DEM Modellierung: Reibung im gesandeten Rad-Schiene-Kontakt

Im Eisenbahnbereich treten im Rad-Schiene Kontakt Radlasten von 10 Tonnen und mehr auf der Fläche eines Fingernagels auf. Dies resultiert in extrem hohen Kontaktspannungen, sowohl senkrecht zur Schieneoberfläche (Normalenrichtung) als auch tangential dazu (Tangentialrichtung), z.B. verursacht durch Bremsen oder Spurführungskräfte in Bögen. Die maximal übertragbare Tangentialkraft ist begrenzt durch den Adhäsionskoeffizienten (AC), der unter trockenen Bedingungen ca. 0.35 ist. Verschmutzungen im Rad-Schiene Kontakt, z.B. durch Regenwasser oder Blätter im Herbst, können den AC reduzieren, z.T. unter 0.1, was z.B. zu massiven Problemen beim Bremsen führen und im Extremfall auch die Sicherheit negativ beeinflussen kann. Um dies zu verhindern und den AC zu erhöhen, werden bereits seit Jahrzehnten Sandungssysteme eingesetzt, wobei Sandkörner in den Rad- Schienen Kontakt geblasen werden. Das Sanden des Rad-Schiene Kontakts ist experimentell gut untersucht. Sowohl im Labor als auch auf der Strecke wurden bereits verschiedene Kontaktbedingungen (z.B. trocken, nass, div. Verschmutzungen) untersucht, ebenso wie verschiedene Typen von Sand. Bei Nässe können verschiedene Sandtypen den AC schlimmstenfalls unverändert lassen oder ihn erhöhen, bis hin wieder zu trockenen Bedingungen. Die physikalischen Mechanismen hierfür sind bisher nicht durchgängig verstanden. Im Kontakt werden die Sandkörner teilweise zermahlen und es treten plastische Verformungen an der Oberfläche von Rad und Schiene auf. Der AC wird möglicherweise durch Formschlusseffekte erhöht, wenn Teile des Sandkorns in die Oberflächen von Rad und Schiene gedrückt werden, oder der zermahlene Sand verfestigt unter dem hohen Druck und vergrößert somit die effektive Kontaktfläche im Rad-Schiene Kontakt. Auch die Interaktion des Wassers mit dem Sand ist bislang unklar. Dieser Mangel an Verständnis beruht auch auf fehlenden Möglichkeiten zu experimentellen Untersuchungen der genannten Mechanismen direkt im Rad-Schiene Kontakt. Um genauer zu verstehen, welche Mechanismen den AC erhöhen, wird im Projekt ein Simulationsmodell basierend auf der Discrete Element Method entwickelt. Dieses Modell wird die verschiedenen Mechanismen abbilden, die während des Überrollens im gesandeten Rad-Schienen-Kontakt auftreten. Es ist eine detaillierte Parametrierung und Validierung des Modells mit Experimentaldaten geplant. Auf diese Weise soll das Modell dazu beitragen, ein tieferes Verständnis der adhäsionserhöhenden Mechanismen im gesandeten Rad-Schienen-Kontakt zu erlangen.