Ein neues Drehgestell-Überwachungssystem sorgt für mehr Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie geringere Lebensdauerkosten bei EisenbahnenNicht nur die Betreiber und Hersteller von Schienenfahrzeugen, sondern auch die Fahrgäste erwarten heute höchste Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, insbesondere für Reisezüge und Hochgeschwindigkeitszüge. Gleichzeitig müssen die Betreiber dank geringer Lebensdauerkosten den Güter- und Personenverkehr wettbewerbsfähig halten. Diese scheinbaren Gegensätze lassen sich vereinbaren. Die hochentwickelte Mechatronik von BoMo, dem SKF Überwachungssystem für Drehgestelle, trägt dazu bei.
Ins Radsatzlager integrierte Sensoren erfassen wichtige Betriebsdaten im Zentrum des mechanischen Systems. Mit modernster Signalanalyse und ausgefeilten Überwachungstechniken werden dann sicherheitskritische Zustände erkannt und Betriebsparameter aufgezeichnet. Anhand der über das Zugbussystem weitergeleiteten Daten werden Warnsignale ausgegeben und die Instandhaltung optimiert.

Entscheidende Bauteile
Wälzlager sind in jedem Schienenfahrzeug sicherheitsrelevante Bauteile. Sie müssen unter oft ungünstigen Betriebsbedingungen jahrelang ohne jede Wartung zuverlässig funktionieren. Als Antwort auf die gestiegenen Anforderungen der Kunden im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit hat SKF neue Lagereinheiten entwickelt. Diese Kegelrollenlagereinheiten “TBU” sind werkseitig vorgeschmiert und abgedichtet und damit einbaufertig. Weitere Funktionen im Lager (und damit im Drehgestell) erweitern das Konzept zu einem echten integrierten System. So können mit den in die Lagereinheit integrierten Sensoren auch die Betriebsparameter des Drehgestells bestimmt werden. Hochgeschwindigkeitszüge treten über lange Strecken in Europa, Nordamerika und Asien immer stärker in Konkurrenz zum Flugzeug.
Viele Züge der neuen Generation laufen mit SKF Lagern, denn die hochentwickelten SKF Sensorlagereinheiten werden auch mit den außerordentlich schwierigen Betriebsbedingungen in Eisenbahnanwendungen fertig. Zehntausende von Lagern mit unterschiedlichen Sensoren sind bereits im Einsatz: in den Pendolino-Neigezügen in Italien, Portugal, Slowenien und der Schweiz, in den italienischen Hochgeschwindigkeitszügen ETR 500 sowie in Lokomotiven in Italien und Polen und verschiedenen Nahverkehrszüge. In jeder einzelnen Anwendung ist die Sensorschnittstelle nach den Wünschen des Betreibers gestaltet.
Sensorlager sind sehr robust, denn sie kommen ohne empfindliche bewegliche Teile aus, und es müssen keine besonderen Toleranzen eingehalten werden. Die ursprüngliche SKF Entwicklung einer einbaufertigen Lagereinheit mit integriertem Drehzahlsensor wird seit 1991 im Reisezugverkehr eingesetzt. Natürlich wurden die Lagereinheiten in der Zwischenzeit weiterentwickelt, etwa mit Temperatursensoren. Sensorlagereinheiten sind in modernen Schienenfahrzeugen inzwischen Standard. Die SKF Sensorlager sind von der Union Internationale des Chemins de Fer (UIC) freigegeben.
Die heutigen Sensoren können auch Schwingungen überwachen. Alle Messdaten werden im leistungsfähigen Rechner- und Datensystem der BoMo-Drehgestell-Überwachung verarbeitet und ermöglichen so Zustandsüberwachung und Aufdecken von Störungen direkt im Zug. Es besteht also ein vollständiges mechatronisches System vom Radsatzlager über die Zugüberwachung bis zu den Steuersystemen.

Das BoMo Überwachungssystem erlaubt eine kontinuierliche Messung folgender Parameter:

• Zustandsüberwachung von Lager und Rad
• Drehgestell-Überwachung
• Erkennen von Entgleisungszuständen

Das Sensorkonzept
Die Sensoren auf einer kleinen Platine sitzen in einem Metallgehäuse, das auf das metallische Dichtungsteil geschraubt ist. Über ein robustes und besonders geschütztes Kabel läuft das Signal vom Sensorgehäuse zu einem Adapter am Enddeckel des Radsatzlagergehäuses. Über ein geschützt verlegtes Kabel werden die Signale zur Elektronikeinheit weitergeleitet. Diese Einheit wiederum überträgt die Daten digital zum Zugbus und damit zum Zentralrechner des Zuges.
Der Drehzahlsensor misst berührungslos die Veränderung des Magnetflusses im umlaufenden Impulsring. Aktive Sensoren unterschieden sich von passiven dadurch, dass sie eine externe Energiezufuhr benötigen. Je nach Vorgabe des Kunden können drei verschiedene Sensortypen eingesetzt werden:

• ein einzelner passiver Magnetwiderstand mit Ohm´scher Veränderung mit sinusförmigen Signal;
• ein aktiver Vollbrücken-Magnetwiderstand, bei dem die Strommodulation mit rechteckigem, digitalem Signal erfolgt;
• ein aktiver Vollbrücken-Magnetwiderstand mit Spannungsmodulation mit rechteckigem, digitalem Signal.

Mit einem zusätzlichen Schaltkreis mit einem doppelten passiven Magnetwiderstand oder einem doppelten Vollbrücken-Magnetwiderstand kann auch die Drehrichtung gemessen werden. Die gemessene Drehzahl dient in verschiedenen Systemen als Eingangssignal. Beim Anti-Schlupf-System steuert sie die Zug- und Bremskraft, damit das Fahrzeug mit optimaler Leistung fährt und der Verschleiß von Rad und Schiene gering bleibt. Bei der automatischen Zugsteuerung (ATC) liefert der Sensor Informationen über die Drehzahl und Drehrichtung. Das ATC empfängt von einer Leitung im Gleisbett Funksignale und entnimmt daraus die zulässige Höchstgeschwindigkeit für den jeweiligen Streckenabschnitt. Die Geschwindigkeit des Zuges wird dann entsprechend geregelt. SKF Sensoren erfüllen die hohen Anforderungen der Behörden in bezug auf die Erfassung von Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Fahrzeugs.
Drehzahlsensoren liefern das Signal für Geschwindigkeits- und Positionierungs-Erfassungssysteme.
In einem Drehgestell-Überwachungssystem mit den neuen SKF Sensoren greifen auch die Algorithmen zur Schwingungsanalyse, die den Zustand von Wälzlager und Rad bestimmen, auf das Drehzahlsignal zurück.
Die Messung der Lagertemperatur erfolgt durch einen Temperatursensor, der auf derselben Platine aufgenommen wird wie der Sensor für Drehzahl und Drehrichtung. So kann die Lagertemperatur direkt gemessen werden. Da der Messpunkt nah am Lager liegt, wird die Temperatur genauer bestimmt als mit den üblichen Heißläuferortungsanlagen, an denen die Wagen vorbeilaufen.
SKF hat ein neues Konzept für einen Schwingungssensor entwickelt, der auch axiale und vertikale Beschleunigungen aufnimmt. Das verarbeitete Schwingungssignal ist praktisch wie ein Fingerabdruck des Betriebszustands eines Lagers. So lassen sich Fehler und Verschleiß wesentlich früher entdecken, als das mit der herkömmlichen Temperaturmessung allein möglich wäre. Das frühzeitige Erkennen solcher Zustände bereits vor dem Ausfall hilft, die Instandhaltung besser zu organisieren und unplanmäßigen Stillstand zu verhindern.
Die Schwingungsüberwachung beschränkt sich nicht allein auf das Lager: Unrundheit und Flachstellen an der Lauffläche des Rades können online festgestellt werden, was bedeutet, dass die Räder seltener periodisch überprüft werden müssen. Die laufende Überwachung an Bord des Zuges bietet zudem dadurch größere Sicherheit, weil sofort die Gefahr erkannt wird, wenn ein Radsatz nicht mehr in den Schienen läuft.

Zustandsüberwachung
Das BoMo-System ist aus der Zusammenarbeit von SKF und der schweizerischen Sécheron entstanden. Sécheron hat große Erfahrung in der Lieferung von elektronischen Geräten zur Datenerfassung und –speicherung und zur Verarbeitung von sicherheitsrelevanten Daten in Eisenbahnwaggons. Die Analysealgorithmen umfassen Datenverarbeitung, Filter, Hüllkurventechnik und anpassungsfähige Analyseverfahren. Jeder der Analysealgorithmen des Systems deckt dabei einen bestimmten Aspekt der Zustands- und Betriebsparameter von Lagern, Radsatz und Drehgestell ab. Diese Drehgestell-Überwachung ermöglicht auch eine laufende Überwachung kritischer Teile im Betrieb, ein großer Fortschritt in der Sicherheitstechnik.
Ein wichtiger Aspekt des Systems ist die Datenverwaltung, also die kurz- und langfristige Speicherung relevanter Daten. Auch eine “Black Box” ist möglich, also der zuverlässige Schutz der Daten vor Zerstörung beispielsweise durch Feuer. Verschiedene Protokolle stellen die ungehinderte Kommunikation der einzelnen Geräte untereinander und die Verfügbarkeit von Signalen auch für andere Fahrzeugfunktionen (etwa das Anti-Schlupf-System) sicher.
In Abstimmung mit dem Systemniveau und den vom Kunden für das Drehgestell-Überwachungssystem definierten Kriterien werden Statusanzeigen und Warnsignale für die jeweiligen Betriebsbedingungen ausgegeben. Eine Warnung bei einem weitreichenden, möglicherweise gefährlichen Fehler oder Ausfall wird dann direkt an das Zugsteuerungssystem weitergeleitet, das sofort den Treibfahrzeugführer alarmieren kann. Allgemeine Statusanzeigen und Zustandsparameter werden online dem Diagnosesystem zugeleitet und in der Instandhaltungs-Datenbank gespeichert. So wird die Instandhaltung für jedes einzelne Fahrzeug optimal anhand seines Zustands geplant, was geringere Kosten über die gesamte Lebensdauer bedeutet.

Gottfried Kure
SKF Österreich AG, Steyr, Österreich
und John Skiller,
SKF Engineering & Research Centre B.V. (ERC), Nieuwegein, Niederlande