Optimierung von Gleit- und Schleuderschutz mittels Infrarotthermografie zur Vermeidung von Radschäden:

	Foto: Optimierung von Gleit- und Schleuderschutz mittels Infrarotthermografie zur Vermeidung von Radschäden bei Schienenfahrzeugen

Entscheidend für günstige Betriebskosten eines Schienenfahrzeugrades ist eine möglichst lange Maßhaltigkeit und Unversehrtheit von Spurkranz und Lauffläche. Die Beseitigung von auftretenden Laufflächenschäden, welche durch hohe Temperaturen in der Kontaktzone zwischen Rad und Schiene entstehen, durch Nachprofilierung hat einen hohen Durchmesserverlust und infolgedessen hohe Kosten durch eine reduzierte Lebensdauer des Rades zur Folge. Das Einsparungspotential in diesem Bereich wird vom Autor als sehr bedeutungsvoll beurteilt. Im Vergleich dazu haben Verwalzungen, also das Fließen von Material aufgrund von hohen Kräften, und der abrasive Verschleiß eine eher untergeordnete Bedeutung.

Sowohl der abrasive Verschleiß, als auch die Entstehung von Laufflächenschäden durch Wärmespannungen sind eng mit den auftretenden Reibkräften bzw. Reibleistungen verbunden. Diese Reibung zwischen Rad und Schiene erzeugt Wärme, welche mit einem Thermografiesystem gemessen und visualisiert werden kann.

Die Infrarot- Thermografie bietet buchstäblich die Möglichkeit die Verschleiß erzeugenden Reibungsvorgänge sichtbar zu machen. Dies ist während dem normalen Fahrbetrieb möglich und so können die kritischen Fahrzustände erkannt und gezielt bekämpft werden. In der Folge ist eine fahrzeugspezifische Optimierung, beispielsweise am Gleit- und Schleuderschutz möglich und sinnvoll.

Hier soll näher auf die vielfältigen Möglichkeiten und Vorteile der Infrarot- Thermografie gegenüber herkömmlichen Messmethoden bei der Untersuchung des Rad- Schiene- Kontakts eingegangen werden.
 

Was kann mittels Thermografie detektiert werden?

Mit Hilfe der Infrarot- Thermografie können alle Vorgänge bzw. Fahrzustände erkannt werden, die zu einer messbaren Erwärmung an der Radoberfläche führen. Wie beispielsweise:

* Schlupf
* Radstillstand beim Bremsen
* Spurkranzkontakt
* Torsionsschwingungen in den Radsatzwellen
* Mehrpunktberührung

Im Folgenden soll auf die einzelnen Punkte näher eingegangen werden.
(Patentrechtlich geschützt: Patent A.Nr.: A 1621/2005)

Schlupf

Zur Übertragung von Reibungskräften zwischen Rad und Schiene ist ein gewisser Schlupf unbedingt notwendig. Dieser Schlupf ist aber auch verantwortlich für den Verschleiß der Räder. Bei starkem Schlupf wird das Rad durch die eingebrachte Reibleistung lokal erwärmt. Diese Erwärmung kann mit Hilfe der Infrarot- Thermografie erkannt werden. Dabei kann noch während der Testfahrt zwischen verschleißkritischer Erwärmung in speziellen Fahrzuständen und normaler Erwärmung unterschieden werden. Sind die kritischen Fahrzustände erst einmal bekannt, können sie gezielt bekämpft, und so der Verschleiß der Räder deutlich reduziert werden.

Abb. 6.1 zeigt eine Messung, bei der eine deutliche Raderwärmung durch Schlupf beim Anfahren eines Schienenfahrzeugs auftritt. Die rote Linie im Diagramm stellt den zeitlichen Verlauf der momentanen Spitzentemperatur am Rad dar. Die gelbe Linie die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs über Grund und die blaue Linie die Umfangsgeschwindigkeit des getriebenen Rades. Deutlich ist zu erkennen, dass das Rad in drei Geschwindigkeitsbereichen durchdreht. Dabei erwärmt sich die Radoberfläche vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr stark. Die Erwärmung durch den lange anhaltenden Schlupf bei höherer Geschwindigkeit ist vergleichsweise gering und führt daher in der Regel nicht zu Radschäden.

Abb. 6.3 zeigt Einzelbilder aus einem Thermovideo der oben dargestellten Anfahrt. Die roten und weißen Flächen an der Lauffläche sind die erwärmten Bereiche. Abb. 6.2 zeigt, zum besseren Verständnis der Thermogramme, eine Fotografie und ein Thermogramm des untersuchten Rades. Das Thermografiesystem ist, in Fahrtrichtung hinter dem Rad am zweiten Triebdrehgestell, nachlaufende Achse am Drehgestellrahmen montiert. Über einen IR– Spiegel wird die Radlauffläche nahe am Aufstandspunkt „abgetastet“. Das Thermogramm ist daher seitenverkehrt dargestellt.
 

Die Dynamik der Vorgänge am Rad ist hier leider nur schwer wiederzugeben. Daher liegt dieser Arbeit ein Datenträger bei, auf dem sich dieses und einige andere Thermovideos befinden.
 

Abb. 6.4 zeigt eine Messauswertung einer Vollbremsung. Sobald der Bremsschlupf einen gewissen Wert erreicht, greift der Gleitschutz ein, löst die Bremse etwas und die Umfangsgeschwindigkeit des gebremsten Rades (blau) nähert sich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs über Grund wieder an. (gelb) Dies ist im Diagramm gut zu erkennen. Der Gleitschutz scheint also wie erwartet zu arbeiten. Trotzdem kommt es zu starken Erwärmungen des Rades, welche mittels Thermografie messbar sind. Das Thermografiesystem ist, in Fahrtrichtung hinter dem Rad am Laufdrehgestell, nachlaufende Achse am Drehgestellrahmen montiert. Es wird über einen IR– Spiegel aufgezeichnet. Das Thermogramm ist daher seitenverkehrt dargestellt.
 

Abb. 6.5 zeigt einen mit dem Rad mitdrehenden, heißen Bereich, der durch erhöhten Bremsschlupf entstanden ist.
 

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Torsionsschwingung

Aufgrund ihrer Konizität laufen die Räder eines Radsatzes bei seitlicher Verschiebung auf unterschiedlichen Rollradien. Durch die Steifigkeit der Radsatzwelle wird die Drehzahl beider Räder konstant gehalten. Der Radsatz versucht die Rollradiendifferenz auszugleichen und zentriert sich selbständig im Gleis. Der so genannte Sinuslauf entsteht. Dabei wird die Radsatzwelle wechselnd auf Torsion belastet und somit zum Schwingen angeregt. Die Schwingung wird über die Räder in die Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene geleitet, wo sie sich als Gleitschwingung zwischen Rad und Schiene zeigt. Die Kontaktfläche erwärmt sich durch die eingebrachte Reibleistung und diese Erwärmung kann mittels Infrarot- Thermografie gemessen werden.
 

Abb. 6.6 zeigt eine Auswertung eines Anfahrvorganges. Die Torsion der Radsatzwelle (rosa) wurde mittels Dehnmessstreifen gemessen und gemeinsam mit der Umfangsgeschwindigkeit des Rades (blau) und der Maximaltemperatur am Rad (rot) dargestellt. Die Schwingungen werden fast zeitgleich mit erhöhtem Anfahrtsschlupf gemessen. Es erscheint in dieser Darstellung unklar, ob die Erwärmungen durch Schlupf oder Schwingungen entstehen. Im Thermovideo sind die Erwärmungen durch Torsionsschwingungen aber deutlich von der Erwärmung durch Anfahrtsschlupf unterscheidbar. Sie zeigen sich als länger andauernde, leicht schwingende Erwärmungen über den ganzen Radumfang.
 

Das Thermografiesystem ist, in Fahrtrichtung hinter dem Rad am Triebdrehgestell, nachlaufende Achse am Drehgestellrahmen montiert.

Abb. 6.8 zeigt eine Auswertung einer Vollbremsung. In den Radsatzwellen werden starke Torsionskräfte gemessen. Auch im Thermovideo sind die Erwärmungen durch Torsionsschwingungen zu erkennen und von der Erwärmung durch Bremsschlupf unterscheidbar. Das Thermografiesystem ist, wie schon im Kapitel Bremsschlupf beschrieben, in Fahrtrichtung hinter dem Rad am Laufdrehgestell, nachlaufende Achse am Drehgestellrahmen montiert. In den Thermogrammen zeigen sich die Torsionsschwingungen als länger andauernde Erwärmung über den Radumfang. Das zugehörige Thermovideo befindet sich am beigefügten Datenträger.

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Spurkranzkontakt

Wird das Thermografiesystem seitlich vom zu untersuchenden Rad montiert, so kann die Spurkranzflanke untersucht werden. Wenn der Spurkranz an der Schienenflanke anläuft, wird durch die vorhandene Relativgeschwindigkeit Reibleistung in den Spurkranz eingebracht und dieser erwärmt. Diese Erwärmung kann gemessen werden. Vermehrt auftretendes Anfahren des Spurkranzes führt zu vermehrtem Spurkranzverschleiß.

Abb. 6.11 zeigt ein Beispiel einer Spurkranzuntersuchung der Wiener Niederflurstraßenbahn ULF. Dieses Fahrzeug hat Einzelfahrwerke, ohne Radsatzwellen. Es wird die Spurkranztemperatur des linken (rot) und des rechten (blau) Rades verglichen. Die Temperatur des linken Spurkranzes ist deutlich höher als die des rechten. Dies rührt daher, dass das gemessene Fahrzeug mit dem linken Spurkranz an die Schienenflanke anfährt und sich lange nicht mehr lösen kann. Ein Sinuslauf, wie er bei Fahrzeugen mit starrer Radsatzwelle üblich ist, ist beim ULF aufgrund der fehlenden Radsatzwelle nicht gegeben. Mit Hilfe der Infrarot-Thermografie wird dieses Fahrverhalten, das für einen erhöhten Spurkranzverschleiß verantwortlich ist, auf eindrucksvolle Weise erkennbar gemacht.

Abb. 6.12 zeigt zwei Thermogramme eines untersuchten Spurkranzes. Das rechte Bild zeigt die Erwärmung des anfahrenden Spurkranzes. (roter Streifen) Im linken Bild läuft der Spurkranz nicht an, er ist im Thermogramm hellblau dargestellt. Das zugehörige Thermovideo befindet sich am beigefügten Datenträger.
 

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Radstillstände beim Bremsen

In den aufgenommenen Echtzeit- Thermovideos ist auch das Blockieren eines bremsenden Rades zu erkennen. Dies wäre allerdings auch mit einer „normalen", im sichtbaren Bereich arbeitenden Videokamera möglich. Die Auswirkungen sind allerdings nur im Thermovideo eines Thermografiesystems zu erkennen.

Abb. 6.13 zeigt die Auswertung eines Thermovideos, das während einer Vollbremsung aufgenommen wurde. Im Diagramm sind Radstillstände, die im Thermovideo erkennbar sind, markiert. (türkis) Die Radstillstände stimmen gut mit der gemessenen Umfangsgeschwindigkeit des Rades (blau) überein. Vor allem der erste Radstillstand führt zu einer deutlichen Erwärmung. Diese Erwärmung wirkt im Falle eines Radstillstandes auf eine sehr kleine Fläche am Rad ein, die rundum von kaltem Radmaterial umgeben ist und dadurch sehr wirkungsvoll gekühlt wird. Hier können daher besonders große Wärmespannungen entstehen. 

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Mehrpunktberührung

Bei verschlissenem Rad- und/oder Schienenprofil kann es zu Mehrpunktberührung zwischen Rad und Schiene kommen. Aufgrund der Konizität der Lauffläche, läuft ein Rad dabei auf unterschiedlichen Rollradien, was zu Schlupf und Verschleiß führt.
Abb. 6.14 zeigt eine Bilderserie einer Zweipunktberührung während der Anfahrt eines Schienenfahrzeuges.

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Abb. 6.15 zeigt eine Auswertung einer Anfahrt eines Schienenfahrzeugs. Deutlich ist die Erwärmung durch Anfahrtsschlupf zu erkennen. Dass dabei auch eine Zweipunktberührung vorliegt, ist nur im zugehörigen Thermovideo erkennbar.

Abb. 6.16 zeigt ebenfalls eine Bilderserie einer Zweipunktberührung. Diesmal während einer Vollbremsung. Das Rad blockiert dabei kurz, während es die Schiene in zwei Punkten berührt. Die heißen Stellen sind deutlich erkennbar.

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Vorteile

* Echtzeit- Messverfahren
* bildgebend
* nicht nur Ursache, sondern Auswirkung auf das Rad erkennbar

Ein großer Vorteil der Infrarot-Thermografie ist, dass es sich in der hier verwendeten Form um ein Echtzeit Messverfahren handelt. Das heißt, dass noch während der Messfahrt die Ergebnisse zur Verfügung stehen. Dies erlaubt die genaue Zuordnung des Wärmebildes eines untersuchten Rades zum aktuellen Fahrzustand und dadurch eine sehr einfache und zielführende Möglichkeit die kritischen Fahrzustände, welche zu besonders hohen Temperaturen und somit zu hohem Verschleiß führen, zu erkennen. Falls sofort Veränderungen, z.B. an der Fahrzeugsteuerung, durchgeführt werden können, so kann auch die Wirksamkeit der eingeleiteten Maßnahmen sofort in Echtzeit überprüft werden. Dies erlaubt es, sogar bei vollkommener Unkenntnis der Verschleißursache, schnell eine Lösung für das Verschleißproblem nach dem „Try and Error- Prinzip“ zu finden.

Die Messergebnisse liegen in Form von Videobildern vor. Dies erlaubt selbst Laien die Ergebnisse sehr schnell und intuitiv zu verstehen, was bei üblichen Messgraphen oder Messwertetabellen oft nicht der Fall ist.

Mit der Infrarot- Thermografie kann nicht nur die mögliche Ursache für einen Radschäden und erhöhten Verschleiß gefunden werden, es wird auch direkt die Auswirkung auf das untersuchte Rad sichtbar gemacht. Beispielsweise kann hoher Schlupf natürlich auch ohne Thermografie, nur durch Messung der Raddrehzahlen festgestellt werden. Nur die Thermografie lässt aber eine Unterscheidung zwischen verschleißunkritischem und verschleißkritischem Schlupf zu.
 

Autor & Rückfragen:

Die Redaktion Wien-konkret dankt für die Überlassung dieses interessanten Beitrages und der Fotos durch die Firma "MBM Industry & Rail Tech GmbH"

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