Analyse und Optimierung einer Kugelstrahleinheit zur Schienenbearbeitung mittels CFD und DEM

Abstract

Das Unternehmen Linsinger GmbH ist Marktführer im Bereich der mobilen Schienenfrästechnologie. Dabei werden mit Schienenfräszügen verschlissene oder beschädigte Schienen bearbeitet, wodurch das Profil des Schienenkopfes wiederhergestellt und die Fahrsicherheit des Gleisnetzes gewährleistet wird. Durch den Fräsprozess entstehen periodische Fräsfacetten auf der Schienenoberfläche, die bei Zugüberfahrten Schwingungen im für den Menschen hörbaren Frequenzbereich erzeugen. Dieses Phänomen wird in der Schienenbranche als „Singen der Schiene“ bezeichnet. Um diese akustische Emission, die insbesondere in Wohngebieten vermieden werden muss, zu reduzieren, ist es notwendig, die Periodizität der Fräsfacetten durch ein geeignetes Nachbearbeitungsverfahren zu stören. Bisher wird dafür ein Schleifprozess eingesetzt, welcher jedoch mehrere Nachteile mit sich bringt. Um diese Nachteile zu vermeiden, hat das Unternehmen Linsinger GmbH ein neues Kugelstrahlverfahren entwickelt, welches kleine Stahlkugeln auf die Schiene schleudert und so die Fräsfacetten entfernt. Dieses Verfahren wird derzeit in Irland eingesetzt und hat bereits positive Ergebnisse erzielt. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, die physikalischen Vorgänge innerhalb der Kugelstrahleinheit besser zu verstehen, Optimierungspotenziale zu identifizieren und geplante Modifikationen des Unternehmens Linsinger hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Prozess zu analysieren. Die Untersuchung erfolgte durch eine gekoppelte Simulation mit Ansys Fluent zur Strömungsberechnung und Ansys Rocky zur Partikelsimulation. Durch die Kopplung der beiden Programme konnte das Verhalten der Kugelstrahleinheit abgebildet und mit Validierungsdaten verglichen werden. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse der ursprünglichen Einheit, sowie der von Linsinger GmbH vorgeschlagenen Anpassungen, wurde eine modifizierte Variante modelliert und simuliert. Aus Zeitgründen wurden die Änderungen in einer gemeinsamen Simulation untersucht und nicht einzeln betrachtet. Der Vergleich der Simulationsergebnisse zwischen der ursprünglichen und der modifizierten Kugelstrahleinheit zeigt, dass in nahezu allen betrachteten Bewertungskriterien Verbesserungen erzielt werden.

Datum der Bewilligung	2025
Originalsprache	Deutsch (Österreich)
Betreuer/-in	Georg Aichinger (Betreuer*in)