Modernste Technik von SKF für die Bahn
Kegelrollen-Radsatzlagereinheiten für ICE-4
Spezielle Lagerausführungen und die Integration von SKF Know-how haben Siemens und Bombardier bei der Entwicklung einer neuen Generation zuverlässiger, hocheffizienter Personenzüge für die Deutsche Bahn, Deutschlands nationaler Eisenbahngesellschaft, wertvolle Dienste geleistet.
Die Personenzug-Baureihe ICE 4 wird künftig das Rückgrat des Fernverkehrsnetzes der Deutschen Bahn (DB) bilden. Der modulare Aufbau des neuen Zuges ermöglicht es, Baugruppen zu tauschen – daher eignet er sich für die unterschiedlichsten Anwendungen im deutschen Eisenbahnnetz. SKF ist seit 2012 in dieses 6-Mrd.-€-Projekt involviert und arbeitet dabei direkt mit dem Konsortium bestehend aus Siemens, dem Hersteller des neuen Zugs, und Bombardier, dem Hersteller von Stahlwagenkästen und Laufdrehgestellen, zusammen.
Die Vorgaben hinsichtlich Leistung und Zuverlässigkeit für den ICE 4 stellten eine Fülle hoher technischer Herausforderungen dar. Der Zug ist für eine Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h vorgesehen. Selbstverständlich muss jede Zugkomponente die strengen Sicherheitsvorgaben erfüllen; gleichzeitig will die DB ihre Betriebskosten verringern. Daher müssen die Konstrukteure die Energieeffizienz maximieren und die routinemäßigen Instandhaltungsmaßnahmen minimieren.
Smarte Sensorintegration
Die von Bombardier stammenden und unter der Bezeichnung BOMBARDIER FLEXX Eco geführten Laufdrehgestelle haben innengelagerte Lagersätze, sind dadurch leichter und verbrauchen weniger Energie. Für diese Anwendung entwickelte SKF eine spezielle Kegelrollen-Radsatzlagereinheit (TBU) mit integrierten Sensoren zur Überwachung von Drehzahlen und Drehrichtung jedes einzelnen Radsatzes. Die Integration der Sensoren in die eigentliche Lagereinheit reduziert den Platzbedarf für die gesamte Baugruppe. Das ist ein wichtiges Charakteristikum dieser innenseitigen Konfiguration bei begrenztem Einbauraum. Für den Einsatz in der Steuerung der Bremsausrüstung des Zuges wurden die von den Sensoren abgesetzten Signale spezifisch auf die Anforderungen des Auftraggebers abgestimmt. Die Sicherheitsrelevanz dieser Anwendung bestimmt das Redundanzniveau, daher sind beide Lagereinheiten auf jeder Achse mit Doppelsensoren ausgerüstet. Ein weiterer Sensor pro Lager überwacht dessen Betriebstemperatur und ist eine wichtige Frühwarnanzeige bei Temperaturanstieg.
„Da die Konfiguration mit dem Lager auf der Innenseite bei Hochgeschwindigkeitszügen noch relativ neu ist, bedurfte es hier auch einer neuen Technik“, erklärt Wolfgang Schatzer, Strategic Account Manager, Railway Industry bei SKF. „Wegen der Achsabmessungen und der damit verbundenen Belastungen sind ungewöhnlich große Lager erforderlich. Der Innendurchmesser liegt bei 180 mm, im Gegensatz zu den normalerweise 150 mm, die für äußere Lagerungen gelten. Aber gerade in diesem Bereich hat SKF umfassende Erfahrungen.“
Längere Instandhaltungsintervalle
Moderne Intercityzüge müssen hochgesteckte Anforderungen an Zuverlässigkeit und lange Instandhaltungsintervalle erfüllen. Die kundenseitigen Spezifikationen gaben eine rechnerische Lagerlebensdauer von 3,3 Mio. km vor. „Die Gesamtlebensdauer der Lager ist wichtig, aber zur Senkung der Betriebskosten können die Intervalle zwischen den Instandhaltungsmaßnahmen noch wichtiger sein“, meint Schatzer. „Die Verlängerung dieser Intervalle für den Einsatz in Schienenfahrzeugen war in den vergangenen Jahren ein wichtiges Forschungs- und Entwicklungsthema für SKF, und dank unserer eigenen Tests sowie der Anwendungen unserer Lagertechnologien auf diesem Sektor waren wir überzeugt, dass wir die kundenseitigen Forderungen erfüllen können.“
Entscheidend für die Verlängerung der Instandhaltungsintervalle bei Kegelrollen-Radsatzlagereinheiten (TBU) ist die Reibungsminimierung und die damit verbundene Senkung der Betriebstemperaturen. Denn so kann der Schmierstoff im Lager länger wirken. Die Lieferung von Lagern und Sensoren in abgedichteten, gefetteten Einheiten ist für den Kunden gleich mehrfach vorteilhaft – sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion, mit weniger, aber eindeutig definierten Schnittstellen zwischen Lagern, Sensoren und anderen Teilen des Zugs.
Die von Siemens entwickelten Triebdrehgestelle fungieren mit traditionelleren Außenlagerungen. Auch auf diesem Gebiet hat SKF profunde Erfahrungen, nicht zuletzt mit einigen der anspruchsvollsten Hochgeschwindigkeitsanwendungen der Welt. Einmal mehr entschied sich das Unternehmen für eine integrierte Lagerungslösung, dieses Mal allerdings für Zylinderrollenlager. Für die Triebdrehgestelle galten noch strengere Haltbarkeitsvorgaben; hier forderte der Kunde 1,65 Mio. km vor dem Lagerservice.
Perfekt koordiniertes Testprogramm
Zum Nachweis ihrer Zuverlässigkeit und Leistung mussten sämtliche neuen Lagereinheiten zweijährige, mehrstufige Versuche und Validierungsprozesse durchlaufen. Die Validierung begann mit einer Computersimulation der Konstruktion in einem virtuellen Umfeld. Danach testete SKF die Lager unter Realbedingungen im werkseigenen Testcenter in den Niederlanden, der größten Anlage ihrer Art in ganz Europa, um Lager unter realistischen Bedingungen zu prüfen. Prototypen der Lagereinheiten wurden in echten ICE-4-Radsatzlagergehäusen eingebaut und liefen umgerechnet 800.000 km; dabei wurden Lagertemperatur und -leistung akribisch überwacht. Dieser für die Simulation von verschiedensten Betriebsbedingungen ausgelegte Test dauert etwa vier Monate. Weitere Tests mit in Zugprototypen eingebauten Lagern wurden von Siemens in deren Test- und Validierungscenter in Wegberg-Wildenrath, Deutschland, durchgeführt, gefolgt von Feldtests im DB-Netz.
Hocheffiziente Motor- und Getriebekomponenten
Bei den Triebfahrzeugen fiel die Wahl von energieeffizienten Kegelrollenlagern für die Hauptgetriebe-Abtriebswellen mit einem Bohrungsdurchmesser von 240 mm ebenfalls auf SKF. „Energieeffizienz ist ein zunehmend wichtiger Faktor für Eisenbahngesellschaften, denn sie wollen die Lebenszykluskosten ihrer Züge optimieren“, so Jochen Baum, Manager Drive Systems Competence Center, Railway Industry bei SKF. „Die SKF-Lösung beinhaltet ein reibungsarmes Lager, und es ist das erste Mal, dass ein derartiges Lager für Schienenfahrzeuge zur Anwendung kommt.“
Mit dem Einbau von reibungsarmen Lagern kann die Gebrauchsdauer der Lager nach Ansicht von Baum verbessert werden. „Weniger Reibung bedeutet auch niedrigere Betriebstemperaturen. Bei dem kundenseitigen Testlauf konnten wir zeigen, dass unsere reibungsarmen Lager bei einer Temperatur liefen, die sich fast 30 Grad unter der von herkömmlichen Lagern befand. Die niedrigeren Betriebstemperaturen stellen damit praktisch eine ,Temperaturspanne‘ dar, die das Lager stabilisiert, so dass es ungünstigen Bedingungen mit Temperaturerhöhungen widersteht, wie z.B. Drehmoment- bzw. Drehzahlschwankungen, hohen Umgebungstemperaturen und nicht ideale Ölversorgung.“
SKF hat außerdem ein speziell modifiziertes Rillenkugellager entwickelt, das hohen axialen Stoßbelastungen standhält, und liefert Zylinderrollenlager für den Einsatz in den Fahrmotoren der Züge.
Einführung im gesamten Netz
2014 lieferte Siemens die ersten Prototypen an die DB, und mit den Betriebstests im öffentlichen Netz wurde 2016 begonnen. Im laufenden Jahr sind die ersten ICE 4 offiziell in Betrieb gegangen. SKF wird eng mit Siemens und der DB zusammenarbeiten und die Leistung der Lager während der ersten paar Hunderttausend Betriebskilometer überwachen. Sollte die Leistung genauso gut sein wie in der Testphase, dann können die Instandhaltungsintervalle peu à peu verlängert werden.
„Bei diesen Anwendungen ist es ganz wichtig, dass man schon im Frühstadium mit eigebunden wird“, bestätigt Schatzer. „So konnten wir nicht nur die Lagerkonstruktion beeinflussen, sondern auch die umgebenden Komponenten, welche sich häufig ganz erheblich auf die gesamte Systemleistung auswirken.“
Zunächst soll der ICE 4 die derzeitige Intercity- und Eurocity-Flotten der DB ersetzen, von denen einige bereits seit den 1970er Jahren in Betrieb sind. Die neue Baureihe wird dann auch die ICE 1- und ICE 2-Einheiten ersetzen, was nach Umsätzen einem Anteil von ca. 70 % des öffentlichen Fernverkehrs der DB entsprechen würde. Die DB hat 130 neue Züge fest bestellt, und gemäß Rahmenvertrag mit Siemens sind bis zu 300 Züge vorgesehen.
Mehr Informationen zur SKF GmbH:
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SKF GmbH |
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Gunnar-Wester-Straße 12 |
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97421 Schweinfurt |
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Tel.: +49 (0) 97 21 56-0 |
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Fax: +49 (0) 97 21 56-60 00 |
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www.skf.com |
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