Gleisüberwachung mit IMx-Rail von SKF

Gleisüberwachung mit IMx-Rail von SKF

Die von SKF entwickelte neue Technologie basiert auf dem gleichen bordseitigen IMx-System, das auch für die Überwachung von Drehgestellen eingesetzt wird. Es dient nicht nur zur Kontrolle des Gleiszustands und frühzeitigeren Erkennung von Problemen, sondern ermöglicht den Bahnbetreibern auch eine optimierte Planung und Durchführung der Gleis-Instandhaltungsarbeiten.

Authors:
Víctor Martínez, Head of Global Condition Monitoring and Digitalization Rail Center, SKF Española S.A., Madrid, Spain
Daniel de Andrade, Technology Manager, Condition Monitoring and Digitalization Rail Center, SKF Española S.A., Madrid, Spain

Schienenfahrzeuge

Bevölkerungswachstum in den Großstädten und andere Faktoren wie die Luftverschmutzung und der Verkehr mit herkömmlichen, auf Basis fossiler Kraftstoffe betriebenen Fahrzeuge führen dazu, dass sich immer mehr Menschen für den öffentlichen Nahverkehr entscheiden. So hat in den letzten Jahren die Nachfrage nach U- und S-Bahnen in zahlreichen Städten auf der ganzen Welt die Prognosen übertroffen. Infolgedessen sehen sich die Bahnbetreiber im alltäglichen Betrieb ständig dem Druck ausgesetzt, ihre Servicequalität und Verfügbarkeit zu erhöhen und gleichzeitig ihre Risiken und Kosten möglichst gering zu halten.

Dabei spielt die von den Bahnbetreibern verfolgte Strategie zur Durchführung von Instandhaltungsarbeiten an der Gleis-Infrastruktur eine wichtige Rolle zur Vermeidung von Betriebsunterbrechungen und Fahrplanstörungen, die von Fahrgästen und Bahnbetreibern zunehmend weniger toleriert werden. Die Gleis-Instandhaltungs- und -Erneuerungsmaßnahmen umfassen meist Sichtprüfungen und intervallbasierte Wartungsarbeiten, um die Schienentrassen in gutem Zustand zu halten. Diese Vorgehensweise ist zwar seit langem üblich, aber recht kostspielig. Gleisinspektoren können die Schienenwege nur dann betreten, wenn keine Züge fahren, und spezielle Gleisprüffahrzeuge sind teuer und meist langsam, so dass topaktuelle Informationen über den Gleiszustand selten sind.

Um dem entgegenzuwirken, hat SKF die unternehmensweit vorhandenen Lösungen und Kompetenzen zur Entwicklung einer speziellen Schwingungsanalyse-Technologie vereint. Mit den sich daraus ergebenden Möglichkeiten können Bahnbetreiber den Zustand ihrer Schieneninfrastruktur mittels der für den Standardbetrieb vorgesehenen Züge während des kommerziellen Betriebs überwachen lassen. SKF hat diese Technologie in den letzten Jahren weiter erforscht und insbesondere bei Transports Metropolitans de Barcelona (TMB) in Spanien, aber auch bei anderen U-Bahnbetreibern weltweit, Feldvalidierungstests durchgeführt. Dabei dienen Schwingungssensoren an Bord der Züge zur Überwachung von Schwingungen, die entstehen, während sich der Zug entlang den Schienen fortbewegt. Auf diese Weise können die Betreiber nicht nur Gleisschäden erkennen, sondern auch zukünftige Instandhaltungsbedarfe und Ziele prognostizieren, um die Schienenqualität kontrollieren zu können.

IMx-Rail wird als kundenspezifischer Bausatz geliefert, der sich einfach am Drehgestellrahmen montieren lässt.

Bild 1a: IMx-Rail wird als kundenspezifischer Bausatz geliefert, der sich einfach am Drehgestellrahmen montieren lässt.

Die Technologie von SKF bietet aber noch weitere Vorteile: Ein guter Gleiszustand sorgt u. a. für eine geringere Geräuschentwicklung beim Fahrbetrieb und steigert somit den Fahrkomfort und das gesamte Fahrerlebnis. Außerdem werden die Räder und Lager des Zuges geschont, weil sie weniger Stößen durch das Überfahren von Gleisdefekten ausgesetzt sind. Indem Bahnbetreiber Schienen kontrollieren und in gutem Zustand halten, können sie also nicht nur ruhigere Zugfahrten realisieren, sondern auch die Lebensdauer der Räder und Lager verlängern.

Zeit ist Geld – deshalb lassen sich Züge einfach und schnell mit dem neuen IMx-Rail System (Bild 1a) von SKF nachrüsten (Bild 1b). IMx-Rail ist das Jüngste in der bekannten IMx-Condition-Monitoring(CMS)-Produktfamilie von SKF. Es handelt sich dabei um eine eigenständige CMS-Lösung mit Sensoren und Elektronik zur Datenerfassung, -verarbeitung und -übertragung im kommerziellen Betrieb, die in die IT-Systeme der Bahnbetreiber integriert werden kann. Die Montage erfolgt entweder im Wageninneren oder am Drehgestell. Während bisherige Systeme primär auf die Überwachung von Schienenfahrzeuge und -Komponenten (Räder, Radsatzlager, Getriebe und Fahrmotoren) abzielten, lässt sich mit IMx-Rail nun auch kontinuierlich der Gleiszustand überprüfen. Dabei bietet das zuverlässig arbeitende System genügend Flexibilität, um es an verschiedenste Zugbestände und Kundenprozesse anzupassen.

Fig. 1b: The IMx-Rail being installed on the bogie frame.

Bild 1b: IMx-Rail Sensoren werden am Radsatzlager montiert.

Um den Gleiszustand einer ganzen U-Bahnstrecke zu überwachen, werden lediglich eine IMx-Rail-Einheit und zwei Schwingungssensoren für die Messung und Aufzeichnung der Daten benötigt. Diese Daten werden anschließend verarbeitet und drahtlos an den zentralen Backoffice-Server übertragen, wo die empfangenen Informationen im Bedarfsfall Wartungsmaßnahmen auslösen können.

Nachdem die Daten beim Server eingegangen sind, werden sie vom Softwaresystem SKF @ptitude Observer weiterverarbeitet. Dabei werden die Schwingungsmessungen mit ihren jeweiligen Erfassungsorten auf der Strecke korreliert. Bei den Algorithmen zur Verortung der Messstellen handelt es sich um eine von SKF entwickelte, zum Patent angemeldete Technologie, die keinen weiteren Daten-Input vom Zugsystem erfordert. Das erlaubt eine schnelle Montage und vermeidet eventuelle Beeinträchtigungen von sicherheitsrelevanten Zugsystemen. Die Software lokalisiert die Gleisdefekte einfach anhand des vom Bahnbetreiber eingesetzten Ortungssystems (Kilometrierungsbereich oder Streckenkilometer) und arbeitet selbst dann zuverlässig, wenn die Züge Tunnels durchfahren.

Ein benutzerfreundliches „Dashboard“ der jeweiligen Metrolinie veranschaulicht dem Benutzer den Zustand der Schienenstrecke zwischen den einzelnen Stationen.

Bild 2: Ein benutzerfreundliches „Dashboard“ der jeweiligen Metrolinie veranschaulicht dem Benutzer den Zustand der Schienenstrecke zwischen den einzelnen Stationen.

SKF @ptitude Observer verfügt über mehrere Spezialtools zur Anzeige der verarbeiteten Daten, so dass der Benutzer den größtmöglichen Nutzen aus den Informationen ziehen kann. Zu Beginn der Analyse wird der Zustand der Linien in einer Übersicht (Bild 2) dargestellt, damit die Streckenabschnitte, auf denen die Daten aufgezeichnet wurden, verifiziert werden können. Die Farbe des jeweiligen Streckenabschnitts stellt eine Zusammenfassung des Gleiszustands nach zuvor festgelegten Schwellenwerten dar. So kann der Benutzer schnell die Streckenabschnitte erkennen, die sich im schlechtesten Zustand befinden und bevorzugt instand gesetzt oder gewartet werden müssen.

Wenn der Benutzer einen der Streckenabschnitte aufruft, stellt die Software ein detailliertes Streudiagramm des jeweiligen Streckenabschnitts dar, das genauere Angaben zum Gleiszustand visualisiert (Bild 3). Anhand dieser Übersicht kann der Benutzer die Schwingungsamplituden verschiedener Streckenabschnitte miteinander vergleichen. Die Software liefert auch aufschlussreiche Informationen wie den Zeitpunkt der einzelnen Messungen und die genaue Geschwindigkeit auf dem gesamten Streckenabschnitt.

Eine Auswertung von Zuggeschwindigkeit und Gleiszustand kann für jede Fahrt zwischen den einzelnen Stationen grafisch dargestellt werden.

Bild 3: Eine Auswertung von Zuggeschwindigkeit und Gleiszustand kann für jede Fahrt zwischen den einzelnen Stationen grafisch dargestellt werden.

Beim Anklicken eines bestimmten Bereichs des Streudiagramms wird dem Benutzer ein Blasendiagramm mit dem Zeitfaktor für diesen Streckenabschnitt angezeigt (Bild 4). In diesem Diagramm steht jede Blasenreihe für eine Zugfahrt; die Größe und Farbe der Blasen kennzeichnen die Amplitude der Schwingungsmessungen. Mithilfe dieses Diagramms kann der Benutzer nicht nur die Schwingungsamplitude bei verschiedenen Zugfahrten vergleichen, sondern auch die Entwicklung eines Defekts im zeitlichen Verlauf verfolgen.

Mithilfe eines Blasendiagramms kann der Benutzer die Entwicklung des Gleiszustands im Zeitverlauf für jede Fahrt verfolgen.

Bild 4: Mithilfe eines Blasendiagramms kann der Benutzer die Entwicklung des Gleiszustands im Zeitverlauf für jede Fahrt verfolgen.

Wenn der Benutzer eine der Blasen auswählt, werden die Wellenform und die Spektren der zugehörigen Messung auf dem Bildschirm angezeigt (Bild 5). Durch die Analyse dieser Diagramme kann festgestellt werden, ob es sich bei der jeweiligen Gleisschädigung um einen lokal begrenzten Defekt oder einen sich auf einen größeren Bereich erstreckenden Defekt handelt.

Anhand der Wellenform und der Spektren einer Messung kann der Benutzer das Ausmaß der Gleisschädigung bestimmen.

Bild 5: Anhand der Wellenform und der Spektren einer Messung kann der Benutzer das Ausmaß der Gleisschädigung bestimmen.

Um die Zuverlässigkeit der Analyse zu überprüfen und irrtümliche Gleisdefekt-Erkennungen auszuschließen, lassen sich Messungen miteinander vergleichen, die bei unterschiedlichen Zugfahrten auf dem gleichen Streckenabschnitt durchgeführt wurden (Bild 6): Ähnliche Schwingungsmerkmale, die bei verschiedenen Messungen auf dem gleichen Streckenabschnitt festgestellt wurden, deuten darauf hin, dass die gemessenen Schwingungen tatsächlich durch das Gleis oder durch die Wechselwirkung zwischen Gleis und Rad erzeugt wurden – und nicht etwa durch zufällige externe Einflüsse wie bspw. den Aufprall eines Schottersteins auf den Drehgestellrahmen.

Sobald der Analyseexperte eine Gleisschädigung festgestellt hat, können mit Hilfe spezieller Tools in der @ptitude Observer Software Schadensberichte erstellt werden. Diese Berichte enthalten sämtliche Informationen zum jeweiligen Gleisdefekt.

Eine hohe Signalwiederholrate auf dem gleichen Streckenabschnitt bei mehreren Fahrten sorgt für Messsicherheit.

Bild 6: Eine hohe Signalwiederholrate auf dem gleichen Streckenabschnitt bei mehreren Fahrten sorgt für Messsicherheit.

Zu diesem Zweck verfügt die SKF @ptitude Observer Software über eine benutzerfreundliche Oberfläche. Diese Oberfläche wurde so konzipiert, dass sie auch ohne besondere technische Kenntnisse zu bedienen und zu verstehen ist. Sie liefert eine übersichtliche Darstellung von Informationen und beinhaltet weitere Tools bzw. Darstellungsformen, mit denen der Benutzer gegebenenfalls bis ins Detail vordringen kann. Hinzu kommen Funktionen, mit denen die Diagramme und Dashboards nach der Behebung eines Gleisdefekts einfach aktualisiert werden können.

Der „Startbildschirm“ ist eine geografische Karte mit einer Darstellung des Gleiszustands der Metrolinien (Bild 7). Diese Karte beinhaltet mehrere Detaillierungsebenen. Auf der obersten Ebene kann sich der Benutzer jeden Streckenabschnitt zwischen zwei Stationen in Form von zwei geraden Linien anzeigen lassen. Die Farbgebung der Linien kennzeichnet den Zustand des jeweiligen Streckenabschnitts für jede Fahrtrichtung. Auf dieser Detaillierungsebene zeigt die Karte auch an, wie viele Störungen der Analyseexperte für jeden Streckenabschnitt gemeldet hat.

Intuitive Visualisierung der gesamten Metrolinie zur Verdeutlichung des Zustands der Streckenabschnitte zwischen den einzelnen Stationen.

Bild 7: Intuitive Visualisierung der gesamten Metrolinie zur Verdeutlichung des Zustands der Streckenabschnitte zwischen den einzelnen Stationen.

Dem Bahnbetreiber stehen sämtliche Informationen zu den vom Analyseexperten gemeldeten Störungen zur Verfügung. Dazu gehören beispielsweise der Kilometrierungsbereich oder Streckenkilometer, an dem die jeweilige Störung festgestellt wurde, das Datum, an dem sie aufgetreten ist, der vom Analyseexperten gemeldete Schweregrad und die betroffene Gleisseite (Bild 8).

Über die intuitive Bedienoberfläche können dem Bahnbetreiber Störungen gemeldet und entsprechende Gegenmaßnahmen vorgeschlagen werden.

Bild 8: Über die intuitive Bedienoberfläche können dem Bahnbetreiber Störungen gemeldet und entsprechende Gegenmaßnahmen vorgeschlagen werden.

Während des Meldeprozesses können die Diagramme, die zur Feststellung einer Gleisschädigung dienen, vom Analyseexperten an die jeweilige Meldung angehängt werden (Bild 9). Der Bahnbetreiber kann diese Diagramme über die Bedienoberfläche aufrufen, so dass er sich detaillierter informieren und mit den vom Analyseexperten gemeldeten Gleisdefekten besser vertraut machen kann.

Diese Bedienoberfläche kann aus der Ferne über ein lokales Netzwerk oder sogar über das Internet aufgerufen werden. Das erlaubt dem Analyseexperten und dem Betreiber, von verschiedenen Orten aus auf die gleichen Informationen zuzugreifen.

Die Diagrammdaten, die den Schadensbericht auslösen, können über die Bedienoberfläche abgerufen werden.

Bild 9: Die Diagrammdaten, die den Schadensbericht auslösen, können über die Bedienoberfläche abgerufen werden.

Die Software beinhaltet viele nützliche Funktionen und bietet Betreibern wie Barcelonas Metro modernste Technologie zur Instandhaltung ihrer Schieneninfrastruktur. „Wir sind stets auf der Suche nach besseren Lösungen, um über ein ebenso sicheres wie zuverlässiges und kosteneffizientes Streckennetz zu verfügen“, betont Fernando Vaquero Granados, der bei TMB für den Fuhrpark zuständig ist. „Dabei helfen uns Technologien wie das Gleisüberwachungssystem IMx-Rail von SKF. Damit erkennen wir Probleme viel schneller und können unsere Inspektions- und Instandhaltungsarbeiten zielgerichteter und effizienter gestalten.“

Mit dem Gleisüberwachungssystem IMx-Rail von SKF können Bahnbetreiber die Instandhaltung ihres Schienennetzes je nach Dringlichkeit planen und effizienter durchführen. Sie dürfen sich dabei sicher sein, dass der gute Zustand ihrer Schienenwege für einen angenehmen Fahrkomfort und eine lange Lebensdauer der Räder und Lager sorgt.

Ansprechpartner Verkauf

evolution@skf.com

Zusammenfassung
Angesichts der zunehmenden Bedeutung des öffentlichen Nahverkehrs für Städte auf der ganzen Welt ist es wichtig, die Schienenwege in gutem Zustand zu halten. Ein guter Gleiszustand sorgt für erhöhten Fahrkomfort und verlängert die Lebensdauer der Räder und Lager. SKF hat eine Technologie entwickelt, um den Gleiszustand anhand von Schwingungsanalysen zu überwachen.

@ptitude ist eine eingetragene Marke der SKF Gruppe

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