Die technische Entwicklung bei Radsatzlagern für Eisenbahnen

Die technische Entwicklung bei Radsatzlagern für Eisenbahnen

Im ersten Teil dieses zweiteiligen Artikels über die Konstruktion von Radsatzlagern für Schienenfahrzeuge wird die Entwicklungsgeschichte dieses wichtigen Bahnsubsystems näher beleuchtet. Für SKF, die auf eine lange Tradition in der Entwicklung von Achslagern zurückblickt, waren Umweltaspekte wie z. B. Energie- und Schmierstoffeinsparung in diesem Marktsegment schon immer von großer Bedeutung.

Achslager Schienenfahrzeuge

Technik

Von Anfang an gab es bei Eisenbahn-Radsatzlagern Einsparmöglichkeiten für Energie und Schmierstoffe. Heute werden die meisten Schienenfahrzeuge mit immer moderneren Achslagerkonstruktionen ausgerüstet, die einen Verbund aus Radsatzlagern oder Lagereinheiten, dem Achslagergehäuse und integrierten Sensoren darstellen. SKF bietet der Eisenbahnindustrie nun zusätzliche Lösungen an, wie z. B. Zustandsüberwachung und Leistungspakete, einschließlich technischem Service, Rekonditionierung und Schulung.

Das Konstruktionskonzept für Eisenbahnräder blieb die gesamte Eisenbahngeschichte hindurch im Wesentlichen unverändert. Die Verbindung aus zwei Rädern und einer Achse wird gemeinhin „Radsatz“ genannt; dieser dreht sich und ruht auf Lagern, die „Radsatzlager“ oder „Achslager“ heißen.

Diese befinden sich in Radsatzlagergehäusen oder werden von Spezialadapternaufgenommen, die direkt oder über Federn mit dem Laufwerk, meistens ein Drehgestell, verbunden sind. Radsatzlager gehören zu den sicherheitskritischen Subsystemen von Schienenfahrzeugen. Durch Anwendung von Wissen aus der Tribologie, also Reibung, Schmierung und Verschleiß haben Techniker und Wissenschaftler viel über aufeinander einwirkende Oberflächen in Relativbewegung gelernt. Beispiele angewandter Tribologie findet man im Transportwesen. Bei den Eisenbahnen nahm die Entwicklung von Rad- und Radsatzlagerkonstruktionen ihren Anfang bei einfachsten reibungsarmen Lagern und verlief bis hin zu den allerneuesten hochentwickelten Radsatzlagereinheiten und komplexen Leistungspaketen, die Lager, Dichtungen, Schmierung, Mechatronik-Bauteile (z. B. Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern) und ein umfangreiches Serviceangebot umfassen.

Die ersten Eisenbahnen
Ein frühes Beispiel einer energiesparenden Anwendung ist die Pferdebahn von Linz (Österreich) nach Budweis (Tschechien), die vor allem dem Transport von damals sehr teurem Salz diente. Diese Bahnlinie mit einer Länge von 130 km wurde 1832 eröffnet und war zu jener Zeit die mit Abstand längste Bahnverbindung der Welt. Bild 1 zeigt, dass auf Schienen das 8- bis 10-fache der Last eines Straßentransports befördert werden konnte.

Radsatzlager
Es existieren zwar einige frühe Patente, aber nichts deutet darauf hin, dass sie auch alle angewendet wurden. 1903 kamen dreiachsige Reisezugwagen auf, die eine der ersten gut dokumentierten Anwendungen von reibungsarmen Radsatzlagern darstellen. In jedem Achslager dieser Wagen waren zwei Rillenkugellager eingebaut (Bild 2a). Bei zwei Wagen mit einem Gesamtgewicht von 33,15 t betrug die Zugkraft 4,4 kN bei Gleitlagern, aber nur 0,62 kN bei Kugellagern. Dies bedeutet eine Zugkraftreduzierung um 86 % (Bild 2b). Die Lager und Radsatzlager wurden von der Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken AG (DWF) in Berlin gefertigt. Dieses Unternehmen gehörte später zu den Vereinigten Kugellagerfabriken (VKF), die wiederum von SKF übernommen wurden.

Ein weiterer Versuch wurde 1905 von Professor Graham an der Syracuse University im US-Bundesstaat New York durchgeführt. Bei Untersuchungen zum Energieverbrauch führte er einen vergleichenden Versuch mit zwei Straßenbahnen durch, wobei eine mit Gleitlagern und die andere mit Rollenlagern ausgestattet war (Bild 3a). Dabei wurde festgestellt, dass der Energieverbrauch über die Fahrstrecke der Straßenbahn mit Gleitlagern 6,45 kWh betrug; im Vergleich zu 3,10 kWh bei der mit Rollenlagern ausgerüsteten Bahn ergab sich hierbei eine Energieersparnis von 52 % (Bild 3b). 1907 teilte der Betreiber der Syracuse Rapid Transit Co. der Fa. Standard Roller Bearing (SRB) Co. in Philadelphia mit, dass die Rollenlager nach einer Betriebsdauer von 4,5 Jahren und einer Laufleistung von rund 400.000 km keinen Verschleiß aufwiesen. Die jährliche Einsparung an Kohle zur Erzeugung der benötigten elektrischen Leistung betrug jährlich 260 US-Dollar bzw. 390 g Gold pro Fahrzeug. Standard Roller Bearing Co. gehörte später zur Marlin Rockwell Corporation (MRC), die 1986 von SKF übernommen wurde.

Erfüllung der wachsenden Anforderungen an die
Geschwindigkeit
Seit den ersten Dampflokomotiven im Jahr 1804 steht die Geschwindigkeit im Mittelpunkt der Eisenbahnwelt. SKF steht an vorderster Front der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitszügen und liefert einige der sicherheitskritischsten Komponenten von Schienenfahrzeugen: die Radsatzlager-Baugruppen bestehend aus Radsatzlagern oder Lagereinheiten, dem Achslagergehäuse und integrierten Sensoren. In den Bereichen Entwicklung, Konstruktion und Prüfung von Radsatzlagern hat sich SKF stets darum bemüht Lösungen zu finden, um die hohen Anforderungen der Hersteller und Betreiber von Hochgeschwindigkeitszügen zu erfüllen (siehe Bild 4a und 4b). Bereits in den 1930ern erreichten Züge in Europa und Nordamerika Reisegeschwindigkeiten von 130 km/h und Höchstgeschwindigkeiten von 160 km/h.

Schmierstoffeinsparung
Neben den Möglichkeiten zur Energieeinsparung kann ein weiterer Umweltbeitrag durch Verringerung des Schmierstoffverbrauchs geleistet werden. Lagerschmierstoffe wie z. B. Öl und Fett müssen aus Mineralöl gewonnen werden. Nach langer Betriebsdauer muss der verbrauchte Schmierstoff bei der Wartung beim Ausbau der Achslager aufgefangen und wie andere mineralölhaltigen Produkte als Sonderabfall entsorgt werden. Daher stellt die Minimierung der Schmierstoffmenge einen positiven Beitrag zur Umwelt dar.

In den Anfangszeiten des Schienentransports wurden ölgeschmierte Gleitlager verwendet. Für die Erstbefüllung des Achslagers eines typischen deutschen Güterzugwagens wurden 1,3 kg benötigt, davon 500 g für das Schmierpolster und 800 g für den Ölbehälter. Der Ölfüllstand musste oft überprüft werden, da der ständige Ölverlust beim Betrieb des Wagens zu einer starken Verschmutzung der Eisenbahnschienen und der Umwelt führte. Der Ölverbrauch lag bei 200 g pro 1.000 km.

Einen großen Schritt vorwärts bedeutete die Einführung von fettgeschmierten Rollenlagern. Die Fettbefüllung erfolgt bei der Montage und bei den meisten Anwendungen ist keine Nachschmierung erforderlich. In den 1930er Jahren war das Achslager eines typischen deutschen Güterzugwagens mit rund 1,7 kg Fett befüllt. Über die letzten Jahrzehnte wurden viele Untersuchungen durchgeführt, die bestätigt haben, dass eine ganz erhebliche Reduzierung der Fettmenge möglich ist, ohne eine Mangelschmierung hervorzurufen. Um 1950 wurde die Fettmenge auf 1,2 kg herabgesetzt. Später wurde sie auf 1 kg und dann auf das heutige Niveau abgesenkt, d. h. 700 g zur Schmierung der offenen Zylinderrollenlager. Ein weiterer großer Schritt hin zur Verringerung des Fettverbrauchs war die Einführung eines abgedichteten und vorgefetteten Zylinderrollenlagers (CRU), das lediglich 200 – 300 g Fett benötigt. Die geringere Fettmenge führt auch zu niedrigeren Betriebstemperaturen, was wiederum die Fettlebensdauer und die Gebrauchsdauer der Lager erhöht.

Teil 2 dieses Artikels wird vor allem die aktuellen Entwicklungen bei Radsatzlagern behandeln.

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