Rollkontaktermüdung Ein Überblick über ein weltweites Phänomen

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1 8. Fachtagung Vortrag 3 More info about this article: Rollkontaktermüdung Ein Überblick über ein weltweites Phänomen Kurzfassung Dr. Wolfgang SCHÖCH * * SPENO International, Genf, Schweiz Auf Grund hoher wiederholter Belastungen in der Berührzone zwischen Rad und Schiene tritt Rollkontaktermüdung ein. Diese zeigt sich in Form von Head Checks und Squats. Rollkontaktermüdung war zunächst nur ein Thema bei den Schwerlastbahnen mit Achslasten über 25 Tonnen. Auf Grund steigender Verkehrslasten durch höhere Geschwindigkeiten, Achslasten und Traktionskräfte sind Ermüdungserscheinungen und deren Auswirkungen ein Thema, das jetzt bei allen Bahnen auftritt (Hochgeschwindigkeits-, Schwerlast-, konventioneller Mischbetrieb). Ausgehend von den Erfahrungen der Schwerlastbahnen und vielen theoretischen und praktischen Untersuchungen hat sich letztlich der Einsatz einer strategischen Schienenbearbeitung als effiziente Maßnahme erwiesen, die es erlaubt, die Einsatzdauer neuer bzw. bereits geschädigter Schienen optimal zu verlängern. Idealerweise beginnen präventive Maßnahmen mit dem korrekten Bearbeiten neu verlegter Schienen. Bei Vorliegen von Ermüdungsschäden kann eine intensive korrektive Bearbeitung, unter Umständen auch in mehreren Etappen, die Grundlage für eine präventive Wartungsstrategie schaffen. Die geeigneten Technologien dafür sind das Schleifen und für Reparaturarbeiten auch das Fräsen. Für die korrekte Bearbeitung wichtig ist es sicherzustellen, dass die Schädigung innerhalb technisch und wirtschaftlich sinnvoller Grenzen gehalten wird. Dazu ist es erforderlich, die Bearbeitungszyklen und den dabei erforderliche Materialabtrag richtig zu wählen und sich gegebenenfalls ändernden Verhältnissen anzupassen. Eine regelmäßige Kontrolle des Schädigungszustandes ist dabei unentbehrlich. Für die Steuerung und Dokumentation der Schienenbearbeitung stehen seit einiger Zeit Mess-Systeme auf Basis der Wirbelstromtechnik zur Verfügung. Auf Grund der vielfältigen Parameter im Gleis und im Betrieb, bedingt auch durch unterschiedliche Schienengüten, Verschleißzustände und variierende Schadensbilder, ist die Optimierung der Wartungsstrategie nach wie vor eine Herausforderung. Ein Überblick über die weltweiten Aktivitäten in dieser Hinsicht zeigt aber, dass auch die höchsten Anforderungen an die Schienen durchaus bewältigt werden können. Allerdings wird die Entwicklung entsprechender Technologien und Strategien wohl niemals zu einem endgültigen Ende kommen. Lizenz: 1

2 SPENO INTERNATIONAL SA 8. Fachtagung ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten ROLLKONTAKTERMÜDUNG EIN ÜBERBLICK ÜBER EIN WELTWEITES PHÄNOMEN Dr Wolfgang Schöch 1 INNOTRACK Intern Copyright Speno International SA ÜBERBLICK Das Phänomen Rollkontaktermüdung Schienenbearbeitung und pflege im Gleis Sechs Beispiele aus der Praxis Abschließende Bemerkungen 2 2

3 PHÄNOMEN RCF Rollkontaktermüdung: Belastungskonzentration in der Berührzone Rad / Schiene Maßgebende Parameter: Achslast Geschwindigkeit Traktionskräfte Strategische Erkennung und Bearbeitung von RCF Eine Herausforderung! Schienenschleifen: Routinetätigkeit auf allen Gleisen Längsfehler-Beseitigung Schienenkopf-Profilierung Gezielter Materialabtrag 3 TYPISCHE HEAD CHECKS

4 TYPISCHE HEAD CHECKS FLAKING 6 4

5 RCF IN WEICHEN 7 MODERATE SQUATS 8 5

6 SQUAT CLUSTER 9 BELGROSPI 1 1 6

7 BELGROSPI 2 11 TIEFE SQUATS UND SCHLEIFEN 12 7

8 ERMÜDUNG UND SCHLEIFEN 13 SCHIENENBEARBEITUNG UND PFLEGE Erkennung: Visuell ab einer bestimmten Dimension; Schwierig im Anfangsstadium; Messung bestehender Schädigungstiefen erforderlich Bearbeitung: In definierten Zyklen (Erfahrung Messung); Schädigung unterhalb einer akzeptablen Grenze; Wartungs-Strategien: Präventiv Zyklisch Zyklisch korrektiv 14 8

9 INNOTRACK PROJEKT D4.5.5: Guidelines for Management of Rail Grinding RCF kann effektiv behandelt werden, wenn die Form des Schienenkopfes mit jener der maßgebenden Radprofile übereinstimmt und wenn das ermüdete Schienenmaterial an der Oberfläche regelmäßig in angemessenen Intervallen abgetragen wird. Resultat: Lange Schienen-Einsatzzeiten & entsprechend niedere LCC 15 ANTI-HEADCHECK-PROFILE ( Innotrack ) FAHRKANTENUNTERSCHLEIFUNG! Radiale Differenz zwischen Profilen:.2 mm 6E1 1:2 AHCP SNCF 54E1 AHC 1:4 6E2 1:4 -.6 DB AG NR HR 1 1:2.2 mm 6E1 1:2 AHCC SNCF Referenz: 6E2 1:4 16 9

10 D OPTIMALE SCHIENENPFLEGE Neulagenschleifen -.3 mm Materialabtrag, - Spezielle AHC - Zielprofile (+/-.3 mm Produktionstoleranz) Gefolgt von strategisch zyklischer Wartung - Anti-Head-Check - Profile - Kurze Intervalle: - Wenig Variation der Schädigungstiefe - Frühe Bearbeitung anderer Oberflächenfehler - Entsprechender Materialabtrag (= Schädigungstiefe): max..6 mm an Fahrkante / max..2 mm in der Mitte - Schädigungsmessung während des Schleifens 17 OPTIMALE SCHIENENPFLEGE Schwer Fehlerentwicklung RCF Schädigungsklasse Mittel Leicht Neulagen- Schleifen Zyklisches Schleifen Gut Tonnage 18 1

11 D STRATEGIE - WECHSEL Vor Einführung einer optimalen präventiv zyklischen Instandhaltungsstrategie: Umfangreiche korrektive Vorarbeiten erforderlich Beträchtliche anfängliche Investitionen vor den folgenden wirtschaftlich günstigen zyklischen Maßnahmen 19 SCHÄDIGUNGSGRAD & SCHIENENPFLEGE 1 Beschränkte Langzeit - Wirkung Fehlerentwicklung Schwer RCF Schädigungsklasse Mittel Leicht Unvollständig Korrektives Korrektives Schleifen Schleifen Zyklisches Schleifen Gut Quelle: ProRail Tonnage 2 11

12 ALTERNATIVE 1 EFFEKTIV KORREKTIV Korrektiv auf Gut in einem Schritt (Bevorzugtes Szenarium) Schwer Fehler - Entwicklung RCF Schädigungsklasse Mittel Leicht Komplett korrektives Schleifen Zyklisches Schleifen Gut Tonnage 21 ALTERNATIVE 2 - PROGRESSIV KORREKTIV Korrektiv auf Gut in mehreren Schritten (limitiertes Budget oder Schleifkapazität) Schwer Fehler - Entwicklung RCF Schädigungsklasse Mittel Leicht Korrektives Schleifen Zyklisches Schleifen Gut Tonnage 22 12

13 RCF ERKENNUNG Resultat: Wirbelstrom-Technologie Änderungen eines elektrischen Feldes auf Grund von Oberflächenrissen Schädigungstiefe 23 MASCHINEN-INTEGRIERTE SYSTEME Unterstützung der Schleifarbeiten Präzise Sonden-Führung Software zur Online-Datenauswertung HC (für headcheck) Grinding Scanner Schrittweise Einführung in Schleifmaschinen (z.b. Deutschland, Holland, Frankreich, Italien, Österreich, Schweiz, Polen, Finnland...) Wechselnde und anspruchsvolle Anforderungen weltweit: Weitere Entwicklung, Auslotung der Grenzen, Fine-tuning 24 13

14 MESSWAGEN Y Y Y +5 Z 4 UIC 6 1/4 Querprofil Längsprofil Head check- Grinding Scanner 25 HC MONITORING & DOKUMENTATION 26 14

15 BEISPIEL 1: EINGRIFFSSCHWELLEN (DB AG) Festlegung von Eingriffsschwellen: Schienenwechsel Fräsen (Schwere Schäden) Schleifen (Leichte Schäden) Ziel: Schädigungsfreie Oberfläche Zyklisch präventives Schleifen 27 BEISPIEL 2.1: PARALLELMESSUNG [Risse/mm] Tiefe [mm] [Risse/mm] Tiefe [mm] Innenschiene Außenschiene ITALIEN RR 64 M Vor dem Schleifen Sonden-Neigung Sonden-Neigung 28 15

16 BEISPIEL 2.2: PARALLELMESSUNG [Risse/mm] Tiefe [mm] [Risse/mm] Tiefe [mm] Innenschiene Außenschiene ITALIEN RR 64 M Nach 4 Schleiffahrten Sonden-Neigung Sonden-Neigung 29 BEISPIEL 3.1: KORREKTUR TIEFE HC Risse/mm] Tiefe [mm] [Risse/mm] - Tiefe [mm] Linke Schiene ÖSTERREICH RR 24 M4 Rechte Schiene Überfahrt: 2 Sonden-Neigung Sonden-Neigung 3 16

17 BEISPIEL 3.2: KORREKTUR TIEFE HC [Risse/mm] Tiefe [mm] Risse/mm] Tiefe [mm] Linke Schiene ÖSTERREICH RR 24 M4 Rechte Schiene Überfahrt : 21 Sonden-Neigung Sonden-Neigung 31 BEISPIEL 4.1: KORREKTUR LEICHTE HC [Risse/mm] Tiefe [mm] [Risse/mm] Tiefe [mm] ÖSTERREICH RR 24 M4 Linke Schiene Rechte Schiene Überfahrt : 1 Sonden-Neigung Sonden-Neigung 32 17

18 BEISPIEL 4.2: KORREKTUR LEICHTE HC [Risse/mm] Tiefe [mm] [Risse/mm] Tiefe [mm] Linke Schiene Rechte Schiene ÖSTERREICH RR 24 M4 Überfahrt: 7 Sonden-Neigung Sonden-Neigung 33 BEISPIEL 5.1: VERSUCHSPROJEKT Trafikverket / Schweden Malmbanan (Erzbahn Kiruna - Narvik) (Erste Projekt-Phase 2911, in Fortsetzung) Studie: - Profil Entwicklung (Messung MiniProf) - HC- Entwicklung (Messung WPG) 34 18

19 BEISPIEL 5.2: PROFIL ENTWICKLUNG Radiale Differenz [mm] Referenz Linie: Profil nach Schleifen 28 Schleifen 29 Schleifen 21 Schleifen 211 Vor Schleifen 29 Nach Schleifen 29 Vor Schleifen 21 Nach Schleifen 21 Vor Schleifen 211 Nach Schleifen BEISPIEL 5.3: HC- ENTWICKLUNG Riss- Tiefe [mm] Vor Schleifen 29 Nach Schleifen 29 Vor Schleifen 21 Nach Schleifen 21 6E1 Profil Vor Schleifen 211 Nach Schleifen 211 MB1 Profil 3 Riss- Dichte [Risse/m 3 m]

20 BEISPIEL 6: HEAVY HAUL (AUSTRALIEN) Head check Klassifizierung (Rio Tinto & SRMA): RCF Klasse 1 RCF Klasse 2 HC Grinding Scanner im Testbetrieb 37 BEMERKUNGEN - Möglichkeit der Head Check-Erkennung während der Schleifarbeiten - Kontrolle der ausgeführten Arbeiten - Planung zukünftiger Arbeiten - Information über RCF - Entwicklung You cannot manage what you cannot measure 38 2

21 ZUSAMMENFASSUNG - Moderner Eisenbahnverkehr verursacht weltweit Rollkontaktermüdung - Kontrollierte Schienenbearbeitung ist eine Notwendigkeit - Idealer Rad-Schiene-Kontakt durch: -- optimales Anti-Head-Check-Zielprofil -- angepasste Materialabträge - Durch optimale Fahrflächenbedingungen: Verlängerung der Schienenliegezeit (Gesteuerter Verschleiß) - Deutliche Senkung der derzeitigen Wartungskosten (inklusive Schleifen) 39 SPENO INTERNATIONAL SA 8. Fachtagung ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten ROLLKONTAKTERMÜDUNG EIN ÜBERBLICK ÜBER EIN WELTWEITES PHÄNOMEN Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dr Wolfgang Schoech wolfgang.schoech@speno.ch Copyright Speno International SA 21