Mit neuem Hydraulik-Design schneller durch die Kurve

Mit neuem Hydraulik-Design schneller durch die Kurve

Autor Steffen FischerErstellt am Keine KommentareKategorien pQ – Hydraulics Blog, Themen

Wissenschaftler der finnischen Technischen Universität Tampere beschäftigen sich seit Jahren mit den Einsatzmöglichkeiten der Digitalhydraulik. Nach stationären Anwendungen haben sie auch den mobilen Einsatz geprüft und deutliche Vorteile bei der Robustheit und Verfügbarkeit von Neigesystemen in der Bahntechnik vorhergesagt. Als wissenschaftliche Begleitung unterstützten sie die Finnische Staatsbahn (VR) bei der Validierung dieser Vorteile am Beispiel einer digitalhydraulischen Lösung als Retrofit-Kit für die bestehende Pendolino-Flotte.

Die Technische Universität Tampere (TUT) ist mit rund 10.000 Studierenden die zweitgrößte TU des Landes. Rund 1.800 Mitarbeiter lehren und forschen hier. Die Universität ist eng mit der Industrie vernetzt und erreicht im internationalen Vergleich sehr hohe Werte. Im Times Higher Education (THE) Ranking belegt die TUT weltweit den 11. Platz in der Kategorie „Anteil der Veröffentlichungen basierend auf direkter Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen“. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Digitalhydraulik und ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten in industriellen und mobilen Anwendungen. Digitalhydraulik besteht aus parallel angeordneten Schnellschaltventilen. Je nach Bedarf werden eines oder mehrere über eine Puls-Code- oder Pulsweiten-Modulation schnell geöffnet. Diese Impulse regeln den Förderstrom in einer Vielzahl winziger, binärer Schritte – daher die Bezeichnung Digitalhydraulik. Schnellschaltende Ventile sind besonders robust und unempfindlich gegenüber Verunreinigungen. Da bei jedem Öffnen hohe Förderströme fließen, reinigen sie sich de facto selbst.

Neigetechnik mit Axialkolbenpumpe, Steuerblock mit digitalhydraulischen Schnellschaltventilen und Steuergerät

Neigetechnik mit Axialkolbenpumpe, Steuerblock mit digitalhydraulischen Schnellschaltventilen und Steuergerät

Neigetechnik verkürzt Reisezeiten

Über den Einsatz bei stationären Maschinen und Anlagen hinaus ermittelten die Wissenschaftler Systemvorteile beim mobilen Einsatz in Zügen mit Neigetechnik. Sicherheitsvorschriften begrenzen die zulässige Querbeschleunigung von Reisezügen auf maximal 2 m/s². Dann beginnen Gegenstände von den Tischen zu rutschen und es erfordert einige Muskelkraft, aufrecht sitzen zu bleiben. Diese Beschränkung definiert die maximal zulässigen Kurvengeschwindigkeiten und damit die erreichbaren Reisezeiten. Die Neigetechnik ermöglicht hier eine deutliche Steigerung der Geschwindigkeit, bei gleichzeitig höherem Fahrkomfort für die Passagiere. Sie neigt die Wagenkästen je nach Geschwindigkeit um bis zu acht Grad zur Kurveninnenseite und reduziert die Seitenbeschleunigung. Züge können so Kurven um bis zu 30 Prozent schneller durchfahren. Gleichzeitig verbessert die Neigetechnik den Fahrkomfort der der Passagiere auch bei langsamerer Fahrt. Für die technische Umsetzung der Neigetechnik gab es bislang pneumatische, elektromechanische und konventionell-hydraulische Lösungsansätze.

Platzintensive Elektromechanik

Bei der elektromechanischen Lösung treiben vier Elektromotoren mit hochuntersetzten Getrieben Spindeln an, die jeweils eine Wagenseite vertikal anheben. Diese Lösung ist sehr dynamisch und regelungstechnisch relativ einfach umzusetzen. Auf der anderen Seite unterliegen Getriebe und Spindeln einem starken mechanischen Verschleiß, zumal in der Anwendung starke Verschmutzungen, Vibrationen und Stöße die Regel sind. Die vier Motor-Getriebebaugruppen benötigen sehr viel Bauraum und müssen direkt an der jeweiligen Spindel platziert werden. Das schränkt den Freiheitsgrad für Konstrukteure deutlich ein und macht es fast unmöglich, über Redundanzen den Ausfall einer Antriebseinheit zu kompensieren. Verrichtet eine Komponente ihren Dienst nicht korrekt, müssen die Züge sofort die Geschwindigkeit reduzieren und zur Reparatur in ein Depot fahren. Das wiederum kann die Verfügbarkeit deutlich einschränken.

Blick in die Schaltzentrale der hydraulischen Neigetechnik

Blick in die Schaltzentrale der hydraulischen Neigetechnik

Konventionelle Hydraulik mit hoher Kraftdichte

Die Hydraulik bietet eine sehr hohe Kraftdichte, baut wesentlich kompakter als elektromechanische Antriebe und ist extrem robust. Deshalb wird sie in den meisten Konzepten genutzt. Eine typische konventionelle Hydrauliklösung für die Neigetechnik besteht aus vier, an den Ecken jedes Wagenkastens eingebauten, einfachwirkenden Zylindern. Sie sind über hydraulische Schnellverschlusskupplungen mit dem mittig unter jedem Wagen platzierten Hydraulikaggregat mit Axialkolben-Verstellpumpe, zwei redundanten Servoventilen sowie sechs Logikventilen verbunden. Die Komponenten sind sehr kompakt und beanspruchen nur wenig Bauraum. Ein weiterer Vorteil ist die aufgelöste Bauweise der Hydraulik: Das Aggregat versorgt aus beliebiger Position über Ölleitungen die Neigezylinder. Das erhöht den Freiheitsgrad für die Konstruktion. Die regelungstechnische Anbindung ist in zahlreichen Anwendungen bewährt, die hydraulische Steuerung mit Servo- und Logikventilen jedoch recht aufwändig. Darüber hinaus entsteht ein höherer Energiebedarf, um das Hydrauliköl zu kühlen. Während die Hydraulik Vibrationen und Stöße weitestgehend verschleißfrei wegsteckt, verursachen in dieser Anwendung die Verschmutzung und Tieftemperaturen bis -40° C Probleme, die zu Ausfällen an den Ventilen führen können. Solche Systemlösungen arbeiten darum oft mit zwei redundanten Servoventilen. Fällt das aktive während der Fahrt aus, kann aber das redundante Ventil nicht automatisch übernehmen.

Digitalhydraulik mit systemtypischen

Digitalhydraulische Schnellschaltventile

Digitalhydraulische Schnellschaltventile

Vorteilen Die digitalhydraulische Lösung kombiniert die Vorteile der Kraftdichte und des geringen Bauraums der Hydraulik mit einer deutlich gesteigerten Verfügbarkeit und einem geringerem Energieverbrauch. Ein solche Lösung besteht musterhaft aus einer Axialkolben-Konstantpumpe in Schrägachsenbauart, einem Steuerblock mit sieben schnellschaltenden digitalhydraulischen 4/3-Sitz-Ventilen sowie 3/2 Sitz-Ventilen für den Neutralumlauf und die Notabschaltung des Neigesystems. Servoventile entfallen komplett. Die Anzahl der Logikventile kann von sechs auf eins reduziert werden. Die Ansteuerung der Digitalventile erfolgt über ein Großserien-Steuergerät. Die Steuerung bedient die Digitalventile über eine bedarfsgerechte Schnellschaltcharakteristik, deren Kennlinie auf die erforderlichen Schaltzeiten, Systemarchitektur und die Fehlertoleranzstrategie angepasst wurde. Fällt ein Digitalventil aus, ist eine Kompensation, während der Fahrt über die Steuerung und die anderen Ventilen, möglich. Der Zug kann die vom Fahrplan vorgesehene Geschwindigkeit halten und erreicht sein Ziel pünktlich. Der Austausch eines defekten Digitalventils erfordert außerdem einen wesentlich geringeren Aufwand als die Reparatur eines elektromechanischen oder konventionell-hydraulischen Antriebs. Ein weiterer Vorteil sind die deutlich verlängerten Wartungsintervalle. Weil bei jedem Öffnen hohe Förderströme fließen, reinigen sich Digitalventile de facto selbst. Ein zusätzlicher Nutzen der intelligenten Elektronik: Sie wertet intern Sensordaten aus und erfasst Betriebszustände. Diese übermittelt sie an das Leitsystem des Zuges und verbessert so die Diagnosefähigkeit des Systems.

Nachrüst-Kit für Finnische Staatsbahn

Diese zunächst von der Technischen Universität Tampere ermittelten theoretischen Vorteile veranlassten die Finnische Staatsbahn (VR) sich intensiv mit dem Thema Digitalhydraulik zu beschäftigen. VR betreibt die Neigezüge Pendolino auf Basis der FIAT ETR 460 Baureihe seit 1995 und hat eine Flotte von 18 Fahrzeugen aufgebaut. Die Basisversion wurde auf die besonderen klimatischen Bedingungen Finnlands angepasst: arktische Winter, bei denen minus 30° C keine Seltenheit sind und warme Sommer mit mehr als 25 Grad. Die in Finnland eingesetzten Pendolinos mit je sechs Wagen neigen sich ab Tempo 80 km/h feinfühlig um bis zu 8 Grad in die Kurven. Die Neigetechnik begrenzt auch bei höheren Geschwindigkeiten die Querbeschleunigung auf weniger als 0,65 m/s²: So können die Pendolinos rund 30 Prozent schneller durch Kurven fahren als konventionelle Züge – ein erheblicher Zeitgewinn, der die Wettbewerbsfähigkeit von VR auf diesen Strecken verbessert. Die systematischen Auswertungen der Lebenszykluskosten zeigten aber weit überdurchschnittlich hohe Wartungskosten für die Servoventil-Lösung auf. Vor allem die extremen Temperaturunterschiede und Verunreinigungen des Hydrauliköls führten zu Ausfällen der Servoventile und somit musste die komplette Neigetechnik des Zuges abgeschaltet werden. Dadurch müssen die Züge sofort die Kurvengeschwindigkeiten deutlich reduzieren, anschließend werden die Servoventile im Fahrzeugdepot ausgetauscht. Auf eine Lebensdauer von 40 Jahren gesehen, rechnet sich eine Umrüstung auf die robustere Digitalhydraulik mit gleicher Leistungsfähigkeit innerhalb kurzer Zeit.

Wissenschaftliche Expertise für Alternativen

Die Finnische Staatsbahn sicherte sich die Expertise der Technischen Universität Tampere auf dem Gebiet der Digitalhydraulik für ein gemeinsames Projekt. Die Wissenschaftler erarbeiteten im Auftrag der Staatsbahn eine Konzeptstudie. In dieser wiesen sie nach, dass die Pendolinos wirtschaftlich auf eine digitalhydraulische Lösung umgerüstet werden können. Die TUT erwartete dadurch eine deutlich gesteigerte Verfügbarkeit der Neigetechnik und signifikant reduzierte Wartungskosten. Die Ergebnisse der Studie veranlassten VR, in einem Projekt mit Bosch Rexroth unter wissenschaftlicher Begleitung der TUT ein Digitalhydraulik Retrofit-Kit zu entwickeln.

Plug & Play-Lösung reduziert Komplexität

Von Anfang an standen zwei Ziele im Vordergrund: Die deutliche Verbesserung der Verfügbarkeit auf der einen Seite, und geringe Komplexität und Kosten der Nachrüstung auf der anderen Seite. Bei einer Stückzahl von mehr als einhundert notwendigen Retrofit-Kits, eines für jeden Wagen der Züge, waren hier deutliche Kosteneffekte erzielbar. VR gab die vorhandenen mechanischen, hydraulischen und elektrischen Schnittstellen als Rahmenbedingungen vor. Die spezifizierte Lösung muss sich außerdem nahtlos in die vorhandene Leittechnik der Züge einfügen. Besonderen Wert legte VR auf eine Reduzierung der Komplexität durch die Auftragsvergabe an einen Systempartner, Bosch Rexroth. Der Antriebs- und Steuerungshersteller konzipierte mit dem Retrofit-Kit eine Plug & Play-Lösung vom Stahlbau über die Digitalhydraulik bis zum elektronischen Steuergerät einschließlich der parametrierten Software.

Schaltplan der konventionellen hydraulischen Lösung

Schaltplan der konventionellen hydraulischen Lösung

 

Schaltplan der digitalhydraulischen Lösung

Schaltplan der digitalhydraulischen Lösung

Zuverlässigkeit nachgewiesen – Energieeffizienz gesteigert

Die Validierung des Retrofit-Kits erfolgte in mehreren Schritten. Nach der Freigabe eines Prototyps wurden zwei Wagen eines Zuges damit ausgerüstet. Messeinrichtungen an allen Wagen lieferten die Daten für einen direkten Vergleich der Originalausrüstung mit der  digitalhydraulischen Lösung. Die ersten Versuche wurden im Depot manuell durchgeführt und ausgewertet. Die Wissenschaftler erbrachten den Nachweis, dass die neue Lösung die geforderten Funktionalitäten, also die gleichen Neigeleistungen, erfüllt. Anschließend mussten sich die beiden Prototypen in einem zweijährigen Praxiseinsatz bewähren. Dabei waren sie dem gesamten Temperaturspektrum Finnlands mehrfach ausgesetzt. Das Ergebnis: Innerhalb der zwei Jahre kam es zu keinem Ausfall. Vor allem der Selbstreinigungseffekt bei den Schnellschaltventilen steigerte die Robustheit gegenüber Verunreinigungen im Öl im erwarteten Maße. Ein weiterer Grund dafür ist der vereinfachte Aufbau. Das Retrofit-Kit basiert auf einem für industrielle Anwendungen standardisierten Steuerblock.

Höhere Energieeffizienz senkt Betriebskosten

Die Betrachtung der Lebenszykluskosten umfasst über die Anschaffungskosten und den Wartungsaufwand hinaus auch die Betriebskosten. Hier punktet das digitalhydraulische Retrofit-Kit durch einen geringeren Energieverbrauch der Pendolinos. Bei den Messungen während des Probetriebs zeigte sich, dass das Retrofit-Kit im Gegensatz zu den Systemen mit Servoventilen keine Ölkühlung mehr benötigt. Selbst an den wärmsten Sommertagen blieb die Öltemperatur im unkritischen Bereich. Daraus resultiert eine deutlich höhere Energieeffizienz der Neigetechnik.

Zusammenfassung

Die neue digitalhydraulische Lösung bietet die gleiche Neigeleistung wie das bisherige analoge System bei deutlich verbesserter Verfügbarkeit und geringeren Wartungskosten. Zusätzlich steigert sie die Energieeffizienz. Auf Basis der positiven Erfahrungen rüstet die Finnische Staatsbahn in den nächsten Jahren ihre gesamte Pendolino-Flotte mit den Retrofit-Kits um. Das Retrofit-Kit erfüllt alle europäischen bahntechnischen Sicherheitsvorgaben und wird weltweit kommerzialisiert.
www.boschrexroth.de/transport

Über den Autor:

Leiter Vertrieb Transport Technology

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