Systemabhängige Weicheninspektion mit Kraftmessungen im Wandel der Zeit

Weicheninspektionen und zentralverwaltete Inspektionsdatenbänke sind für Vollbahnbetreiber derzeit wichtige Themen und gewinnen auch bei Verkehrsbetrieben an Bedeutung. Denn in beiden Bereichen sind in den letzten Jahrzehnten die Stressfaktoren für die Fahrwegkomponenten deutlich angestiegen. Europaweit erkennen Vollbahn- und Straßenbahnbetreiber die Notwendigkeit systemabhängige Weicheninspektionen mit Kraftmessungen regelmäßig und flächendeckend durchzuführen. Dafür müssen nicht nur für jedes System maßgeschneiderte Normen entwickelt, sondern auch die Messtechnik von geschultem Personal optimal genutzt werden.

 

1 Bedeutung der Weicheninspektion

Der Aufbau von zentralverwalteten Inspektionsdatenbänken ist bei Vollbahnbetreibern aktuell ein wichtiges Thema und die Deutsche Bahn (DB) hat dabei eine Vorreiterrolle übernommen. Das Unternehmen räumt der Weicheninspektion und dem daraus resultierenden Wartungsumfang eine völlig neue Priorität ein und führt mit dem IIS (Integriertes Inspektionssystem) eine SAP-basierte zentrale Datenbank ein, die nicht nur zukünftig ein Wissensschatz sein wird, sondern schon jetzt Wartungsmängel gezielt offenlegt. Im Bereich der Straßenbahnsysteme wird solchen Datenbänken bisher kaum Wert beigemessen.

HANNING & KAHL begleitet Verkehrsbetriebe mit Service sowie mit Prüf- und Servicegeräten über einen langen Zeitraum: von der Inbetriebnahme über die Inspektions- und Instandhaltungsphase bis zu den Hauptuntersuchungen einzelner Systemkomponenten. Dabei zeichnete sich bereits vor einigen Jahren ab, dass die Weicheninspektion auch bei Straßenbahnsystemen an Bedeutung gewinnen würde. Aufgrund der deutlich geringeren Durchschnittgeschwindigkeiten unterschätzen Verkehrsbetriebe oft die Bedeutung der Präventivmaßnahmen wie z. B. Kraftmessungen im Rahmen von Regelinspektionen. Der Inspektionsauftrag der Vollbahnsysteme lässt sich sicher nicht 1:1 auf die Straßenbahnsysteme übertragen, was jedoch nicht heißt, dass der Umfang im letztgenannten System kleiner sein muss. So stellen z. B. Rillenweichen in Unterfluranordnung mit kreuzendem Individualverkehr einen lange unterschätzten Stressfaktor dar.

Für die Vollbahnen gibt es bereits strenge Normungsverfahren, die genau zu den Gegebenheiten der Vollbahn passen. Bislang versucht man im Straßenbahnbereich diese Normen zu übernehmen. Die beiden Systeme sind jedoch sehr unterschiedlich, so dass es sinnvoll und wichtig ist, eigene vereinheitlichte Inspektionsverfahren festzulegen. Ein Beispiel sind hier die Festhaltekräfte für Weichen. Tatsächliche Messwerte gibt es nur aus dem Vollbahnbereich, doch diese sind für Straßenbahnweichen bauartbedingt viel zu hoch. Darüber hinaus unterliegen auch Verkehrsbetriebe immer stärker einem Zertifizierungsdruck und die Dokumentationspflicht über Inspektions- und Instandhaltungsdaten wird immer ausgefeilter. Zwar gibt es noch keine Gesetzesvorgaben, doch Prüfvorgänge spielen eine immer wichtigere Rolle, um z. B. im Falle eines Unfalls nachweisen zu können, dass die Instandhaltung korrekt und damit nicht ursächlich für den Unfall war.

2 Wandel des Stressfaktors im Fahrweg

Im Vollbahnbereich ist der Stressfaktor für die Fahrwegkomponenten in den letzten Jahrzehnten deutlich angestiegen. Das liegt einerseits an höheren Strecken- und Durchschnittgeschwindigkeiten – besonders auf den Regionalstrecken – sowie andererseits an der Verwendung von unterschiedlichen Fahrzeuggattungen aufgrund der Teilprivatisierung der Operatoren. Im Straßenbahnbereich ist in den letzten 20 bis 30 Jahren der Stressfaktor sogar im Quadrat gewachsen. Dazu trägt beispielsweise eine stetig ansteigende Taktung der Befahrung bei – aus einem 10-Minuten-Takt wurde inzwischen oft ein 50-Sekunden-Takt. Dabei ist es häufig jedoch nicht möglich, im Stadtgebiet die Höchstgeschwindigkeit anzuheben. Das erfordert schärfere Beschleunigungs- und Bremsmanöver, die den Traktionssandverbrauch in den letzten Jahren vervielfacht haben, was immer häufiger dazu führt, dass Weichen versanden. Die DB reguliert inzwischen den Einsatz von Traktionssand, weil auch im Vollbahnbereich die Sicherungssysteme zunehmend versanden.

Darüber hinaus haben sich die Fahrzeuge selbst verändert: Die Fahrzeuglängen und das Gewicht der Züge haben sich in den letzten 30 Jahren im Durchschnitt fast verdoppelt. Um die Achslasten erträglich zu halten, wurden die Achszahlen ebenfalls erhöht. Die Kurvenradien von Neubaustrecken werden tendenziell kleiner, um mehr Gleise auf engerem Raum unterzubringen. Gibt es bei der DB die Vorgabe, dass der Weichenradius nicht unter 100 Metern liegen darf, so sind im Straßenbahnbereich Radien von 25 Metern keine Seltenheit. Ein nicht zu unterschätzender Stressfaktor ist darüber hinaus die Niederflurtechnik. Die Starrachsen der im Gleis oszillierenden Vollbahnen sorgen für einen optimalen Kurvenausgleich und das Profil der Räder bleibt erhalten. Bei den Niederflurfahrzeugen hingegen sind die Achsen gekröpft und aufgrund der Einzelradlagerung ist ein Sinuslauf nicht möglich. Dies führt zu komplett veränderten und unberechenbaren Verschleißbildern an Rad, Schiene und Weiche. Außerdem geht der natürliche Achskurzschluss verloren, so dass Schleifkontakte einen künstlichen Achskurzschluss herstellen müssen. Damit erhöht sich wiederum der Wartungsaufwand immens. All diese Faktoren zeigen, dass sich der Stressfaktor im Fahrweg von Straßenbahnsystemen vervielfacht hat. Und so sind auch die Anforderungen für die Instandhaltung des Systems gestiegen: Die Maßnahmen, die vor 30 Jahren sinnvoll waren, reichen heute nicht mehr aus, kontinuierliche Messungen werden immer wichtiger.

3 Fertigungsverfahren verändern Rahmenbedingungen

Für beide Systeme gelten geänderte Rahmenbedingungen durch neue Herstellungsverfahren der Fahrwegkomponenten. Als ein Beispiel kann die erhöhte Zungeneigenspannung von Weichen genannt werden. Während früher die Zungenprofile aus dem „Vollen“ gehobelt und gefräst wurden, werden diese Profile heute weitgehend passgenau vorgewalzt. Dies hat zur Folge, dass gleiche Zungenprofile aus gleich gebliebenem Material heute wesentlich höhere Biegekräfte erfordern. Außerdem zeigt sich immer wieder, wie wichtig es ist, die Realmaße, z. B. die Länge der Weichenzungen aufzunehmen, denn diese können sich auch bei gleicher Bauart von Weiche zu Weiche erheblich unterscheiden. Es kommt hinzu, dass Stell- und Festhaltekräfte der Weichenantriebe immer häufiger grenzwertige Reserven aufweisen. Laut Norm des Vollbahnbereichs braucht jeder Antrieb eine Stellkraftreserve von 20 Prozent. Im Augenblick gilt diese Norm auch für den Straßenbahnbereich, doch es wird immer schwieriger, diese Stellkraftreserve zu erreichen. (siehe Bild 1+2) Da die Weichenzungen immer kürzer werden, werden inzwischen in Extremfällen bis zu 3 kN pro Weichenzunge benötigt, um die Weiche in Endlage zu halten – also insgesamt 6 kN pro Weiche. Die Stellkraft der Antriebe beträgt 7 kN und so wird es nicht nur immer anspruchsvoller, 20 Prozent Reserve zu gewährleisten, sondern auch die Handumstellung ist im Notfall fast unmöglich. Es ist erkennbar, dass durch diese Faktoren sowohl im Vollbahn- als auch im Straßenbahnbereich regelmäßige Kraftmessungen in Weichensystemen jeglicher Bauart in Zukunft immer wichtiger werden. Und je mehr Messungen durchgeführt werden, desto deutlicher wird sich zeigen, dass man neue passende Regelungen finden muss.

4 Maßgeschneiderte Messungen und Inspektionen

Vollbahn- und Straßenbahnsysteme weisen grundsätzliche Differenzen auf, aus denen ein unterschiedliches Vorgehen bei Messungen und Inspektionen resultiert. Genormte Inspektionsforderungen müssen daher den konkreten Anforderungen der beiden Systeme Rechnung tragen. Ein Beispiel: im Vollbahnbereich gibt es meist seitlich verbaute Antriebe mit externen Verschlüssen an den Zungenvorrichtungen, im Straßenbahnbereich hingegen nutzt man meist mittig verbaute Antriebe mit internen Verschlüssen. Als Kraftquelle kommen Hydraulik, Elektromechanik sowie Elektromagneten zum Einsatz. Aus diesen Bedingungen resultieren charakteristisch unterschiedliche Stellkraft- und Umstellwiderstands-Kurven, die in den Systemen jeweils sehr verschiedene Auswirkungen haben können. Ebenfalls muss den Festhalte- und Auffahrkräften eine jeweils andere Bedeutung zugemessen werden. Die Folge: Alle Bediener müssen intensiv geschult werden, um diese Kurven lesen und deuten zu können und über die korrekten Wartungs- und Reparaturmaßnahmen zu entscheiden.

Um unter diesen Bedingungen Anomalien zu erkennen, bevor eine Störung auftritt, braucht man desweiteren ein systemunabhängiges Frühwarnsystem, zu dem eine detaillierte Weicheninspektion, Kraft-, Druck- und Spurmessungen sowie Messungen im Weichenbereich gehören sollten. Denn nur bei regelmäßig wiederkehrenden Messungen lassen sich Probleme erkennen, die sich langsam entwickeln. Nur so kann man frühzeitig Maßnahmen ergreifen, bevor eine folgenreiche Störung entsteht. Zentralverwaltete Datenbanken sind dafür ein wichtiges Instrument: Anhand der über Jahre gesammelten Daten können Verkehrsbetriebe erkennen, mit welcher Kombination verschiedener Techniken und in welchen geografischen Bereichen die meisten oder die wenigsten Störungen anfallen. Die umfassenden Erkenntnisse zu diesen Korrelationen ermöglichen es, Änderungen in den Systemparametern festzulegen und damit ein möglichst fehlertolerantes System aufzubauen.

Auf Basis seiner langjährigen Erfahrungen hat HANNING & KAHL dafür ein komplettes Messkonzept entwickelt, das ständig erweitert und den aktuellen Anforderungen angepasst wird. Dazu gehören eine eigene Datenbank und ein umfangreiches Messequipment, wie z. B. das Kraftmessgerät HZM und verschiedenes Zubehör. (als Beispiel siehe Bild 3+4) In umfangreichen Schulungen bereiten die Mitarbeiter die Teams der Verkehrsbetriebe auf die neuen Aufgaben vor. Außerdem bietet das ostwestfälische Unternehmen eine Verschleißbeurteilung der Antriebstechnik, bei der festgestellt wird, wann ein Antrieb einer Hauptuntersuchung unterzogen werden muss. Und nicht zuletzt arbeitet man an einer wegbasierten Messung, um zu bewerten, wann Verschlüsse wirklich verschlissen sind.

Gesteigerte Stressfaktoren sind ein internationales Phänomen und so erkennen Bahnbetreiber europaweit die Brisanz der genannten Probleme und die Notwendigkeit systemabhängige Weicheninspektionen mit Kraftmessungen regelmäßig und flächendeckend durchzuführen. Sicher ist, dass die mittlerweile zur Verfügung stehende Messtechnik bei korrekter Anwendung innerbetriebliche Diskussionen vor anstehenden Investitionen, z. B. Reparaturen, verkürzen kann, denn die Messergebnisse sprechen eine deutliche Sprache zugunsten der Wartungsabteilungen.