Projekte

Zustandsüberwachung von Eisenbahnschienen

Ausgangssituation

Die Überwachung und Instandhaltung der Schieneninfrastruktur stellt für Streckenbetreiber heute eine technologische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Schäden müssen frühzeitig erkannt, überwacht und notwendige Instandhaltungsmaßnahmen rechtzeitig und kosteneffizient geplant und durchgeführt werden. Dabei darf der laufende Bahnbetrieb möglichst wenig gestört oder eingeschränkt werden. Um den komplexen Prozess der Schieneninstandhaltung zu optimieren, ist zunächst eine Erfassung des Ist-Zustandes der Gleisanlagen notwendig, an die sich eine dauerhafte Zustandsüberwachung anschließt. Solche Messungen werden heute üblicherweise durch Gleismesszüge durchgeführt, die überwiegend mit optischer Videoanalyse sowie Wirbelstrom- und Ultraschalltechnik arbeiten. Dabei werden neben Fehlern in den Schienen auch Geometriedaten sowie Informationen über den Gleisober- und unterbau gesammelt. Der Betrieb von Schienenmesszügen ist jedoch kostenintensiv und beeinträchtigt den laufenden Bahnbetrieb. Zudem existiert nur eine geringe Anzahl solcher Spezialzüge.

Abb. 1: Design des Hohlwellensystems zur akustischen Diagnose des Schienenzustandes.

Aufgabe

Um den komplexen Instandhaltungsvorgang für die Schieneninfrastruktur in Europa zu verbessern, haben sich im Rahmen des 7. Forschungs-Rahmenprogramms der Europäischen Kommission zehn Partner zum Projekt ACEM-Rail (Automated and Cost-Effective Maintenance for Railway) zusammengeschlossen. Aufbauend auf einer Ist-Zustandsanalyse der Gleisanlagen mit anschließender Zustandsüberwachung soll dabei der gesamte Prozess der Planung und Durchführung von präventiver und korrektiver Instandhaltung analysiert und optimiert werden. Dies soll zunächst exemplarisch bei einer Privatbahngesellschaft in Süditalien (Ferrovie del Gargano) erfolgen. Ziel des seit 2011 laufenden und auf drei Jahre angelegten Projekts ist eine Reduktion der Kosten und der Einwirkung von Instandhaltungsmaßnahmen auf den laufenden Bahnbetrieb. Weiterhin wird eine Verbesserung der Qualität, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit des Schienennetzes angestrebt. Das Fraunhofer IZFP entwickelt im Projekt neue innovative Lösungen zur Inspektion und Zustandsüberwachung von Eisenbahnschienen. Die damit erzielten Daten dienen als Grundlage für die Planung und Optimierung der Instandhaltungsmaßnahmen.

Abb. 2: Integration des Hohlwellensystems in die Radsatzwelle.

Durchführung

Das in den zurückliegenden Jahren im Fraunhofer IZFP, Institutsteil Dresden, entwickelte Hohlwellenprüfystem wurde ursprünglich zur Detektion von Fehlstellen im Radsatz ausgelegt. Dabei wird der am Rad-Schiene-Kontakt entstehende und in das Rad abgestrahlte hochfrequente Körperschall durch die in der Hohlwelle angebrachten akustischen Sensoren detektiert und analysiert. Im ACEM-Rail-Projekt soll das Hohlwellensystem erstmalig zur Charakterisierung der Schiene selbst verwendet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass der durch den Rad-Schiene-Kontakt erzeugte Körperschall einerseits direkt von der Oberflächenbeschaffenheit der Schiene abhängt, andererseits aber auch mit Fehlern im Inneren der Schiene wechselwirkt und durch Reflexion wieder durch die Radscheibe zur Hohlwelle läuft. Ein mitgeführter Beschleunigungsaufnehmer nimmt zusätzlich auch niederfrequente Signalanteile auf und ermöglicht somit Aussagen über den Zustand des Schienenunterbaus. Das System ist nicht auf spezielle Schienenmesszüge angewiesen, sondern kann in Hochgeschwindigkeitszügen wie dem ICE mitfahren und regelmäßig Daten über den Streckenzustand erfassen.

Abb. 3: Eisenbahnschiene mit markiertem Oberflächenfehler.

Während Volumenfehler im Schienenkopf zuverlässig von Ultraschallverfahren detektiert werden können, werden oberflächennahe bzw. -verbundene Fehler heute meist mit Wirbelstromtechnik geprüft. Dabei kann es jedoch zu Problemen durch Abhebeffekte (Lift-offs) kommen. Außerdem lassen sich bestimmte Risslagen und -geometrien nur schwer oder gar nicht detektieren. Aus diesem Grunde entwickelt das Fraunhofer IZFP Saarbrücken im Rahmen von ACEM-Rail ein neues induktionsbasiertes Thermographiesystem. Dabei wird das durch Wirbelströme rund um den Fehler erzeugte Temperaturfeld durch eine Infrarotkamera aufgezeichnet und mithilfe einer geeigneten Software ausgewertet. Das System lässt sich prinzipiell auch bei hohen Zuggeschwindigkeiten betreiben. Es arbeitet zudem bildgebend und kontaktlos und ist in der Lage, nicht nur das Vorhandensein von Rissen, sondern auch deren Orientierung zu ermitteln.

Abb. 4: Thermographiebild mit zwei hellen Rissanzeigen (von der gegenüberliegenden Seite aufgenommen).

Ergebnisse

Beide beschriebenen Prüfsysteme befinden sich ein Jahr nach Projektbeginn noch in der Entwicklung. Es liegen aber bereits funktionsfähige Demonstratoren und erste Laborergebnisse vor. Im Frühjahr/Sommer 2012 werden die Systeme auf der Siemens-Teststrecke in Wegberg-Wildenrath sowie auf der Ferrovie del Gargano-Stammstrecke zwischen San Severo und Peschici ersten Praxistests unterzogen. In Italien sollen anschließend auch die für die Instandhaltungsplanung relevanten Messungen durchgeführt werden. Dabei wird die Strecke mehrfach durchfahren, um zeitabhängige Änderungen des Messsignals zu erfassen und aus den Differenzen Schlüsse über den strukturellen Zustand der Strecke zu ziehen.

Industriepartner

  • Cemosa
  • Fraunhofer IZFP
  • Fraunhofer IVI
  • Siemens
  • DMA
  • Optimal
  • Tecnomatica
  • ScanMaster
  • Universitäten Neapel, Turin, Sevilla