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Förderung des Wachstums der Technologiereife
Bahnbetreiber benötigen Luftkompressortechnologien, die eine hohe Betriebseffizienz und eine hohe Verfügbarkeit im Betrieb unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich sehr niedriger Einschaltdauer, kombinieren. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat Wabtec umfangreiche Feldversuche und die Entwicklung der nächsten Generation von Luftkompressoren durchgeführt. Der Buran CSS-Kolben von Wabtec mit abgedeckter/sektoraler Abdichtung ist eine hochmoderne Lösung, die allen Betriebsbedingungen, einschließlich extremer Temperatur und Feuchtigkeit, sowie Anwendungen mit niedriger Einschaltdauer standhält.
Umstellung von geschmierten auf ölfreie Kompressoren
Seit Jahrzehnten sind Züge zur Versorgung ihrer Brems- und Federungssysteme mit Luftkompressoren ausgestattet. Die Kompressortechnologien für Schienenfahrzeuge basierten auf der in der Industrie vorhandenen Kompressortechnik, hauptsächlich auf geschmierten Hubkolben- oder geschmierten Schraubenkompressoren.
Die Kunden stellten jedoch fest, dass die Technologien für geschmierte Kompressoren einige gravierende Nachteile aufwiesen. Dazu zählten unter anderem folgende Anforderungen:
- Tägliche Überprüfung des Öls
- Bei Verbrauch des Kompressors nachfüllen
- Regelmäßiger Öl- und Filterwechsel und Recycling
- Aufbewahrung der Kondensate des ölhaltigen Lufttrockners an Bord
- Regelmäßige Entleerung und Wiederverwertung des Kondensattanks
Der Einsatz von geschmierten Kompressoren wird zudem durch den erforderlichen Arbeitszyklus erschwert. Bei der Planung des Lufterzeugungssystems eines Zuges muss ein Gleichgewicht zwischen zwei widersprüchlichen Anforderungen gefunden werden: dem Arbeitszyklus und der Zeit, die der Zug während der ersten Vorbereitung benötigt, um den Zug zu füllen. Natürlich achten die Bahnbetreiber auf eine möglichst kurze Füllzeit.
Für den Arbeitszyklus sind hier zwei Faktoren zu berücksichtigen. Erstens sind Kompressoren thermodynamische Maschinen, die so konstruiert sind, dass sie heiß laufen. Zweitens wird während des Kompressionsprozesses Wasser von der Luft getrennt und vermischt sich mit dem Öl, wenn es kondensiert. Bei einem kurzen Betriebszyklus läuft der Kompressor möglicherweise nicht heiß genug, um das Wasser vollständig zu verdampfen. Wenn sich dieses Wasser mit dem Öl vermischt, kann dies zu schwerwiegenden Schmierproblemen führen und den Kompressor ernsthaft beschädigen.
Die ersten Schritte zur ölfreien Produktion
Vor etwa 15 Jahren begannen viele in der Bahnindustrie, ernsthaft über die ölfreie Kompressortechnologie nachzudenken. Die am besten geeignete Option für den Einsatz in Zügen ist der Hubkolben, der den gesamten erforderlichen Luftdurchflussbereich abdecken kann. Dieser reicht von 300 l/min für kurze Züge bis hin zu 2.500 l/min für lange Züge oder Lokomotiven.
Bei Wabtec lag unser Hauptaugenmerk bei der Entwicklung und Validierung der ölfreien Kompressortechnologie auf der neuen Reibungs- und Kompressionstechnologie zwischen Kolben und Zylinder. Nach einer eingehenden Verschleißanalyse bei hoher Beanspruchung kamen wir zu einer Lösung, die von den meisten Marktteilnehmern übernommen wurde. Diese bestand aus zwei Kompressionssegmenten und einem Reibmaterial auf PTFE-Basis am Kolbenkörper.
Diese Lösung funktionierte bei relativ hohen Arbeitszyklen gut. Bei niedrigen Betriebszyklen, bei denen der Kompressor seine normale Betriebstemperatur nicht erreichte, kam es jedoch zu vorzeitigem Verschleiß des Reibungs- und Kompressionsmaterials. Bei Betriebszyklen von nur 5%, bei längerem Parkmodus oder wenn die Kühlung des Kompressors durch eine Anordnung auf dem Dach beeinträchtigt wurde, stellten wir manchmal starken Verschleiß fest.
Durch den Einsatz von Arbeitszyklusreglern kann der Kompressorbetrieb auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Dies wird durch ein Ventil am Hauptrohrkreis erreicht, das eine kontrollierte Leckage erzeugt, um eine minimale Einschaltdauer des Kompressors zu gewährleisten. Dies ist jedoch eher eine Notlösung als eine Komplettlösung und angesichts der Nachfrage nach erhöhter Energieeffizienz nicht ideal.
Das geht über die Marktanforderungen hinaus
Die Ingenieure von Wabtec haben große Anstrengungen unternommen, um die Widerstandsfähigkeit der ölfreien Kolbenkompressoren gegenüber niedrigen Betriebszyklen zu verbessern. Um eine Lösung innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens zu validieren, haben wir einen einzigartigen Prüfstand entwickelt, der eine beschleunigte Simulation der Verwendung von Reibungs- und Kompressionsmaterialien unter allen möglichen Bedingungen ermöglicht. Es war ein langer Weg, eine neue Lösung zu entwickeln und zu validieren, und unsere Bemühungen haben sich gelohnt.
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Es war klar, dass bei einigen Anwendungen Anwendungen mit niedrigem Arbeitszyklus beibehalten würden und daher eine Lösung erforderlich wäre, die solchen Bedingungen standhält und eine akzeptable Lebensdauer ohne Arbeitszyklusregler erreicht. Genau das bieten jetzt unsere neu patentierte CSS-Kolbenbaugruppe und unser Zylinder.
Unser erster Schritt war eine Demonstration auf dem Prüfstand. Bei einem Arbeitszyklus von nur 5% und einer dauerhaft niedrigen Temperatur erreichte die CSS-Lösung mühelos die entsprechende Periodizität der Überholungen mit einem großen Spielraum.
Der zweite Schritt war die Validierung im Zug. Wir haben jetzt mehr als 500 Kompressoren mit der CSS-Lösung im Einsatz. Wir haben uns dafür entschieden, CSS vorrangig bei Anwendungen mit niedrigen Arbeitszyklen und Temperaturen zu implementieren und führen regelmäßig Messungen an diesen Kompressoren durch. Die Verschleißrate, die wir vor Ort beobachten, ist sogar besser als unter ähnlichen simulierten Bedingungen auf unserem Prüfstand. Selbst unter diesen schlimmsten Bedingungen wissen wir, dass die CSS-Lösung mehr als 12.000 Pumpstunden erreichen kann, was einem herkömmlichen Kompressor-MTBO entspricht.
Unsere nächste Herausforderung wird darin bestehen, MTBO über die üblichen Marktanforderungen hinaus zu bringen.
Wir sind unseren Kunden für ihr Vertrauen während dieses gesamten Prozesses dankbar und sind mit dem erzielten Ergebnis sehr zufrieden. Wir haben einen großen Schritt in der Entwicklung der Technologie für ölfreie Kolbenkompressoren erreicht.
Die neue Generation von Buran-Kompressoren von Wabtec, Buran CSS, ist die neue Marktreferenz. Sie ist äußerst widerstandsfähig gegen extreme Betriebsbedingungen und auf dem neuesten Stand der Technik.