Messungen an Schienenfahrzeug-Puffern

Anwendung: Verkehrstechnik
Autoren: Elsys AG, Schwab Verkehrstechnik AG
Datum: Mai 2013
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Puffer zu Schienen-Fahrzeugen scheinen einfache Elemente zu sein. Jedoch werden heute von ihnen nicht nur eine uneingeschränkte Zuverlässigkeit, sondern auch optimale Eigenschaften bezüglich Absorption der Auflauf-Energie erwartet. Die in neuen Schienen-Fahrzeugen eingesetzten Puffer der Schwab Verkehrstechnik AG können als High-Tech-Geräte bezeichnet werden.

Die Absorption der Energie erfolgt hydraulisch (Funktionsweise siehe bei Frontkupplungen weiter hinten). Es ist klar, dass bei hydraulischen Absorbern die Aufzeichnung von statischen Kennlinien nicht weiter hilft.

Im Idealfall wäre die Kraft über den gesamten Hub konstant. Man würde dadurch die kleinsten Beschleunigungswerte erreichen. Dabei wäre die Kraft proportional zum Quadrat der Auflauf-Geschwindigkeit. Die Puffer würden immer nur bis kurz vor den Anschlag eingedrückt.

Eine Messanordnung gem. Bild 1 erlaubt bei jedem Stoss alle relevanten Parameter dynamisch zu erfassen. Es können alle acht Signale gleichzeitig aufgezeichnet und ausgewertet werden.

Schienenfahrzeug-Buffer Test Blockdiagramm

Bild 1 - Block Diagramm Absorber Test

Zwei beladene Güterwagen werden mit der Geschwindigkeit v1 und v2 gegeneinander geschoben. Die absorbierte Energie kann einfach berechnet werden.


Kinetische Energie E = m1 * m2
–––––––
m1 + m2
* v2
––
2

wobei
m1 = Masse 1 (40'000 kg)
m2 = Masse 2 (40'000 kg)
v = Geschwindigkeit (v1 + v2)
Die Energie verteilt sich auf die beiden Puffer.

Die Güterwagen werden mit Hilfe einer Hydraulik-Anlage (nicht eingezeichnet) verschoben. D.h. v1 und v2 sind in etwa gleich. Mit einem Laser-Wegmess-System (Triangulations-Prinzip) wird die Gesamt-Geschwindigkeit (v1 + v2) kurz vor dem Aufprall ermittelt.

Alle Messgrössen werden als Signal-Verlauf vor, während und nach dem Aufprall über die Zeit aufgezeichnet. Unmittelbar danach oder später auf einem andern PC werden diese mit dem Auswerteprogramm TranAX berechnet und für die Archivierung gespeichert. Alle Berechnungen können mit TranAX durchgeführt werden. Kurven oder Resultate lassen sich auch direkt in EXCEL- oder WORD-Prüfberichte übertragen.

Da nicht bloss Einzelwerte erfasst werden, sondern Kurven mit hoher zeitlicher Auflösung, können bei der Auswertung alle interessierenden Ereignisse im Detail analysiert werden. Diese Möglichkeit ist bei der Entwicklung von Puffern von grosser Bedeutung.

Die gleiche Messanordnung kann auch zur Qualitätssicherung für Produkte-Prüfungen eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die Einhaltung von Normen und Vorschriften nachweisen.

Schienen-Fahrzeug-Buffer Testmessung

Bild 2 - Aufgezeichnete Signale

In Bild 2 sind alle wichtigen Signale aufgezeichnet. Man sieht was abläuft, wenn die Vorrichtung schwingt. Diese Schwingung ist fast während der ganzen Zeit, wo die Hydraulik aktiv ist, vorhanden. Daraus können Rückschlüsse zur Verbesserung der Hydraulik-Konstruktion gezogen werden.

Durch Einzoomen (in der unteren Darstellung), können Details genau untersucht werden. Der Druck-Verlauf im ersten Puffer zeigt relativ hohe, kurzzeitige Spitzen.

Durch Filterung bei der Auswertung (unmittelbar in TranAX) kann das Schwingen auf den Signalen unterdrückt werden. In einem X-Y-Diagramm ist das Kraft-Signal über den jeweiligen Hub in beiden Puffern aufgezeichnet. Die jeweilige Energie entspricht der Fläche, welche durch die Kurve umschlossen wird. Sie wurde in TranAX durch Integration aus der Kraft- und den Weg-Kurven ermittelt.

Schienen-Fahrzeug-Buffer X-Y Kraft/Weg Diagramm

Bild 3 - Das X-Y Diagramm zeigt ein Kraft/Weg Diagramm für beide Puffer.

In Bild 3 ist auch ersichtlich, dass dank geeigneter Puffer-Konstruktion die Beschleunigungen während ca. 160ms relativ konstant sind und keine extremen Maximalwerte erreichen.

Dynamische Auflaufversuche mit Frontkupplungen

Bild 4 - Dynamische Auflaufversuche mit Frontkupplungen

Bild 4 zeigt eine andere Anwendung des Mess-Systems. Es handelt sich dabei um dynamische Auflaufversuche mit Frontkupplungen.

Diese Frontkupplungen der Schwab Verkehrstechnik AG dienen auch als reversible und irreversible Energie-Absorber. In den Frontkupplungen wird dabei die Energie von kleineren Auflaufstössen bis 10 km/h reversibel durch eine Hydraulik aufgenommen. Bei schnelleren Aufstössen wird die Energie durch irreversible Crashelemente absorbiert.

Parallel zu den Aufzeichnungen der Messdaten wurden auch Filmaufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt. Im Auswerteprogramm TranAX zum Datenerfassungs-System können danach die gemessenen Kurven synchron zum Video-Film analysiert werden.

Da Wegmess-Sensoren für die schnellen Zusammenstösse zu träge sind wurde die Geschwindigkeit und der Weg-Verlauf mit Hilfe der Filmaufnahmen ermittelt.

Hydraulischer Stossdämpfer für Schienenfahrzeuge

Bild 5 - Hydraulischer Stossdämpfer

Bild 5 zeigt das Prinzip des hydraulischen Stossdämpfers. Unter Last fliesst ein Teil des Öls aus dem Ölraum (1) über eine Blende (4) und ein Multiplikatorventil (5) in den Ölraum (2) und drückt dort eine Gasfeder (3) zusammen. Die Blende und der Druck in der Gasfeder bestimmen das dynamische Verhalten des Dämpfers.

Grössere Aufstösse (Unfallkollisionen) bis 36 km/h führen dazu, dass eine hydraulische Sollbruchstelle aktiviert und die Zug- und Stossvorrichtung (ZSV) ihren maximalen Hub freischaltet. Zusätzlich führt nach Erreichen des maximalen Hubes ein erneuter Anstieg der Kraft (Endanschlag innerhalb der ZSV) zum Lösen von Sollbruchstellen. Diese Sollbruchstellen sind notwendig, um die Kollisionsanforderungen, die durch Normen an die modernen Schienenfahrzeuge gestellt werden, zu erfüllen.

Beim Ansprechen dieser Sollbruchstellen treten nur kurze Kraftspitzen auf. Mit dem Auswerteprogramm TranAX können diese kurzen Kraftspitzen zuverlässig erfasst und ausgewertet werden.