Kurvenkreischen - igralub.ch

Kurvenkreischen:
Ein lösbares Problem
In eigener Sache

Kurvenkreischen:
Ein lösbares Problem
Das Vermeiden von Kurvenkreischen ist Ziel vieler Bahn- und
Verkehrsbetreiber, da sie meist durch Reklamationen ihr Image
gefährdet sehen. Igralub AG befasst sich seit über 15 Jahren
mit der Problematik des Kurvenkreischens. Resultierende
Erfahrungen werden zusammengefasst und Kriterien verfügbarer
Möglichkeiten praxisbezogen argumentiert.
1. Ursache
Die Ursache des Kurvenkreischens ist in Fachkreisen bekannt.
Man spricht vom Stick-Slip-Effekt auf dem Schienenkopf der
Innenschiene und dem Spurkranzkontakt an der Aussenschiene.
Reibflächen in der Kurve
Diese Reibungen führen zu Schwingungen an den Rädern.
Der Vergleich mit der Glasharfe als Musikinstrument trifft hier
zu, nur erreichen die Frequenzen Spitzen bis zu 8'000 Hz und
die Lautstärke kann bisweilen 110 dB erreichen. Ähnliches
geschieht auch beim Bremsen. Nebst dem Lärm entsteht
dabei auch Verschleiss an den Reibpartnern. Dieser zeigt sich
z. B. auf dem Schienenkopf als Riffelbildung und beim Rad am
Spurkranz oder an der Schienenflanke.
Riffelbildung
2. Kreischen
Da die Schwingung an der Innen und Aussenschiene auf verschiedene
Art erzeugt wird, entstehen unterschiedliche
Kreischgeräusche. Der in sehr kurzer Folge sich wiederholende
schrille Klang mit scharfem Ansatz entsteht am Radkranz
durch Verspannung des Radsatzes. Der Klang, der auf der
Schienenlauffläche entsteht, ist ein in der Frequenz mehrheitlich
beständiges «Aufheulen» (Entstehung durch Stick-Slip-
Effekt). In einer Sekunde können bis zu 1’000 solcher Effekte
nachgewiesen werden. Die gemessenen Frequenzen und
Lautstärken sind bei beiden Kreisch-Geräuschen gleich.
Darstellung zeigt beispielhaft je ein Frequenz-Zeit-
Diagramm (Waterfall Plot) einer Zugsdurchfahrt mit
Kurvenkreischen.
Ohne Behandlung des Schienenkopfs

Mit Behandlung
Kurvenkreischen besteht mehrheitlich aus diesen beiden
Kreisch-Geräuschen, wobei in einer Kurve auch nur eine der
beiden Arten auftreten kann. Es ist Tatsache, dass bereits mit
der Behandlung des Schienenkopfes an der Innenschiene
auch das Kreischen auf der gegenüber liegenden Aussenschiene
mehrheitlich verschwindet. Durch die Veränderung
des Reibwertes auf dem Schienenkopf ist der Radsatz nicht
mehr so verspannt wie beim trockenen Zustand. Dadurch wird
der Druck auf die Aussenschiene reduziert.
Kreischdiagramme
Gemischtes Kreischen (Schienenkopf und -flanke)
Schienenkopf (Innenschiene)
Schienenflanke/Spurkranz (Aussenschiene)
Nicht zwingend muss auf dem Schienenkopf über die ganze
Kurvenlänge jeweils ein lückenloser Schmierfilm vorhanden
sein. Ein «zerfetzter» Schmierfilm genügt, um den Aufbau der
Schwingungsanregung zu unterbrechen, da es eine gewisse
Zeit erfordert bis es zur Schwingungsübertragung kommt.
Wird diese immer wieder unterbrochen, kann sich kein Klang
aufbauen. Es ist deshalb eine falsche Annahme, nur mit einem
vollständigen und kontinuierlichen Schmierfilm könne das
Kreischen verhindert werden.
3. Massnahmen
Zur Beseitigung des Kurvenkreischens muss die Schwingungsanregung
zwischen Rad und Schiene reduziert oder unterbunden
werden. Dies wird durch die Verminderung des
Reibwertes erzielt. Das Produkt, welches den Reibwert verändern
soll, wird in Fachkreisen, vor allem in den USA, als
«Friction Modifyer» (FM, Friktionsverbesserer) bezeichnet.
Ein FM ist jedoch nichts anderes als ein Schmierstoff, der zwischen
den Reibpartnern aufgetragen wird und den Reibwert
reduziert. Bei Fachleuten wird der Begriff «Schmieren» jedoch
nicht gerne gebraucht. Im Folgenden wird ungeachtet dieses
Einwandes von einem Schmierstoff und nicht von FM gesprochen.
Als zusätzliche oder weitere Massnahmen gegen das
Kreischen können schalldämmende mechanische Einrichtungen
am Rad, an der Schiene und mit Bauten neben den
Gleisen verwendet werden. Diese vom Schmierstoff unabhängigen
Lösungen sind mit hohen Investitionen verbunden.
Sie wirken nicht am Ort des Entstehens des Kreischens und
sind deshalb nicht Gegenstand der nachfolgend aufgeführten
Erfahrungen.
3.1 Schmiersysteme
Systeme zur Auftragung eines Schmierstoffes an Rad und
Schiene sind vielfältig im Markt zu finden. Bis vor wenigen
Jahren waren jedoch keine Systeme zur direkten Behandlung
des Schienenkopfs vorhanden. Der Schienenkopf gilt immer
noch für die meisten Bahnbetreibern als unantastbar. Die Einführung
eines Schmiersystems für den Schienenkopf muss
gewährleisten, dass sämtliche sicherheitsrelevanten Bedingungen
erfüllt werden. Dies bedeutet u.a. Zuverlässigkeit,
leichte Anwendbarkeit und Erfüllung der Umweltkriterien.
Hinzu kommt, dass später notwendige Systemerweiterungen
bei bestimmten Systemarten weitere Kosten verursachen und
teilweise nur mit grossem Aufwand durchgeführt werden
können. Zur erfolgreichen Bekämpfung des Kurvenkreischens
sind Schmiersysteme notwendig, die getrennt entweder den
Schienenkopf oder den Spurkranz bzw. Schienenflanke
behandeln. Eine direkte Behandlung der Radlaufflächen kann
zu Abschleuderungen des Schmierstoffes führen und macht
deshalb wenig Sinn. In den meisten Fällen sind bereits
Spurkranz- oder Schienenflanken Schmiersysteme vorhanden.
3.2 Kriterien zur Einführung eines
Schienenkopf-Schmiersystems
Damit ein Schmierstoff auf den Schienenkopf aufgebracht
werden kann, müssen einige Eigenschaften des Schmier-

systems garantiert werden. Das Auftragen des Schmierstoffes
muss an einem bestimmten Ort (Kurven Innen- oder
Aussenschiene, Schienenkopf/Schienenflanke), zu einer
bestimmten Zeit und Dauer (Stunden/Tageseinsatz) und in
kontrollierten Mengen erfolgen. Diese drei Funktionen sind
die Mindestanforderung an ein erfolgreiches Schmiersystems.
Mit ihnen können bestehende, situationsabhängige Zwänge
(Linienführung, Verkehrs-Frequenzen, Kurvenlagen, Kurvenradien,
Betriebsart, Stadtverkehr etc.) berücksichtigt werden.
3.3 Gegenüberstellung verschiedener Schmiersysteme
Im Markt werden gegenwärtig zwei Hauptgruppen von
Systemen angeboten, welche sich in ihren Funktionen, deren
Installationen und Unterhalt wesentlich unterscheiden: stationäre
und mobile Schmieranlagen. Stationäre Schmieranlagen
sind Einrichtungen, die neben den Schienen aufgestellt werden.
In getrennten Anlagen wird der Schmierstoff dabei entweder
an die Schienenflanke der Aussenschiene oder auf den
Schienenkopf an der Innenschiene aufgetragen. Der Aufbau
des Schmierfilms über die Kurvenlänge erfolgt durch die überrollenden
Räder. Bei entsprechenden Witterungsverhältnissen
muss der Aufbau des Schmierfilms neu gestartet werden, was
zwischenzeitlich zu Kreischlärm führen kann.
Beispiele von stationären Anlagen für
Eisenbahn- und Trambetriebe
Bei mobilen Schmiereinrichtungen trifft man auf mechanische
Systeme und Sprühsysteme. Sprühsysteme funktionieren
nur über Druckluft von 6 bis 8 bar. In der neuesten Fahrzeugtechnik,
insbesondere bei Trams, ist Druckluft oft nicht mehr
vorhanden. Der nachträgliche Einbau eines Kompressors ist
unumgänglich. Mobile Sprühsysteme sind im Unterhalt einfach
und kostenfreundlich. Es genügt bereits der Einbau von
mobilen Anlagen bei einem kleinen Prozentanteil der vorhandenen
Fahrzeuge, um die gesamte Strecke zu behandeln.
Darstellung einer mobilen Schienenkopfsprühanlage
Die Verwendung von Grafitstiften ist in einigen Ländern noch
stark verbreitet. Der einfache Einbau von Stifthaltern am
Drehgestellt ist überzeugend und günstig. Leider erfüllen
diese Schmierstifte die obgenannten Hauptkriterien nicht, so
fehlen z. B. die Dosierungsmöglichkeit und die Festlegung der
Zeitintervalle. Diese Beschränkungen verursachen einen
hohen Verbrauch an Stiften. Auch fehlt der Verschleppungseffekt,
was zum Einbau der Stifte an der Mehrzahl der
vorhandenen Achsen führt.
3.4. Elektronische Steuerung als Sicherheitsgarant
Vor 20 Jahren war das Auftragen eines Schmierstoffes auf den
Schienenkopf ausgeschlossen. Dank dem Fortschritt in der
Elektronik und dem vorhandenen GPS sind heute

Steuerungen im Markt, die das Auftragen eines Schmierstoffes
ermöglichen. Das Einbauen eines Kurvensensors im
Fahrzeug ist heute mit einer optimierten Steuerung überholt.
Für den vielseitigen Einsatz einer mobilen Schienenkopf-
Schmieranlage braucht es eine, wenn möglich selbständige,
elektronische Steuerung.
In Zusammenarbeit mit Railtec Systems GmbH,
CH-Hergiswil wurde ein Steuersystem (TOR-Control) zur
Ansteuerung von mobilen Schienenkopfschmieranlagen
entwickelt.
Dieses empfängt Signale von einem bestehenden GPS- oder
Leitsystem und meldet von jeder Kurve deren Anfangs- und
Endpunkt sowie die Ausrichtung. Daraus berechnet die
Systemsteuerung die Sprühintervalle und die Behandlung des
entsprechenden Schienenkopfes unter Beachtung der festgelegten
Applikationszeiten und exakten Schmiermengen. Bei
nasser Witterung wird ebenfalls das Sprühsystem gestoppt.
Überschmierung wird u. a. ausgeschlossen durch Überwachung
der Anzahl sich gleichzeitig in derselben Gegend befindlicher
Fahrzeuge z. B. beim Trambetrieb im Stadtzentrum.
Ist eine gewisse Anzahl erreicht, werden ausgewählte
Schmiersysteme abgeschaltet.
3.5. Manuelle Steuerung
Diese Vielfalt von Steuerungsbefehlen ist zurzeit nur in mobilen
Sprühsystemen anzutreffen. Ist eine vom Leitsystem unabhängige
Steuerung vorhanden, sind Änderungen an dieser
Steuerung einfach und rasch zu bewerkstelligen. Es ist auch
Beispiele der manuellen Steuerung
möglich, den Befehl zum Besprühen des Schienenkopfes von
Hand über einen Taster im Führerstand auszulösen. Diese
Methode ist jedoch von Personen stark abhängig und verlangt
eine hohe Disziplin. Sie eignet sich hauptsächlich für Betriebe
mit wenigen Fahrzeugen, z. B. Bergbahnen, Fabrikbahnen.
3.6 Unterschiedliche Funktionen der Schmiersysteme
Der Aufbau des Schmierfilms, der für einen gleichbleibenden
Reibungskoeffizient sorgen muss, erfolgt bei den beiden
Systemgruppen unterschiedlich. Bei stationären Schienenschmieranlagen
geschieht dies an einem Punkt mittels eines
Spritzers oder mit dem Ausstossen des Schmierstoffes durch
eine Bohrung im Schienenkörper. Ferner sind Systeme anzutreffen,
bei denen der Schmierstoff über Schlitze an einer
seitlich angebrachten Schmierplatte ausgestossen wird.
Demgegenüber erfolgt bei mobilen Sprühanlagen die Filmauftragung
auf dem Schienenkopf durch gleichmässiges
Sprühen.
Stationäre Anlagen bilden nach kurzer Zeit eine Verschmutzung
am Gleis oder an der Schienenflanke. Das verbleibende
Fett bindet sich mit Schmutz und Sand. Dadurch reduziert
sich die Adhäsion auf dem Schienenkopf und kann insbesondere
bei Trambetrieben zu kritischen Situationen für alle
Beispiel einer Verschmutzung

Verkehrsteilnehmer führen. Zusätzliche Schmutzrillen sorgen
bei der Bahn dafür, dass der verspritzte oder gesammelte
Restschmierstoff aufgefangen wird. Bei Regen gelangt dieser
Anteil in das Erdreich, was von Umweltschützern kritisiert wird
und zu teilweisem Abbruch der Anlagen geführt hat.
Anlagen, wo der Schmierstoff durch Bohrungen am Schienenkörper
ausgestossen wird, verlangen grosse Investitionen.
Diese Anlagen stellen hohe Anforderungen an den Betrieb
und Unterhalt. Um gut funktionieren zu können, benötigen
die Anlagen geeignete Standorte, richtige Geschwindigkeiten
der Fahrzeuge, optimale Anzahl und Lage der Bohrungen im
Schienenkörper, eine präzis dosierte Fettmenge sowie einen
optimalen Zustand der Räder.
Stationäre Anlage mit Bohrungen im Schienenkörper
Bei mobilen Sprühanlagen erfolgen die periodische Funktionskontrollen
und die Düseneinstellungen durch einfache
Tests im Depot. Eine Überschmierung ist ausgeschlossen. Die
Wahl zwischen stationären Anlagen oder mobilen Sprühsystemen
entscheidet massgeblich über die Effizienz und
Wirtschaftlichkeit der Investition.
Beispiele von Düsenpositionen
4. Der richtige Schmierstoff für den Schienenkopf
Ein Schmierstoff zur Behandlung des Schienenkopfes hat
folgende Eigenschaften aufzuweisen: hoher Festschmierstoffgehalt,
starke Schmierfilmbildung, gute und trockene Haftung
mit Wasser abstossender Wirkung, Verschleppungseffekt und
biologische Abbaubarkeit. Den hohen Festschmierstoffgehalt
braucht es für die Beständigkeit des gewünschten Reibkoeffizienten.
Die Festschmierstoffe füllen unter grossem Druck
die auf der Schienen- und Radoberfläche bestehenden mikro-

skopisch kleinsten Risse und Löcher. Dadurch vergrössert
sich die Oberfläche der Reibpartner, was zu einer erhöhten
Adhesion (Bremswirkung) führt. Fette und Öle ohne hohen
Festschmierstoffanteil d.h. weniger als 15% erfüllen diese
Anforderungen schlecht und müssen deshalb in grösseren
Mengen eingesetzt werden. Die Gefahr zur Überschmierung
ist die Folge davon. Daraus resultierende Ausbrechungen an
Schienenkanten sind eine weitere negative Erscheinung.
Damit bei nasser Witterung der Reibkoeffizient sich nicht
verändert, ist es wichtig, dass der Schmierstoff Wasser abstossend
ist.
Schmierstoffvergleich mit Fingertest:
Ein Schmierstoff, welcher die Anforderungen
schlecht erfüllt
Headlub ein hochspezialisierter Schmierstoff für den
Schienenkopf zeichnet sich durch einen Verschleppungseffekt
von über 200 m Länge und hohe Filmbeständigkeit aus.
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Durch die langjährige Zusammenarbeit mit vielen Systemherstellern
auf der ganzen Welt, verfügt Igralub über eine
Auswahl von entsprechenden biologisch abbaubaren Schmierstoffen,
die ständig weiter entwickelt wurden.
5. Tests und Installationsbeispiele
Bevor ein Schmiersystem bestimmt wird, möchte der Kunde
die Gewissheit haben, dass der vorgesehene Schmierstoff das
Kurvenkreischen erfolgreich reduziert. Dies erfolgt mit einem
Lärmtest vor Ort. Bereits in dieser Phase muss der Schmierstoff
ein überzeugendes Resultat bringen. Dazu genügt das Auftragen
von Hand mittels eines Pinsels oder einer Sprühdose an
einem trockenen Tag. Obwohl diese Auftragung allen bahnsicherheitsrelevanten
Massnahmen widerspricht, wird dieses
Vorgehen geduldet. Dieser Test erfolgt ohne grossen Aufwand
an Zeit und Einsatzplanung und gibt ein aussagekräftiges
Resultat. Mit Schallmessgeräten und entsprechenden Protokollen
wird der Test anschliessend ausgewertet.
Schallmessungen in Hong Kong
Schallmessungen in Kuala Lumpur
Das Testverfahren verlangt ein kompetentes Wissen über den
richtigen Ort des Aufbringens in der Kurve. Vor dem Test sollte
deshalb das zu behandelnde Kurvenkreischen – wie eingangs
unter Ziffer 2 beschrieben – analysiert werden. So kann ein
Schmierstoff mit gutem Verschleppungseffekt bereits vor der
Kurve auf dem Schienenkopf aufgetragen werden. Dabei soll
die Applikation nur einmal erfolgen. Bei zu viel aufgetragener
Schmierstoffmenge entstehen Adhäsionsprobleme, die sofort
vom Fahrzeug registriert werden. In diesem Fall wird es

schwierig sein, den Kunden für die Behandlung des
Schienenkopfes zu überzeugen. Nach einer oder mehreren
Überfahrten kann mit einem Fingertest geprüft werden, ob
der Schmierstoff über die Kurve verteilt ist und ob der Aufbau
des Schmierfilms auf dem Schienenkopf beginnt.
Auftragung mit Pinsel
Beratung vor Ort
Gleisinspektion
Mehrheitlich folgen unmittelbar nach diesem Vorgehen
Bremstests. Diese werden noch mit dem Auftragen von
Wasser auf den Schmierfilm ergänzt. Entscheidet sich der
Kunde für ein mobiles Sprühsystem, so kann z. B. ein bereits
vorhandenes Spurkranzschmiersystem für den Schienenkopftest
umgebaut werden. Mit einem kleinen Eingriff wird
die Düsenstellung vom Spurkranz auf den Schienenkopf
gerichtet. Es empfiehlt sich, die Schienenkopfdüse hinter das
erste Drehgestell zu installieren. Als nächster Schritt wird die
Funktion des Sprühbefehls definiert. Dazu lässt sich im Führerstand
eine Impulstaste einbauen. Die Unterscheidung zwischen
der Behandlung des linken oder rechten Schienenkopfes
ist in dieser Testphase noch nicht nötig. Dazu fehlt
die mechanische Einrichtung, den linken oder rechten
Schienenkopf einzeln zu besprühen.
Eingebauter Taster für Testfahrt
Auswertungen des Bremswegs mit Computer

Mit einer Sprühzeit von ca. 10 Sekunden pro Schmierimpuls
können kurze Kurven besprüht werden. Sollte diese Zeit für
eine längere Kurve nicht genügen, so wird die Impulstaste
wiederholt gedrückt. Diese Testeinrichtung genügt, jede Kurve
zu bedienen und die ersten Erfahrungen mit dem System zu
sammeln.
Bei stationären Schmiersystemen erfolgt der Einbau einer Pilotanlage
aus Kostengründen mehrheitlich nur in einer Kurve.
Die Anzahl der anzuschaffenden Schmiersysteme hängt von
der Auswahl der Systemart ab. Bei stationären Anlagen bestimmen
die lärmkritischen Kurven die Anzahl der notwendigen
Systeme. Bei mobilen Systemen wird auf die Gesamtflotte
Rücksicht genommen, wobei z. B. bei Trambetriebe eine Maximalzahl
von 5-7 Fahrzeuge genügt. Es gibt auch Betreiber, die
nur mit einem Servicefahrzeug alle Kurven behandeln.
Spezielle Schienenpflege-Serviceautos sind bei kleineren
Trambetreibern ebenfalls gegen das Kurvenkreischen erfolgreich
im Einsatz. Im Vergleich der Anschaffungskosten unterscheiden
sich die beiden Systemtypen ebenfalls wesentlich.
Mit dem Preis einer stationären Anlage können mehrere
mobile Sprühanlagen gekauft werden.
Beispiele von Servicefahrzeuge für Trambetriebe
6. Erfahrungen
Seit der Einführung des GPS Systems und der Weiterentwicklung
der elektronischen Steuerungen ist die Nachfrage für
mobile Schienenkopf-Schmieranlagen stark gestiegen. Durch
die langjährige Tätigkeit auf dem Gebiet gegen das
Kurvenkreischen verfügt Igralub über Erfahrung mit allen
Schmiersystemgruppen. Extreme Lärmreduzierungen von bis
20 db sind dabei erzielt worden. Gleichzeitig konnte die
Kreischdauer bis 98 % vermindert werden.
Die Behandlung des Schienenkopfes hat nicht nur den Vorteil
zur Reduzierung des Kurvenkreischens, sondern verhindert im
Einsatz auch auf gerader Strecke die Riffelbildung auf dem
Schienenkopf und auf der Radlauffläche.
Mit dem Einsatz von Schmierstoffen mit hohem Festschmierstoffgehalt
ist u. a. die Optimierung auch von bereits bestehenden
ortfesten Anlagen möglich. Die Ausstossmengen
können um ein Wesentliches reduziert werden.
Berechnung: Dicke des Films auf Schienenoberfläche
nach einem Sprühdurchgang
Breite der behandelten Fläche: ca. 30 mm
Geschwindigkeit Fahrzeug in Kurve: 40 km/h
Sprühdauer: 10 sec
Menge pro Düse: 0,250 cm 3
Länge Schmierfilm: approx. 100 m (10 s mit 40 km/h)
Komplet behandelte Fläche: 3m 2
Filmdicke: (theoretisch) 0,083 µm
Im asiatischen Raum sind ebenfalls grosse Bestrebungen zur
Lärmreduzierung anzutreffen. So konnte Igralub im letzten
Jahr in Hong Kong bei den Trams von KCRC das Kurvenkreischen
um mehr als 90% reduzieren. Mit einer einfachen
Befehlsgebung über einen Taster im Führerstand werden die
Wagenführer über Signale vor Kurven zur Sprühbetätigung
angewiesen. Per Funk erfolgen die Zeitintervalle. Weitere
Bahn- und Trambetreiber in der Schweiz, in Deutschland und
Österreich weisen ähnliche Resultate auf.
Hong Kong Schienenkopf Befehlsgebung durch Führer
mit Anleitung

Signalisation für Befehlsausführung vor der Kurve
Messungen über den Reibkoeffizient auf dem Schienenkopf
nach Behandlung über eine längere Zeit haben Werte zwischen
0.25 und 0.5 ergeben. Das Mittelmass ergaben mehrheitlich
0.37.
Für eine erfolgreiche Reduktion des Kurvenkreischens sollten
nur Schmiersysteme verwendet werden, die alle vorn genannten
Kriterien erfüllen.
7. Beratungen und Projektausführungen
Igralub bietet weltweit Projektbegleitungen an. Wir verfügen
über eine umfassende Sammlung von Auswertungen und
Erfahrungen in der Einführung von Schienenkopf- und Spurkranzschmiersysteme.
Kontaktieren Sie uns!
Beispiele von Beratungen, Seminarien und
Projektbegleitungen vor Ort
Hong Kong
Bangkok
Shanghai China
Shenzhen China
Autor:
André Kofmehl, MLaw
CEO Igralub AG, Zürich
Anmerkung:
dieser Text wurde
auszugsweise in der
ETR Ausgabe
September 2008
publiziert.

Kontakt:
IGRALUB AG FÜR SCHMIERTECHNIK
Mainaustrasse 15
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