Schienenverkehr

Schienenfahrzeuge (Hochgeschwindigkeitszüge, Regionalzüge, Straßenbahnen sowie U- und S-Bahnen) werden nach der Norm EN 13749 für Drehgestellfestigkeit geprüft. Diese Norm legt das Verfahren fest, das für eine zufriedenstellende Konstruktion von Drehgestellrahmen anzuwenden ist. Im Schienenverkehr sind die einzelnen Komponenten wie das Drehgestell, die Achsen, die Bremsen oder die Radlager extremen Belastungen ausgesetzt und müssen entsprechend robust konstruiert sein.

ASC-Sensoren verfügen über die Schutzklassen IP67 und IP68 und eignen sich deshalb hervorragend für die Prüfung der Drehgestellfestigkeit auf freier Strecke bei Kälte, Hitze, Feuchtigkeit und Staub. Die Modelle der ASC OS-Serie trotzen durch das hermetisch dichte Edelstahlgehäuse auch den rauesten Umgebungsbedingungen. Sie sind in uniaxialer, biaxialer und triaxialer Ausführung sowie in den Technologie-Varianten Low Noise (LN) und Medium Frequency (MF) erhältlich.

In der Norm EN 12299 werden Methoden festgelegt, wie sich die Auswirkungen von Zugbewegungen auf den Fahrkomfort der Passagiere bewerten lassen. Das menschliche Empfinden bezüglich mechanischer Schwingungen ist dabei je nach Richtung, Frequenz und Amplitude sehr unterschiedlich. Beeinträchtigungen der Fahrgäste treten jedoch hauptsächlich unterhalb von 10 Hz auf, so dass eine präzise Messung geringster Linearbeschleunigungen und niederfrequenter Vibrationen und Stöße zur Bewertung des Fahrkomforts essenziell ist.

Die uniaxialen kapazitiven Beschleunigungssensoren ASC 4311LN und ASC 4411LN mit niedrigen Frequenz- und Messbereichen sowie einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis sind für Fahrkomfortmessungen bestens geeignet. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zu einem angenehmen Reiseerlebnis im Zug.

Die Erfassung der Gleislagedaten nach EN 13848 ist Teil eines kontinuierlichen Streckenmonitorings (CTM, Continuous Track Monitoring). Zur Bestimmung von Fehlern in der Längshöhe des Gleisoberbaus werden Messungen der vertikalen Beschleunigung an den Zügen durchgeführt. Hierfür wird z. B. der IEPE-Sensor ASC P401A15 eingesetzt, der über einen weiten Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 15 kHz und einen Messbereich von ±50 g, ±100 g oder ±500 g verfügt. Die hohe Stoßfestigkeit von bis zu 5.000 g ist für den Einsatz im Schienenverkehr mit seinen hohen Schockbelastungen zwingend erforderlich.

Im Rahmen der kontinuierlichen Zustandsüberwachung wird ebenso die Messung der Gleisgeometrie in Bögen durchgeführt. Dazu eignen sich die kompakten, uniaxialen Drehratensensoren ASC 271, die eine sehr gute Bias-Stabilität und eine geringe g-Empfindlichkeit aufweisen. Sensoren von ASC leisten damit einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung von Langsamfahrstellen und Verspätungen im Zugverkehr.

Die kapazitiven Beschleunigungssensoren ASC 5525MF und ASC 4425MF werden oft in Laufdynamik-Tests nach EN 14363 eingesetzt. Ziel dieser Tests ist die Quantifizierung des Fahrzeugverhaltens unter repräsentativen Betriebs- und Infrastrukturbedingungen. Präzise Messungen von nieder- bis mittelfrequenten dynamischen Beschleunigungen und die Analyse des Fahrverhaltens in Bögen bilden dabei die Grundlage zur Berechnung der Entgleisungssicherheit.

Komplexere Systeme, die z. B. auf einer Inertial Measurement Unit (IMU) basieren, werden zukünftig einen signifikanten Beitrag zur Überwachung der Fahrdynamik von Zügen leisten. Dazu sind zuverlässige und kompakte Sensoren wie die ASC IMU 7 notwendig. Sie bietet maximale Freiheit bei der Datenverarbeitung und lässt sich auf Basis eines Baukastenprinzips applikationsspezifisch konfigurieren.

Die Optimierung von Streckenkapazitäten und das steigende Verkehrsaufkommen im Bahnbetrieb der Zukunft erfordern Maßnahmen zur schnelleren Reaktion bei Störungen von Zügen. Die Bewertung der Fahrdynamik dient jedoch nicht nur der Erfassung des Ist-Zustandes der Fahrzeuge: Intelligente Sensorlösungen ermöglichen zudem die frühzeitige Erkennung künftiger Materialschwächen. So können Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, bevor teure Schäden entstehen. Diese Informationen zur Fahrdynamik lassen sich in Echtzeit übertragen und sind im digitalen Zwilling (Digital Twin) jederzeit verfügbar. Grundlage dafür sind leistungsfähige Sensorlösungen von ASC und selbstlernende, intelligente Algorithmen zum post-processing der gewonnenen Bewegungsdaten.

Beim automatisierten Fahrbetrieb (ATO, Automated Train Operation) ist fahrzeugseitige Sensorik zwingend erforderlich. Hier wird der Betrieb der Züge je nach Automatisierungsgrad entweder durch die Zugsteuerung unterstützt oder vollständig übernommen. Aufgrund der Trägheit von Zügen sind intelligente Sensorlösungen zur Optimierung der Bremskurven und Geschwindigkeitsregelung die Basis für einen zuverlässigen automatisierten Fahrbetrieb.

Zur Prüfung der Betriebsfestigkeit von Fahrzeugkomponenten legen die Züge tausende Kilometer unter harschen Bedingungen zurück, so dass bei Tests an Radsätzen und am Drehgestell Schläge bis zu 400g keine Seltenheit sind.  Da die hohen mechanischen Kräfte auch auf die Sensoren wirken, müssen diese äußerst robust, langzeitstabil und zuverlässig sein.

Die kapazitiven Beschleunigungssensoren von ASC eignen sich daher ideal für Betriebsfestigkeitsprüfungen an Schienenfahrzeugen. Der triaxiale Sensor ASC 5525MF in der Ausführung mit Edelstahlgehäuse zeichnet sich durch einen breiten Frequenzgang von 0 Hz bis 7 kHz aus und verfügt über eine hervorragende Stoßfestigkeit bis 6.000 g.

Die piezoelektrischen Beschleunigungssensoren ASC P311A15 (Side-Connector) und ASC P311A25 (Top-Connector) sind ebenfalls prädestiniert für Betriebsfestigkeitsprüfungen im Schienenverkehr. Sie basieren auf dem Kompressionsprinzip und eignen sich daher besonders für Anwendungen mit andauernden Belastungen bezüglich Vibrationen oder Stößen mit großen Amplituden. Untersuchungen der Betriebsfestigkeit zeigen frühzeitig mögliche Schwachstellen an Zügen auf und tragen in entscheidendem Maße zur Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schienenfahrzeugen bei.

Die Digitalisierung der Schiene ermöglicht auf Basis intelligenter Sensorlösungen komplett neue Anwendungsfelder im Bereich des Infrastrukturmonitorings. So werden durch Bauwerksmodellierung (BIM, Building Information Modelling) Gebäude, Schienennetze und weitere Peripherie als digitaler Zwilling (Digital Twin) verfügbar sein. Dadurch lassen sich dezentral sofort Aussagen zum aktuellen Zustand der Infrastruktur treffen und Erkenntnisse ableiten, um zukünftigen Handlungsbedarf frühzeitig zu erkennen und Instandhaltungsmaßnahmen einzuplanen.

Die Digitalisierung der Schiene erfordert immer kompaktere und intelligentere Sensorlösungen. Mit seinen smarten Sensoren bietet ASC die passende Antwort auf diese Herausforderungen: Sie übernehmen nicht nur das pre-processing der Messdaten mittels A/D-Wandlung und Filterung, sondern können die vorverarbeiteten Daten dank der integrierten Rechentechnik auch bewerten. Smarte Sensoren übertragen ihre Signale zudem drahtlos, sodass eine kostspielige und zeitintensive Verkabelung entfällt. Gerade bei komplexeren Monitoring-Applikationen mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden und parallelen Messungen wird dadurch eine deutliche Reduzierung der notwendigen Peripherie erzielt.

Die Sensoren sind darüber hinaus leicht in Netzwerke oder Clouds integrierbar. Somit wird durch Continuous Track Monitoring nicht nur der Ist-Zustand von Fahrzeugen und Infrastruktur erfasst. Mittels selbstlernender Algorithmen können z. B. auch Prognosen zur weiteren Entwicklung von Gleislageabweichungen erstellt werden. Auf deren Grundlage lassen sich Schwellwerte definieren, bei deren Erreichen Instandhaltungsbedarf besteht.

Der Erfolg von Predictive Maintenance ist stark von der eingesetzten Sensorik abhängig. Ihre Qualität trägt entscheidend zur Wirtschaftlichkeit und zur Betriebsqualität der jeweiligen Anwendung bei.

Speziell die Schwingungsüberwachung an Eisenbahnbrücken (SHM, Structural Health Monitoring) kann extrem große Kabellängen zwischen Sensor und Datenerfassung erfordern und damit unerwünschte Signalverluste verursachen. Kapazitive Sensoren der ASC CS-Serie garantieren aufgrund ihres Stromausgangs mit 4-20 mA eine verlustfreie Signalübertragung auch über extrem lange Kabel. Je nach Applikation sind Sensoren der ASC CS-Serie in uniaxialer (ASC CS-1711LN), biaxialer (ASC CS-1511LN) und triaxialer (ASC CS-1611LN) Ausführung verfügbar.

Auch das Gleisbett wird auf Vibrationen untersucht, zum Beispiel um Setzungen des Untergrunds aufzuzeichnen. Hierfür werden unterhalb der Strecke die hermetisch dichten und besonders robusten Sensoren der ASC OS-Serie eingesetzt – wie z. B. der uniaxiale ASC OS-115LN oder der triaxiale ASC OS-315LN. Die kapazitiven Beschleunigungssensoren weisen auch ein besonders niedriges Rauschverhalten mit einer Auflösung von wenigen Mikro-g auf. Damit erfassen sie selbst geringste Vibrationen und Beschleunigungen exakt.

Nicht nur das Gleisbett, auch Eisenbahnschwellen werden immer intelligenter und nachhaltiger hergestellt. Sie bestehen z. B. aus recyceltem Kunststoff, wodurch sich sowohl die Lärm-Emissionen der Züge als auch der CO₂-Bedarf bei der Herstellung der Schwellen deutlich verringern. Kapazitive Beschleunigungssensoren der Serie ASC 4421MF detektieren Verformungen und Belastungen an der Eisenbahnschwelle und erkennen einen möglichen Reparaturbedarf, bevor eine Gefahr für den Schienenverkehr entsteht.

Für die hochgenaue Positionsbestimmung sind die analogen Inertial Measurement Units (IMUs) die ideale Lösung. Die ASC IMU 8 zeichnet sich durch eine herausragende Bias-Stabilität und geringen Angular Random Walk aus, wodurch eine Tactical Grade Performance erreicht wird. Das geringe Rauschen und die Langzeitstabilität gewährleisten eine zuverlässige Messung von Positionsänderungen in allen 6 Freiheitsgraden.

Der klassische Ansatz von Continuous Track Monitoring (CTM) besteht darin, Testfahrten durchzuführen, Ergebnisse in regulären Abständen auszuwerten und Maßnahmen zur Instandhaltung zu ergreifen. Intelligente Sensorlösungen von ASC kommen bei der konsequenten Weiterentwicklung dieser CTM Systeme zum Einsatz. Dadurch wird die Auswertung und Bewertung der Gleislagedaten bereits im Sensorsystem erfolgen und somit jederzeit abrufbar und dezentral verfügbar sein. CTM ist ein wesentlicher Bestandteil von Smart Maintenance, da Handlungsbedarf frühzeitig erkannt wird und somit Instandhaltungskosten reduziert werden.

Der Erfolg von Smart Maintenance ist stark von der eingesetzten Sensorik abhängig. Ihre Qualität trägt entscheidend zur Wirtschaftlichkeit und zur Betriebsqualität der jeweiligen Anwendung bei.

Die exakte Positionsbestimmung von Zügen ist für die Sicherheit des Schienenverkehrs von enormer Bedeutung. Sie wird u. a. für die Freigabe und das Wiederbesetzen von Gleisabschnitten genutzt. Meist kommen für die Ortung der Züge das Global Navigation Satellite System (GNSS), das bahnspezifische Mobilfunksystem GSM-R und die im Streckennetz installierten Balisen zum Einsatz. Benachbarte UMTS/LTE-Signale können jedoch zu Störungen im GSM-R Netz führen und GNSS ist nicht überall verfügbar – wie z. B. in Tunneln – und muss deshalb zeitweise überbrückt werden.

Die Drehratensensoren ASC 281 (uniaxial) und ASC 283 (triaxial) sind für diese Aufgabe prädestiniert, denn sie verfügen über eine hohe Bias-Stabilität von <0,1 °/h und einen geringen Angular Random Walk von <0,01 °/√h. Darüber hinaus erfassen Inertial Measurement Units (IMU) von ASC permanent und präzise die Lage und Bewegung von Zügen. Für die hochgenaue Positionsbestimmung ist die analoge ASC IMU 8 eine ideale Lösung. Die ASC IMUs bieten maximale Freiheit bei der Datenverarbeitung und lassen sich auf Basis eines Baukastenprinzips applikationsspezifisch konfigurieren.