Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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(2018)
Aus Schaden wird man klug! Zwei Jahrhunderte Bemühungen um die Sicherheit des Schienenverkehrs
(2017)
6. Resümee
Der vorstehend dargelegte Parforce-Ritt durch die Geschichte des Eisenbahnwesens mit spezieller
Betrachtung von ausgewählten Schadensfällen und aus ihnen abgeleiteter Schlußfolgerungen
zeigt, daß aus Schadensfällen sehr wohl Erkenntnisse abgeleitet werden können, um
künftig Schäden zu verhüten. Sowohl der Wissenschaft und ihren Repräsentanten als auch den
Verantwortungsträgern im Eisenbahnwesen fällt hierbei naturgemäß eine bedeutsame Rolle
zu. Daß Entscheidungen und Vorgaben „aus höherer Warte“ mitunter zu Fehlleistungen führen
können, dokumentierte der Wunsch nach der Realisierung der „bewährten Fischbauchform“
für die von Birkinshaw gewalzten Schienen. Daß Vorgaben von höherer Stelle aber
auch positive und lange anhaltende Wirkungen haben können, hatte sich 1975 in Kirchmöser
gezeigt durch die damals angeregte Befassung des neuen Mitarbeiters mit Rissen und Brüchen
im Bereich des Eisenbahnwesens auf der Grundlage der Bruchmechanik.
Daß mit der wissenschaftlichen Analyse von Schadensfällen und den daraus zu ziehenden
Schlußfolgerungen nicht immer so umgegangen wird, wie es im Interesse der Gesellschaft mit
der ethischen Verantwortung der Wissenschaft für Menschenleben und die Verhinderung materieller
Schäden angemessen sein sollte, zeigt u.a. die Rezension von Pusch zu dem Buch
„Einführung in die bruchmechanische Schadensbeurteilung“ [50]: „Neben einer Vielzahl von
Beispielen für die erfolgreiche bruchmechanische Bauteilbewertung unter Einbeziehung von
Rissen bzw. rißähnlicher Spannungskonzentrationsstellen sowie der Werkstoffentwicklung
und dem beanspruchungsgerechten Werkstoffeinsatz ist hierbei auch die Analyse von Schadensfällen
und die Ableitung von Maßnahmen für die Schadensverhütung von ökonomischer
und ökologischer Bedeutung. Der letztgenannte Anwendungsbereich, im Schrifttum häufig
aus vereinbarter Vertraulichkeit unterrepräsentiert, ist Gegenstand des vorliegenden Titels,
wobei der Autor an einer Vielzahl von anschaulich erläuterten Beispielen bruchmechanischer
Schadensfallanalysen auf eigene Arbeiten als Forscher und Hochschullehrer verweisen kann.“
Konstatiert werden muß, daß der Umgang mit Schadensfällen und ihrer wissenschaftlichen
Aufarbeitung im Ausland - erinnert sei an dieser Stelle an die spektakulären Eisenbahnbetriebsunfälle
von Woodlawn bei Marshall (Texas, USA) am 12. November 1983 und bei Hatfield
nahe London (Großbritannien) am 17. November 2000 - wesentlich offener, unvoreingenommener
und letztlich effektiver ist als in Deutschland. Gutachten werden hierzulande zur
Monopolisierung der Wissenschaft genutzt, was - unabhängig, ob institutionell oder individuell
veranlaßt, - mit Fug und Recht als eine spezielle Art wissenschaftlichen Fehlverhaltens zu
disqualifizieren ist.
Nicht auszuschließen ist, daß sich die Wissenschaft durch ihre Repräsentanten auf Irrwege
begibt, wie es aus der Vergangenheit bekannt ist, als Otto von Guericke und Gottfried Wilhelm
Leibniz aufgefundene Knochen als zu einem Einhorn gehörig interpretierten [51]. Ein
ähnlicher Irrtum ist es wohl, wenn bei der Rollkontaktermüdung von Eisenbahnschienen dem
in die Risse eingedrungenen Wasser eine hydraulische Sprengwirkung zugeschrieben wird,
die für die weitgehend gradlinige Rißausbreitung verantwortlich sein soll bei vollständiger
Vernachlässigung der durch die Rollkontaktbeanspruchung geänderten Eigenschaften des
Schienenstahls.Können die Darlegungen als Anregung zum Befassen mit der technischen Vergangenheit aufgefaßt
werden, so sollte aus der Sicht des dargelegten wissenschaftlichen Betätigungsfeldes,
der Bruchmechanik, gezeigt werden, daß mit Hilfe bruchmechanischer Analysen die Ursachen
aufgetretener Schäden geklärt werden können, sei es für die Lebensdauer rißgeschädigter
Bauteile, für die Gefährlichkeit von Rissen oder welche Maßnahmen dazu geführt hätten,
den Bruch zu vermeiden. Kann auf diese Weise die Verantwortlichkeit für aufgetretene Schäden
geklärt werden, so ist es doch wichtiger, künftig ähnliche Schäden zu vermeiden!
Was aus den vorstehenden Darlegungen aber auch abgeleitet werden kann, ist die Erkenntnis,
daß die Entwicklung der technischen Wissenschaften nicht ausschließlich im Selbstlauf erfolgt,
sondern mitunter in starkem Maße auch durch Schadensfälle und durch Persönlichkeiten,
die sich der Lösung der Problematik annehmen, vorangetrieben wird.
Inhalt
1. Verschleißbedingte Lebensdauer von Eisenbahnschienen 1
2. Die Lebensdauer rißgeschädigter Eisenbahnschienen in Praxis und Theorie 2
3. Head Checks ‒ Squats ‒ Belgrospis 6
4. Erfahrungen zum Ausbreitungsverhalten von Rollkontaktermüdungsrissen 8
5. Zur „hydraulischen Sprengwirkung“ der im Riß eingeschlossenen Flüssigkeit 9
6. Experimentelle Untersuchungen zur koplanaren Rißausbreitung 11
7. Monte-Carlo-Simulation der Rißausbreitung 13
8. Ausprägung der Risse im kaltverformten perlitischen Gefüge 19
9. Härteuntersuchungen an Squats und ihren Rißverzweigungen 24
10. Weg und Richtungsänderung der Ermüdungsrisse 25
11. Zusammenfassung und Schlußfolgerungen 31
12. Literatur 33
Einleitung:
Die Folgen des Klimawandels und die Nutzung fossiler Energiequellen machen Erneuerbare Energien
langfristig gesehen unabdingbar. In Deutschland wird der größte Anteil der Erneuerbaren Energien aus
Windkraft gewonnen1. Als Folge der sinkenden Akzeptanz in der Bevölkerung sowie der Findung neuer
Standorte für Windkraftanlagen betreiben die Unternehmen Repowering. Dabei werden alte,
leistungsschwächere Anlagen gegen neue leistungsstärkere ersetzt.
Zusammen mit dem Ausbau der Offshore-Anlagen entsteht das Problem der Abfallbeseitigung bzw.
möglichen Wiederverwertung der Windkraftflügel. Ab 2020 müssen jährlich mehr als 15.000 t
Flügelmaterial entsorgt werden. Bisher fehlt dazu jedoch ein Konzept. Dieses Material besteht aus
einem Verbund von glasfaserverstärktem Kunststoff und einem Harz.
Aufgrund des hohen Glühverlustes ist die Deponierung dieser Materialien verboten. Durch die Toxizität
des Harzes ist die Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen und anschließender Reinigung der Abgase
sehr aufwendig. Zudem schmelzen die Glasfasern bei den hohen Verbrennungstemperaturen der
Anlage und verstopfen diese.2
Ziel des Teilprojektes ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem aus den Kunst- und Verbundstoffen
ein möglichst energiereiches Synthesegas zur möglichen motorischen Verstromung generiert wird und
dabei der mineralische Anteil zur stofflichen Weiternutzung erhalten bleibt. Somit wird eine stoffliche
und energetische Nutzung des Verbundes erreicht.
Ziel dieser Arbeit ist es anhand eines Simulationsmodells diesen Prozess abzubilden und zu simulieren.
Anhand eines thermodynamischen Gleichgewichtsmodells soll die Produktgaszusammensetzung in
Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter berechnet werden.
Gegenstand dieser Arbeit, ist die Rückgewinnung von Frequenzinformationen aus
pulsweitenmoduliertem Licht. Einleitend wird auf das zu bearbeitende Thema eingegangen.
Anschließend werden die Grundlagen erläutert, welche für das Verständnis
der Arbeit notwendig sind. Dem folgt ein Entwurf mit mehreren Möglichkeiten
zur Herleitung eines Satzes von PWM-Frequenzen. Danach wird auf Grundlage der
PWM-Frequenzen, eine Simulation für die Frequenzrückgewinnung durchgeführt.
Für individualisierte Beleuchtungen, bedarf es einer Kommunikation zwischen den Leuchten. Hierfür kann LED-Licht genutzt werden. Für die optische kabellose Kommunikation im sichtbaren Lichtbereich (bzw. Visible Light Communication – VLC) kann eine diskrete Pulsfrequenzmodulation (PFM) für den Einsatz mit indirektem Licht genutzt werden. Ein Konzept zur Pulsfrequenzmodu-lation (PFM) wird vorgestellt und experimentell analysiert. Aufbau und Funktionsweise der PFM werden anhand einer Simulation des Empfängers vorgestellt. Daran anschließend wird in der Sicherungsschicht das Listen Before Talk Verfahren zum koordinierten Kanalzugriff erläutert.
Die Auswirkungen von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoffzumischungen im vpm-Bereich zu Argon auf das MIG-Impulsschweißen von Aluminium werden mittels mechanisch-technologischer Untersuchungen, der Hochgeschwindigkeitskinematografie und der Emissions-Spektroskopie ermittelt. Stickstoff- und Sauerstoffzumischungen bewirken bereits unter 0,1 % eine erhebliche Erhöhung des Einbrands und eine Verringerung der Mikroporosität gegenüber Reinargon, während durch Wasserstoffzumischung bis etwa 0,1 % die Mikroporosität kaum beeinflusst wird. Aufgrund einer Erhöhung der Lichtbogenstabilität verbessert sich die Prozesssicherheit durch geringe molekulare Aktivgaszumischungen im Al-Dünnblechbereich. Metalldampf im Kernbereich des MSG-Lichtbogens führt mit einer ausgeprägten Strömung in Richtung Schmelzbad zu einer Kühlung des Plasmas. Dabei erhöht Stickstoff- und Sauerstoffzumischung den Metalldampfpartialdruck im Lichtbogenplasma und kontrahiert den Metalldampfstrahl. Verstärkte Elektronenemission an der Kathodenoberfläche durch hocherhitzte Metalloxide bzw. nitride verbessert die elektrische Leitfähigkeit begleitet von einer Erhöhung des Plasma-Ionisierungsgrads.
Ist Wasserstoff der unbegrenzte Energieträger der Zukunft? Ist die Brennstoffzelle als Energieumwandlungssystem denkbar, welches geräuschlos Strom erzeugt und dabei Emissionsfreie arbeitet? Wird der Lithium-Akku eine Möglichkeit sein elektrische Energie sicher, zuverlässig, und dauerhaft zu speichern? Wie ökologisch, ökonomisch und nachhaltig sind diese Technologien heute bzw. werden sie in 20 Jahre sein? In der Arbeit wurden zu den Fragestellungen Antworten und Szenarien gefunden und bewertet. Im Mittelpunkt steht das Automobil mit einer Brennstoffzelle als Energiewandlungssystem.
Für Läuferteile von Industriegasturbinen werden aufgrund der mechanischen und thermischen Beanspruchungen Schmiedeteile aus niedriglegierten Stählen verwendet, die höchsten Qualitätsanforderungen genügen müssen.Alle möglichen Einflussgrößen, die während der Fertigung und der anschließenden Betriebsphase zu einer kritischen Minderung der Qualität des Werkstoffes führen können, müssen im Vorfeld zuverlässig identifiziert werden.Als ein Qualitätskriterium wird die Oberflächenverfärbung des Werkstoffes kontrolliert, da so Aussagen über mögliche thermische Überbeanspruchung und somit einer Schädigung des Werkstoffes getätigt werden können.Um nun gesicherte Aussagen über die Bildungstemperaturen und –zeiten dieser Anlauffarben ableiten zu können, wird ein statistisch möglichst gut abgesicherter Zusammenhang zwischen der beobachteten Anlauffarbe und ihrer Bildungstemperatur und –zeit gesucht.
Fahrflächenschäden
(2004)
In der Fachliteratur wurde mehrfach versucht, die durch Rollkontaktermüdung hervorgerufenen Schienenfehler bruchmechanisch zu analysieren, wobei zufriedenstellende Lösungen offensichtlich nicht gefunden wurden. Die eigenen bruchmechanischen Analysen wurden bei Berücksichtigung der Kaltverformung des Schienenmaterials durchgeführt, wodurch die Materialeigenschaften nicht mehr isotrop, sondern orthotrop und abhängig vom Grad der Kaltverformung sind. Die bruchmechanischen Rißausbreitungsanalysen wurden unter der konservativen Annahme eines geneigten Einzelrisses bei zweidimensionaler Idealisierung durchgeführt. Hinsichtlich der Beanspruchung wurde angenommen, daß die Schiene an der Fahrfläche biege-druck- und kontakt-beansprucht ist. Die bruchmechanischen Analysen wurden als Monte-Carlo-Simulation gestaltet, wobei die bruchmechanischen Rißwachstumseigenschaften in Abhängigkeit der jeweils erreichten Rißtiefe berücksichtigt wurden. Aus dem Streufeld der simulierten Rißausbreitungskurven wurde als repräsentativ diejenige Kurve genommen, der eine Rißwachstumsgeschwindigkeit von 90% zugeschrieben wurden kann. Diese repräsentative Rißwachstumskurve wurde modifiziert, um letztlich eine Kurve zur Bewertung der sich entwickelnden Rollkontaktermüdungsrisse abzuleiten. Die Analysen für die Head Checks und die Squats unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Rißneigungswinkel, die für Head Checks im Mittel 16,4°, für Squats im Mittel 10,1° betragen. Um das bruchmechanische Problem der Ausbreitung der Rollkontakt-Ermüdungsrisse umfassend zu betrachten, sind auch Analysen und Bewertungen für Risse vorgenommen worden, die aus der geneigten Richtung in den Querschnitt der Schiene umgeschlagen sind. Der Querriß wird idealisiert mit einer geraden, horizontalen Rißfront, wobei anders als bei den Rollkontakt-Ermüdungsrissen die Temperaturbeanspruchung für das Rißwachstum wesentlich ist. Angesichts des Umstandes, daß Head Checks in großer Zahl hintereinander auftreten, und daß eine dann gebrochene Schiene bei der weiteren Beanspruchung durch die Fahrzeuge weitere Brüche zur Folge hat, ist ebenfalls analysiert worden, wie tief die Risse sein müssen, die zu derartigen Folgebrüchen führen. Die an der Fachhochschule Brandenburg durchgeführten bruchmechanischen Untersuchungen wurden finanziert von der Dr. Hermann und Ellen Klaproth-Stiftung und von der Deutschen Bahn AG betreut. Beiden Institutionen sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund“ wurde das Thema „Analyse und Bewertung des Verhaltens rißartiger Oberflächendefekte im Scheibenbereich von Eisenbahnvollrädern mit den Metho-den der probabilistischen Bruchmechanik“ behandelt. Der Abschlußbericht zu dem Projekt, das im Zeitraum von 1995 bis 1997 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde, ist an der Fachhochschule in Brandenburg an der Havel im April 1998 fertiggestellt worden. Wiederverwendbare Eisenbahnvollräder von Güterwagen, die aus dem Vollradstahl BV1 her-gestellt wurden, zeigen in einigen Fällen das Vorhandensein von Oberflächenfehlern in Form von Überwalzungen im Bereich der Radscheibe. Analysiert und bewertet wurde im Interesse der Betriebssicherheit das Dauerfestigkeitsverhalten sowie das Rißwachstumsverhalten von Ermüdungsrissen, die von solchen Überwalzungen ausgehen. Um den Einfluß der Streubreite der wesentlichen Parameter der Beanspruchung und der Beanspruchbarkeit auf die Dauerfes-tigkeit und die zyklische Rißausbreitung erfassen und die für die Betriebssicherheit erforderli-chen zulässigen Riß- bzw. Defektgrößen festlegen zu können, sind die bruchmechanischen Analysen als Monte-Carlo-Simulation gestaltet worden. Ziel der Analysen war es, zulässige Defektgrößen für die zerstörungsfreie Bauteilprüfung bei Gewährleistung der Dauerfestigkeit der mit Überwalzungen behafteten Vollräder auf wissenschaftlich fundierter Basis abzuleiten, da praktische Erfahrungen mit derartigen Defekten nicht vorlagen.
Schienenfehler in Form von Beschädigungen, Rissen und Brüchen entstehen einerseits durch die Herstellung, andererseits aber vor allem durch die betriebliche Nutzung der Gleise. Ange-sichts neuerer Entwicklungen wurde am 16. und 17. November 2000 an der Fachhochschule in Brandenburg an der Havel ein Internationales Symposium „Schienenfehler“ durchgeführt, um den gegenwärtigen Stand bei der Erfassung und der Behandlung der Schienenfehler sowie bei der wissenschaftlichen Analyse ihres Verhaltens und ihrer Entwicklung zu dokumentieren und einen engen Dialog zwischen Forschung und Praxis anzuregen, um letztlich die Sicher-heit und die Wirtschaftlichkeit des Eisenbahnbetriebes weiter zu verbessern. Die 20 Vorträge befaßten sich mit den Problemkreisen Betriebserfahrungen, Beanspruchung und bruchmecha-nische Analyse, Rollkontaktermüdung und den Lebenszykluskosten. Die Referenten kamen aus Deutschland, Großbritannien, Österreich, Rußland, der Schweiz und Ungarn.