Brems- und Gleitschutztests bei Zügen im VUZ-Testzentrum Velim

Velim, eine kleine Gemeinde mit nur etwa 2000 Einwohnern in der Region Mittelböhmen, beherbergt eines der größten Eisenbahntestzentren in Europa. Hier, 40 Kilometer östlich von Prag, betreibt das Eisenbahnforschungsinstitut Výzkumný Ústav Železniční, a.s. (VUZ) einzigartige Prüf- und Technologieeinrichtungen.

VUZ-Testzentrum Velim

Das VUZ-Testzentrum vereint modernes Industriedesign mit Hightech-Funktionalität. Die Einrichtung liegt in einer ländlichen Umgebung, in der sich Naturlandschaften und technische Gestaltung harmonisch ergänzen. Die weitläufigen Teststrecken und die klaren Linien der Gebäude legen Nachdruck auf praktischen Nutzen und Langlebigkeit.

Unsere Testanlagen verfügen über modernste Technologie und eine fachkundige Belegschaft. Sie sind bekannt für ihre umfassenden Möglichkeiten, die eine breite Vielfalt an Test- und Zertifizierungsanforderungen in der Eisenbahnindustrie abdecken. 

So unterstützen wir die Entwicklung von Schienenfahrzeugen und Komponenten und gewährleisten deren Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konformität mit internationalen Normen. Zu den wichtigsten Merkmalen unserer Testanlage gehören:

• ein umfangreicher Nebengleisbereich, 

• vier Vorbereitungs- und Prüfhallen sowie 

• eine Stromversorgungsanlage mit europäischen Standard-Stromsystemen (Wechselstrom 25 kV/50 Hz, Wechselstrom 15 kV/16,7 Hz und Gleichstrom von 750 V bis 3 kV). 

Die Anlage verfügt zudem über zwei Teststrecken: 

1. eine längere mit einer Gleislänge von 13,276 km, auf der eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 230 km/h erreicht werden kann, und 

2. eine kürzere mit 3,951 km Gleislänge, auf der eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 115 km/h möglich ist. Abb. 1 zeigt die Anordnung der Anlage.

Das VUZ-Testlabor

Das VUZ-Testlabor (ZL VUZ) ist gemäß EN 17025 für die Prüfung von Schienenfahrzeugen, deren Komponenten und Bahnsystemen akkreditiert. Das ZL VUZ umfasst die folgenden Einrichtungen:

• Dynamisches Testlabor: Bewertung der dynamischen Leistung von Schienenfahrzeugen, einschließlich der Fahrqualität, der Stabilität sowie des Verhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen

• Mechanisches Testlabor: Bremssystemtests, Entgleisungssicherheitstests, Hygieneprüfungen, einschließlich Lärm-, Beleuchtungs- und Türmessungen

• Abteilung für elektromechanische Prüfungen: EMV-Prüfungen mit Gleisstromkreisen und Achszählern, Messung externer elektromagnetischer Felder, Impedanzmessungen an Schienenfahrzeugen, Traktionstests, Prüfungen von Stromversorgungssystemen, Prüfungen von Stromabnehmern

Seit 2010 setzen wir im VUZ-Testlabor Messsysteme von Dewesoft ein. Die ersten Geräte waren der dynamische Mini-Datenlogger MINITAUR und das USB-Datenerfassungssystem DEWE-43A, das 16 Kanäle aufzeichnen konnte. Seitdem haben wir die Messbasis gezielt erweitert, um mit Dewesoft-Systemen bis zu 80 verschiedene Parameter zu erfassen.

Für die meisten Tests verwenden wir inzwischen die robusten und verteilten EtherCAT-Datenerfassungsmodule der KRYPTON-Reihe und das modulare SIRIUS-Datenerfassungssystem. 

Dank ihrer Variabilität ermöglichen diese Messsysteme unseren Ingenieuren Messungen sowohl an einzelnen Güterwagen als auch an Zügen mit vollständigen Mehrwageneinheiten, einschließlich des automatischen Aufzeichnungsstarts und -stopps.

Bremsprüfung an einem elektrischen Triebzug

Das VUZ-Testlabor führt umfassende Tests von Brems- und Gleitschutzsystemen durch, bei denen auf speziellen Teststrecken realitätsnahe Bedingungen simuliert werden. Diese Prüfungen zählen zu den anspruchsvollsten, die das Testlabor durchführt. 

Sie umfassen eine sorgfältige Vorbereitung, eine kontrollierte Durchführung und eine detaillierte Auswertung der Messdaten, um sicherzustellen, dass die Bremssysteme und Gleitschutzeinrichtungen höchste Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Unsere hochentwickelten Einrichtungen und Ausrüstungen gewährleisten in Kombination mit unserem Fachwissen, dass alle Tests mit der erforderlichen Präzision durchgeführt werden und fundierte Erkenntnisse zur Wirksamkeit und Zuverlässigkeit dieser für Schienenfahrzeuge sicherheitskritischen Komponenten liefern.

Messaufbau

Zum Testen der Bremssysteme eines elektrischen Triebzuges verwenden unsere Ingenieure die folgende Konfiguration:

Data acquisition system

• 1x SIRIUSi-8×LV – achtkanaliges, isoliertes SIRIUS-Modul für Niederspannungs-, Vollbrücken-, CAN- und USB2-Schnittstellen

• 2x KRYPTONi-1xSTG – einkanaliges, robustes und verteiltes EtherCAT-Datenerfassungssystem mit vollständiger galvanischer Trennung für Spannungs-, Dehnungs- und Potentiometermessungen

• 9x KRYPTON-4xSTG – robustes, verteiltes EtherCAT-Datenerfassungssystem; vierkanaliges, differentielles Modul für Spannungs-, Dehnungs- und Potentiometermessungen

• 1x KRYPTONi-1xCAN – robustes, verteiltes EtherCAT-Datenerfassungssystem; einkanaliges isoliertes Modul zur CAN-Bus-Erfassung

• 1x ECAT-SYNC-JUNCTION – Synchronisationsmodul für KRYPTON-EtherCAT- und SIRIUS-USB-Geräte

• 1x DS-VGPS-HSC – 100-Hz-GPS-Sensor zur Positions-, Geschwindigkeits- und Wegmessung

Sensoren

• Pneumatische Drucksensoren

• Beschleunigungssensoren

• Temperatursensoren

Software

• Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware DewesoftX

SIRIUS ist ein vielseitiges, robustes Datenerfassungssystem mit hochwertigen Signalaufbereitungsverstärkern für fast alle Signal- und Sensortypen. Es bietet einen hohen Dynamikbereich (160 dB) und galvanische Trennung und ist in USB- oder EtherCAT®-Konfigurationen erhältlich.

KRYPTON ist ein robustes verteiltes EtherCAT-Datenerfassungssystem für Feldmessungen unter extremen und rauen Umgebungsbedingungen. Es ist in einem Gehäuse mit Schutzart IP67 untergebracht und zeichnet sich durch einen sehr weiten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C sowie eine hohe Schockfestigkeit von bis zu 100 g aus.

Das DS-VGPS-HSC kombiniert einen hochdynamischen GPS-basierten Geschwindigkeitssensor und einen synchronisierten Zeitbasisgenerator. Diese Kombination ermöglicht die vollständige, synchronisierte Datenerfassung durch mehrere Messsysteme, die innerhalb und außerhalb bewegter Fahrzeuge platziert sind. Das tragbare und robuste System misst Position, Geschwindigkeit und Weg und bietet eine synchronisierte Datenerfassung und Echtzeit-Geschwindigkeitsmessung. 

Die Software DewesoftX, mit der die Messungen aufgezeichnet und überwacht werden, bietet erweiterte Funktionen für die Erfassung, Analyse und Visualisierung von Daten sowie für die Berichterstellung.

Die Testarten

Bei der Bremsprüfung an Schienenfahrzeugen unterscheiden wir drei Hauptteile:

1. Stationäre Tests zur Bestimmung der Parameter des Bremssystems 

2. Dynamische Tests zur Beurteilung der Bremswirkung 

3. Gleitschutzprüfungen zur Überprüfung der korrekten Funktion des Gleitschutzsystems

Zu den getesteten Fahrzeugen gehören Güterwagen, Personenwagen (Triebwagen und Triebzüge), Lokomotiven sowie elektrische und Dieseltriebwagen. Die Größe des Datenerfassungssystems und die Anzahl der Sensoren, die wir für Tests verwenden, hängen vom Fahrzeugtyp ab. 

Vor Beginn des Tests erstellen wir eine Testspezifikation, die eine Liste der Messgrößen, eine Liste der verwendeten Sensoren und ein Testprogramm enthält. 

Wir bereiten das Fahrzeug in einer speziellen Testvorbereitungshalle vor, dann führen wir statische Tests im Nebengleisbereich und dynamische sowie Gleitschutztests auf unserer langen Teststrecke durch.

Während der Bremstests überwachen wir die Drücke in bestimmten Bereichen des Bremssystems, einschließlich der Hauptluftleitung und der Bremsleitung, sowie die Steuerdrücke an den Bremsverteilern und den Bremszylindern. Außerdem messen wir die Beschleunigung, Fahrzeuggeschwindigkeit und Entfernung sowie die Bremsscheibentemperaturen. 

Statische Tests

Wir führen stationäre Bremstests durch, um die wesentlichen Eigenschaften des Bremssystems zu überprüfen und sicherzustellen, dass seine Komponenten korrekt und sicher funktionieren.

Mithilfe der aus dem Führerstand kontrollierten Steuerungssysteme betätigen wir die Bremsen des Zuges vollständig. Die statischen Tests umfassen Bremsvorgänge mit verschiedenen Systemen, darunter Notbremsungen mit und ohne Magnetschienenbremse, elektropneumatische Bremsungen und verschiedene Arten der Betriebsbremsung.

Anhand der Wellenformen der Messgrößen des Bremssystems bestimmen wir dann die Füll- und Entleerungszeiten der Bremszylinder und die maximalen Drücke, die bei verschiedenen Bremsvorgängen (Notbremsung, Betriebsbremsung usw.) erreicht werden. Außerdem überprüfen wir, ob der Kompressor und das Bremssystem insgesamt korrekt funktionieren.

Nach der Messung analysieren wir die Ergebnisse, tragen die ausgewerteten Messwerte in Tabellen ein und erstellen einen Prüfbericht.

Dynamische Tests

Als Nächstes folgt ein dynamischer Bremstest. Beim dynamischen Bremstest an Zügen bewerten wir die Leistung des Bremssystems unter realen Betriebsbedingungen, während sich der Zug in Bewegung befindet. 

Wir nutzen dynamische Tests, um die Bremsleistung des fahrenden Schienenfahrzeugs zu bestimmen und die Fähigkeit der Notbremssysteme zum Stoppen des Zuges zu überprüfen. Das Grundprinzip besteht darin, den Bremsprozentsatz auf Grundlage des aus einer bestimmten Geschwindigkeit gemessenen Bremswegs zu bestimmen.

Dazu beschleunigen wir das Fahrzeug gezielt und  führen anschließend kontrollierte Bremsmanöver durch. Das Testverfahren kann Vollbremsungen aus verschiedenen Geschwindigkeiten und den Einsatz verschiedener Bremssysteme umfassen, wie z. B. Notbremsungen mit und ohne Magnetbremsung, elektropneumatische Bremsungen und verschiedene Arten der Betriebsbremsung.

Zur Dokumentation der Leistung des Bremssystems während der Tests erfassen wir Messdaten in Echtzeit, darunter Verzögerungswerte, Bremswege und die Bremskraftverteilung.

Anschließend analysieren unsere Ingenieure die gesammelten Daten, um die Leistung des Bremssystems zu bewerten. Wichtige Kennzahlen dabei sind der Bremsweg, die Konstanz der Bremskraft und der Temperaturanstieg in den Bremsenkomponenten.

Gleitschutztests

Die Prüfungen des Gleitschutzsystems sind Teil der dynamischen Tests, mit denen das korrekte Funktionieren der Bremsen überprüft wird. Das Gleitschutzsystem verhindert das Durchdrehen und Blockieren der Räder beim Bremsen, insbesondere bei geringer Schienenhaftung.

Zur Überprüfung des Systems verbinden wir spezielle Geschwindigkeitssensoren per CAN-Bus mit dem Messsystem. Die Hauptfunktion der Geschwindigkeitssensoren besteht darin, die durch die Rotation des auf dem Achszapfen montierten Impulsrades erzeugten Signale zu erfassen. 

So überwachen wir die Geschwindigkeit jeder Achse des Testfahrzeugs, die Funktion der elektropneumatischen Ventile und gegebenenfalls die Bremskraft der elektrodynamischen Bremsen.

Wir installieren Gleitschutzeinrichtungen am Fahrzeug und kalibrieren sie. Die Sensorik ähnelt der, die wir für die Bremstests verwenden. Die Sensoren ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Raddrehzahl, der Bremskraft und anderer relevanter Parameter.

Anschließend simulieren wir Bedingungen, unter denen der Gleitschutz eine kritische Rolle spielt. Durch Einbringen einer Seifenlösung unter die Räder während des Bremsvorgangs wird eine geringe  Rad-Schienen-Haftung simuliert. Um das Durchdrehen der Räder gezielt auszulösen, führen wir mit dem Fahrzeug unterschiedliche Bremsszenarien durch, darunter plötzliche Vollbremsungen, abrupte Geschwindigkeitsreduzierungen und Bremsvorgänge auf Oberflächen mit variierender Haftung.

Die Tests dienen der Bewertung der aktuellen Geschwindigkeiten der einzelnen Radsätze und des Status der relevanten Gleitschutzventile, einschließlich etwaiger Ausgaben des Gleitschutzsystems an die übergeordnete Fahrzeugsteuerung – etwa zur Türblockierung, zur Aktivierung der Magnetschienenbremse oder zur Verwendung eines initialen Haftreibungskoeffizienten.

Das Mess- und Auswertungssystem ermöglicht es uns, unmittelbar nach dem Halt des Fahrzeugs die Gültigkeit des gerade durchgeführten Tests festzustellen und mögliche Maßnahmen – wie etwa die Anpassung der Konzentration der zur Verringerung des Haftungskoeffizienten eingesetzten Lösung – in Betracht zu ziehen.

Normen und Ausführungsunterlagen

Bei unserer Arbeit bringen wir internationale und europäische Normen ebenso zur Anwendung wie die nationalen notifizierten technischen Regeln der Länder, in denen die geprüften Fahrzeuge eingesetzt werden sollen.

Als maßgebliche Grundlage für unsere Tests dienen die von der Europäischen Union herausgegebenen Technischen Spezifikationen für die Interoperabilität (TSI). Diese definieren die technischen und betrieblichen Anforderungen, die jedes Teilsystem und jede Komponente eines Teilsystems erfüllen muss, um die Interoperabilität im Schienenverkehr in der Europäischen Union zu gewährleisten. Konkret arbeiten wir mit den Merkblättern des Internationalen Eisenbahnverbands (UIC) sowie den TSI für  Lokomotiven und Personenwagen und für Güterwagen.

Zu den internationalen Normen, die wir zur Anwendung bringen, gehören die des UIC, der den sogenannten UIC-Kodex entwickelt hat. Der Kodex umfasst Merkblätter, die Standardregeln zur Gewährleistung der Sicherheit und Effizienz bei Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung von Eisenbahnsystemen definieren. 

Wir verwenden zum Beispiel die folgenden:

• UIC 544-1 – Definition der Bremsleistung und des Verfahrens zur Berechnung und Bewertung der Bremsleistung von Schienenfahrzeugen und Zügen 

• UIC 541-05 – Festlegung der technischen Merkmale und Anforderungen für Gleitschutzsysteme 

Weitere europäische Normen, die wir anwenden, sind:

• EN 14033 – Definition der technischen Anforderungen an schienengebundene Maschinen, die für den Bau, die Instandhaltung und die Inspektion von Gleisen, Ingenieurbauwerken, Gleisunterbauten und ortsfesten elektrischen Oberleitungsanlagen eingesetzt werden 

• EN 16834 – Definition einer harmonisierten Verfahrensweise zur Bewertung des Bremsvermögens durch Prüfung von Lokomotiven, Reisezugwagen, Güterwagen und Elektro- und Dieseltriebwagen und -triebzüge

• EN 15595 – Festlegung der Kriterien für die Systemzulassung und Typgenehmigung eines Gleitschutzsystems

Erwähnenswert sind auch die sogenannten nationalen notifizierten technischen Regeln, wie etwa verpflichtende Fahrzeugprüfungen in Ländern wie Tschechien, der Slowakei, Deutschland, dem Vereinigten Königreich, Estland, Lettland, Österreich oder Spanien.

Fazit

In der Nähe des Dorfes Velim ist das leise Rumpeln von Zügen zu hören. Hier führen wir spezialisierte Tests, Bewertungen und Zertifizierungen von Eisenbahnkomponenten durch, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Schienenfahrzeugen und der Bahninfrastruktur zu gewährleisten. 

Durch die Bereitstellung realer Daten, die unter strengen Prüfbedingungen erfasst werden, unterstützen wir Innovationen, helfen den Herstellern, internationale Standards einzuhalten, und tragen so zur Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit von Bahnsystemen bei.

Wir schätzen die Modularität des Dewesoft-Messsystems, die es uns ermöglicht, die Messkette entsprechend dem Typ der von uns getesteten Fahrzeuge zu optimieren. Ebenso überzeugen uns seine Robustheit und Langlebigkeit. Die KRYPTON-Messmodule wurden über mehrere Wochen unter Güterwaggons installiert. Die dabei auftretenden Belastungen durch Temperaturschwankungen, Staub und Stößen haben eindrücklich gezeigt, dass das Dewesoft-System für Tests im schweren Eisenbahnverkehr bestens geeignet ist.