STW.nl
The Open Call HTSM2016 aims to encourage excellent fundamental and application-oriented research in the area of high-tech systems and materials in the Ne...
In een koele kelder van het Delftse universitaire Stevingebouw staat een ronde, uit de kluiten gewassen modelspoorbaan. De baan staat uit 12 meter spoor, gemaakt van hetzelfde staal waarop de ‘echte’ Nederlandse treinen rijden. Het spoor rust op de bekende dwarsbalken in een bak met grind. Er rijdt zelfs een soort treintje op rond. Het is een constructie met vier armen, waaraan zware veerconstructies hangen. Twee knalrode motoren maken het beeld compleet. Trots wijst universitair hoofddocent Zili Li alle elementen van de testbaan aan. Zoals deze is er geen andere in de wereld, zegt hij. ‘De meeste testspoorbanen bevatten namelijk geen constructie onder de rails. En die is belangrijk als je wilt begrijpen hoe het staal van de spoorbaan reageert op de dynamische belasting door rijdende treinen.’ Want dat is het uiteindelijke doel van deze opstelling: meten wat er gebeurt met het staal als er dag in dag uit zware treinen op rijden, remmen en versnellen. Het onderzoek maakt deel uit van het omvangrijke onderzoeksprogramma ExploRail, dat is opgezet door STW, NWO en ProRail. Wetenschappers van zeven universiteiten richten zich in negen verschillende onderzoeksprojecten op het verbeteren van het spoor. De projecten zijn opgedeeld in twee onderzoeksrichtingen. Enerzijds bouwen wetenschappers kennis op die moet leiden tot een spoor dat zo goed mogelijk bestand is tegen verstoringen. Daarnaast werken onderzoekers aan de optimale samenwerking in de spoorsector, met alle verschillende partijen die daar deel van uitmaken. Spanningen in staalBinnen een van de negen projecten werkt Li aan een beter begrip van schade aan het spoor. ‘Het mooie van dit project vind ik dat we het gedrag van het staal bestuderen van microschaal tot macroschaal. Zelf kijk ik vooral naar de spanningen die in het staal optreden als gevolg van dynamische belasting. Mijn collega’s van materiaalkunde kijken juist naar de microstructuur van het staal, en hoe dat verandert door belasting of blootstelling aan verschillende temperaturen.’ Li: ‘Binnen dit project willen we de cirkel sluiten. We beginnen met de bestaande situatie. Binnen het lab bestuderen mijn collega’s beschadigde rails die door ProRail beschikbaar is gesteld. Zij kijken op microschaal hoe scheuren ontstaan en verergeren. Hier bij railbouwkunde maken wij numerieke modellen die dit gedrag simuleren. Met de testbaan kijken we of de schademodellen kloppen, en bootsen we de echte situatie na.’ Maar dan wel veel sneller: een weekje rondjes rijden op de testbaan heeft hetzelfde effect op de rails als een trein na een jaar rijden op de rails buiten. Stampen op het spoorTot op heden gebruikten onderzoekers meestal statische modellen om te beschrijven wat er gebeurt als je iets met een bepaald gewicht op een rail zet. Maar de grootste schade aan het spoor ontstaat juist in dynamische situaties, als een trein rijdt, optrekt of afremt. Een trein op een spoor is een raar systeem: je hebt stalen wielen die rollen over een stalen balk. Dat zijn twee hele stijve materialen die over elkaar heen gaan. Als dat een perfecte rol zou zijn, is er niet veel aan de hand. Maar zowel de wielen als de rails raken tijdens het gebruik beschadigd. Dat veroorzaakt het gebonk wat je vaak hoort als een trein voorbijkomt: de wielen rollen niet over, maar stampen op het spoor. De dynamische belasting op een spoorbaan is gigantisch, aldus Li. ‘Treinwielen drukken tien keer harder op de rails dan een auto op asfalt. Daarnaast zorgt het stampen van de wielen ervoor dat de effectieve belasting nog twee tot drie keer zwaarder is.’ BelastingZijn project zoekt naar andere soorten staal die zo’n belasting beter kunnen opvangen. Je kunt bijvoorbeeld kiezen voor een andere samenstelling van het staal, of het anders behandelen waardoor de microstructuur verandert. Daarbij heb je te maken met een delicate balans: het staal moet hard genoeg zijn om niet te vervormen onder druk of hoge temperaturen, maar het moet wel zo zacht zijn dat het profiel van de rails zich kan aanpassen en zo de spanning kan verlagen. Daarnaast willen de wetenschappers onderzoeken of het zin heeft om het profiel van de wielen en de baan, en de structuur van het staal te veranderen. Li: ‘Eerst inventariseren we welke belastingmechanismen leiden tot welke schade. We introduceren een kleine schade, voorspellen met onze modellen hoe die schade gaat reageren op belasting, en evalueren die voorspelling met de testbaan. Daarna willen we het systeem optimaliseren om die belasting zo gelijkmatig mogelijk te verdelen. Misschien zijn er wel slimmere railprofielen en staalstructuren te bedenken.’ FundamenteelBinnen de projecten van ExploRail wordt op fundamenteel niveau gekeken naar de interactie tussen wielen en rails, en dat illustreert mooi waarom ProRail dit programma met STW en NWO is aangegaan, zegt Chris Verstegen, afdelingshoofd Innovatie van ProRail. ‘We willen de kennisbasis voor het spoor naar een hoger niveau brengen’, aldus Verstegen. ‘Het programma richt zich op vragen waar we als infrastructuurbeheerder dagelijks mee worstelen, maar waarvoor het ons vaak de tijd ontbreekt om er dieper in te graven. Het principe van stalen wielen op stalen spoor is inmiddels 200 jaar oud. Er zijn sindsdien natuurlijk verbeteringen geweest, maar het is goed om weer eens fundamenteel te kijken naar het staal dat we gebruiken, en de vorm van de rails. Misschien moeten we het recept voor onze sporen in de toekomst wel aanpassen.’ Verstegen benadrukt dat ExploRail niet alleen op de techniek is gericht. Binnen het thema Whole System Performance is de centrale vraag hoe verschillende bij het spoor betrokken partijen optimaal kunnen samenwerken om storingen te voorkomen en op te lossen. Samenwerking is op alle niveaus belangrijk binnen dit programma, zegt Xavier Weenink, die namens STW bij ExploRail is betrokken. ‘Voor onderzoekers is ExploRail een uitgelezen kans om zowel diepere kennis rondom het spoor op te bouwen, als te werken aan oplossingen waar de maatschappij echt op zit te wachten. Tegelijkertijd kan het bedrijfsleven zowel fundamenteel als toepassingsgericht wetenschappelijk onderzoek benutten.’ Embedded scienceNiet alleen ProRail ziet deze kansen. In totaal volgen meer dan vijftien bedrijven het onderzoek. Weenink: ‘Ieder jaar hebben we een grote bijeenkomst waar alle betrokkenen elkaar ontmoeten. Er is een goede interactie, zowel tussen onderzoekers en gebruikers, als binnen die groepen zelf. Daarnaast komen alle onderzoekers jaarlijks bij elkaar om de voortgang van de projecten te bespreken. Op die manier sturen we aan op maximale kennisontwikkeling en valorisatie van die kennis.’  ProRail is volgens Verstegen bewust inhoudelijk zeer actief betrokken bij het onderzoek. ‘Dat zou ik andere organisaties die zo’n soort programma overwegen ook sterk willen aanraden. Ik noem dat embedded science: we hebben de onderzoekers gekoppeld aan onze experts die daadwerkelijk op hun oplossing zitten te wachten.’ Die experts heten bij ProRail research coaches en zitten regelmatig met de onderzoekers om tafel. Zij kunnen de promovendi waar nodig helpen aan gegevens of materiaal uit de praktijk, of assisteren bij testen. Verstegen: ‘Tegelijkertijd spiegelen de research coaches het onderzoek aan de praktische toepasbaarheid. Door onderzoekers mee te nemen in onze dagelijkse praktijk, krijgen ze een beter idee van de randvoorwaarden en de vragen waar wij mee worstelen. En het maakt het werk voor de onderzoekers ook veel boeiender. Ze weten meteen waar ze het voor doen.’ =====Tekst: Sonja KnolsFotografie: Niels Blekemolen Dit artikel verscheen eerder in Impact, het relatiemagazine van STW. Het volledige magazine is beschikbaar als pdf-bestand.