Messtechnik auf der Schiene

Railway Engineering
Komplette Messzüge der DB Systemtechnik sind auf umfangreichen Messfahrten unterwegs, um die notwendigen Messungen für die Zulassung von Schienenfahrzeugen durchzuführen.

Für die Zulassung von Schienenfahrzeugen sind umfangreiche Prüfungen und Tests vorgeschrieben. Dazu zählen auch aufwändige Prüffahrten, bei denen unter anderem die Kräfte zwischen Rad und Schiene, Beschleunigungen in den Federstufen oder Relativwege von sich bewegenden Komponenten gemessen werden. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Dynotrain wird untersucht, inwieweit Computersimulationen einen Teil der Messfahrten zukünftig ersetzen können. Damit will man die Zulassungsverfahren in Europa vereinfachen und beschleunigen. Zur Verifikation der Simulationsprogramme sind Messungen notwendig, bei denen der Bereich Prüfungen Fahrtechnik der DB Systemtechnik in Minden unter anderem Messtechnik von HBM einsetzt.

Der Schienenverkehr zählt zu den sichersten Verkehrsmitteln in Europa. Die Kriterien für die Zulassung von neuen Schienenfahrzeugen sind entsprechend streng. So müssen im Rahmen des Zulassungsverfahrens zahlreiche Konformitätsprüfungen durchgeführt werden. Die zugrunde liegenden europäischen Normen schreiben unter anderem Versuchsfahrten vor. Das europäische Forschungsprojekt Dynotrain, an dem insgesamt 21 Forschungsinstitute und Unternehmen aus sechs Länder der Europäischen Union teilnehmen, hat das Ziel, technische Grundlagen zu schaffen, um Zulassungsverfahren für Schienenfahrzeuge in der Zukunft zu vereinfachen oder zu beschleunigen. Dazu soll ein Teil der bisher notwendigen Konformitätsprüfungen, die in relativ aufwändigen Messfahrten durchgeführt werden, durch Simulationen zu ersetzt werden. Die Zuverlässigkeit solcher Computer-Simulationen muss allerdings zunächst mit Hilfe des Abgleiches mit Ergebnissen von Messfahrten verifiziert werden (Validierung der Computermodelle). Ein Protagonist in dem Dynotrain-Forschungsprojekt ist die Deutsche Bahn AG mit ihrem Tochterunternehmen DB Systemtechnik.

Unabhängiges Prüflabor

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Der komplette Messzug von DB Systemtechnik, der für Messfahrten eingesetzt wird, besteht aus Lokomotive, einem Personenwagen und drei Güterwagen.

Die DB Systemtechnik in Minden bietet unterschiedlichste Ingenieurdienstleistungen im Bereich Bahntechnik an. Der ab Mitte 2011 als 100%ige Tochter der DB AG selbständige Bereich mit seinen Hauptstandorten in Minden, München und Kirchmöser beschäftigt insgesamt etwa 600 Mitarbeiter, die ihr Fachwissen rund um das technische System Bahn sowohl innerhalb der Deutsche Bahn AG als auch externen Kunden zur Verfügung stellen. Dabei greift man auf langjährige Erfahrungen und ein einzigartiges System-Know-how zurück, was die DB Systemtechnik nach eigenen Angaben zu einem europaweit führenden Kompetenzzentrum für Bahntechnik macht.

Im Geschäftssegment „Zulassungsmanagement, Prüfungen und Zertifizierungen“ führt die DB Systemtechnik die unterschiedlichsten Prüfungen von Fahrzeugen und Komponenten durch, die einen Beitrag zum sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Bahnbetrieb leisten. Die Prüfstelle und Sachverständigenorganisation der DB Systemtechnik sind „Assoziierter Partner der benannten Stelle Interoperabilität“ beim Eisenbahnbundesamt. Die insgesamt 18 Prüflabore sind nach DIN EN ISO/IEC 17025:2000 akkreditiert. Rund 40 Mitarbeiter sind vom Eisenbahn-Bundesamt anerkannte Gutachter.

Messgrößen für die Schienenfahrzeugzulassung

Unter anderen sind die Rad-Schiene Kräfte wichtige Messgrößen bei der Zulassung von Schienenfahrzeugen. Sie müssen während des Fahrbetriebes gemessen werden, was den Einsatz von Messradsätzen erforderlich macht. Sowohl die senkrechte als auch die seitliche Kraftkomponente müssen dabei jeweils bestimmt werden. Die DB Systemtechnik hat für solche Messungen spezielle Messradsätze entwickelt, die auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) arbeiten. Die zwischen Rad und Schiene wirkenden Kräfte bewirken eine Verformung in den Rädern und in der Radsatzwelle, die durch die DMS gemessen werden. Auf Basis der durch ein aufwändiges Kalibrierverfahren ermittelten Abhängigkeiten zwischen Kraft und resultierender Dehnung werden diese durch eine komplexe Software online zu den Kraftkomponenten Q (Radaufstandskraft), Y (Führungskraft im Bogen) und Tx (aus Brems- und Antriebsmomenten sowie aus Rollradiendifferenzen resultierende Kräfte in Längsrichtung) verrechnet.

In der Prüfstelle in Minden werden die metallisch blanken Radsätze mit DMS beklebt und durch dieses Verfahren in präzise arbeitende Messmittel verwandelt. Je nach den geometrischen Eigenschaften der Räder und der Welle gibt es zwei wesentliche Messverfahren – eines unter Einbeziehung von Rädern und Welle als Installationsort, ein weiteres unter ausschließlicher Nutzung der Dehnungsinformationen der Räder. Bei beiden Messverfahren werden bis zu 96 DMS auf dem Radsatz installiert und zu Vollbrücken verschaltet. Die Signalleitungen werden durch eine Bohrung ins Innere der hohlen Achse geführt. Am Ende der Achse ist die komplette Elektronik mit Messverstärkern und Signalübertragung untergebracht. Nachdem die DMS, die Signalleitungen und die Elektronik installiert sind, muss der Messradsatz kalibriert werden. Dazu wird der gesamte Radsatz in einem eigens dafür entwickelten Prüfstand eingebaut. Dort können sowohl senkrecht als auch waagerecht genau definierte Kräfte ohne gegenseitige Beeinflussung auf die Räder aufgebracht und die Reaktion der Vollbrücken ermittelt werden.

Einen weiteren Schwerpunkt bei der Gewinnung von Messdaten zur Bewertung fahrdynamischer Fahrzeugeigenschaften bilden Beschleunigungsaufnehmer, die in den Ebenen der ungefederten Massen (im Wesentlichen der Radsatz) sowie – wenn vorhanden – der Primärfederstufe und der Sekundärfederstufe installiert werden. Sie messen die dort auftretenden Beschleunigungen in lateraler, in senkrechter sowie in Fahrzeuglängsrichtung und je nach Federungsstufe in verschiedenen Frequenzbereichen.

Den dritten wesentlichen Komplex der Messgrößen bilden die Relativwege. Sie sind für die Fahrzeugzulassung allgemein von untergeordneter Bedeutung, gelten dabei oft als Indikatoren zum Verständnis für bestimmte Fahrzeugeigenschaften. Im Falle des Projektes Dynotrain hingegen waren sie bewusst gesetzter Schwerpunkt, der den Abgleich der Simulationsmodelle der untersuchten Fahrzeuge mit den Messergebnissen unter Beachtung der eingeflossenen Versuchsvariationen ermöglichte.

Zuletzt – aber nicht minder bedeutend – ist die Gruppe der Fahrweg beschreibenden Messgrößen zu nennen. Hier wurden unter anderem folgende Werte kontinuierlich erfasst:

  • Längshöhe (alle 16 cm)
  • Pfeilhöhe (alle 16 cm)
  • Gegenseitige Höhenlage (alle 16 cm)
  • Spurweite (alle 25 cm)
  • Schienenquerprofil links / rechts (alle 25 cm)

Umfangreiche Messtechnik für kompletten Dynotrain-Messzug

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Die Wagen sind mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Zum Einsatz kommen unter anderem Messverstärker und Systeme aus dem MGCplus-Programm von HBM

Die für das Dynotrain-Projekt gemessenen Fahrzeuge umfassten eine Lokomotive, drei Güterwagen und einen Personenwagen, ergänzt um das Railab der DB Netz AG zur Erfassung der Gleisgeometrie und einen Messwagen zur Unterbringung der zentralen Messtechnikkomponenten und des Messteams. Aus bremstechnischen Gründen wurden diese Wagen mit weiteren sechs Fahrzeugen gekuppelt. Dieser Wagenzug, der in der Schweiz, in Frankreich und Italien noch eine Traktionslok für das jeweilige Spannungsnetz erhielt, hatte eine Länge von bis zu 400 m.
In den fünf gemessenen Fahrzeugen kommen zehn der oben beschriebenen Messradsätze zum Einsatz.

Gemeinsam mit allen Beschleunigungs- und Wegsignalen, Gleisgeometriesignalen und Randinformationen, wie die über Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, GPS-Daten und Bremsdrücke, mussten über 300 physikalische Kanäle erfasst und aufgrund zum Teil unterschiedlicher Filterungen insgesamt etwa 1.000 Messkanäle gespeichert werden. Bei Abtastraten von bis zu 1.200 Hz bedeutet dies eine gewaltige Belastung des Messsystems. Dabei wird ein Teil der Rechenlast bereits ausgelagert. Jeder der fünf Messradsatzrechner verrechnet die von zwei Messradsätzen kommenden insgesamt 48 DMS-Vollbrückensignale bis zu 1.000 mal pro Sekunde zu den Rad-Schiene-Kräften, die digital an die MGC-Messverstärker gesendet werden. Die aufwändige Vernetzung der inselartig installierten MGC-Messverstärker und Messradsatzrechner durch Lichtwellenleiter sowie leistungsfähige Zentralrechner und Speicher wurden speziell für solche Belastungen ausgelegt. Die online ermittelten Statistiken der Messdaten können unmittelbar nach Abschluss einer Messfahrt visualisiert und weiter analysiert werden. Onlineschreiber stellen einen Teil der Rohdaten dar, um dem Techniker an Bord die Möglichkeit der Grenzwertüberwachung in fahrtechnisch kritischen Situationen zu ermöglichen. Innerhalb von etwa vier Wochen Messfahrten sind so weit mehr als 3.000 GByte an Messdaten erfasst und gespeichert worden. Sie stehen derzeit den Projektpartnern über eine schnelle Serveranbindung zur Verfügung.

Die insgesamt sieben MGC-Verstärkersysteme zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit aus. Durch den  modularen Aufbau eignet sich das MGCplus-System für eine Vielzahl unterschiedlichster Messaufgaben. Für praktisch alle üblichen Aufnehmertypen sind entsprechende Module ab Lager lieferbar. Mit dem so genannten Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) lässt sich ein Messsystem sehr schnell und einfach konfigurieren. Die Messverstärker erkennen dabei automatisch, welcher Aufnehmer angeschlossen ist, so dass aufwändige manuelle Konfigurationsarbeiten entfallen können.
Beim Einsatz in dem Messzug der DB Systemtechnik war auch noch ein anderer Vorteil des MGCplus-Systems wichtig: Sämtliche Kanäle eines Messsystems können absolut synchron erfasst werden. Dies ist in der Anwendung von besonderer Bedeutung, da sämtliche Messgrößen bei den späteren Auswertungen in Korrelation gebracht werden müssen. Die Phase der Datenauswertung hat nun begonnen und wird die Projektpartner für die kommenden zwei bis drei Jahre intensiv fordern. Die erarbeitete Datengrundlage wird für viele Jahre eine Basis für Fahrzeugentwicklung, -auslegung und -zulassung sowie weiterführende Forschungsvorhaben bilden. 

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