The focus of this study is on the development of a state-of-the-art single-wheel roller rig for studying contact mechanics and dynamics in railroad applications. The use of indoor-based simulation tools has become a mainstay in vehicle testing for the automotive and railroad industries. In contrast to field-testing, roller rigs offer a controlled laboratory environment that can provide a successful path for obtaining data on the mechanics and dynamics of railway systems for a variety of operating conditions. The idea to develop a laboratory test rig started from the observation that there is a need for better-developed testing fixtures capable of accurately explaining the complex physics of wheel-rail contact toward designing faster, safer, and more efficient railway systems. A review of current roller rigs indicated that many desired functional requirements for studying contact mechanics currently are not available. Thus, the Virginia Tech Railway Technologies Laboratory (RTL) has embarked on a mission to develop a state-of-the-art testing facility that will allow experimental testing of contact mechanics in a dynamic, controlled, and consistent manner. VT roller rig will allow for closely replicating the boundary conditions of railroad wheel-rail contact via actively controlling all the wheel-rail interface degrees of freedom: cant angle, angle of attack, and lateral displacement. Two sophisticated independent drivelines are configured to precisely control the rotational speed of the wheels, and therefore their relative slip or creepage. A novel force measurement system, suitable for steel on steel contact, is configured to precisely measure the contact forces and moments at the contact patch. The control architecture is developed based on the SynqNet data acquisition system offered by Kollmorgen, the motors supplier. SynqNet provides a unified communication protocol between actuators, drives, and data acquisition system, hence eliminating data conversion among them. Various design analysis indicates that the rig successfully meets the set requirements: additional accuracy in measurements, and better control on the design of experiments. The test results show that the rig is capable of conducting various contact mechanics studies aimed for advancing the existing art. Beyond developing the experimental testing fixture for studying contact mechanics, this study provides a comprehensive review of the contact models. It discusses the simplifying assumptions for developing the models, compares the models functionality, and highlights the open areas that require further experimental and theoretical research. In addition, a multi-body dynamic model of the entire rig, using software package SIMPACK, is developed for conducting modal analysis of the rig and evaluating the performance of the rig's components. A MATLAB routine is also developed that provides a benchmark for developing creep curves from measurements of the rig and comparing them with existing creep curves. / Ph. D.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.