Sensorschwelle - die intelligente Schwelle

Der moderne Eisenbahnoberbau zeichnet sich durch die Verwendung qualitativ hochwertiger Komponenten aus, um den immer höheren Lasttonnagen und den steigenden Zugfrequenzen gerecht zu werden. Das oberste Maxime für jeden Eisenbahnbetreiber ist es, die Verfügbarkeit des Eisenbahnfahrweges sicherzustellen.
Als probates Mittel hat sich dazu in den letzten Jahren die sogenannte Schwellensohle als bewährtes Mittel zur Verbesserung der Eigenschaften des Eisenbahnfahrweges herauskristallisiert.Dabei adressiert die Schwellensohle genau die kritische Schnittstelle zwischen Schwellenunterseite und oberster Schotterlage, da hier durch sehr hohe Schotterkontaktpressungen, hervorgerufen durch hohe dynamische Kräfte, ein besonders hohes Verschleißverhalten vorliegt. Verschleißverhalten bedeutet in diesem Fall die Zerstörung des Eisenbahnschotters als schwächstes Glied im Lastabtragungsbereich des Eisenbahnoberbaus.Dies wird durch sogenannte weiße Flecken (pulverisierter Schotter), Schwellenhohllagen und daraus folgend einer schlechten Gleislagequalität sichtbar.

Da es heute nicht möglich ist, direkt in diese sensible Schnittstelle hineinzuschauen, bleiben die Entstehungsmechanismen dieses nachteiligen Effektes oft reine Theorie.
Getzner hat sich zum Ziel gesetzt, eine digitale Technologie zu entwickeln, welche es ermöglicht direkt und ortsunabhängig diese kritische Schnittstelle zu messen, zu überwachen und kritische Veränderungen zeitgereicht zu detektieren.
Die Messtechnologie kann dabei sowohl zu R&D bzw. Messzwecken, als auch zu Monitoringzwecken verwendet werden.

Visualisierung von Schwingungs- oder Schallwellen als bunte Formen auf schwarzem Raster.

Die Herausforderung

Bisher war man bei der Erforschung der Wirksamkeit von z. B. Schwellensohlen auf indirekte Messmethoden wie Einsenkungsmessungen, Vibrationsmessungen und die Beobachtung der Gleislage über lange Zeit angewiesen.
Viele unbekannte Faktoren an der Schnittstelle zwischen Schotter und Schwelle wie Schotterkontaktpressungen, Kontaktflächen, Lastverteilung werden simuliert, sind aber bis dato schwierig bis gar nicht messbar.
Verifikation von Innovationen (z. B. besohlte Schwellen) ist nur über andere Faktoren, z. B. langwierige Beobachtung von Verschlechterungsraten, möglich.

Getzner Sensor Sleeper Prototyp: Visualisierung der Pressungsverteilung und Schotterkontaktfläche.

Diagramm Anwendungsfelder: Design, Wartung, Überwachung, Validierung.

Installation von Sensor-Schwellen auf Bahngleisen, Karte Europas mit Einsatzorten.

Eine "Sensor Sleeper Technologie Landkarte" mit Flussschema von Sensor zu Cloud und Anwendungen.

Roter Railjet-Zug auf Schienen mit eingeblendeter Datenanalyse "Sleeper underside".

Die Getzner Lösung

Getzner hat die sogenannte „Sensorschwelle“ entwickelt, die es ermöglicht, ohne Eingriff in die Eigenschaften des Gleises Flächenpressungen direkt am Einsatzort der Schwellensohlen zwischen Schwelle und Schotter zu messen. Dabei handelt es sich um einen speziellen Drucksensor, der auf der Unterseite der Schwelle angebracht wird. Der Druck, den einzelne Schottersteine auf die Schwelle ausüben, kann über lange Zeit erfasst werden. Dies ermöglicht es, nicht nur die Eigenschaften der Schwellenbesohlung mit nie dagewesener Genauigkeit zu charakterisieren, sondern darüber hinaus die Lastabtragungseigenschaften der verschiedenen Komponenten des Gleises bei Zugüberfahrt zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse können zum Beispiel in der Auslegung von Besohlungen, Schwellen, Weichen und Übergangsbereichen Verwendung finden. Die Eigenschaft, dass die Sensorschwelle wie jede andere Schwelle gehoben, ausgerichtet und gestopft werden kann, macht die notwendige Datenqualität erst möglich. Natürlich funktioniert die neue, digitale Innovation nicht nur in Kombination mit Schwellensohlen sondern auch ohne.

Dabei misst die neue Technologie relevante Daten in einer Schnittstelle, die bis dato von niemandem weltweit gemessen werden können.
Es handelt sich dabei um eine patentierte Technologie – AT 522346 B1!

Gelbe Getzner Schwingungsisolierungsmaterialien auf Schotterbett zwischen Eisenbahnschienen.

Zwei Eisenbahngleise mit Schotter und Schwellen, flankiert von weißen Gebäuden und kahlen Bäumen.

Schema des Getzner Sensor Sleeper Systems und installierte Sensoren auf Bahngleisen.

Vorteile für die Kunden

Einsatz für Messzwecke:

Die Innovation ist in der Lage, die Belastung und die Kontaktfläche der Schotterschwellenschnittstelle zu quantifizieren und damit die Lastabtragungseigenschaften zu analysieren.
Die Innovation ermöglicht, die Performance unterschiedlicher Schwellensohlentypen zu quantifizieren (Kontaktflächen, Pressungsverteilung, Lastabtragung, ...).
Die Innovation liefert eine 3D-Map der Belastungs- und Kontaktbereiche zwischen Schwelle und Schotter (Auflageverhältnisse).
Die Innovation ist in der Lage, die Veränderung der Schotterkontaktflächen, der Schotterkontaktpressungen sowie der Schotterkontaktpunkte über die Zeit zu messen.
Essenzielle Gleisdurcharbeitungsverfahren, wie z.B. das „Stopfen“ des Schotteroberbaus, können mit dieser Innovation gemessen, überwacht bzw. die Prozesse mittelfristig optimiert werden, und dies situationsbezogen.

Einsatz als Monitoringsystem:

Das Monitoringsystem zeigt auf, wie sich der Schotter an der Grenzfläche zur Schwellenunterseite verhält (Druck, Kontaktfläche / Kraft, Lage des Ballastpunktes) und dies über die Zeit (Veränderung).
Das Monitoringsystem liefern die richtigen Informationen, um Wartung und Instandhaltung punktgenau und zur richtigen Zeit durchzuführen (Predictive Maintanance).
Die digitale Lösung ermöglicht es dem Benutzer, seine Assets weltweit aus der Ferne zu überwachen, ohne vor Ort zu sein (Sicherheit, Aufwand, Zeit, ...).
Die Innovation bietet einen vollständigen Überblick über den Qualitätszustand des Assets auf der Grundlage von historischen- und Echtzeit-Daten.
Das Monitoringsystem bieten einen vollständigen Überblick über den Status des Assets und die erforderlichen Wartungsarbeiten.
Die Innovation ermöglicht es die Schieneninfrastruktur zu überwachen und gibt einen Einblick in kritische Designparameter.
Die digitale Innovation überwacht die Streckenqualität an Hot Spots (Weichen, Übergängen, engen Bögen, ...) und kann deren Beschaffenheit zeitlich Zeit vorhersagen.
Das Monitoringsystem kann das Entstehen von hohlliegenden Schwellen bzw. Schotterzerstörung frühzeitig erkennen.