Die Hitze spüren: Bahndefekterkennung

Oct 13, 2023

Was die Technologie angeht, tendieren die Eisenbahnen sicherlich eher zur brutalen Vereinfachung. Ein paar Stahlstreifen, ein paar Holzschwellen und Kiesschotter, um alles an Ort und Stelle zu halten, ein paar rollendes Material mit Spurkranzrädern auf festen Achsen, und schon haben Sie die Grundlagen, die mindestens seit dem 18. Jahrhundert Fracht und Passagiere transportieren.

Aber diese grundlegende Einfachheit täuscht über die wahre Komplexität einer Eisenbahn hinweg, bei der es schon eine gewaltige Aufgabe sein kann, die Züge auf den Gleisen zu halten. Die Kräfte, die ein voll beladener Zug nicht nur auf die Gleise, sondern auch auf sich selbst ausüben kann, sind schwer zu begreifen, und die Gefahr einer Katastrophe ist oft nur eine ausgefallene Komponente entfernt. Dies wurde bei der jüngsten Entgleisung der Norfolk Southern in East Palestine, Ohio, schmerzlich deutlich, die zu einem Vorfall mit gefährlichen Stoffen führte, mit dem keine Gemeinde fertig werden kann.

Angesichts der auftretenden Kräfte ist es keine leichte Aufgabe, die Züge auf der Geraden und auf der Enge zu halten, und Eisenbahnkonstrukteure haben ein Netz aus Sensoren und Systemen entwickelt, um ihnen dabei zu helfen, im Auge zu behalten, was mit dem Rollmaterial einer Eisenbahnstrecke passiert Zug. Werfen wir einen Blick auf die interessante Technik hinter diesen Defektdetektoren am Straßenrand.

Auf die Gefahr hin, das Offensichtliche zu sagen: Züge haben zwei wesentliche Eigenschaften, die Überwachungssysteme erforderlich machen: Sie sind schwer und lang. Das Gewicht eines Zuges ist ein Problem, denn obwohl die grundlegende Architektur einer Eisenbahn die Rollreibung zwischen einem Rad und dem Boden verringert, trägt sie nicht dazu bei, die Reibung zwischen den Achsen des Triebwagens und den Lastkraftwagen, die sie transportieren, zu verringern. Das ist die Aufgabe der Radlager, die wie jede andere mechanische Komponente Verschleiß, Beschädigung und eventuellem Ausfall unterliegen, was katastrophale Folgen haben kann.

Was die Länge eines Zuges betrifft, wird dies zu einem Problem, wenn sich der Großteil des Rollmaterials außerhalb der direkten Sichtweite der Zugführer befindet. Damals führten Beschränkungen der Lokomotivenleistung dazu, dass die Züge relativ kurz blieben, sodass Schaffner und Lokführer jeden Wagen im Auge behalten konnten. Dies wurde durch die Erfindung der Kombüse erleichtert; In seiner klassischen Konfiguration mit einer Fensterkuppel, die über das Dach des Wagens ragt, und von seiner Position ganz am Ende des Zuges aus konnten Schaffner die gesamte Länge eines Zuges, insbesondere in Kurven, beobachten. Angesichts der Tatsache, dass es sich bei den damaligen Radlagern häufig um einfache Buchsen in mit ölgetränkten Fasern gefüllten Lagerkästen handelte, war ein Defekt eines „Hot-Box“-Lagers im Allgemeinen leicht an dem Rauch und den Flammen zu erkennen, die sie ausstießen, einem ebenso unauffälligen Anzeichen für eine Störung gab es jemals.

Technische Fortschritte, wie der Ersatz von Gleitlagern durch Rollenlager, ermöglichten den Bau immer größerer Triebwagen. Güterwaggons, die heutzutage auf nordamerikanischen Eisenbahnen eingesetzt werden, können ein Bruttogewicht von 315.000 Pfund (143 Tonnen) haben, eine unglaubliche Menge an Gewicht, die von nur acht Rollenlagern getragen werden kann. Verbesserungen im Lokomotivendesign haben auch dazu geführt, dass Züge, die aus diesen übergroßen Wagen gebaut wurden, immer länger werden; Der durchschnittliche Güterzug war im Jahr 2017 zwischen 1,9 und 2,7 Kilometer lang, wobei einige Bahngesellschaften regelmäßig Züge mit einer Länge von 4,8 Kilometern verkehrten. In einem solchen Zug befinden sich alle mehr als ein Dutzend Waggons hinter den Kopflokomotiven außerhalb der direkten Sichtweite des Lokführers und Schaffners und verkehren praktisch völlig unbeobachtet.

Die streckenseitige Überwachung ist die Antwort auf die Probleme, die sich aus der Vergrößerung von Zügen auf derart große Ausmaße ergeben. In der Eisenbahnbranche allgemein als „Defekterkennung“ bekannt, scannen die regelmäßig entlang der Eisenbahnschienen installierten Sensoren und Systeme automatisch nach Problemen mit dem rollenden Material eines Zuges, die zu einem Unfall führen könnten.

Aus gutem Grund konzentriert sich der Großteil der Fehlererkennung auf den Zustand der Räder und Lager an jedem Wagen im Zug. Und da Reibung der Feind ist, nutzen die meisten Detektoren die Wärme dieser kritischen Komponenten, um ihren Zustand zu beurteilen. Eine typische streckenseitige Sensorinstallation umfasst sowohl Hot-Box-Detektoren (HBD) als auch Hot-Wheel-Detektoren (HWD) auf beiden Schienen. Beide Sensoren basieren typischerweise auf Mikrobolometer-Arrays wie denen in Wärmebildkameras. Bei HBDs werden die Sensoren normalerweise an der Außenseite der Schiene montiert und zeigen nach oben, um einen guten Blick auf die Lagerkästen am Ende jeder Achse zu ermöglichen. HWDs werden normalerweise auch außerhalb jeder Schiene montiert, sind jedoch so konzipiert, dass sie beim Vorbeifahren direkt auf die Seite des Rads blicken. Die thermischen Eigenschaften von Rädern und Lagern sind sehr unterschiedlich – Räder können viel heißer werden als Lager, bevor sie als Defekt gelten – daher sind HBDs und HWDs unterschiedlich kalibriert.

Ein weiterer Detektor, der in den meisten Defekterkennungsstationen vorhanden ist, ist der Dragging Equipment Detector (DED). Dabei handelt es sich einfach um eine Reihe von Paddeln, die senkrecht zu den Schienen aufgestellt werden. Die Paddel sind mechanisch mit Schaltern verbunden und werden durch alles aktiviert, was der Zug an der Unterseite des Zugs herunterhängen könnte. Das Hauptziel hier ist ein nicht angeschlossener Druckluftbremsschlauch, aber es gibt noch viele andere Gefahren, von einem kaputten Lastwagen bis hin zu einem unglücklichen Tier. DEDs müssen äußerst robust sein, da Stöße mit ziehender Ausrüstung eine Kraft von 600 g ausüben können und die meisten DEDs für den Betrieb mit Zügen ausgelegt sind, die sich in beide Richtungen bewegen.

Fehlererkennungsanlagen sind bei nordamerikanischen Eisenbahnen weit verbreitet; Derzeit sind etwa 6.000 HBDs installiert, also etwa eines alle 25 Meilen (40 km) Strecke. HBDs und HWDs können für Eisenbahnbeobachter etwas schwer zu erkennen sein, zum Teil, weil sie sehr tief neben den Gleisen sitzen, aber auch, weil sie mindestens 100 m von einem Bahnübergang entfernt sein müssen, der der einzige Ort ist Die meisten Menschen können Eisenbahnschienen aus der Nähe sehen. Weitaus leichter zu erkennen sind die Bungalows am Wegesrand, in denen sich die Geräte befinden, an die die Sensoren angeschlossen sind. Bungalows sehen aus wie kleine Wirtschaftsschuppen neben den Gleisen und sind meist weiß oder silbern gestrichen, um das Licht zu reflektieren und die Temperatur im Inneren relativ konstant zu halten. Sie enthalten Racks für die elektronische Ausrüstung, die die Signale der Detektoren verarbeitet, sowie Hilfsgeräte wie Computer, Netzteile und Backup-Batterien, um das System auch bei einem Stromausfall mit Strom zu versorgen.

Was passiert mit den Informationen, wenn ein Mangel festgestellt wird? Einen Hinweis darauf findet man am Straßenbungalow, an dem oft eine auffällige Antenne montiert ist. Bei den meisten handelt es sich offenbar um gefaltete Dipolantennen für das VHF- oder UHF-Band, die vertikal neben der Strecke montiert und so ausgerichtet sind, dass sie parallel dazu abstrahlen. Im Inneren des Bungalows erstellen automatisierte Geräte mithilfe eines Sprachsynthesizers einen Bericht über den Zustand des Zuges, einschließlich etwaiger festgestellter Mängel, und übermitteln ihn an das Zugpersonal. Zu den Berichten gehören im Allgemeinen die Identifizierung des Fehlerdetektors, die Art des Fehlers und die Achse(n), an denen der Fehler festgestellt wurde. Das Zugpersonal kann dann den Zug anhalten, zum Problemwagen zurückgehen und die Art des Problems beurteilen.

Natürlich sind nicht nur Hotboxen, Hot Wheels und Schleppgeräte im Einsatz. Es kommt häufig vor, dass Räder auf mechanische Defekte überwacht werden, beispielsweise auf flache Stellen, die dadurch verursacht werden, dass eine Achse blockiert und das Rad auf den Schienen schleift. Flache Stellen verursachen aufgrund der von ihnen verursachten Stöße übermäßigen Lärm und Geräteverschleiß und werden von Radaufpralllastdetektoren (WILDs) erkannt. Diese bestehen aus einer Reihe von Dehnungsmessstreifen, die an langen Gleisabschnitten angebracht sind. Sie zeichnen die hohen vertikalen Stöße auf, die durch unrunde oder anderweitig beschädigte Räder entstehen, und alarmieren das Zugpersonal. Andere Detektoren konzentrieren sich auf den Status der Schienenfahrzeuge, um sicherzustellen, dass die Achsen richtig mit dem Gleis ausgerichtet sind und nicht in ein „Track Hunting“ verwickelt sind, eine seitliche Schwingung des Radsatzes auf den Gleisen, während er einen Gleichgewichtspunkt sucht. Das Jagen kann zu Schäden an den Spurkränzen und der Spur führen und sogar zur Entgleisung führen, wenn das Fahrzeug durch die Schwingungen zu stark schwankt.

Wie Sie sich vorstellen können, erfordert die Installation und Wartung all dieser Geräte einen hohen Ressourcenaufwand. Fehlererkennungssysteme sind weit verbreitet, wobei die Installationen oft Dutzende bis Hunderte von Kilometern voneinander entfernt sind, was bedeutet, dass die für die Arbeit an ihnen ausgebildeten Techniker dünn gesät sind und oft an entfernte Standorte reisen müssen, um an den Systemen zu arbeiten. Es lohnt sich jedoch: Seit 1980 ist die Zahl der Zugunfälle aufgrund von Achs- und Radausfällen durch den weit verbreiteten Einsatz von Hotbox-Detektoren um 81 % zurückgegangen.