SAFE On-Line: Intelligente Schadensüberwachung für Radsatzwellen im Schienenverkehr

Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen sind hochbelastete Komponenten, die im Betrieb extremen Kräften ausgesetzt sind. Schäden entstehen oft durch unvorhersehbare Ereignisse wie Überlastungen, Materialermüdung oder äußere Einwirkungen – und können im schlimmsten Fall zu schweren Unfällen führen.

Die frühzeitige Erkennung von Schäden an Radsatzwellen zählt seit Jahren zu den größten Herausforderungen im Schienenverkehr. Schäden entstehen häufig durch nicht kalkulierbare und kaum vorhersehbare Einzelereignisse. Umso wichtiger ist eine zuverlässige und frühzeitige Detektion, damit betroffene Fahrzeuge rechtzeitig instand gesetzt werden können.

Bisher erfolgt die Überprüfung von Radsatzwellen hauptsächlich in festen Wartungsintervallen, meist durch manuelle Ultraschallprüfungen in Werkstätten. Dieses Vorgehen ist zeitaufwendig, kostenintensiv und reduziert die Verfügbarkeit der Fahrzeuge.

Zielsetzung: Permanentes Structural Health Monitoring

Ziel des Forschungsprojekts „SAFE On-Line – Sensorik zur Schadensüberwachung von Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen“ war die Entwicklung einer Software- und Hardwarearchitektur für eine permanent installierte, robuste und energieeffiziente Sensorik zur Schadensüberwachung von Radsatzwellen in Schienenfahrzeugen (On-Line Structural Health Monitoring).

Die erfolgreiche Entwicklung eines solchen Systems würde einen bedeutenden technologischen Fortschritt für den Schienenverkehr darstellen. Denn es würde eine digitalisierte und quasi-kontinuierliche Überwachung der strukturellen Integrität von Radsätzen ermöglichen.

Insbesondere könnten die heute regelmäßig durchgeführten stationären Ultraschallprüfungen in Werkstätten langfristig reduziert oder teilweise ersetzt werden. Damit verband das Projekt erhöhte Sicherheit mit wirtschaftlichen Vorteilen für Betreiber und Instandhalter.

Technologische Innovation: Ultrasonic Guided Waves und Principal Component Analysis

Der Lehrstuhl für Technische Mechanik der Universität Siegen entwickelte innerhalb des Projekts Verfahren zur Schadensdetektion auf Basis von Ultrasonic Guided Waves (UGW) und Principal Component Analysis (PCA). Dabei senden und empfangen dauerhaft an der Radsatzwelle installierte Sensoren Ultraschallsignale. Veränderungen im Signalverhalten können auf strukturelle Veränderungen oder Schäden innerhalb der Welle hinweisen.

Diese Methoden wurden schrittweise unter zunehmend realitätsnahen Bedingungen getestet und validiert. Gleichzeitig erfolgte die Weiterentwicklung der Sensorik und der Auswertealgorithmen hin zu einer industriell einsetzbaren Lösung.

Forschungsschwerpunkte: Vom Labor zur Bahnpraxis

Die wesentlichen Herausforderungen des Projekts lagen im experimentellen Nachweis der Funktionstüchtigkeit der Sensorik unter realen Betriebsbedingungen. Radsatzwellen sind im Betrieb extremen mechanische Belastungen (Stöße, Vibrationen und Umwelteinflüssen (Feuchtigkeit, Schmutz, Temperaturschwankungen)ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund mussten sowohl die Sensorik als auch die gesamte Mess- und Auswertetechnik für den langfristigen Einsatz im Fahrzeug validiert werden.

Parallel dazu wurden numerische Simulationen der Wellenausbreitung innerhalb der Struktur eingesetzt, um die experimentellen Untersuchungen zu unterstützen und die Auswerteverfahren weiterzuentwickeln.

W.S. Werkstoff Service GmbH: Sicherheits- und Validierungstechnik

Wir brachten in das Projekt „SAFE On-Line“ unsere Expertise in Werkstoffprüfung, Eisenbahntechnik und Qualitätssicherung ein – mit dem Ziel, die Forschungsergebnisse in eine anwendungsnahe Prüftechnologie zu überführen. Durch diese Arbeit trugen wir maßgeblich dazu bei, dass das entwickelte System nicht nur technisch funktioniert, sondern auch sicherheitsrelevante Standards erfüllt.

Forschungsergebnisse: Ein Meilenstein für die digitale Schienenverkehrstechnik

Das Forschungsprojekt SAFE On-Line hat gezeigt, dass permanentes Structural Health Monitoring von Radsatzwellen technisch machbar und wirtschaftlich sinnvoll ist. Durch die permanente Überwachung der Radsatzwellen könnten:

• Schäden frühzeitig erkannt werden
• Sicherheitsrisiken reduziert werden
• Wartungsprozesse zustandsorientiert gestaltet werden
• Instandhaltungskosten sinken
• die Verfügbarkeit der Fahrzeuge steigen

Der W.S. Werkstoff Service leistete dabei einen entscheidenden Beitrag durch ihre Expertise in Sicherheitsbewertung, Validierungstechnik und Qualitätssicherung – und trug so dazu bei, dass die Forschungsergebnisse den Weg in die bahntechnische Praxis finden könnte.