Anwendung der Diskrete-Elemente-Methode im Eisenbahnbau
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FAHRWEG
Anwendung der Diskrete-Elemente-
Methode im Eisenbahnbau
Numerische Parameterstudien zum dynamischen Verhalten von Gleisschotter
SAMIR OMEROVIĆ | CHRISTIAN KOCZWARA | in das Gleisbett möglichst minimieren. Diese gesteuerte vibrationsangeregte Kornumla-
HARALD DAXBERGER | BERNHARD ANTONY | Erschütterungen führen zu erhöhtem Kornab- gerung vor allem bei der Überfahrt mit ei-
FLORIAN AUER rieb und zu einer fortschreitenden Verschlech- nem Dynamischen Gleisstabilisator (DGS)
terung der Gleislage aufgrund unkontrollier- wünschenswert. Dabei werden möglichst
ter Kornumlagerung. Speziell in mangelhaft abriebfrei inhomogene Verdichtungen und
Stetige Weiterentwicklungen im Bereich verdichteten Bereichen kommt es zu inhomo- Hohlräume beseitigt, speziell unter den
der Fahrwegtechnik und generell wach- genen Setzungen, wodurch die Instandhal- Schwellen.
sende Anforderungen im Bahnbau werfen tungsintervalle wesentlich verkürzt werden. Wie sich eine kontrollierte vibrationsangereg-
zahlreiche Fragen zum dynamischen Ver- Bei den Instandhaltungsarbeiten ist es hin- te Fluidisierung auswirken kann, zeigt Abb. 1.
halten von Gleisschotter auf. Neue Simu- gegen notwendig, eine kontrollierte Flui- Hier wurde ein Schotterhaufen mit einem
lationsmethoden erlauben erstmals einen disierung zu erreichen. Beim Stopfprozess Schüttwinkel von ca. 45° neben den Gleisen
präzisen Blick in den Gleisschotter und er- sollen die Eindringkräfte möglichst niedrig aufgebaut. Nach dem vollständigen Passieren
möglichen neuartige und aussagekräftige gehalten werden, um die Belastung auf eines DGS sank der Haufen auf einen endgül-
Parameterstudien. die Maschinen einzuschränken und Korn- tigen (dynamischen) Schüttwinkel von ca. 18°
bruch zu minimieren. Zusätzlich ist eine zusammen [2].
Einleitung
Die Thematik der Vibrationsverdichtung oder
– allgemeiner formuliert – der vibrationsan-
geregten Fluidisierung granularer Materie ist
für viele Disziplinen hochinteressant. Neben
Bergbauindustrie, Pharmazie, Lebensmit-
tel- und Verpackungsindustrie gehört dazu
auch der Gleisbau [1]. Vibrationsangeregte
Fluidisierung des Gleisschotters, in diesem
Zusammenhang manchmal auch Schotter-
verflüssigung genannt, ist ein omnipräsentes,
vergleichsweise jedoch wenig untersuchtes
Phänomen. Ein Grund dafür sind die erforder-
lichen aufwendigen und kostspieligen Versu-
che. Als Alternative oder Ergänzung zu teuren
und zeitintensiven Laborversuchen kann mit-
tels Computersimulationen der Einfluss einer
großen Bandbreite von Parametern unter-
sucht werden, ebenso wie mögliche Effekte,
die üblichen Laborversuchen nicht zugäng- Abb. 1: Schotterhaufenversuch vor der Fluidisierung, Simulation und Feldversuch (links) bzw.
lich sind. Die Diskrete-Elemente-Methode nach einer Fluidisierung durch den DGS, Simulation und Feldversuch (rechts)
(DEM) erlaubt einen virtuellen „Röntgenblick“
in das Schottergerüst und damit einen einzig-
artigen Einblick sowohl in das Kollektivver- a) b)
halten aller Partikel als auch in die Bewegung
einzelner Schotterkörner. Damit wird ein in-
tuitiver Zugang zum Verständnis der komple-
xen Vorgänge im Schotter ermöglicht. Dieser
Beitrag soll insbesondere die Auswirkungen
von unterschiedlichen Anregungsfrequenzen
sowie Anregungsamplituden auf die Verdich-
tung von Gleisschotter evaluieren.
Ein vertieftes Verständnis des Schotterverhal-
tens hat sowohl theoretische als auch prak-
tische Bedeutung. Im Gleisbau treffen dabei
situationsabhängig zwei komplett gegen-
sätzliche Anforderungen aufeinander:
Innerhalb des normalen Eisenbahnbetriebs Abb. 2: a) Korngrößenverteilung für die Simulationen sowie b) die verwendeten
will man die Übertragung von Vibrationen Partikelg eometrien
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mulationen (DEM) den gängigeren Methoden
a) b) (z. B. Finite-Element-Methode, FEM) vorzuzie-
hen. Der Vorteil der DEM gegenüber anderen
Methoden liegt darin, dass sich die makro-
skopischen Systemeigenschaften durch die
physikalischen Eigenschaften der einzelnen
Partikel wie Steifigkeit, Geometrie und Reib-
verhalten ergeben. Dadurch wird eine zuver-
lässige Extrapolation des Systemverhaltens
möglich. Andere Methoden versuchen dage-
gen, das makroskopische Verhalten in einem
Modell abzubilden (vgl. Turbulenzmodelle
in der Fluidtechnik vs. direkte numerische Si-
mulation). Dies birgt zum einen das Problem,
Abb. 3: a) Versuchsaufbau mit gelb dargestellten gegenüberliegenden Rüttelplatten, dass solch ein makroskopisches Modell erst
b) abgesuchter Parameterraum gefunden und verifiziert werden muss. Zum
anderen basieren die makroskopischen Mo-
delle auf Annahmen und stellen oft nur einen
Teilaspekt des physikalischen Modells dar.
Dies bringt die Schwierigkeit mit sich, dass
eine Extrapolation der Ergebnisse über den
Interessenbereich hinaus, d. h. den Bereich,
für welchen Simulation und Messung abge-
glichen wurde, mit größeren Unsicherheiten
behaftet ist.
Die Herausforderung bei der DEM ist der hohe
numerische Berechnungsaufwand, da jeder
Partikelkontakt aufgelöst werden muss. Doch
dieser Faktor rückt durch die rasanten Weiter-
entwicklungen im Bereich Hardware und Soft-
ware sichtlich in den Hintergrund.
Modellbildung und Aufbau der Simulation
Verglichen mit anderen Schüttgutpartikeln
hat der Gleisschotter einige Besonderheiten.
Abb. 4: Zeitlicher Ablauf und die einzelnen Phasen der Simulation Es handelt sich um ein polydisperses granula-
res Material aus gebrochenem Naturstein mit
entsprechend inhomogenen Steifigkeiten so-
Ziel der hier präsen- wie variierender Oberflächenbeschaffenheit.
tierten Studie ist es, Zusätzlich ist bestens bekannt, dass auch die
geeignete Parame- Schottergeometrie signifikanten Einfluss auf
ter für eine optimale das Last-Verformungsverhalten des Schotter-
Verdichtung unter bettes hat [3, 4]. Dies alles ist relevant für das
den gegebenen Ne- Ausmaß der Verzahnung der Einzelkörner im
benbedingungen Korngerüst sowie die Art der Interaktion und
auszuwählen. Für die damit das Gesamtverhalten des Materials. In
folgenden numeri- den hier gezeigten Simulationen wird trocke-
schen Berechnun- nes Granulat betrachtet, prinzipiell können
gen wird die DEM aber auch Bruchvorgänge sowie verschmutz-
verwendet, die sich ter Schotter berücksichtigt werden. Dazu
innerhalb der letz- müssen lediglich die Korngrößenverteilung
ten Dekade sowohl sowie die Kontakt- und Bruchmodelle ange-
in der Forschung als passt werden.
auch bei industriellen Hinsichtlich der Schotterkorngeometrie wur-
Anwendungen für den für die Studien mehrere unterschiedliche
Fragestellungen in Gruppen von Partikeln verwendet (Abb. 2b),
der Partikelmechanik allesamt definiert durch die Korngrößenvertei-
und Schüttguttech- lung laut den technischen Lieferbedingungen
nik bewährt hat. Ist der ÖBB BH 700 auf Basis der EN 13450. Für
das komplexe kol- mehr Informationen dazu siehe auch [5].
lektive Verhalten das Der Aufbau des simulierten Versuches ist in
Resultat einfacher In- Abb. 3a sichtbar. Um das untersuchte Phäno-
teraktionen zwischen men von störenden Effekten zu isolieren, wur-
einzelnen Partikeln de eine einfache rechteckige Geometrie mit
Abb. 5: Verdichtungsdiagramm als Funktion der Amplitude und der (Schotterkörner), sind den Abmessungen von [0,9 m x 0,9 m x 1,25 m]
Frequenz der Rüttelplatten partikelbasierte Si- gewählt. Die Vibrationen werden mittels der
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gegenüberliegenden beweglichen Seitenwän- hinaus wurden auch vertikale Vibrationen der [3] Suhr, B.; Klaus, S.: Simple particle shapes for DEM simulations of railway
ballast: influence of shape descriptors on packing behaviour. Granular Matter
de (Vibrationsplatten) in das Schottergerüst gesamten Box getestet sowie unterschiedliche 03/2020
eingebracht. Die Vibrationsplatten bleiben Vibrationszeiten und auch Kombinationen mit [4] Boler, H.; Qian, Y.; Tutumluer, E. (1. Januar 2014): Influence of Size and
während der Simulation parallel und bewegen unterschiedlichen vertikalen Lasten. Shape Properties of Railroad Ballast on Aggregate Packing: Statistical
Analysis. Transportation Research Record: Journal of the Transportation
sich aufeinander zu bzw. voneinander weg. Zusätzlich ist die Definition einer unteren Research Board, S. 94-104
Die Ausgangslage für alle untersuchten Test- Schranke notwendig. Diese kann vergleichs- [5] Kuttelwascher, C.; Zuzic, C.: Oberbauschotter – Kompendium für
fälle ist identisch und wird erzeugt, indem die weise einfach bestimmt werden: durch die lo- Österreich, EIK – Eisenbahn Ingenieur Kalender 2013
[6] Omerović, S.; Philipp, T.; Auer, F.: Die Anwendung der Diskrete-Elemente-
Partikel unter dem Einfluss der Schwerkraft aus ckerste Kornlagerung, also die Ausgangssitua- Methode im Eisenbahnbau: Inverse Parameterbestimmung, Eisenbahntech-
einer Höhe von 1,5 m in den Behälter fallen ge- tion dieser Simulation. Diese zwei Schranken nische Rundschau 06/2019
lassen werden. Der Einfluss von Entmischungs- definieren den „normierten Verdichtungsgrad“. [4] Fischer, J. (1983): Einfluss von Frequenz und Amplitude auf die
Stabilisierung von Oberbauschotter, Graz
effekten wurde untersucht und tritt in diesem Abb. 5 zeigt den normierten Verdichtungsgrad
Fall nicht auf. als Funktion der gewählten Parameter, wobei
Anschließend werden die Vibrationsplatten einige klare Trends erkennbar sind. Zunächst
mit einer Frequenz und einer dazugehörigen sieht man, dass für die Verdichtungsqualität die
Amplitude beaufschlagt. Der daraus resultie- Amplitude der relevantere Parameter ist. Dies
rende zweidimensionale Parameterraum ist in impliziert, dass bei einer zu geringen Amplitu-
Abb. 3b dargestellt. Dabei sind die Parameter de keine wesentliche Verdichtung erreicht wird.
im direkten Umfeld bewährter Arbeitsparame- Bei einer höheren Amplitude ist die Kombina-
ter für Gleisbaumaschinen (35 Hz) engmaschi- tion von Frequenz und Amplitude ausschlag-
ger aufgelöst. gebend. Vor allem für maximale Auslenkungen
Sämtliche Simulationen wurden insgesamt der Vibrationsplatten von > 4 mm stellen 35 Hz
drei Mal durchgeführt und anschließend ge- den optimalen zweiten Betriebsparameter dar.
mittelt. Dieses Vorgehen, d. h. mehrere Simu- Obwohl diese Simulationen die tatsächlichen
lationen mit identischen Eingangsdaten sowie Arbeitsschritte nicht direkt darstellen, sind die
eine abschließende Mittelung der Ergebnisse, Ergebnisse auf Prozesse wie Gleisstopfen oder Dipl.-Ing. Dr. techn. Samir Omerović
ist im stochastischen Verhalten des Lösers be- Stabilisieren übertragbar. Simulationsingenieur
gründet [6]. Besonders hervorzuheben ist die Übereinstim- Abt. Research und Simulation
Alle Berechnungen starten mit dem in Abb. 3a mung der simulierten optimalen Frequenz mit samir.omerovic@plassertheurer.com
dargestellten Ausgangszustand. Der genaue Arbeitsparametern aus der Praxis. Die Ergeb-
Ablauf ist in Abb. 4 schematisch dargestellt nisse stehen auch im guten Einklang mit be-
und gliedert sich in folgende Schritte: kannten Laborergebnissen (z. B. [7]).
1. Aufschwingen: Ausgehend vom Ruhe-
zustand, wird die Bewegung der Vibrati- Zusammenfassung und Ausblick
onsplatten innerhalb einer Rampe auf die Numerische Simulationen sind in vielen Dipl.-Ing. Dr. techn. Harald Daxberger
endgültige Sollfrequenz und Sollamplitude Branchen mittlerweile ein wesentlicher Be- Leiter
erhöht. standteil des gesamten Produktlebenszyk- Abt. Research und Simulation
2. Schwingen: Über einen Zeitraum von lus. Angetrieben von den Entwicklungen in harald.daxberger@plassertheurer.com
2 Sekunden werden die Sollwerte (Fre- Hardware und Software, sind solche Werk-
quenz und Amplitude) konstant gehalten, zeuge nun auch im Gleisbau einsetzbar. Die-
dieser Schritt ist der eigentliche Verdich- ser Beitrag zeigt, dass selbst komplexe Auf-
tungsprozess. gaben wie das dynamische Verhalten von
3. Ausschwingen: Anschließend werden die Gleisschotter mittlerweile in ausreichender
Vibrationsplatten wieder über die gleiche Genauigkeit mit numerischen Experimenten Dipl.-Ing. Dr. mont.
Rampe in die Ruhestellung gebracht. abgebildet werden können. Dabei ist so- Christian Koczwara
4. Ruhephase: Der letzte Schritt ist die Ruhe- wohl die qualitative als auch die quantitati- christian.koczwara@plassertheurer.com
phase, die man als einen numerischen Aus- ve Übereinstimmung mit Laborergebnissen
schwingvorgang betrachten kann. und Erfahrungen hervorzuheben.
Die in diesem Beitrag vorgestellten Simulationen
Resultate zeigen nur einen Bruchteil des potenziellen Ein-
Der Schlüsselwert, der die Verdichtungsqua- satzgebietes moderner numerischer Methoden.
lität beschreibt, ist der Feststoffanteil. Für die Ergänzend dazu werden noch umfangreiche
Auswertung wurde ein definiertes Volumen theoretische Untersuchungen zu mikromecha- Dipl.-Ing. Bernhard Antony
innerhalb des simulierten Bereiches herange- nischen und rheologischen Zusammenhängen Leiter
zogen. Um den Einfluss von Randeffekten zu durchgeführt. Vor allem die Kraftübertragung Technologiezentrum Purkersdorf
minimieren, wurde der direkte Kontaktbereich und Kraftverteilung im Korngerüst unter unter- bernhard.antony@plassertheurer.com
des Schotters mit dem Behälter, jeweils ein schiedlichen Bedingungen sowie die Struktur
Streifen von 2,5 cm Breite, von der Auswertung und Orientierung der Schotterkörner sollen in
ausgenommen. Für eine konsistente Definition Zukunft detaillierter betrachtet werden.
einer maximalen Verdichtung wird eine obere
Schranke als Referenzwert definiert. Dieser Ma- QUELLEN
ximalwert der erreichbaren Verdichtung wird [1] Golovanevskiy, V. A.; Arsentyev, V. A.; Blekhman, I. I.; Vasilkov, V. B.;
Dipl.-Ing. Dr. techn. Florian Auer
Azbel, Y. I.; Yakimova. K. S. (14. September 2011): Vibration-induced
durch einen zusätzlichen Versuch definiert. phenomena in bulk granular materials. International Journal of Mineral Leiter Technologie und Innovation
Dabei wird mittels einer Lasteinleitungsplatte Processing, S. 79-85 florian.auer@plassertheurer.com
(Abb. 3a) noch zusätzlich schrittweise eine Ver- [2] Auer, F.; Antony, B.; Kopf, F.; Kozcwara, C.: Präzise Gleislage durch
innovative Stopfmaschinen, Teil 2: Dynamische Verdichtungskontrol-
tikallast (10 kN) aufgebracht, während die ge- le und dynamische Gleisstabilisation, EI – DER EISENBAHNINGENIEUR Alle Autoren:
samte Box in Vibrationen versetzt wird. Darüber 03/2021 Plasser & Theurer, AT-Wien
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