ARGOS® - Intelligent local measurement stations for ... - schule.at

ARGOS ® - die intelligenten, örtlichen Messstellen
für die kontinuierliche Erfassung des Fahrzeugzustandes
In Anbetracht des freien Netzzugangs ist es für den Infrastrukturbetreiber wichtig
den Zustand der Züge (Achslasten, Laufeigenschaften, Radformabweichungen),
während der Fahrt , ohne fahrzeugseitige Einrichtungen, zu erfassen. Im Jahr
1998 startete die Österreichische Bundesbahn (ÖBB) die Forschung im Bereich
der intelligenten örtlichen Messstellen. Das Hauptziel der örtlichen ARGOS ®
Messstellen ist es, den dynamischen Laufzustand der Züge bei
Betriebsgeschwindigkeit infrastrukturseitig mit der notwendigen Exaktheit und
Zuverlässigkeit zu messen.
Überblick
Im liberalisierten europäischen Markt des Schienenverkehrs ist jedes
Eisenbahnverkehrsunternehmen zur Nutzung der nationalen sowie lokalen Bahnnetze
berechtigt. Der Besitzer/Betreiber der Infrastruktur hat die Verantwortung für den
einwandfreien Zustand der Infrastruktur. Der Fahrzeugbetreiber hat eine definierte in
Normen festgelegte Qualität seiner Fahrzeuge einzuhalten. Fahrzeugbesitzer und
Infrastrukturbetreiber haben jedoch entgegengesetzte Interessen. Der
Fahrzeugbetreiber möchte soviel Ladung wie nur möglich mit möglichst kostengünstigen
Fahrzeugen transportieren. Kostengünstige Fahrzeuge haben oftmals ungünstige
Laufeigenschaften, die sich nachteilig auf die Infrastrukturerhaltungskosten auswirken.
Ziel des Infrastrukturbetreibers ist es, das Infrastrukturbenützungsentgelt (IBE) gemäß
der tatsächlichen Belastung der Infrastruktur (gleisfreundlichkeit, Lärmemission etc.)
abzurechnen. Der Infrastrukturbetreiber hat eine Vielzahl von Kunden, welche sein
Schienennetzwerk nutzen. Wenn er für jeden einzelnen Waggon, abhängig von der
tatsächlichen Belastung des Netzes, die Abrechnung vornimmt, ist dies nur durch den
Einsatz automatischer örtlicher Messstellen ökonomisch sinnvoll durchführbar. Die
Abrechnung in dieser Form ist sowohl für die Infrastrukturbenützer als auch für den
Infrastrukturbetreiber die gerechteste Art der Abrechnung.
2. Örtliche Messstationen, System ARGOS ®
Die örtlichen Messstellen von ARGOS ® ermöglichen ein kontinuierliches Überwachen
des Fahrzeugzustandes sowie der Oberbaubelastung. Dadurch kann eine
kontinuierliche und vollständige Überwachung des Qualitätsniveaus der Fahrzeuge
erfolgen. ARGOS ® wurde mit dem Ziel entwickelt, Messgenauigkeit auf höchstem
Niveau zu liefern. Die hohe Genauigkeit ist für den rechtssicheren Nachweis der
gemessenen Werte unbedingt erforderlich!
Die Messausrüstung sowie der Messprozess behindern den normalen Bahnverkehr in
keinster Weise. Mit ARGOS ® ausgerüstete Streckenabschnitte können, so wie das
restliche Streckengleis, gestopft, geschliffen, und reprofiliert werden.
Die zu messenden Fahrzeuge bedürfen keiner zusätzlichen Gerätebestückung mit
Transpondern oä. Selbstverständlich können optional Fahrzeugerkennungsysteme
(Transponder) in das System eingebunden werden.

Abhängig vom Bedarf bietet ARGOS ® vier unterschiedliche Systeme:
Level 1: Fahrweg Entgleisungsdetektion
Level 2: Automatische Zugüberwachung (Q-Belastung, Radformabweichungen)
Level 3: Automatische Zugüberwachung mit Entgleisungssicherheits-Messstelle (Q- und
Y-Belastung, Fahrzeuglauf, Radformabweichungen, Lärm, Fahrzeugzulassung)
Level 4: Messgleisbogen nach EN 14363
Abb.1: Übersicht über Funktionen des ARGOS ® Systems
Abb.1b: Messgrößen

2.1 Level 1: Entgleisungsdetektion
In der Vergangenheit ereigneten sich Unfälle durch die Entgleisung einzelner Achsen,
welche sich über längere Strecken außerhalb des Gleises mitgezogen wurden. An
Risikopunkten wie Tunnel, Brücken, Weichen, etc. entgleiste in der Folge ein großer Teil
des Zuges. Dies kann die Ursache für schwere Unfälle sein. Selbst, wenn es nicht zu
einem Unfall kam, wurden lange Streckenabschnitte durch die entgleisten Räder
beschädigt.
Ereignet sich dies auf einem Streckenabschnitt mit fester Fahrbahn, so sind die
Folgekosten aufgrund der aufwendigeren Sanierung erheblich höher. Da es dem
Triebfahrzeugführer unmöglich ist, einzelne entgleiste Achsen zu erkennen, ist ein
technisches Überwachungssystem für gefährdete Streckenabschnitte notwendig
Das ARGOS ® Level 1 System erfasst entgleiste Fahrzeuge und gibt die Information an
eine Signaleinrichtung weiter. Der außergewöhnliche Vorteil des ARGOS ® Level 1
Systems ist seine Fähigkeit, den gesamten Bereich zwischen den beiden Schienen zu
überwachen. Dies bedeutet, dass eine Entgleisung sogar in solchen Fällen erkannt wird,
bei denen ein Rad knapp neben der Schiene über die Befestigungselemente läuft.
Das System besteht typischerweise aus vier in Reihe geschalteten Sensoren, die an
den Gleisschwellen befestigt sind, um auch springende entgleiste Achsen zu erkennen
(ein Problem welches bei hohen Geschwindigkeiten auftritt). Ausführliche Versuche
haben gezeigt, dass das System bei Geschwindigkeiten von 300 km/h und darüber
hinaus einwandfrei funktioniert. Wie alle ARGOS ® Produkte ist auch dieses System
äußerst wartungsfreundlich. Alle Gleisbefestigungselemente sind auch ohne Demontage
des Level 1 Sensors einseh- und wartbar. Auch Stopfen ist ohne den Ausbau des
Sensors möglich.
Level 1 ist auf Holz-, Beton- und Stahlschwellen sowie auf fester Fahrbahn einsetzbar.
Der Level 1 Sensor besteht aus industriebewährten Kraft-Messgebern, welche mit
speziell ausgeformten Blechen verbunden sind. Durch seine einfache und mechanisch
robuste Konstruktion und die logische Verknüpfung aller Sensorelemente gibt es kein
Risiko für einen Fehlalarm. ARGOS ® Level 1 ist ein einfaches betriebssicheres und
kostengünstiges System, welches eine sichere Detektion von entgleisten Achsen vor
Risikopunkten wie Tunnel, Brücken, Weichen, etc. gewährleistet.
Abb.2: ARGOS ® Level 1

Abb.3: ARGOS ® Level 1 nach einer Entgleisungsdetektion
2.2 Level 2 Q-Kraft und Radmängel
Mit ARGOS ® Level 2 ist es möglich, Unregelmäßigkeiten der Fahrzeuge und Radmängel
(Radformabweichungen) durch Messung der Radaufstandskraft (quasi-statische und
dynamische Kraft) zu erkennen. Bei Einsatz dieser zuverlässigen Messstellen in der
Fahrzeugzustandskontrolle können weit mehr Unzulänglichkeiten am Fahrzeug erkannt
werden, als bei der herkömmlichen Zugbeobachtung.

Abb.4: ARGOS ® Level 2 auf Holzschwellen
2.3. Level 3: Y/Q Messung
Zusätzlich zu Level 2, misst die Level 3 Ausführung auch die horizontalen (Y) Kräfte
siehe Abb.1b. Es werden kontinuierlich die dynamischen horizontalen und vertikalen
Kräfte erfasst.
Durch frühzeitiges Erkennen von Unregelmäßigkeiten an Fahrzeugen durch die
Messung der Radkräfte und Radformen können Entgleisungen präventiv verhindert
werden. Ebenso wie Level 2 liefern die Level 3 Messstationen langzeitstabile
Messergebnisse innerhalb von längstens 120 Sekunden. Sie bedürfen keiner
Fundamentierung und behindern die Wartung der Strecke nicht.
2.3a Level 3a: Y/Q im Bogen
Die ARGOS ® Level 3a Messstelle bietet eine umfassende Lösung für Bögen. Sie
ermöglicht eine zuverlässige Erkennung von Risikofaktoren von Entgleisungen und
Kostenfaktoren bei Überlastungen aufgrund von Y- und Q-Kraft, Entgleisungskoeffizent,
Beladezustand, Zugbildung, Bogenlauf (Stellverhalten der Räder), Ausdrehmoment und
Wankeigenschaften des Fahrzeugs. Dank der hohen Genauigkeit wird Level 3a auch für
Zulassungsverfahren von Fahrzeugen eingesetzt

Abb.6: ARGOS ® Level 3a auf befestigter Fahrbahn
2.3b Level 3b: Y/Q für die Gerade
ARGOS ® Level 3b wird hauptsächlich für die Erkennung von instabilem Fahrzeuglauf
auf geraden Strecken eingesetzt. Die Y-Kraft wird kontinuierlich über eine Distanz von
etwa 45 m gemessen. Dies erlaubt die exakte Klassifizierung des Laufverhaltens.
Zusätzlich wird die Lärmesmission der Fahrzeuge gemessen und bewertet.
Üblicherweise ist der mit dieser Anlage messbare instabile Fahrzeuglauf ein Problem,
welches bei Güterwagen auftritt. Ebenso wie Level 2 und 3a, erfasst Level 3b die Q- und
Y-Kraft, Beladezustand, Zugbildung und Radmängel.

Abb.8: ARGOS ® Level 3b auf Betonschwellen
2.4 Level 4: Messgleisbogen nach EN 14363
Lauftechnische Untersuchungen von Fahrzeugen (wie zum Beispiel radial stellende
Fahrzeuge, wie sie auch bei 25 t Achslast in Zukunft verstärkt auf den Markt kommen),
können in Messgleisbögen mit Einzelmessstellen zu nicht reproduzierbaren
Messergebnissen führen. Bei den bisher üblichen Einzelmessstellen ist es nicht möglich,
die wechselseitige Beeinflussung der Achsen von mehrachsigen Fahrzeugen zu
erkennen und zu berücksichtigen.
Mit Hilfe umfangreicher theoretischer und praktischer Forschungsarbeiten konnte ein
System entwickelt werden, welches kontinuierlich Y- und Q-Kräfte in einer bisher nicht
erreichbaren Genauigkeit bestimmen kann. Aufgrund der praktischen messtechnischen
Erfahrung und dem bahntechnischen Know-how ist mit ARGOS ® Level 4 eine innovative
und für den Schienenfahrzeugproduzenten und für die Zulassungsstellen eine
unverzichtbare Lösung entstanden.
3. Genauigkeit
ARGOS ® Level 2 und 3 wurden entwickelt, um Messgenauigkeit auf höchster Ebene zu
bieten. Je höher die nachgewiesene Genauigkeit der gemessenen Werte, desto höher
ist die Akzeptanz bei den Fahrzeugbetreibern und Zulassungsstellen. Zudem ist für eine
Vielzahl von genormten Grenzwerten eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich, um diese
überhaupt technisch richtig überwachen zu können.

Abb.9: Anwendbarkeit gemessener Werte
Die von den örtlichen Messstellen gemessenen Werte werden in der Regel zur
Feststellung von Grenzwertüberschreitungen verwendet. Die obenstehende Grafik zeigt
das Grundproblem hierbei. Nur wenn die gemessenen Werte zuzüglich bzw. abzüglich
der Toleranzklasse der örtlichen Messstelle, über oder unter dem Erlaubten des
Grenzbereichs liegen, dann ist eine Aussage über die Grenzwerteinhaltung eindeutig
möglich (Fall 3 und 4). In den Fällen 1 und 2 ist es nicht möglich eine Aussage über die
Einhaltung der zugelassenen Toleranzbereiche zu treffen. Nur wenn die Toleranz des
Messinstruments mindestens 3 mal besser als der erlaubte Grenzwertbereich ist, ist es
möglich eine Angabe innerhalb des Grenzwert-Toleranzbandes zu machen. Wenn also
eine technische Toleranz von 3 % überwacht werden muss, und das Messsystem eine
Toleranz von 2% oder mehr hat, ist das Messsystem wertlos, da keine Aussage über die
Grenzwerteinhaltung getroffen werden kann. Für eine technische Toleranz von 3%
braucht das Messinstrument eine Genauigkeit von mindestens 1%!

Abb.5: Q-Kraft Abweichung eines Zuges mit 7 Waggons über 12 Messzyklen
4. Radformfehler
ARGOS ® kann auch Radformfehler (Rundheitsabweichungen über den Umfang) mit
höchster Präzision erfassen. Alle Arten von Abweichung sind klassifizierbar und
quantifizierbar (Flachstellen, Abplattungen, Aufschweißungen, Polygonisierung,
Exzentrizität, usw.). Es besteht auch die Möglichkeit die gemessene Abweichung von
der idealen Radrundheit über den gesamten Radumfang zu visualisieren, siehe Abb.7.

Abb.7: Messung der Radmängel und Abweichung von der idealen Radrundheit über den gesamten
Radumfang gemessen mit dem ARGOS ® System

5. Zusammenfassung
ARGOS ® Level 1 ist das ideale System zur Feststellung von entgleisten Achsen vor
Risikopunkten im Streckennetz um Folgeschäden nach einer Entgleisung zu minimieren
bzw. zu begrenzen.
ARGOS ® Level 2 kann hochpräzise Daten über den Fahrzeugzustand (Achslasten und
Beladungsfehler) unmittelbar nach der Überfahrt des Fahrzeuges liefern.
ARGOS ® Level 3 kann durch die Y/Q Messung zusätzlich Unfälle präventiv verhindern
und hochpräzise Daten über die Rad/Schiene-Wechselwirkung spätestens eine Minute
nach der Messung liefern.
Auf Wunsch können mit ARGOS ® Level 2 und 3 auch Radformfehler präzise erkannt
werden.
Die Lebenszykluskosten der Infrastruktur steigen stark an, wenn die Belastung durch die
Fahrzeuge nicht den bei der Konstruktion der Strecken zugrunde gelegten Belastungen
entsprechen. Flachstellen beispielsweise, können die Instandhaltungskosten bis zu 20
% erhöhen. Dasselbe trifft für grenzwertüberschreitende statische und dynamische
Kräfte zu. Daher ist es wichtig, diese mit ARGOS ® Level 2 und 3 Anlagen zu
überwachen.
ARGOS ® örtliche Messstellen liefern die Grundlagendaten für die gerechte Festlegung
des Infrastrukturbenutzungsentgeltes.
Unregelmäßigkeiten und Radformfehler sind die Hauptgründe für Lärmemission und
Bodenerschütterung. Mit ARGOS ® örtlichen Messstellen ist es möglich, Fahrzeuge mit
schlechten Lauf- und Radflächenqualitäten, aber auch mit hoher Lärmemission zu
erkennen.
ARGOS ® Daten können auch für eine optimale Wartungsstrategie der
Schienenfahrzeuge eingesetzt werden. ARGOS ® macht es möglich, Schäden an
einzelnen Fahrzeugen zu erkennen und den Schädigungsverlauf zu verfolgen, um so
ein optimales Planen von Wartungsarbeiten zu ermöglichen. Vor allem im Bereich der
Güterzüge können Instandhaltungskosten durch Überwachung der tatsächlich
transportierten Lasten und des technischen Zustandes optimiert werden.
ARGOS ® Level 2 und 3 liefern Messergebnisse gemäß einschlägiger Normen und
können zur Unterstützung der örtlichen TSI Spot-Untersuchungen eingesetzt werden.
Die Zuverlässigkeit und Präzision der ARGOS ® Systeme ermöglichen eine Steigerung
des Sicherheitslevels, Verringerung der Umweltbelastung durch Lärm und
Erschütterungen, gerechtere Berechnung der Infrastrukturbenützungsgebühr für die
Nutzer und Kostensenkung für die Netz- und die Fahrzeugbetreiber.