Objektivierung der Verfahrensgrundlagen für die experimentelle Ermittlung der dynamischen Tragzahl von Profilschienenführungen

Laufzeit:	03/2006 – 02/2008 12/2009 – 05/2011 12/2012 – 11/2013
Finanzierung:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bearbeiter:	Dipl.-Ing. Sven Krihning Dipl.-Ing. Lars Neidhardt

Zielstellung

Die Wechselwirkungen der möglichen Konfigurationen relevanter PSF-Prüflings- und Versuchsstandsbauformen, unvermeidbare Fertigungs- und Montagetoleranzen sowie thermisch bedingte Verlagerungen führen bei Experimenten zur Ermittlung der dynamischen Tragzahl von PSF zu verschiedenen nicht idealen Versuchsbedingungen. Auf diese Bedingungen haben unter anderem die Laufbahnanstellung der PSF-Prüflinge, die Eigen-schaften der Versuchsstandsbauform und die Art der Prüfkraftgenerierung Einfluss. Ziel des Forschungsprojekts ist es zum einen, die Konsequenzen zu untersuchen, die sich aus den möglichen Konfigurationen von Versuchsstandsbauformen und PSF-Prüflingen für die ermittelten dynamischen Tragzahlen ergeben, und daraus Schlussfolgerungen für die sinnvolle Gestaltung der Versuchsstände sowie für die Durchführung der Experimente zu ziehen. Zum anderen sollen Möglichkeiten zur Reduzierung von Prüfkraftschwankungen und von nicht idealen Belastungen gefunden und untersucht werden, um die Toleranz experimentell ermittelter dynamischer Tragzahlen von PSF zu reduzieren. Eine Grundlage der Arbeiten ist das im Vorgängerprojekt entwickelte Verfahren zur Prognose dieser Toleranz.

Lösungsweg

Zur Schaffung der Basis für die Durchführung von Experimenten wird zusätzlich zu dem vorhandenen Versuchsstand mit dem Konzept der bewegten Prüflingswagen ein weiterer Versuchsstand konzipiert und aufgebaut, bei dem die Prüflingsschienen bewegt werden. Beide Konzepte unterscheiden sich sowohl im Aufbau als auch in ihren Eigenschaften. Auf dieser Experimentierbasis sollen PSF mit X- und O-Laufbahnanstellung untersucht werden. Zum Erreichen des Forschungsziels sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

Durchführung von Experimenten zur Ermittlung der dynamischen Tragzahl auf beiden Versuchsständen,
Aufstellen und Bewerten von Varianten zur Nachgiebigkeitserhöhung im Prüfkraftfluss für die Reduzierung von Prüfkraftschwankungen sowie Konstruktion, Fertigung und Montage der Vorzugsvariante,
Messung der damit erzielten Prüfkraftverläufe und Vergleich mit den bereits erfassten Prüfkraftverläufen,
Aufbau von FE-Modellen zur Bestimmung von Einzelwälzkörperkräften der Prüflings-PSF,
Prognose der Toleranz experimentell bestimmter dynamischer Tragzahlen unter Berücksichtigung realer Betriebsbedingungen,
Vergleich verschiedener Auswertungsverfahren sowie
Auswertung und Beurteilung der experimentellen Ermittlung von dynamischen Tragzahlen von PSF.

Ergebnisse

Beim Vergleich der auf beiden Versuchstandsbauformen für PSF mit unterschiedlichen Laufbahnanstellungen experimentell ermit-telten dynamischen Tragzahlen ergaben sich für PSF mit X-Laufbahnanstellung höhere dynamische Tragzahlen bei den Experimenten auf dem Versuchsstand mit bewegten Wagen, für PSF mit O Laufbahnanstellung dagegen auf dem mit bewegten Schienen. Der Grund dafür kann in der mit je 8 Stück geringen Prüflingsanzahl liegen. Nach den geplanten weiteren Versuchen in der Verlängerung des Projekts sind hierzu weitere Erkennt-nisse zu erwarten.

Bei den Messungen der Prüfkräfte während der Versuche auf den verschiedenen Versuchsständen zeigten sich mit der bisherigen, relativ steif ausgeführten Einleitung der Prüfkraft beim Versuchsstand mit bewegten Schienen (Bild oben) nennenswerte Schwankungen der Prüfkraft. Diese waren sowohl von der Position als auch vom Temperaturfeld abhängig. Beim Versuchsstand mit bewegten Wagen fielen diese Schwankungen nur ca. halb so groß aus. Zur Reduzierung dieses Einflusses auf eine vernachlässigbare Größe sind in der Verlängerung des Projekts die Konzipierung, die Fertigung und der Test einer Prüfkrafteinrichtung mit erheblich größerer Nachgiebigkeit vorgesehen.

Abb. 1: Versuchsstand mit bewegten Schienen

Auf Basis von FE-Modellen wurde für PSF sowohl mit X- als auch mit O Laufbahnanstellung (Bild unten) festgestellt, dass es bei gleichen, exzentrisch angreifenden Prüflasten zu keinen signifikanten Unterschieden zwischen den höchsten Einzelwälzkörperbelastungen bei Laufversuchen auf den verschiedenen Versuchsstandsbauformen kommt. Das führte bei der für diese Prüflast-Einleitungsbedingungen durchgeführten Berechnung der Toleranzen der experimentell ermittelten dynamischen Tragzahlen zu etwa gleichen Werten. Eine vorteilhafte Kombination von PSF-Prüflings- und Versuchsstandsbauformen ist demnach nicht ableitbar. In der zweiten Projektphase soll eine zusammenfassende Bewertung des Einflusses wesentlicher, nicht idealer Belastungen neben der „idealen“ Prüfkraft auf experimentell ermittelte dynamische Tragzahlen erfolgen. Im Vergleich der verschiedenen Auswertungsverfahren zur Bestimmung der dynamischen Tragzahl aus den Ergebnissen der Experimente ergaben sich Unterschiede der ermittelten dynamischen Tragzahlen von bis zu 12 %. Bei der Bewertung der Auswertungsverfahren anhand des Kriteriums der Passge-nauigkeit der Regressionsfunktion ergab sich für die 3 parametrige Weibullverteilung mit Ermittlung ihrer Parameter nach der Methode der kleinsten Fehlerquadratmethode die beste Annäherung an die experimentell ermittelten Stützpunkte.