Warum sollte man sich um winzige Defekte an Schienen kümmern? Winzige Risse auf Schienenoberflächen können wachsen und sich zu Ausbrüchen in der Schiene ausweiten, wenn sie nicht kontrolliert werden. In Österreichs 5.700 km langem Schienennetz, das jährlich 328 Millionen Fahrgäste befördert, ist die frühzeitige Erkennung solcher Risse von entscheidender Bedeutung, um die Betriebssicherheit und Effizienz zu gewährleisten.
Kopfrisse (Head checks) und Schienenüberwachung. Rollkontaktermüdung (RCF) kann zu Oberflächendefekten wie sog. Head Checks führen, die ein Risiko für Schienenausfälle darstellen. Ermüdungsbedingte Probleme sind für 50-90 % der mechanischen Ausfälle in Eisenbahnsystemen verantwortlich. Die herkömmliche Schienenüberwachung stützt sich auf Zugerfassungsfahrzeuge (TRVs) und fest installierte Sensoren. Während TRVs periodische Beurteilungen liefern, überwachen ortsfeste Anlagen kontinuierlich gefährdete Gleisabschnitte, was die Wartungskosten und die Ausfallzeiten der Schienen im Laufe der Zeit erheblich reduziert.
Piezoelektrische Sensoren und akustische Oberflächenwellen. Am Materials Center Leoben (MCL) wurden piezoelektrische Sensoren eingesetzt, um akustische Oberflächenwellen (SAWs) zu erzeugen, die Risse in Schienen aufspüren. SAWs interagieren mit Oberflächenrissen, wobei die übertragenen, reflektierten und gestreuten Signale wichtige Informationen über die Risstiefe liefern. Piezoelektrische Sensoren wurden aufgrund ihrer Kompaktheit, ihres günstigen Preises und ihrer Fähigkeit einen breiten Frequenzbereich zu erzeugen ausgewählt.
Systementwurf und Implementierung. Das im Bild oben dargestellte System besteht aus Piezosensoren, die paarweise entlang des Schienenstegs installiert sind. Die Sensoren werden an einen Schaltkasten („OptiSwitch“) angeschlossen, der flexible Sender-Empfänger-Konfigurationen ermöglicht. Dieser Aufbau ist mit einer Sensorbox zur Signalsteuerung und -verstärkung verbunden, die für die Echtzeitanalyse mit einem Laptop verbunden ist.
Signalverarbeitung und Innovation. Die am MCL maßgeschneiderte Signalverarbeitung entfernt in den gemessenen Signalen das Rauschen, führt eine Kreuzkorrelation der Signale durch und berechnet die Übertragungskoeffizienten, um die Risstiefe zu ermitteln. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die eine Feinabstimmung erfordern, muss bei dieser Plug-and-Play-Lösung nur der Sensorabstand eingegeben werden, was die Installation und den Betrieb erheblich vereinfacht und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) optimiert.
Leistungsvalidierung. Das System wurde bei voestalpine Rail Technology GmbH ausgiebig getestet, wobei ein Prüfstand verwendet wurde, der Rad-Schiene-Interaktionen unter verschiedenen Bedingungen und bei unterschiedlichen Schienentypen simuliert. Die Risstiefen wurden anhand von Metallographie- und Wirbelstrommessungen validiert. Die Ergebnisse zeigten durchweg eine hohe Übereinstimmung zwischen gemessenen und geschätzten Risstiefen, was die Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit des Systems für die kontinuierliche Überwachung von Schienen belegt.
Wirkungen und Effekte
Für Bahnbetreiber reduziert die kontinuierliche Überwachung den reaktiven Wartungsbedarf, wodurch Ausfallzeiten und Betriebskosten minimiert werden. Die Fahrgäste profitieren von erhöhter Sicherheit, weniger Verspätungen und potenziell niedrigeren Reisekosten, was den Wert dieser innovativen Lösung unterstreicht. Für die Umwelt führt die höhere Verfügbarkeit des Schienensystems zu einer stärkeren Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel durch Pendler:innen, was wiederum die CO2-Emissionen reduziert.
Projektkoordination (Story)
Dr. Mohsen Rezaei
Senior Researcher
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 3842 45922-0
Mohsen.Rezaei(at)mcl.at
IC-MPPE / COMET-Zentrum
Materials Center Leoben Forschung GmbH
Vordernberger Strasse 12
8700 Leoben
T +43 (0) 3842 45922-0
mclburo(at)mcl.at
www.mcl.at
Projektpartner
• Materials Center Leoben Forschung GmbH, Österreich
• voestalpine Rail Technology GmbH, Österreich
• voestalpine Signaling Austria GmbH, Österreich
• Montanuniversität Leoben, Österreich
• Technische Universität Graz, Österreich