Schienenfahrzeuge

Auswahl abgeschlossener Projekte

Energieautarke Sensorsysteme zur Zustandsüberwachung von Güterwagen

Über den Schienengüterverkehr können Waren in großen Mengen besonders umweltschonend befördert werden. Dabei ist es wichtig, einen sicheren Transport der Güter – vor allem von Gefahrengütern – zu garantieren. Deshalb müssen Bremsen, Radlager und Laufleistung der Wagen regelmäßig kontrolliert werden. Im geplanten Vorhaben soll erstmals eine automatisierte und energieautarke Instandhaltungsplanung realisiert werden.

Durch das geplante Assistenzsystem soll die Wartung im Schienengüterverkehr sicherer und effizienter werden sowie Mitarbeiter von manuellen, körperlich beanspruchenden Wartungsarbeiten entlasten. Gerade ältere Mitarbeiter profitieren davon und sind so länger arbeitsfähig. Die Informationen zum Wagenzustand werden den Mitarbeitern über eine zu entwickelnde Mensch-Maschine-Schnittstelle vermittelt. Da Güterzüge keine eigene Bordspannung haben, müssen energieautarke Sensorsysteme entwickelt werden.

Energieautarke Sensorsysteme zur automatisierten Überwachung von Güterwagen sind eine technische Neuheit. Herausfordernd ist die Entwicklung eines besonders energiesparenden und robusten Systems.

EVIAK-Drehgestell

In den letzten zwei Jahren wurde am Fachgebiet Schienenfahrzeuge das innengelagerte Drehgestell „eviak“ für den Schienengüterverkehr entwickelt. Der Name des Drehgestells leitet sich aus der ursprünglichen Motivation des Projektes ab. Das Ziel war es ein energieeffizientes, verschleißarmes, instandhaltungs- und akustik-optimiertes, sowie kosteneffizienten Drehgestell zu entwickeln. Das Projektkonsortium setzte sich aus drei Industriepartnern und zwei Universitäten und einer gemeinnützigen Forschungseinrichtung zusammen. Alle Projektpartner waren und sind Teil des Netzwerkes bahntecnet. Die Aufgaben des Fachgebiets Schienenfahrzeuge waren neben der Inhaltlichen Projektleitung, die:

  • Erstellung eines Drehgestellkonzeptes mit radialer Einstellbarkeit der Radsätze
  • Auslegung der Primärfederung gemäß den Anforderungen der DIN EN 14363
  • Entwicklung eines Telematikkonzeptes sowie die
  • Berechnung der Radsatzwelle

Kühlcontainertransport auf der Schiene

Im Rahmen einer Auftragsforschung des Deutschen Zentrums für Schienenverkehrsforschung DZSF wird durch ein Team der Partner Havelländische Eisenbahn HVLE, Wascosa, TU Berlin und Hartmann Rail Consult der Stromverbrauch von Kühl-Containern unter realen Bedingungen im Sommer- und Winterbetrieb auf dem offenen digitalen Testfeld des DZSF im Raum Halle-Cottbus-Horka ermittelt. Dabei werden mit vier 40´Containern in 2 Betriebsmoden untersucht: Transport von Tiefkühlgut hermetisch isoliert bei -18 °C und die Situation für reifendes Obst bei 13 °C mit Luftwechsel. Letztere Betriebsart ist bei vielen Außentemperaturbereichen oft die energieintensivere, zumal auch die Abwärme durch den Reifungsprozess abgeführt werden muss. Der Schienenverkehr hat die Chance, diese Container mit bis 120 km/h wesentlich schneller zu transportieren als die Straße. Ein weiterer großer Vorteil der Schiene ist, dass die Kühlenergie direkt aus der Fahrleitung entnommen werden kann und so etwas 70% der Energiemenge, die es bei Dieselgeneratorsets braucht, eingespart werden kann. Das ist ein Nebenthema der Untersuchung. Zudem ist die Luftwechselproblematik in zunehmenden Tunnelanteilen, z.B. Gotthardbasistunnel oder Lärmschutztunnel wie Rastatt nur bei Dieselbetrieb ein Problem. Ziel ist es anhand der Versuchsergebnisse die Planbarkeit und damit Einsatzhäufigkeit dieser für den Schienenverkehr noch sehr selten genutzten Transportart zu steigern.

LEILA-Drehgestell

Eine vom Bundesministerium für Verkehr- Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) in Auftrag gegebene Verkehrsprognose sagt einen Anstieg der Gütertransportarbeit in Deutschland um 63 % bis zum Jahr 2015 voraus. Es ist das Ziel der Bundesregierung, in dieser Zeitspanne den Güterverkehr auf der Schiene gegenüber heute zu verdoppeln, um auch den Modal Split zugunsten der Bahn zu verändern. Der Europäischen Union zufolge soll der Schienengüterverkehr bis zum Jahr 2020 etwa verdreifacht werden und der Marktanteil von 8 %, das sind 241 Mrd. tkm (1998) auf 15 % gleich 784 Mrd. tkm (2020) steigen. Dies ist jedoch kein Automatismus. In den letzen Jahren stagnierte der Marktanteil der Schiene und eine Trendwende zeichnet sich nicht ab.

Von Seiten der Forschungspolitik, national und EU-weit, werden deshalb diverse Unterstützungsprogramme angeboten. Eines ist der Projektrahmen „Auf dem Weg zur Minimalemission“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Berlin und Bonn, in dessen Rahmen das Projekt „Leichtes und lärmarmes Güterwagendrehgestell (LEILA-DG)“ gefördert wird.

Um einen Großteil des prognostizierten Mehrverkehrs auf die Schiene lenken zu können, sind von Grund auf neue Güterwagen-Drehgestelle notwendig, die deutlich leiser und wesentlich produktiver als die heutigen sind.

Der Schienengüterverkehr muss leiser werden! Güter werden auf der Schiene vorwiegend nachts transportiert. Der Mehrverkehr wird sich somit in diesem geräuschsensiblen Zeitbereich auswirken. Mit dem maximalen Schalldruckpegel heutiger Drehgestelle von 96 dB(A) bei 80 km/h und in 7,5 m Querabstand wird dies zu weiteren Widerständen in der Bevölkerung führen.

Der Schienengüterverkehr muss attraktiver und produktiver werden! Es müssen die Transportkosten verringert und die Attraktivität des Schienengüterverkehrs erhöht werden, um eine echte Alternative zum Straßenverkehr darstellen zu können. Im Einzelwagenverkehr werden heute durchschnittliche Transportgeschwindigkeiten ab 8 km/h realisiert, was u.a. auf den geringen Automatisierungsgrad beim Rangieren bzw. der Zugbildung zurückzuführen ist. Güterwagen müssen im Schnitt zweimal pro Jahr außerplanmäßig eine Werkstatt aufsuchen. Zugleich gestattet der Leichtbau bei modernen Fahrwerken, die Nutzlast zu erhöhen, während heutige Güterwagen-Drehgestelle mit einem Gewicht von 4,7 bis 5,4 t auf ein großes Einsparpotenzial hinweisen. Der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme des Schienengüterverkehrs liegt im Drehgestell. Ein entsprechend innovatives Produkt soll im Projekt LEILA-DG entwickelt werden.

Schallpegelreduzierende Maßnahmen dürfen nicht zu einer Erhöhung der Lebensdauerkosten (LCC) führen. Die leise Technologie wäre sonst unverkäuflich. Die produktivitätssteigernden Innovationen müssen daher das Gesamtprodukt LEILA-DG mit kurzen Amortisationszeiten marktfähig machen.

Durch das Projekt sollen folgende Ziele erreicht werden:

Es wird eine Lärmreduzierung um 18 dB angestrebt. Das entspricht einer Minderung des wahrgenommenen Lärms um ca. 70%. Dies soll insbesondere durch die Vermeidung von Körperschallbrücken und die Verwendung von Radscheibenbremsen (keine Aufrauhung der Radlauffläche, akustisch günstiger Radsteg dank ausbleibenden Wärmeeintrags in den Radkranz) erreicht werden. In einer erweiterten Version mit Schallschürzen werden sogar 23 dB Lärmreduzierung angestrebt

Massereduzierung des Drehgestells auf Werte unter 4t. Gegenüber den heutigen Drehgestellen bedeutet dies eine Minderung um mindestens 15%. Vor allem die Innenlagerung erschließt hier über eine geringere Kragweite sowie einen günstigeren Kraftfluss Potenziale.

Es soll eine Verschleißreduzierung im Rad/Schiene-Kontakt gegenüber heutigen Drehgestellen erreicht werden. Der Verschleiß von Rad und Schiene, das Auftreten von Materialermüdungsschäden, das Kurvengeräusch sowie die benötigte Traktionsenergie wir signifikant durch den Schräglauf- bzw. Anlaufwinkel des Radsatzes gegenüber der Schiene beeinflusst. Daher muss die radiale Einstellbarkeit der Radsätze gewährleistet sein, wobei aus Gründen wie Kosten, Zuverlässigkeit, notwendiger Energie, etc. kein aktives Lenksystem in Frage kommt. Bei LEILA wird die passive radiale Einstellbarkeit durch eine Radsatzkopplung mit einem sogenannten Kreuzanker erreicht, durch den die jeweils diagonal gegenüber liegenden Lagergehäuse miteinander verbunden sind. Die bisherigen numerischen Voruntersuchungen zeigen hier selbst bei extrem verschlissenen Profilen noch eine ganz erhebliche Reduktion des Schräglaufwinkels gegenüber heutigen Drehgestellen.

Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Ein gezielter Einsatz von Telematikkomponenten und Sensoren auf jedem Drehgestell bildet ein energieautarkes Diagnosesystem, welches nicht nur die Grundlage für eine zustandsabhängige Wartung ist sondern weitere Vorteile bei der Disposition und der Detektion sicherheitskritischer Zustände bietet.

Erhöhung der Transparenz in der Transportkette. Mittels Telematik kann ein kundenfreundlicher Transport realisiert werden. Dem Versender kann z.B. jederzeit der Ort oder der Zustand seiner Ware mitgeteilt werden, was im Straßengüterverkehr längst Stand der Technik ist. Auf diese Weise werden einige Güter überhaupt erst schienentauglich. So ist bis heute der Nachweis der Kühlkette beim Schienengütertransport nicht möglich.

Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit des Schienengüterverkehrs. Aktiv wird dies durch die ständige Überwachung der sicherheitsrelevanten Bauteile des Fahrzeugs erreicht (s.o.), passiv dagegen durch Entgleisungsdetektoren, die im Entgleisungsfall schnell Alarm auslösen. Das in aller Regel enorme Schadensausmaß einer Entgleisung kann dadurch massiv verringert.

Erhöhung der Transportgeschwindigkeit. Der gezielte Einsatz von Telematikkomponenten kann zeitaufwändige Prozesse während des Transportes automatisieren. So ist z.B. die leicht 2 Stunden dauernde Bremsprobe bzw. Wagentechnische Untersuchung im Rangierprozess mittels Telematik auf wenige Minuten reduzierbar. LEILA ist in der ersten Startkonfiguration zunächst für eine Höchstgeschwindigkeit von 120km/h im beladenen Zustand ausgelegt.

Wahrung der Migrationsfähigkeit. Einerseits weist LEILA die selben Schnittstellen zum Fahrzeugaufbau auf, wie es bisherige Güterwagendrehgestelle tun (UIC-Drehpfanne und gefederte seitliche Gleitstücke). Dabei ist auf die Einhaltung der selben Wankwinkel etc. gegenüber dem Standarddrehgestell Y25 geachtet worden, so dass LEILA als Austauschdrehgestell aber auch bei Neuwagen unter bisherigen Fahrzeugaufbauten eingesetzt werden kann, ohne dass es einer neuen Fahrzeugstruktur bedarf.
Andererseits ist schon der Einsatz eines einzigen mit LEILA ausgerüsteten Wagens in einem konventionellen Zugverband vorteilhaft möglich, so dass keine Zwangsumrüstung der gesamten Flotte notwendig ist.

Assets4Rail

Assets4Rail war ein 37-monatiges Shift2Rail-Projekt, das zur Verkehrsverlagerung auf die Schiene beitragen soll, indem es Technologien für die Überwachung und Wartung von Eisenbahnanlagen erforscht, anpasst und testet. Das Projekt war in zwei Arbeitsabläufe (Workstreams) untergliedert. Der erste galt der Erforschung von Überwachungs- und Modernisierungslösungen für Brücken und Tunnel, der zweite der Entwicklung von Überwachungslösungen für Züge und Gleisgeometrie sowie Datenerfassung aus ausfallsicheren Systemen.
Die Forschung im ersten Workstream widmete sich unter anderem Lärmminderungsmaßnahmen gegen das Brückendröhnen von Eisenbahn-Stahlbrücken bei Zugüberfahrten.
Hierfür wurde zunächst ein System entwickelt und angewendet, mit dem das Brückengeräusch bestimmt wird. Diese beinhaltet Luft- und Körperschallmessungen, die von der TU Berlin während der Projektlaufzeit an drei Brücken durchgeführt und ausgewertet wurden. Gegenstand der Messungen waren Vorbeifahrtmessungen von Personen- und Güterzügen im Regelbetrieb an einer Hauptstrecke. Darüber hinaus unterstützte die TU Berlin bei der Auslegung der Lärmminderungsmaßnahmen, speziell für die Brücke designte Brückendämpfer. An deren Entwicklung wirkte die TU Berlin aktiv mit.
An zwei Brücken in Pressig, Bayern, konnten gute Ergebnisse bei der Minderung des Brückendröhnens erreicht werden.

Die Projektleitung des zweiten Workstreams sowie die dortige Entwicklung von Algorithmen für Überwachungslösungen war in der Verantwortung des FG Schienenfahrzeuge.
Hierfür wurden im Wesentlichen drei Überwachungssysteme entwickelt und angewendet. Das erste System basiert auf dem streckseitigen Kamera-Array zur automatischen Detektion der Fehler an Drehgestellen. Das zweite System ist ein neues On-Board-Stereokamera-Überwachungssystem zur Gleislageüberwachung. Das dritte System dient zur Überwachung von Weichenanlagen. Die Algorithmen der Fehlerdetektion und Diagnose der o. g. Systemen wurden von der TU Berlin entwickelt. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Fehler auf dem Gleis durch Mehrkörpersimulation von der TU Berlin untersucht.

Publikationen

Hanisch, T.; Gramowski, C.; Ralbovsky, M.; Carillo Zanuy, A.; Hecht, M.: Assets4Rail – Quantifying and mitigating rumbling on steel railway bridges, in: ETR | International Edition, 2022, S. 22-27

Hanisch, T.; Böhm, J.; Gramowski, C.; Hecht, M.: Experimentelle Analyse von Schwingungsdämpfern für Eisenbahn-Stahlbrücken, In: DAGA 2020 - 46. Jahrestagung für Akustik, Tagungsband, März 2020, S. 442-445

Shi, D.; Ye, Y; Gillwald, M.; Hecht M.: Designing a Lightweight 1D Convolutional Neural Network with Bayesian Optimization for Wheel Flat Detection Using Carbody Accelerations, 2020, International Journal of Rail Transportation

Shi, D.; Ye, Y; Gillwald, M.; Hecht M.: Empirical Study on Robustness of Machine Learning Approaches for Fault Diagnosis under Railway Operational Conditions, 2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2020, pp. 1-6

Ye, Y.; Shi, D.; Poveda-Reyes, S. et al. Quantification of the influence of rolling stock failures on track deterioration. J. Zhejiang Univ. Sci. A 21, S. 783–798 (2020).

Skrickij, V.; Šabanovič, E.; Shi, D.; Ricci, S.; Rizzetto, L.; Bureika, G. Visual Measurement System for Wheel–Rail Lateral Position Evaluation. Sensors 2021, 21(4), 1297.

Hanisch, T.; Thomma, L., Lohbreier, J., Hecht, M.: Analyse-Tool zur indirekten Bestimmung von Rollgeräusch-Parametern im Schienenverkehr, In: DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik, Tagungsband, August 2021, S. 360-363.

Hanisch, T.; Gramowski, C., Ralbovsky, M.; Carillo Zanuy, A., Hecht, M.: Assets4Rail – Quantifizierung und Minderung von Brückendröhnen an Eisenbahn-Stahlbrücken. In: ETR – Eisenbahntechnische Rundschau, Heft 10, Oktober 2021, S. 37-42.

Gramowski, C.; Hanisch, T.; Ralbovsky, M.; Rudolf, R.: Brückenakustik: Fortschritte bei Analyse, Theorie und Minderungsmaßnahmen im Rahmen des Shift2Rail-Projektes Assets4Rail, In: Fachtagung Bahnakustik 2021, Müller-BBM Rail Technologies GmbH, München, S. 81-91.

Poveda-Reyes, S.; Rizzetto, L.; Triti, C.; Shi, D.; Garcia-Jiménez, E.; Molero, G. D.; Santarremigia, F.: Risk evaluation of failures of the running gear with effects on rail infrastructure. In: Engineering Failure Analysis, 128, 105613, Juli 2021

Shi, D.; Šabanovič, E.; Rizzetto, L.; Skrickij, V.; Oliverio, R.; Kaviani, N.; Ye, Y.; Bureika, G.; Ricci, S.; Hecht, M.: Deep learning based virtual point tracking for real-time target-less dynamic displacement measurement in railway applications. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 166(1), März 2022

Shi, D; Ye, Y.; Gillwald, M.; Hecht, M.: Robustness enhancement of machine fault diagnostic models for railway applications through data augmentation. In: Mechanical Systems and Signal Processing, 164(12):108217, Februar 2022

DESTINATE

Das europäische Shift2Rail-Forschungsprojekt DESTINATE „Decision supporting tools for implementation of cost-efficient railway noise abatement measures” unterstützt die Minderung von Bahnlärm und Erhöhung des akustischen Fahrkomforts. Die Forschungsschwerpunkte lassen sich in Auralisation (Hörbarmachung) und Visualisierung, akustische Charakterisierung von Schallquellen und Komponenten, Innengeräuschsimulation sowie Kosten-Nutzen-Analyse von Schallschutzmaßnahmen gliedern.
Ziel des Projektes ist eine Förderung der Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schiene, indem es fundierte Entscheidungen zu Schallschutzmaßnahen bei der Eisenbahn erleichtert.
Das Fachgebiet Schienenfahrzeuge war für die Leitung des gesamten Projekts verantwortlich. Des Weiteren bestand die Verantwortung des Fachgebiets u. a. in der Bewertung von Lärmminderungsmaßnahmen sowie der Körperschallquellencharakterisierung von Fahrzeugaggregaten.
Das besonders hervorzuhebende Ergebnis des Projekts sind die Auralisation & Visualisierung von Vorbeifahrt-Szenarien. Diese sind als Video online verfügbar.

Oberbau-Simulations-Tool

In den Jahren 2015 bis 2017 wurde durch ein Projektteam von TU Berlin, TU München und der Empa ein Modell zur realitätsnahen Simulation des Rollgeräusches von Eisenbahnen entwickelt. Das Simulationstool wurde mithilfe der Programme SIMPACK und ANSYS entwickelt und besteht aus den Teilmodellen Fahrdynamik, Strukturschwingungen sowie Schallabstrahlung und –ausbreitung. Das Modell wurde mit dem Ziel entwickelt, zu einem verbesserten Verständnis des komplexen Schwingungsverhaltens des Systems Fahrzeug-Oberbau beizutragen und Grundlagen für gezielte Optimierungen der Oberbaukonstruktion zu liefern.
Das FG Schienenfahrzeuge war insbesondere für die Mehrkörpersimulation, d. h. die Erstellung von Anregungsszenarien, sowie für die Validierung auf Basis von Messungen zuständig.
Als Ergebnis wurde ein komplexes Simulationstool erarbeitet, welches weitergehende Untersuchungen zu der Schallentstehung des Rollgeräusches im Oberbau ermöglicht sowie primäre Minderungsmaßnahmen aufzeigt.