Zustandsüber­wachung im Gleis

Großbritanniens größter Betreiber von Schienenfahrzeugen, Govia Thameslink Railway (GTR), hat ein von SKF entwickeltes Zustandsüberwachungssystem installiert. So werden ungeplante Wartungsstillstände und damit verbundene Störungen im Schienenverkehr weitgehend vermieden.

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Ausschlaggebend um einen reibungslosen Schienenverkehr aufrecht zu erhalten und kostspielige ungeplante reparaturbedingte Stillstände zu vermeiden, ist die Instandhaltung. Das weiß jeder Betreiber von Schienenfahrzeugen. Für einen zuverlässigen Bahnbetrieb und die Sicherheit von Passagieren und Personal sind Inspektionspläne und reagierende Wartungsroutinen unverzichtbar.

Die Zustandsüberwachung hat sich bereits in anderen Branchen als Schlüsseltechnologie bewährt, um Instandhaltungskosten zu reduzieren und durch frühzeitige Erkennung von potenziellen Lagerausfällen die Instandhaltungsintervalle zu verlängern. Mit SKF Insight Rail hat SKF ein Zustandsüberwachungssystem entwickelt, das speziell auf die besonderen Bedingungen der Bahnindustrie zugeschnitten ist.

Ivan Rochford, der bei SKF als Leiter Zustandsüberwachung Schienenfahrzeuge für Europa tätig ist, erklärt dazu: „Die Bahnindustrie gilt als letzte Grenze der Zustandsüberwachung. Die Komplexität der herkömmlichen Messsysteme war bisher ein Hindernis für die Akzeptanz der Technologie.“

SKF hat diese Grenze mit einer drahtlosen Lösung durchbrochen. Mit ihr lassen sich komplette Schienenfahrzeugflotten in kürzester Zeit problemlos ausrüsten. Zustandsüberwachung ist bei Schienenfahrzeugen durch die besonders hohe Stoß- und Schwingungseinwirkung eine besondere Herausforderung. Wie diese Technologie von der Branche angenommen wird, „hängt im Wesentlichen davon ab, ob ein Produkt für Bahnanwendungen ausreichend robust, montage- und benutzerfreundlich ist. Ein bereits vorhandenes Erzeugnis an Schienenfahrzeuge anzupassen, ist einfach keine Option“, meint Rochford.

Govia Thameslink Railway

Govia Thameslink Railway (GTR), der größte Bahnbetreiber Großbritanniens, ist ein Tochterunternehmen von Govia, dem Betreiber der Linien Gatwick Express, Great Northern und Southern. Govia ist ein Joint-venture zwischen der Go-Ahead Group und Keolis. GTR übernahm den Betrieb im September 2014. Vor der Pandemie stand GTR mit 341 Millionen Personenbeförderungen pro Jahr und der Verwaltung von 239 Bahnhöfen für 19 Prozent des gesamten Schienenpersonenverkehrs. Die vier Bahnbetreiber von Govia beschäftigen insgesamt 7.000 Mitarbeiter. Das Unternehmen hat gerade ein Investitionsprogramm in Höhe von zwei Milliarden GBP abgeschlossen, das unter anderem die Anschaffung von 1.500 neuen Wagen und die Einführung von Triebwagen der Klasse 700 auf den Linien Thameslink und Great Northern umfasst.

Instandhaltungsprobleme

In Großbritannien testete SKF das neue Zustandsüberwachungssystem erstmals, als GTR mit seiner vielfältigsten und kapazitätsstärksten Flotte vor Problemen stand. Diese Flotte ist das Rückgrat des Bahnverkehrs in Südostengland. Ein Großteil der Schienenfahrzeuge verkehrt täglich im Stromschienenbetrieb.

Der Bahnmarkt steht vor neuen wichtigen Herausforderungen. SKF ist bereit, sie anzunehmen.
Daniele Santomassimo, Wirtschaftsingenieur bei SKF

Peter Cooper, Ingenieur bei GTR, erläutert: „GTR versucht seit vielen Jahren drohende Lagerausfälle mit herkömmlicher Lagerüberwachung abzuwenden. Trotzdem gab es eine Reihe von kritischen Zwischenfällen. Ein Fahrzeug war sogar einige Monate wegen Reparaturarbeiten außer Betrieb.ׅ“

Glücklicherweise nahm GTR 2017 an den ersten Feldversuchen mit SKF Insight Sensoren teil. „GTR ist in Großbritannien als zukunftsorientierter Bahnbetreiber bekannt, der gerne in Technologie investiert, um die Effizienz und Zuverlässigkeit seiner Flotte zu verbessern“, sagt Daniele Santomassimo, Wirtschaftsingenieur bei SKF. Er arbeitete beim Einbau des Zustandsüberwachungssystems eng mit GTR zusammen.

Eine Radachse wird zum Austausch eines schadhaften Lagers ausgebaut. Der Lagerschaden wurde von einem Insight Rail Sensor entdeckt.

Lösung für die Herausforderungen des Stromschienenbetriebs

Der Einbau des Zustandsüberwachungssystems SKF Insight Rail in die Schienenfahrzeuge von GTR war besonders schwierig, weil Londons S-Bahnen über eine Stromschiene mit Elektrizität versorgt werden. Dadurch entsteht ein aggressives elektromagnetisches Umfeld, in dem die Sensoren des Systems funktionieren müssen.

Ivan Rochford erinnert sich: „Welche Auswirkungen die Stromschiene auf den Betrieb unserer Sensoren haben würde, hatten wir so nicht vorausgesehen. Das durch die Stromschiene bedingte Magnetfeld löste die Magnetschalter der Sensoren aus. Da der Sensorbetrieb über Akku erfolgt, ist die Zahl der Kommunikationsversuche bewusst auf ein Minimum reduziert. Aber die magnetischen Störquellen bewirkten, dass alle Sensoren mit dem Server kommunizierten. Die Folge war, dass sich die Akkus entleerten. Nach kurzer Zeit fielen sämtliche 32 Sensoren aus. Es war ein Desaster.“

SKF tat alles, um eine Lösung zu finden, und sprach das Problem offen an. Die beiden Unternehmen arbeiten schon seit einigen Jahren bei Montage und Demontage von Lagern zusammen und haben eine gute Beziehung aufgebaut. Der Weg war rasch gefunden: Die magnetische Aktivierung wurde durch eine Nahfeld-Kommunikationstechnik (NFC = Near Field Communication) ersetzt. „Sie ähnelt dem kontaktlosen Mechanismus, der für Kartenzahlungen benutzt wird. Alle Sensoren waren innerhalb von nur sechs Wochen ausgetauscht. Dann konnte der Versuch wieder aufgenommen werden“, sagt Rochford. Nach erfolgreichem Abschluss der Testphase begann der vollumfängliche Einbau des Systems. Inzwischen sind über 1.000 Sensoren installiert.

Über eine App auf ihrem iPad verbinden Bediener die Sensoren mit dem jeweiligen Einbauort.

Vorteile des Systems

„Der Vorteil ist, dass wir die Sensoren in Kombination mit der herkömmlichen Lagerüberwachung einsetzen können“, stellt Cooper fest. „Wir haben an den meisten kritischen Stellen der Flotte Sensoren eingebaut, die eine Fehlerwahrscheinlichkeitsanalyse ermöglichen. Sie lassen sich schnell und einfach installieren und in Betrieb nehmen. Angesichts der 5.536 Achsenden bei GTR muss der Einbau rasch gehen. Wenn bei der herkömmlichen Lagerüberwachungein Lager als defekt erkannt wird, bringen wir die SKF Insight Sensoren an diesem Drehgestell an. Das gibt uns eine gewisse Sicherheit, dieses Schienenfahrzeug in Betrieb halten zu können. Wenn SKF identifiziert hat, welcher der vier Radsätze fehlerhaft ist, können wir die Instandsetzung des Fahrzeugs proaktiv planen ohne dabei die Verfügbarkeit der Flotte zu beeinträchtigen.“

Zu den weiteren Vorteilen der Zustandsüberwachung gehört auch ein besseres Verständnis für die verschiedenen Arten von Lagerdefekten, erklärt Daniele Santomassimo: „Wenn die Fehlermodi klar sind, können anwendungsspezifische Konstruktionsänderungen entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit des Radsatzes zu erhöhen“, sagt er. „Stromdurchgang gilt als eine der Hauptfehlerquellen und ist ein wohlbekanntes Phänomen in der Branche.“

Kurzfristig lassen sich Einsparungen hauptsächlich durch verbesserte Materialbestellungen und weniger ungeplante Wartungsmaßnahmen erzielen. Langfristig wird der Kunde außerdem die Betriebskosten der Schienenfahrzeuge mit einem zustandsbasierten Instandhaltungsplan minimieren können. Santomassimo betont jedoch: „Der wichtigste Teil der Einsparungen besteht meiner Ansicht nach darin, dass man einen wesentlichen Teil der Flotte kontinuierlich überwachen kann, um ungeplante Stillstände zu eliminieren und die Verfügbarkeit der Züge zu erhöhen.“

SKF Insight Rail

SKF Insight Rail ist ein drahtloses batteriegetriebenes Zustandsüberwachungssystem für Drehgestelle von Personenzügen. Ein Fernüberwachungsdienst zur Identifizierung von Lagerdefekten ist Bestandteil des Systems.

Die Sensoren für Temperatur- und Schwingungsmessungen lassen sich in weniger als einer Minute am vorderen Gehäusedeckel eines Radsatzlagers montieren. Es muss lediglich eine der Befestigungsschrauben des Gehäusedeckels entfernt werden. An dieser Stelle lässt sich der SKF Insight Sensor mit einer 20 Millimeter längeren Schraube anbringen. Der Sensor ist ein unabhängiges Bauteil, weswegen keine weiteren Ausrüstungskomponenten oder Zubehörteile erforderlich sind. Die Datenübermittlung an den SKF Cloud-Server erfolgt über Mobilfunk.

Das System misst Schwingungen und Temperatur. Die Schwingung ist ein wesentlicher Parameter für die frühzeitige Erfassung von Lagerschäden. Wird das Lager erst einmal heiß, steht ein Ausfall kurz bevor. Die von den Sensoren übertragenen Daten werden automatisch nach Anzeichen für Lagerschäden durchsucht. Bei einer Schwingungsanalyse werden die Daten ausgewertet, um die erfassten Abweichungen zu verifizieren. Liegen Symptome für einen Schaden vor, wird für den Kunden ein Bericht mit Diagnose und Handlungsempfehlungen erstellt.

Das Produkt wurde Ende 2017 eingeführt und anschließend bei Kunden in Schweden, Spanien, Italien und Russland umfassend getestet. Inzwischen ist es in über 25 Ländern auf drei Kontinenten im Einsatz und wurde bisher in 28 verschiedenen Zugklassen eingebaut.

Das Benutzer-Dashboard ermöglicht Bedienern einen einfachen und raschen Datenzugriff.

Die Zukunft

GTR untersucht zurzeit die Möglichkeit, eine weitere Bahnflotte mit SKF Insight auszurüsten. „Der Stromschienenbetrieb ist eine harte Bewährungsprobe für Lager“, weiß Cooper aus Erfahrung. „Wir müssen in unserer Branche nicht nur bei der Überwachung von Lagern besser werden, damit wir ihren Zustand erkennen, bevor ein schwerwiegender Störfall eintritt, sondern auch darin, Lösungen für eine Verlängerung ihrer Lebensdauer zu konzipieren.“

Santomassimo fügt hinzu, seit der Corona-Pandemie habe sich der Druck auf Bahnbetreiber in Großbritannien erhöht. Man erwarte von ihnen, dass alle ihre Bahnflotten einen zuverlässigen, pünktlichen und kostengünstigen Service bereitstellen. „Der Bahnmarkt steht vor neuen wichtigen Herausforderungen. SKF ist bereit, sie anzunehmen.“