parameter Zwischenstoffmenge und Zufuhrintervall bzw. -häufigkeit erarbeitet. Kriterium bei der Auswahl der Parameter war ein für Prüfstands- und Rad-Schiene-System übereinstimmendes Riss- bzw. Schadensbild. In den Versuchen zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Risswachstums vom Zeitpunkt der Zugabe des Zwischenstoffes und dessen Menge. Es wurde deutlich, dass die in den Prüfrollen gemessenen Risslängen, welche in metallografischen Längs schliffen (bezogen auf die Bewegungsrichtung) ermittelt wurden, stark streuten. Mit der angewendeten Versuchsmethodik konnte gezeigt werden, dass sich Ermüdungsrisse auch ohne einen bisher üblichen Trockeneinlauf erzeugen ließen. Eine Variation des Trockeneinlaufes wurde dennoch durchgeführt, um eine Vergleichbarkeit zu den bisherigen Untersuchungen herstellen zu können, deren fester Bestandteil ein Trockeneinlauf war. In den Hauptversuchen wurden die Parameter Flächenpressung und Schlupf variiert. Daraus ergab sich, dass eine Erhöhung der Flächenpressung einen weitaus größeren Effekt auf Risstiefe und Verschleiß hat als eine Erhöhung des Schlupfes. Dabei bewirkt eine Erhöhung der Flächenpressung eine Zunahme von Risstiefe und Verschleiß. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass sich das Risswachstum während der Versuchsdauer in 3 Phasen mit unterschiedlicher Rissgeschwindigkeit einteilen ließ. Phase 1 trat zu Beginn und Phase 3 zum Ende der Versuche auf In beiden Phasen nahm die Risstiefe nur langsam zu, während das Risswachstum in Phase 2 zwischen den Phasen 1 und 3 am größten war. Ursache des niedrigen Risswachstums in Phase 1 ist der erhöhte Risswiderstand des Werkstoffs durch die Bildung einer oberflächennahen Verformungsschicht. Am Anfang der Versuche erfolgt der Rissverlauf in dieser Verformungsschicht mit einem flachen Risswinkel. In Phase 3 kommt es zur Bildung von Rissverzweigungen, wenn die Risstiefe einen bestimmten Wert erreicht hat. Dadurch wird das Risswachstum verringert. In Phase 2 ist das Risswachstum hauptsächlich vom Wechselspannungsintensitätsfaktor AK abhängig. Hier stellt der nicht verformte Werkstoff der Rissausbreitung einen geringeren Widerstand entgegen als in Phase 1. Der Risswinkel verläuft hier steiler. Mit Hilfe der in den metallografischen Längsschliffen bestimmten absoluten Risstiefen konnten die während der Versuche aufgezeichneten Wirbelstromsignale skaliert werden, um auf diese Weise Risstiefen verlaufe zu erstellen. Eine Berechnung der Risstiefen verlaufe der durchgeführten Versuche mit den 3 festgestellten Risswachstumsphasen mit Hilfe der häufig verwendeten Paris-Erdogan- Gleichung in Abhängigkeit der Anzahl der Überrollungen unter Berücksichtigung der sich bei den Versuchen einstellenden Beanspruchungen war nicht erfolgreich. Der Hauptgrund hierfür ist vermutlich in den stark unterschiedlichen Risswachstumsgeschwindigkeiten der 3 Risswachstumsphasen zu suchen. Deshalb wurde auf der Grundlage der Einteilung der Rissverläufe in 3 Phasen jeweils eine lineare Regression jeder einzelnen Risswachstumsphase durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Anstiege und Ordinatenabschnitte der Regressionsgeraden jedes Versuches zu dem Produkt aus Reibungskraft und Anzahl der Überrollungen korrelieren. Damit konnte eine Gleichung zur Abschätzung der Risstiefe in Abhängigkeit von der Überrollungsanzahl und den Betriebsparametern aufgestellt werden. Es konnte damit die Möglichkeit geschaffen werden, die Risstiefe in Schienen für einen Streckenabschnitt bei bekannter Lasttonnage und bekanntem Reibungszustand bei einer ebenfalls bekannten Überrollungshäuflgkeit durch Schienenfahrzeuge abzuschätzen. Die Ergebnisse der in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Arbeiten liefern eine gute Grundlage, um Risstiefen im Schienenwerkstoff unter eisenbahnähnlichen Bedingungen abschätzen zu können. Die abgeleiteten, auf Versuchen basierenden Regressionsgleichungen können von Eisenbahngesellschaften und von Schienenschleiffirmen genutzt werden, um Nachschleifintervalle und Schleiftiefen besser planen zu können. Die erzielten Ergebnisse basieren jedoch bisher nur auf stark eingeschränkten Versuchsparametern bezüglich Zeitpunkt und Menge der Schmierstoffzufuhr, Schienen Werkstoff und Schmierstoff um die Datenbasis zu verbreitern, müssten daher weitere Schienenwerkstoffe und Schmierstoffe untersucht werden. Aber auch der Einfluss von Zeitpunkt und Menge der Schmierstoffzufuhr auf die Rissentwicklung müsste detaillierter analysiert werden. Darüber hinaus wäre der Einfluss von Restrissen, d. h. von Rissen, die beim Schleifen nicht gänzlich entfernt wurden, auf die nachfolgende Rissentwicklung von großem Interesse.
