Durchführung des 4g Auflaufversuchs in Deutschland. - Neue Technologien zur Vermeidung von Kraft- und Beschleunigungsspitzen -

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1 Durchführung des 4g Auflaufversuchs in Deutschland - Neue Technologien zur Vermeidung von Kraft- und Beschleunigungsspitzen - Präsentation für die 11. Gefahrgut Technik-Tage BAM, Berlin, 21. November 2008 Dipl.-Ing. Sieghard Schneider EST Eisenbahn-Systemtechnik GmbH Wangen im Allgäu FIRMENPROFIL

2 EST Eisenbahn- Systemtechnik GmbH Wielandstraße 15 D Wangen im Allgäu GERMANY Tel Fax Akkreditiert nach: Certified acc.: DIN 6700 (C5) 4g AUFLAUFSTOSS

3 Welche Beschleunigungen kommen im Eisenbahnbetrieb vor? 10 g (historisch) Auslegungswert der Deutschen Reichsbahn für Dampflokomotiven 7.5 g Limit für Kollisionsimpuls bei Kollision mit schwerem Hindernis auf Bahnübergang (EN 15227) 6g Limit für 9 km/h - Zulassungsversuche von Standardpuffern nach Kat. A 5g Auf diese Belastung müssen Anbauteile ausgelegt werden (kein Abreissen) 4g Limit für 7 km/h - Zulassungsversuche von Standardpuffern nach Kat. A 3g Limit für 7 km/h - Zulassungsversuche von Standardpuffern nach Kat. C 1g Limit für Sondergüterwagen für Bananen- und Motorentransporte Newton sches Grundgesetz der Mechanik F = m a Kraft = Masse Beschleunigung Annahme: Fahrzeugmasse kg 2g F 1600 kn 3g F 2400 kn 4g F 3200 kn 5g F 4000 kn actio = reactio Sir Isaac Newton Kompatibilität der Stosspartner verlangt nach sinnvoller Festlegung von betrieblich zugelassenen Stosskräften (nicht Beschleunigungen) Leichte (leere) Fahrzeuge können bei gleicher Kraft viel höhere Beschleunigungen erfahren

4 Festigkeit von Schienenfahrzeugen in Abh. d. Höhe über S.O.K. (Schienenoberkante) 300 kn 700 kn [2 300 kn] 2000 kn * Nach UIC 651 / EN / DB-Anf. * Güterwagen: dyn kn (wegen Ablaufenlassen) Nach ERRI B12 RP17 / pren Festigkeit von Schienenfahrzeugen DIN EN P-Fahrzeugklassen:

5 Geschwindigkeitsverteilung von Rangiervorgängen bei einzelnen europäischen Bahnen. Aus: ERRI B12/RP64 Teil 1, Anhang A.13 Durchschnittliche Geschwindigkeitsverteilung von Rangiervorgängen bei europäischen Bahnen. Berechnung von Arbeitsaufnahme und Grenzgeschwindigkeiten für verschiedene Puffertypen und Berücksichtigung der Arbeitsaufnahme durch die Güterwagenstruktur /-ladung (Phi=0,8). Aus: ERRI B12/RP64 Teil 1, Anhang A.14

6 Limit für die Beschleunigungswerte 6g 5g 4g 3g Schutzbereiche verschiedener Pufferbauarten Kat. A * Kat. C ** Crashpuffer *** Trend *) Standardpuffer nach UIC (z.b. Elastomerfeder) **) Standardpuffer nach UIC Kat. C (hydraulisch) ***) Crashpuffer für Gefahrgut- Kesselwagen nach UIC 573 Anlage F Abschätzung für typische Wagenkonstellation 80t 90 t Auflaufgeschwindigkeit [km/h] Größte auftretende Beschleunigungen und maximale Geschwindigkeiten, bis zu denen die Puffer die gesamte Stossenergie kontrolliert absorbieren können. Ab welcher Geschwindigkeit werden die Beschleunigungswerte kritisch? 5g Begrenzung durch Crashpuffer 4g 3g 2g

7 Fazit für den normalen Eisenbahnbetrieb Alle modernen Standard-Puffer-Bauarten (Kat. A, Kat. C, Elastomerfedersysteme oder hydraulische Systeme) begrenzen die Beschleunigungswerte im Rangierbetrieb wirkungsvoll Puffer mit Ringfeder-Systemen sind nicht empfehlenswert (harter Anschlag) Im Regel-Betrieb bis 5 km/h Kuppelgeschwindigkeit (automatische Rangierbahnhöfe mit Geschwindigkeitsüberswachung) treten max. 2 g auf Im Bereich 5 10 km/h steigt die Beschleunigung auf 4 g In Ausnahmefällen mit hoher Kuppelgeschwindigkeit im Bereich km/h bleiben moderne Pufferbauarten immer noch unter 4 g. Dieser Bereich kommt zwar selten vor, ist jedoch nach ERRI B12 RP17 zulässig und gilt noch nicht als Unfall Leichte (leere) Fahrzeuge, z.b. 2achsige Kesselwagen, können deutlich höhere Beschleunigungen erleiden. Erhöhte Gefahr für Entgleisung oder Aufklettern. Bei höheren Geschwindigkeiten als 12 km/h steigen die Spitzenkräfte und - beschleunigungen stark an. Hier können nur Crashpuffer eine wirksame Begrenzung bringen NEUE TECHNOLOGIEN ZUR VERMEIDUNG VON KRAFT- UND BESCHLEUNIGUNGS- SPITZEN

8 Gestaltfeste Fahrgastzelle nach Béla Barényi Erster Serien-Pkw mit gestaltfester Fahrgastzelle : Mercedes-Benz 220, 1959 Europäisches Forschungsprojekt SAFETRAIN ( ) 4,5 MJ Energieaufnahme an der Zugfront (High-Energy End HE ) 1,4 MJ Energieaufnahme an den Kuppelstellen (Low-Energy End LE ) 660mm Annäherungsmöglichkeit zwischen den Wagen Progressive Charakteristik (ansteigende Kraft-Weg-Kennlinie)

9 Kollisionsszenarios nach TSI-HGV (2002) 1. Szenario TSI-1 (jeweils ohne / mit Referenzzug) Rzg (242 t) Relativgeschwindigkeit: 36 km/h Rzg (242 t) 2,2 MJ / 8,2 MJ 2. Szenario TSI-2 (jeweils ohne / mit Referenzzug) Rzg (242 t) Geschwindigkeit: 36 km/h Vierachsiger Güterwagen (80 t) Referenz-Stoßpartner nach DIN Szenario TSI-3 (jeweils ohne / mit Referenzzug) 2,1 MJ / 3,2 MJ Rzg (242 t) Geschwindigkeit: 110 km/h 3,4 MJ / 3,6 MJ Starrer block (8 t) Kollisionssichere Zugverbände - Beispiele InterCity/ High-speed Doppel- stock- Garnituren G1.A1 G1.A1 R1 R1 R1 R1 R1 1,7MJ 1,7MJ 700kJ 700kJ 700kJ 700kJ 700kJ G2.A2 G2 R1 R1 R1 R1 2MJ 950kJ 700kJ 700kJ 700kJ 700kJ Gefahrgut G2 G2 G1 G1 G1 G1 G1 G1 G1 G1 G1 950kJ 950kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ 800kJ RoLa (Rollende G1.A1 G1.A1 R1 R1 G1 X1 Landstraße) 1,7MJ 1,7MJ 700kJ 700kJ 600kJ 600kJ In rot dargestellt: Versionen der EST Crashpuffer (G1/R1/X1/...) und ihr Energieaufnahmevermögen

10 Mehrstufiges Energieaufnahmekonzept nach DIN 5560 Kollisionsenergie von häufig vorkommenden Kollisionen (z.b. TSI Szenario 2, Kollision mit stehendem 80t- Güterwagen) sollen von strukturexternen, d.h. einfach austauschbaren Deformationselementen aufgenommen werden EST CRASHPUFFER

11 Der EST Crashpuffer Standardpuffer und Deformationselement in einer einzigen Komponente vereint Puffer Deformationselement Komponentenzulassung des Eisenbahn- Bundesamts (EBA) Funktionsprinzip 1 Unbelasteter Zustand Stößel (beweglich) Elastomer- Federsystem DUREL DP-30 Deformationsfähige Hülse (fahrzeugfest) 2 3 Zustand bei maximaler Einfederung (Pufferfunktion) Zustand nach Deformation (Crashfunktion) Auslösemechanismus 1 Kraft / Force [kn] Weg / Displacement [mm]

12 EST Crashpuffer G1 Deformationselement im Gehäuse eines UIC-Standardpuffers integriert Extrem kompakt Extrem leicht EBA-Komponentenzulassung auch nachrüstbar G1-200 S G1-200 M G1-200 K Baulänge 620 mm (UIC 526-1) Pufferteller 550 x 340 mm rechteckig (UIC und ERRI B12 DT 84) Federhub 105 mm (+0/-5 mm, UIC 526-1) Federsystem, Klassifizierung nach UIC Kat. A (UIC 526-1) Reversible Energieaufnahmekapazität (dyn.) ca. 40 kj Befestigung 240 mm x 160 mm, M24 (UIC 525) Freizuhaltender Bauraum hinter Befestigungsflansch Nicht erforderlich Typ. Auslöseschwelle pro Puffer 1300 kn 1500 kn 1500 kn Typ. mittleres Kraftniveau während Deformation 900 kn 1125 kn 1650 kn Max. Deformationslänge zusätzlich zum Federhub ca. 200 mm Energieaufnahmevermögen gesamt pro Fahrzeugende/Pufferpaar (dyn.) ca. 500 kj ca. 600 kj ca.800 kj Gewicht ca. 125 kg ca. 127 kg ca. 130 kg Nachrüstung von bestehenden Fahrzeugen von klein bis groß von alt bis neu

13 Statistics & Economics Collision energy [kj] Collision energy and critical speed ( Impact 80t vehicle on 80t freight wagon with cat. A-buffers, values calculated acc. to ERRI B12/RP64 part 1 A.14) Buffer Cat. C EST Crash Buffer Cat. A (rev.) 11 Probability [%] EST Crash Buffer (deformed) Collision speed [km/h] 23 Probability for exceeding a certain critical collision speed, DB (German Railways) Analytical statistical distribution Statistical Data from ERRI B12/RP64 valid for service conditions of DB (German Railways) Critical collision speed [km/h] Buffer type Cat. A Cat. C EST Crash Buffer Energy absorption capability 30 kj 70 kj 300 kj Critical collision speed 10 km/h 13 km/h 23 km/h Remaining risk of structural damage (average European service conditions) 2,5% 0,5% 0,003% Repair cost index (Cat. C = 100) ,7 Remaining risk of structural damage (service conditions of DB (German Railways)) Probability [%] Probability for exceeding a certain critical collision speed, European average 0,7% 0,2% 0,001% Repair cost index (Cat. C = 100) ,3 Analytical statistical distribution Statistical Data from ERRI B12/RP64 valid for average European service conditions Critical collision speed [km/h] Schutzwirkung Schutz des Personals, der Passagiere, der Ladung, der Fahrzeugstruktur und der Einbauten Schutz aller anderen am Unfall beteiligten Fahrzeuge (Kollisionsgegner/Zugverband) Vermeidung von unkontrollierten Kollisionsabläufen wie Entgleisung und Aufklettern, dadurch Schutz auch der Umgebung eines Unfallorts Vermeidung von unentdeckten Schäden infolge Auflaufstößen, Indikatorfunktion für Auflaufereignis an der Auflaufstelle, eindeutige Zuordnung des Schadens zur Ursache. Senkung von Reparaturkosten nach Unfällen Schnellere Wiederverfügbarkeit von Fahrzeugen nach Unfällen Verbesserung der Sicherheit Verbesserung der Wirtschaftlichkeit

14 Neue Analysemöglichkeiten nach Unfall Optische Auslöseerkennung (gelbe Pfeilmarke, abzulesen im entkuppelten Zustand): ja/nein Erkennung der vollständigen Ausnutzung der Komponente (Blockzustand): ja/nein Grad der Deformation leicht von außen erkennbar, erleichtert die Unfallanalyse Nicht-Auslösung zeigt: Fahrzeug kann wieder in Betrieb (ohne Rahmenvermessung) Transportsicherung integriert: Pufferhub wird blockiert für sicheres Handling nach Demontage Schnellreparatur : Kann behelfsmäßig schnell gegen einen Standardpuffer ausgetauscht werden, ggf. auch vorort Eingeschränkter Notbetrieb nach Kollision möglich: Überführung zur Werkstatt ohne Pufferabbau Motivation Senkung Reparaturkosten Schutz Triebfahrzeugführer Verbesserte Sicherheit für die Passagiere (Lkw-Fahrer der Rollenden Landstraße (RoLa) Normen / Gesetze / Zulassung (pren 15227, TSI, RID 2007, UIC 573 (neu))

15 120 m 2 Flüssiggas-Kesselwagen der WASCOSA AG gemäß RID Erfüllt die Sondervorschriften TE22 (Crashpuffer) und TE25 (Aufkletterschutz) VERSUCHE

16 Umfangreiches Erprobungsprogramm Crashverhalten Einzelkomponenten Dauerfestigkeit Einzelkomponenten Crashverhalten quasi-statisch Crashverhalten dynamisch (Prüfstand) Lebensdauersimulation nach UIC Crashtests Güterwagen Crashtests Lokomotiven Crashtests Personenwagen Dauererprobung an E-Loks, Dieselloks und Personenwagen - Praxistauglichkeit, - Verschleißfestigkeit - Korrosionsbeständigkeit Auflaufversuche, 80t-80t Standardpuffer (blau) gegen EST Crashpuffer (rot) Auflaufgeschwindigkeit 30 km/h Railmotive GmbH, Görlitz

17 Schotterwagen oder Kesselwagen? Auflaufgeschwindigkeit v 1 m 1 m 2 Wagenpaarung m1-m2 Phi Schotterwagen- Kesselwagen (vollbel.) 90t-80t 0,55 Schotterwagen- Schüttgutwagen 90t-80t 0,8 Faktor 1,72 Schotterwagen- Schotterwagen 90t-80t 0,95 Der Energieabsorptionskoeffizient Phi gibt an, welcher Anteil der Energie in den Puffern absorbiert wird. Der Rest der Energie wird erfahrungsgemäß durch Fahrzeugstruktur und Ladung absorbiert (typischerweise 20 50%) Simulation des Schwall-Effektes 90t Kesselwagen mit EST Crashpuffern gegen 80t Güterwagen mit Standardpuffern Auflaufgeschwindigkeit 36 km/h

18 Kraft- und Weg-Messung Kraftmessdosen zwischen Crashpuffer und Fahrzeuguntergestell eingebaut (grün) Wegaufnehmer nach dem Seilzugprinzip Messung von Beschleunigungen 22 km/h 30 km/h Bis zu 30 km/h bleiben Spitzenwerte unter 6g (gefiltert 32 Hz nach ERRI B12 RP17 Anlage K)

19 Messung von Beschleunigungen Messung von 6 Beschleunigungssignalen (Unfalldatenschreiber aus dem Pkw-Bereich) an jedem Fahrzeug zur besonderen Analyse von Vertikalbewegungen Vertikalbeschleunigungen erreichen ähnliche Spitzenwerte wie die horizontalen Beschleunigungen! NEUE REGELWERKE

20 Neue Regelwerke (Stand 11/2008) Regelwerk Status Gültigkeitsbereich gültig seit / ab TSI Highspeed (HGV) Europäisches Gesetz Crashanforderungen für Verkehr auf TEN (Transeuropäisches Netzwerk, d.h. Hochgeschwindigkeitsstrecken) Sept TSI Conventional (TSI WAG, TSI LOC) Europäisches Gesetz, derzeit Entwurf Crashanforderungen für alle Schienenfahrzeuge außer Güterwagen 2009 (?) EN Europäische Norm Crashanforderungen für alle Schienenfahrzeuge außer Güterwagen August 2008 DIN 5550 Deutsche Norm Crashanforderungen Leichttriebwagen Mai 2002 EN Europäische Norm, derzeit Entwurf, ersetzt UIC Puffer und Crashpuffer 2008 (vsl.) EN Europäische Norm, derzeit Entwurf, ersetzt UIC Zugeinrichtungen 2008 (vsl.) RID Europäisches Gesetz, letzter Ausgabestand Crashanforderungen an Gefahrgut-Kesselwagen Toxische Stoffe: Feuergefährliche Stoffe: Fazit zum Einsatz von Crashpuffern Crashpuffer schützen nicht nur das damit ausgerüstete Fahrzeug, sondern auch alle anderen am Unfall beteiligten Fahrzeuge. Crashpuffer können bei Unfällen bis ca. 36 km/h die Kollisionsenergie vollständig absorbieren und die Beschleunigung wirksam begrenzen. Die Tendenz zum Aufklettern wird dramatisch verringert. Die Reparaturkosten nach Unfällen im Bereich 20 km/h können um 90% reduziert werden, die Zeit zur Wiederinbetriebsetzung kann auf wenige Tage reduziert werden, der geregelte Betriebsablauf kann schnell wiederhergestellt werden. Crashpuffer mit UIC-Standard-Flansch können sogar an Altfahrzeuge nachgerüstet werden. Bei Lokomotiven sind die Einspareffekte so groß, dass die Investition sich in weniger als 1 Jahr lohnt. Versicherungen sind bereit, günstigere Tarife anzubieten.

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