Optimized track guiding to reduce the wheel of a freight locomotive

An den Güterzuglokomotiven auf der Rübelandbahn im Harz entsteht aufgrund der hohen Spurführungskräfte durch teils sehr enge Bögen sowie der großen Antriebskräfte durch teils extreme Steigungen und hohe Zuglasten starker Radverschleiß. Regelmäßige Messungen der Radprofile zeigen, dass der Verschleiß in der Lauffläche und der dadurch entstehende Hohllauf überwiegen. Mit Hilfe von Mehrkörpersystem-Simulationen werden unterschiedliche Ansätze untersucht, um den durch die Spurführung verursachten Verschleiß zu reduzieren. Als fahrzeugseitige Maßnahme werden verschiedene Radprofile untersucht. Betrachtet werden Standardprofile nach Norm und speziell optimierte Profile, welche mit Hilfe eines eigenen Algorithmus auf Basis der Radprofilmessungen entwickelt werden. Simulationsergebnisse zeigen, dass die optimierten Radprofile in Kombination mit neuen Schienenprofilen bereits geringe Vorteile gegenüber den Standardradprofilen haben. In Kombination mit den realen, verschlissenen Schienen ergibt sich ein nochmals größerer Vorteil. Der Verschleiß kann generell durch ein gesteigertes Spurspiel mittels Verringerung der Spurkranzdicke reduziert werden. Ebenfalls untersucht werden streckenseitige Maßnahmen, wie unterschiedliche Schienenprofile und Änderungen der Spurweite oder der Überhöhung. Ausgehend vom Zustand der gemessenen, verschleißbehafteten Schienenprofile zeigt sich für die untersuchten Streckenabschnitte eine Verschleißreduzierung durch die Verwendung von Standardschienenprofilen. Zudem existiert für sehr enge Bögen ein weiteres Verbesserungspotenzial durch asymmetrische Schienenprofile. Eine Reduzierung des Verschleißes kann zusätzlich durch eine Erhöhung der Spurweite und eine Verringerung der Überhöhung erzielt werden. Letztgenanntes ist hierbei auf eine bessere radiale Einstellung des Radsatzes durch Interaktion von unausgeglichener Querbeschleunigung und Antriebsmoment zurückzuführen.There are two reasons for heavy wheel wear of freight locomotives running on the so-called “Rübelandbahn” in the Harz mountains in northern Germany. Firstly, the tight curves lead to large guiding forces and secondly, the big gradients and the high total gross load of the trains require great tractive forces. Frequent wheel profile measurements show, that the wear of the tread dominates and hollow wear is typical for worn wheels. Several modifications are examined to reduce the wheel wear caused by guiding forces. The evaluation of these is based on multibody system simulations. Vehicle-related modifications are the first main focus. Different shapes of wheel profiles are investigated. They are either based on standards or on an own procedure, which uses wheel profile measurements to generate optimized profiles. In combination with standard rail profiles, the wear of the optimized wheel profiles is slightly less than those of the standard wheel profiles. If worn rail profiles are used, the advantage of the optimized profiles increases. Generally a reduced flange thickness increases the gauge clearance and thus reduces the amount of wear in general. Track-related modifications are the second main focus. Different shapes of the rail profile and values for the gauge and the superelevation are investigated in typical track sections. The wheel wear is reduced by replacing the worn rail profiles with new ones. For tight curves asymmetric rail profiles can give an additional wear reduction. An increase of the gauge and a decrease of the superelevation also minimize the amount of wear. An advantageous interaction of the unbalanced lateral acceleration and the driving torque with a better radial positioning of the wheelset on curves is the reason for the improvement of the latter modification