Ingenieurswissen

Die Zustandsüberwachung von Schienenfahrzeugen in der Praxis

Nicht nur um Instandhaltungskosten zu senken, sind die Betreiber von Schienenfahrzeugen stets darum bemüht, die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit ihrer Fahrzeuge zu erhöhen. Die Zustandsüberwachung ist eine reife Technologie, die neue Möglichkeiten eröffnet und einen proaktiven Ansatz zur Einsparung finanzieller Mittel und Erreichung von Sicherheitszielen bietet.

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Zusammenfassung

Für die Schienenfahrzeugindustrie hat SKF ein Drehgestell-Zustandsüber­wachungssystem entwickelt. Diese Technologie unterstützt besonders die Betreiber von Schienenfahrzeugen in ihrem Bestreben die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit ihrer Fahrzeuge ständig zu erhöhen und gleichzeitig die Instandhaltungskosten zu senken. Das Überwachungssystem erfasst die Daten von Sensoren, die an wichtigen Bauteilen (Räder, Getriebe und Wellen) eingebaut sind, und erkennt eventuell auftretende Probleme so frühzeitig, dass Instandhaltungsarbeiten besser eingeplant werden können. SKF hat diese Überwachungstechnologie so konzipiert, dass damit sowohl die Ausstattung von Neufahrzeugen als auch die Nachrüstung vorhandener Fahrzeuge möglich ist.

Nicht nur um Instandhaltungskosten zu senken, sind die Betreiber von Schienenfahrzeugen stets darum bemüht, die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit ihrer Fahrzeuge zu erhöhen. Die Zustandsüberwachung ist eine reife Technologie, die neue Möglichkeiten eröffnet und einen proaktiven Ansatz zur Einsparung finanzieller Mittel und Erreichung von Sicherheitszielen bietet.

Technik

Das Multilog Online-System IMx-R von SKF (Bild 1) wurde speziell für Anwendungen in der Schienenfahrzeugindustrie entwickelt und beinhaltet verschiedene modulare Sensoren, die gleichzeitig eine Reihe von Drehgestell-Betriebs­zustandsdaten überwachen und übertragen. Das Multilog IMx-R-System wird zusammen mit der SKF @ptitude Observer Software als Teil eines umfassenden Systems zur Überwachung und Sicherung des mechanischen Zustands eines Schienenfahrzeugs genutzt.

Neben seiner Störungsfrüherkennungsfunktion generiert das Multilog IMx-R System von SKF automatische Hilfen zur Korrektur vorhandener und bevorstehender Zustände. Ferner werden auch last- und drehzahlabhängige Warn- und Alarmmeldungen automatisch ausgegeben, wodurch wiederum interne und externe Kommunikationsprozesse, die Datenverarbeitung zur automatischen Diagnose-erstellung und die Fehlerursachenanalyse in Gang gesetzt werden. Darüber hinaus können die vom System erfassten Daten von Instandhaltungsmanagement-systemen weiterverarbeitet werden, wo sie zur Terminierung und Planung von Ersatzteilen und Instandhaltungsaufträgen dienen und den Zugriff auf anwender-, system- und webbasierte Daten ermöglichen (Bild 2).

Vorteile der Zustands­überwachung
Für die Betreiber von Schienenfahrzeugen bietet eine effiziente Zustandsüberwachung viele Vorteile und ermöglicht nicht zuletzt auch eine Reduzierung der Instandhaltungsgesamtkosten. Diese kann dank Schadenfrüherkennung durch Einsparungen bei den Betriebskosten erzielt werden, da aufgrund der Optimierung der Wartungspläne der allgemeine Wartungsbedarf zurückgeht und damit auch die teuren wartungsbedingten Überstunden. Ferner ermöglicht die Zustandsüberwachung eine erhöhte Fahrzeugzuverlässigkeit und eine optimierte Ersatzteillogistik.

In der Praxis beinhaltet ein umfassendes Überwachungssystem die Kontrolle einer Reihe wichtiger Drehgestellkomponenten, wie Räder, Radsatzlager, Getriebe und Fahrmotor (Bild 3).

Radsatzüberwachung
Das Radsatzlagergehäuse kann mit einem SKF Axletronic Multifunktionssensorsystem (Bild 4) ausgerüstet werden, das die Radsatzbetriebsdaten an das SKF Multilog IMx-R-System weitergibt. Anhand dieser Daten wird der Radsatz­zustand einschließlich Flachstellen und der Radform festgestellt. In die Echtzeitberechnungen fließen auch die Drehzahlen der Radsatzwellen ein.

Anstelle von willkürlich festgelegten zeitabhängigen Wartungsplänen ermöglicht das SKF Multilog IMx-R-System eine viel kostengünstigere zustandsbasierte Radsatz­instandhaltung, wobei die Laufleistung der Radsätze optimiert wird, ohne dass die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit darunter leiden.

Radsatzlagerüberwachung
Seit Jahrzehnten werden Radsatz­lager mit gleisseitig montierten Temperatur- und Geräuscherkennungs-systemen überwacht, die lediglich stark verschlissene oder beschädigte Lager feststellen können. Sobald weiter fortgeschrittene Defekte festgestellt werden, müssen die Züge angehalten werden, damit die schadhaften Wagen ausgetauscht werden können. Dank SKF Multilog IMx-R gehören solche kostspieligen betriebsbedingten Verzögerungen der Vergangenheit an.

Die am Radsatzlagergehäuse eingebauten oder in das Radsatzlager integrierten Schwingungssensoren erfassen die dynamischen Frequenzen von Lagerelementen wie Rollen und Innenringlaufbahnen sowie von Zahnrädern. Das SKF Multilog IMx-R-System verarbeitet diese Daten zusammen mit Angaben über die spezielle Lagergeometrie und die Achsdrehzahl und ist so in der Lage, Lagerprobleme bereits in einem sehr frühen Stadium zu erkennen. Infolgedessen sind sowohl eine kostengünstigere Instandhaltungsplanung als auch optimierte Lagerlebenszyklen realisierbar.

Antriebssystemüber­wachung
Die Schwingungssensoren des SKF Multilog IMx-R-Systems können Fahrmotoren, Getriebelager und Zahnräder sowie Gelenkwellen und Kupplungen überwachen. Neben Schwingungsfrequenzen verarbeitet das System auch Drehzahl-, Last- und Getriebeübersetzungsdaten und erkennt so Unwuchten, Fluchtungsfehler, Wellendurchbiegungen, lose Teile, schadhafte Lager oder Getrieberäder und Resonanzen (Bild 5). Die Überwachung der Getriebeöltemperatur, des Ölstands und des Ölzustands kann in das System integriert oder aber als eigenständige Funktionseinheit betrieben werden.

Einsatzbeispiel: Die Metro von Barcelona
Das ausgedehnte Metronetz der Stadt Barcelona umfasst verschiedene Linien, auf denen die Metrozüge im Stadtzentrum unterirdisch und in den Vororten oberirdisch verkehren. Am 31. Juli 2010 verfügte das Metrosystem Barcelonas über sieben Linien mit 115 Stationen und ein Schienennetz von 103 Kilometer Länge.

Die Betreibergesellschaft Transportes Metropolitanos de Barcelona (TMB) entschied sich dafür, einige Drehgestelle von Wagen der Baureihe 5000 (Bild 6) bei verschiedenen Zügen mit einem Zustandsüberwachungssystem auszustatten (Bild 7). Diese hochmodernen Züge erreichen eine Höchstgeschwindigkeit von 80 Stundenkilometern und verfügen über eine Gesamtleistung von 2.000 Kilowatt. SKF steuerte seine Engineering-Kompetenz im Bereich Drehgestell-Zustandsüberwachung bei und lieferte die gesamte Ausrüstung, Hard- und Software sowie die erforderlichen Sensoren. Dabei überwachte SKF nicht nur den Einbau der Systemkomponenten, sondern führte auch die Inbetriebnahme durch. Das Dienstleistungspaket beinhaltet die Überwachung der Alarmmeldungen und eine periodische Berichterstattung über den Drehgestellzustand. Die Datenkommunikation erfolgt über UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Die in die Drehgestelle eingebauten Komponenten ermöglichen eine umfassende Überwachung der Drehgestell-Subsysteme einschließlich Getriebe, Fahrmotor, Kupplung und Radsatzlager sowie die Aufzeichnung der interaktiven Zustandsdaten zwischen Rad und Schiene im Hinblick auf die Entwicklung eines Algorithmus zur Erkennung einwandfreier Gleise.

Bei dieser speziellen Anwendung stand insbesondere die Überwachungsleistung hinsichtlich des Fahrmotors (Bild 8) und des Getriebes (Bild 9) im Vordergrund, wobei es um die Erkennung folgender Parameter ging:

  • Unwucht
  • Fluchtungsfehler
  • Achsdurchbiegung
  • lose Teile
  • Lagerschaden
  • Getrieberadschaden
  • Resonanzen.

Die Signale aller eingebauten Drehgestellsensoren werden zur bordseitigen Überwachungseinheit geleitet, die sie kontinuierlich verarbeitet und auswertet. Sobald eine Alarmerkennung erfolgt, gibt das System sofort eine Alarmmeldung aus. Ansonsten werden die Daten einmal täglich an einen Remote-Server übertragen, wo sie gespeichert und anschließend von den Spezialisten des SKF Zustandsüberwachungsservice mit Hilfe der @ptitude Observer Software analysiert werden. Über eine spezielle SKF Anwendungssoftware hat der Metrobetreiber Transportes Metropolitanos de Barcelona über das Internet ständig Zugriff auf die Drehgestellsignale.

Mit diesem System kann der Betreiber Transportes Metropolitanos de Barcelona seine Instandhaltungsarbeiten für die mit dem Online-Zustandsüberwachungssystem ausgerüsteten Drehgestelle entsprechend dem Zustand der Drehgestellausrüstung planen. Zusammengefasst wird das System

  • die Gesamtinstandhaltungs­kosten senken
  • die Betriebskosten dadurch reduzieren, dass Probleme schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkannt werden; dies ermöglicht eine optimierte Wartung zu einem geeigneten Zeitpunkt
  • die Stillstandszeiten der Fahr­zeuge verkürzen
  • die Zahl der wegen Wartung außer Betrieb gesetzten Züge vermindern
  • wartungsbedingte Überstunden reduzieren
  • die Zuverlässigkeit der Fahrzeuge erhöhen
  • eine optimierte Ersatzteillogistik ermöglichen.

Und so unterstützt die von SKF entwickelte Zustandsüber­wachungstechnologie die Schienenfahrzeugindustrie, indem sie einerseits die wachsenden Forderungen nach mehr Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit erfüllt und andererseits über die frühzeitige Erkennung von Ausfallrisiken bei wichtigen Komponenten die rechtzeitige Einplanung von Gegenmaßnahmen ermöglicht. Auf diese Weise werden Einsparungen bei den Instandhaltungskosten realisierbar macht.

@PTITUDE, AXLETRONIC und MULTILOG sind eingetragene Markenzeichen der SKF Gruppe

 

 

 

 

 

 

 

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