Model-based estimation of wheel/rail- and brake disc/pad-friction for railway vehicles

• Modellbasierte Beobachtung der Rad/Schiene- und Bremsbelag/-scheibe Reibung bei Schienenfahrzeugen

Schwarz, Christoph; Abel, Dirk (Thesis advisor); Schindler, Christian (Thesis advisor); Bals, Johann (Thesis advisor)

1. Auflage. - München : Verlag Dr. Hut (2022)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden modellbasierte online Schätzverfahren vorgestellt, die den RadSchiene Kraftschluss und das Reibverhalten zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe identifizieren. Die Synthese von Schätzern für diese Parameter ist notwendig, da deren direkte Messung im regulären Fahrbetrieb aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht umsetzbar ist. Die Kenntnis des Kraftschlusses und der Bremsenreibung ermöglicht signifikante Verbesserungen der Kapazität und Zuverlässigkeit des Gleisnetzes, z.B. durch ein kontinuierliches Monitoring von Gleisoberbau und Fahrzeug. Damit dieses Potential schnellstmöglich genutzt werden kann, ist eine betriebsbereite Auslegung der Schätzer gefordert, was zu zwei essentiellen Herausforderungen führt. Erstens ist die benötigte Sensorik auf ein Minimum an idealerweise bereits verbauten Sensoren zu beschränken. Zweitens muss die numerische Effizienz des Schätzalgorithmus mit regulären Zugsteuergeräten kompatibel sein. Weitere Herausforderungen ergeben sich aus der simultanen Schätzung zweier sich gegenseitig beeinflussender Parameter und deren unabhängiger Identifikation an jedem Radsatz. Um die Anforderungen zu erfüllen, vereint diese Arbeit eine detaillierte Analyse von Schienenfahrzeugen mit einer regelungstechnischen Beobachtersynthese. Aufbauend auf der Fahrzeuganalyse werden zwei nichtlineare Systeme erstellt und deren Beobachtbarkeit verifiziert. Zur Ergänzung der qualitativen Beobachtbarkeit wird ein quantitatives signalbasiertes Korrelationsmaß entwickelt, welches Sensoreigenschaften berücksichtigt, z.B. Signal-Rausch-Verhältnis. Neben den bereits genutzten Messungen der Radsatz- und Zuggeschwindigkeit weisen die Längsbeschleunigung am Wagenkasten und die Einfederung in der Primärfederstufe die besten Korrelationswerte auf. Die zwei nichtlinearen Systemvarianten werden mit einem Extended und Unscented Kalman Filter kombiniert, sodass vier Konfigurationen auf Prüfstanddaten angewendet werden. Die Vielfalt der 50 Testsfälle stellt die Robustheit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Schätzer für ein breites Spektrum an Betriebsbedingungen sicher. Um die Prüfstandergebnisse zu bestätigen, werden die Schätzer für Fahrversuche aufbereitet. Mithilfe der Messdaten aus dem Versuchsfahrzeug kann die Plausibilität der Schätzerergebnisse verifiziert werden. Schließlich werden kraftschlussbasierte Regelkonzepte vorgestellt, die auf die Reproduzierbarkeit bzw. Verringerung von Bremswegen abzielen. Diese Konzepte veranschaulichen einen Anwendungsfall, der erst durch die zuverlässige Identifikation des Rad-Schiene Kraftschlusses und der Bremsenreibung ermöglicht wird.