Empfehlungsschreiben zur Eisenbahnsicherheit 23.01

Mar 05, 2024

3. Februar 2023

Interimsstadtverwalter der Stadt Ottawa 110 Laurier Avenue West Ottawa ON K1P 1J1

Thema :

Empfehlungsschreiben zur Sicherheit des Schienenverkehrs 23.01. (Auftreten R22H0037)Anhaltende Ausfälle von Patronenrollenlagerbaugruppen in Fahrzeugen des Ottawa Light Rail Transit

Am 14. September 2019 nahm Ottawa Light Rail Transit (OLRT) Stufe 1 den Betrieb seiner 13 Stationen umfassenden, 12,5 km langen Confederation Line in Ottawa, Ontario, mit Geschwindigkeiten von bis zu 90 km/h auf. Das für den OLRT-Betrieb ausgewählte Fahrzeug war das Stadtbahnfahrzeug (LRV) Citadis Spirit, Fußnote 1, montiert auf Iponam-Drehgestellen, Fußnote 2 (Abbildung 1). Das LRV und die Drehgestelle wurden von Alstom speziell für das OLRT-Projekt neu entwickelt und hergestellt. OLRT kaufte 34 solcher Stadtbahnen (mit den Nummern 1101 bis 1134) für die erste Etappe und betreibt normalerweise zwei Stadtbahnen zusammen als 1 Nahverkehrszug.

Jedes Drehgestell ist unter anderem mit 4 elastischen Radbaugruppen und 2 Achsbaugruppen ausgestattet. Jede Achsbaugruppe umfasst zwei Radnaben und zwei Patronenrollenlager-Unterbaugruppen (Patronenbaugruppen), die durch eine Keilwellenachse verbunden sind.

Die Kartuschenbaugruppen befinden sich innerhalb der Räder und die Räder sind mit Schrauben an der Außenseite jeder Radnabe befestigt, um die Drehgestellbaugruppe zu vervollständigen. Jede Kartuschenbaugruppe integriert die Keilwellenachse mit der Radbaugruppe, wodurch sich die Räder drehen können. Die Patronenbaugruppe wurde von Texelis in Limoges, Frankreich, basierend auf der Alstom-Spezifikation für die gesamte Achsbaugruppe entworfen und hergestellt. Anschließend wurde es zur Installation nach Kanada verschifft. Die Komponenten der Kartuschenbaugruppe werden übereinander gestapelt und durch eine große Sicherungsmutter (Druckmutter) festgehalten. An jedem Ende eines verzahnten Achsschenkels ist eine Patronenbaugruppe installiert und mit Schrauben befestigt. Jede Patronenbaugruppe umfasst unter anderem zwei Kegelrollenlagerbaugruppen, ein Distanzstück und eine Achsnabe. Eine Patronenbaugruppe hat einen erwarteten Lebenszyklus von 1,2 Millionen Kilometern.

Bei Motordrehgestellen ist auf jeder Wagenseite ein Fahrmotor montiert (insgesamt 2 Motoren pro Drehgestell). Jeder Fahrmotor ist mit einem Antriebsstranggetriebe verbunden, das auf den verzahnten Achsschenkel passt, um den Antriebsstrang zu vervollständigen. Jeder Radsatz enthält auf der einen Seite einen Keilwellen-/Getriebeantriebsstrang und auf der anderen Seite eine Scheibenbremse (Abbildung 2).

Am 8. August 2021 entgleist ein ostwärts fahrender OLRT-Pendlerzug etwa 90 m östlich der Tunney's Pasture Station in Ottawa. Es wurde festgestellt, dass sich das Rad Nr. 3 des LRV 1119 aufgrund eines unerkannten katastrophalen Wälzlagerschadens und anschließenden Abbrennens des Achszapfens von der Achse löste. Zum Zeitpunkt des Ereignisses befanden sich keine Passagiere an Bord (TSB-Ereignis Nr. R21H0099).

Nach der Entgleisung wurde die OLRT-LRV-Flotte außer Betrieb genommen, während an der gesamten Flotte Messungen des axialen Endspiels (freies Spiel) der Patronenbaugruppe durchgeführt wurden (20 pro LRV). Bei gemessenen Abständen von mehr als 0,1 mm musste die Kartuschenbaugruppe durch eine neue Baugruppe ersetzt werden, und es wurde eine neue regelmäßige Inspektion durchgeführt, um das Spiel der Kartuschenbaugruppe bei allen LRVs alle 7500 km fortlaufend zu messen.

Bei dieser ersten Flotteninspektion wurden 1 zerstörte Patronenbaugruppe bei LRV 1119 und 17 weitere lose Patronenbaugruppen bei 9 anderen LRVs mit gemessenem Spiel im Bereich von 0,12 mm bis 0,89 mm identifiziert.

Bei der Flotteninspektion wurden am LRV 1121 drei lose Patronenbaugruppen in der Radposition Nr. 11 des Triebdrehgestells 2 (BM2) und in den Radpositionen Nr. 17 und Nr. 19 des Triebdrehgestells 3 (BM3) identifiziert. LRV 1121 wurde zwischen dem 8. und 11. September 2021 zur Reparatur in der OLRT Belfast Yard Maintenance and Storage Facility (MSF) festgehalten, wo die drei losen Patronenbaugruppen ausgetauscht wurden. LRV 1121 wurde am 13. September 2021 aus der MSF entlassen und nahm am 14. den Passagierdienst wieder auf September 2021.

Am 27. September 2021 veröffentlichte das TSB den Rail Safety Advisory (RSA)-Schreiben 617-02/21Fußnote 3 im Zusammenhang mit dem Ausfall der Patronenlagerbaugruppe, der die Entgleisung verursachte. Die RSA schlug vor, dass OLRT möglicherweise sicherstellen möchte, dass es über Wärmeerkennungssysteme verfügt, um die Temperaturen der LRV-Patronenrollenlagerbaugruppen zu überwachen, um überhitzte Rollenlager rechtzeitig zu erkennen und einzugreifen, bevor es während des Betriebs zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Bislang wurden außer der laufenden Überwachung des freien Spiels der Patronenbaugruppe keine konkreten Schritte unternommen, um den im RSA festgestellten Sicherheitsmangel zu beheben.

Am 19. September 2021 fuhr der OLRT-Nahverkehrszug 1121-1138 in westlicher Richtung auf Gleis 1, als der BM2 des nachlaufenden LRV 1121 in der Nähe der Mitte des Nordbahnsteigs des Bahnhofs Tremblay entgleiste, als er den Bahnhof verließ. Der Zug fuhr im entgleisten Zustand etwa 1400 Fuß über die Eisenbahnbrücke, die den Riverside Drive überquert, weiter, geriet dann in den Notfall und kam knapp westlich der Eisenbahnbrücke zum Stehen. Die 12 Passagiere und 1 Bediener an Bord wurden zu diesem Zeitpunkt evakuiert, sobald dies sicher möglich war. Es gab keine Verletzten (TSB-Ereignis Nr. R21H0121).

Am 2. November 2021 veröffentlichte das TSB den RSA-Brief 617-03/21, Fußnote 4, in dem festgestellt wurde, dass die Schrauben, mit denen der Keilwellenstummel an der Radnabe BM2 Nr. 11 des LRV 1121 befestigt ist, während der Sanierung nicht ausreichend angezogen wurden. LRV 1121 durfte dann in Betrieb genommen werden, ohne dass ein vollständiger Satz Drehmomentdaten oder eine Bestätigung vorhanden war, dass alle Arbeiten abgeschlossen waren. Das fehlende Drehmoment führte bereits nach ca. 800 km zum Versagen aller 12 Halteschrauben. Als die Schrauben versagten, trennte sich das Getriebe des Antriebsstrangs von der Radposition Nr. 11. Das getrennte Getriebe fiel vom LRV und berührte die Gleisinfrastruktur, was zur Entgleisung führte.

In diesem Fall wurde LRV 1121 repariert und aus einer Werkstatt freigegeben, nur um innerhalb von 5 Tagen nach seiner Freigabe ein sicherheitskritisches Bauteil ausfallen zu lassen und einen schweren Unfall zu verursachen. Der Unfall hat gezeigt, dass die inkonsistente und unvollständige Wartung sicherheitskritischer Komponenten an einem Stadtbahnfahrzeug schwerwiegende Folgen haben kann. Die RSA schlug vor, dass OLRT möglicherweise eine eingehende Überprüfung aller an sicherheitskritischen Komponenten durchgeführten Arbeiten durchführen möchte, um zu bestätigen, dass die Verfahren befolgt werden und dass eine ausreichende Aufsicht vorhanden ist, um zu verhindern, dass sich ein ähnlicher Vorfall wiederholt. Seit der Veröffentlichung des RSA wurden Schritte unternommen, um die Wartungsverfahren und die Aufsicht über die bei MSF an OLRT-LRVs durchgeführten Arbeiten zu verbessern.

Am 21. Juli 2022 berichtete ein OLRT-Fahrer, dass beim LRV 1127 während des Betriebs ungewöhnliche Vibrationen aufgetreten seien. Anschließend wurde LRV 1127 außer Betrieb genommen und zur Inspektion zur MSF gebracht (TSB-Ereignis Nr. R22H0037).

Am 23. Juli 2022 zeigte die Baugruppe an der Scheibenbremse von Achse 1 an BM1 (Radposition 1) bei der Überprüfung aller 20 LRV-Patronenbaugruppen auf freies Spiel das Zehnfache des maximalen Grenzwerts für freies Spiel. Die Baugruppe wurde entfernt und eine weitere Untersuchung ergab, dass die Achsnabe so stark beschädigt war, dass es wahrscheinlich zu einem katastrophalen Ausfall kommen würde, wenn sie weiterhin in Betrieb bliebe (Abbildung 3).

Anschließend wurden drei Patronenbaugruppen zur detaillierten Untersuchung an das TSB Engineering Laboratory geschickt (Tabelle 1).

1127

A

1

Scheibenbremse (ausgefallen)

197 967

08. Juli 2022

4493

1127

A

2

Motor

197 967

08. Juli 2022

4493

1131

B

3

Motor

240 597

03. August 2022

3201

Die ausgefallene Achsnabe von LRV 1127 wurde im TSB-Labor sowohl unter optischen als auch unter Rasterelektronenmikroskopen (REM) untersucht. Bei der REM-Untersuchung zeigten die Bruchflächen Hinweise auf Strandmarkierungen, die ein Synonym für klassische Ermüdungsbrüche sind. Der Bruchbeginnpunkt wurde am abgeschrägten Ende der Achsnabe identifiziert.

Die innere Laufbahn des Rollenlagerkegels der großen Kegelbaugruppe war gebrochen. Der Bruch war ein sofortiger Überspannungsbruch und wurde nicht durch Ermüdung verursacht. Die Bruchflächen der Laufbahn wiesen Oxidation auf, was darauf hindeutet, dass der Laufbahnbruch bereits einige Zeit vor dem Ausfall der Achsnabe vorhanden war. Die Kegellaufbahn wies einige Abplatzungen auf, die höchstwahrscheinlich auf den Bruch zurückzuführen waren.

Während der Untersuchungen der Kartuschenbaugruppe wurden an mehreren Komponenten Bereiche mit Hitzeverfärbung beobachtet, und der Zustand einiger Fettproben deutete darauf hin, dass die Baugruppen einer überdurchschnittlichen Hitzeeinwirkung ausgesetzt waren, was wahrscheinlich auf einen sich verschlechternden Zustand der Kartuschenbaugruppe zurückzuführen war.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die drei vom TSB untersuchten Patronenbaugruppen zahlreiche Fehlermodi aufwiesen. Zu den Modi gehörten Ermüdungsbrüche, Rollkontaktermüdung, Oberflächenverschleiß, Schlagverschleiß, Umwelterosion und Reibungsverschleiß. Der beobachtete Schaden war weit über die gesamte Patronenbaugruppe verteilt und beschränkte sich nicht auf eine bestimmte Komponente. Daher konnte nicht festgestellt werden, welcher der beobachteten Fehlermechanismen zuerst auftrat. Aufgrund der gemachten Beobachtungen kann jedoch Folgendes festgestellt werden:

Da die Achsnabe der Kartuschenbaugruppe auf der Scheibenbremsseite des LRV 1127 innerhalb eines Intervalls von weniger als 7.500 km (4.393 km) seit der vorherigen Inspektion ausfiel, hat Alstom am 29. Juli 2022 die Inspektionsintervalle für das freie Spiel der Kartuschenbaugruppe für OLRT-LRVs wie folgt überarbeitet:

Da OLRT-LRVs über kein integriertes automatisches Wärmeerkennungssystem für die Kartuschenbaugruppe verfügen, sind die Prüfungen des freien Spiels weiterhin erforderlich. Diese zusätzliche Wartungsaufgabe ist jedoch arbeitsintensiv und zeitaufwändig für eine Komponente, die über 1,2 Millionen Kilometer halten sollte.

Nach der Entgleisung des LRV 1119 am 8. August 2021 führte Alstom eine neue regelmäßige Inspektion ein, um das Spiel der Kartuschenbaugruppe bei allen LRVs fortlaufend alle 7.500 km zu messen und aufzuzeichnen. Die TSB hat die für diese Kontrollen erfassten Daten für den Zeitraum vom 08.08.2021 bis 11.08.2022 untersucht. Insgesamt wurden über 11.000 einzelne Freispielmessungen durchgeführt und folgende Beobachtungen gemacht:

Alstom ist ein führender Hersteller von Pendler-LRVs und hat erfolgreich Entwürfe für andere Stadtbahnprojekte des Nahverkehrs (Light Rail Transit, LRT) auf der ganzen Welt umgesetzt, beispielsweise in Istanbul, Türkei (Citadis X01) und Paris, Frankreich (Citadis Dualis), um nur einige zu nennen wenige. Dabei handelt es sich um etablierte LRV-Plattformen, bei denen nur wenige Zuverlässigkeitsprobleme gemeldet wurden. Im Gegensatz dazu hatte das für OLRT gebaute Alstom Citadis Spirit LRV zahlreiche Zuverlässigkeitsprobleme und erlebte seit seiner Inbetriebnahme zwei schwerwiegende Entgleisungen auf der Hauptstrecke. Alle drei Alstom LRV-Designs sind mit der gleichen Patronenbaugruppe ausgestattet. Tabelle 2 bietet einen kurzen Vergleich einiger Unterschiede zwischen den drei Alstom-LRV-Designs.

Anzahl der Achsen

6

10

10

Anzahl Triebdrehgestelle

2

3

3

Anzahl der Anhängerdrehgestelle

1

2

2

LRV-Länge

28 m

42 m

48 m

Leergewicht des LRV

42 Tonnen

77 Tonnen

81 Tonnen

LRV-Ladegewicht

57 Tonnen

99 Tonnen

113 Tonnen

Drehgestelltyp

Ixège

Ixège

Ich werde es sagen

Drehgestellrahmen

Starr

Starr

Artikuliert

Suspension

Gummi

Gummi

Stahlfeder und Luftkissen

Motor

Permanentmagnetmotor (PMM)*

PMM

Induktion**

* Ein Permanentmagnetmotor (PMM) ist ein Elektromotor mit synchroner Drehzahl, der sich mit konstanter Drehzahl (U/min) dreht und ein gleichmäßiges Drehmoment aufweist.

** Ein Induktionsmotor ist ein Elektromotor mit asynchroner Drehzahl, der mehr Leistung erzeugen kann und bei niedrigeren Drehzahlen ein höheres Drehmoment aufweist als ein PMM. Mehrere Stopp-Starts mit Induktionsmotoren können zu höheren Belastungen und Drehmomentschwankungen an den Antriebsstrangelementen führen.

Im Januar 2012 legte Alstom einen Vorschlag für das OLRT-Projekt vor, der der damaligen ursprünglichen technischen Spezifikation der Stadt Ottawa entsprach. Das vorgeschlagene Konzept war ein 29 m langes Stadtbahnfahrzeug, das eng an die Pariser Citadis Dualis angelehnt war. Alstoms ursprüngliches Angebot entsprach nicht den Anforderungen der Stadt Ottawa und Alstom wurde vom Verfahren ausgeschlossen.

Kurz darauf änderte die Stadt Ottawa die Anforderungen und forderte nun Stadtbahnen, die bis zu 24.000 Personen pro Stunde und Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h transportieren konnten, ein Dienst, der eher für ein U-Bahn-System mit höherer Kapazität typisch war. Anschließend wandte sich die Rideau Transit Group (RTG) an Alstom, um Stadtbahnen für das Projekt bereitzustellen. Alstom teilte RTG mit, dass die gewünschten Züge noch nicht existierten, aber entwickelt werden könnten. Dies führte zur Entwicklung der längeren, schwereren und schnelleren Citadis Spirit LRV-Plattform in Verbindung mit den neuen Iponam-Motordrehgestellen mit Induktionsmotoren, die denen des New Yorker U-Bahn-Systems ähnelten.

Der für den Citadis Spirit verwendete Induktionsmotor erzeugt mehr Drehmoment und beschleunigt schneller als die PMMs, die für die LRVs Istanbul und Paris verwendet werden. Bei einer ursprünglichen Betriebsgeschwindigkeit von 90 km/h und 13 Stationen auf der 12,5 km langen OLRT Confederation Line könnten häufige Starts und Stopps möglicherweise zu einem beschleunigten Verschleiß der Antriebs- und Bremskomponenten des Motordrehgestells führen. Diese Beobachtung steht im Einklang mit der TSB-Analyse der Inspektionen von Kartuschenbaugruppen, die ergab, dass die meisten der 68 Kartuschenbaugruppenausfälle in Triebdrehgestellen auftraten (63); 57 % (36/63) auf der Antriebsmotorseite und 43 % (27/63) auf der Scheibenbremsenseite.

Bisher kam es zu zwei schwerwiegenden Entgleisungen auf der Hauptstrecke und zu einem fast katastrophalen Komponentenausfall, bei denen alle OLRT-LRV-Kartuschenbaugruppen involviert waren. Während die zur Herstellung der Patronenbaugruppen verwendeten Materialien den Spezifikationen des Herstellers entsprachen, wiesen die drei vom TSB untersuchten Patronenbaugruppen zahlreiche Fehlermöglichkeiten auf. Der beobachtete Schaden verteilte sich weit über die Baugruppen und beschränkte sich nicht auf eine bestimmte Komponente. Darüber hinaus deuteten die an mehreren Komponenten beobachteten Bereiche mit Hitzeverfärbungen und der Zustand einiger Fettproben darauf hin, dass die Baugruppen einem überdurchschnittlich hohen Hitzeereignis ausgesetzt waren, das wahrscheinlich mit einer unentdeckten Verschlechterung des Zustands der Kartuschenbaugruppe zusammenhing.

In den genannten Fällen kann die Ursache für die Ausfälle der Kartuschenbaugruppe nicht auf eine einzelne Komponente zurückgeführt werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Kombination aus dem neu entwickelten LRV, neuen Iponam-Drehgestellen und einem leistungsstärkeren Antriebsstrang eine Rolle beim Ausfall von Patronenbaugruppen spielt.

Diese Fehler bei der Kartuschenbaugruppe stellen weiterhin ein Sicherheitsrisiko dar, bis die Probleme behoben sind. Daher möchte die Stadt Ottawa möglicherweise sicherstellen, dass alle am OLRT-Projekt beteiligten Parteien zusammenarbeiten, um auftretende Sicherheitsrisiken in den Bereichen Konstruktion, Betrieb und Wartung zu beseitigen. Darüber hinaus sollten die beteiligten Parteien sicherstellen, dass zum Schutz der reisenden Öffentlichkeit wirksame Bordüberwachungssysteme für sicherheitskritische LRV-Komponenten, wie z. B. Patronenrollenlager, eingerichtet werden.

Das TSB würde es begrüßen, wenn es darüber informiert würde, welche Maßnahmen gegebenenfalls in dieser Hinsicht ergriffen werden.

Dein,

Original signiert vonVincenzo De AngelisDirektor, Untersuchungen – Schiene/Pipeline

CC.

General Manager, Transit Services City of Ottawa

Stellvertretender Chief Safety Officer, Transit Services City of Ottawa

Chief Executive Officer Rideau Transit Group General Partnership

Direktor, Technische Dienste Rideau Transit Maintenance

Leiter Quality Services North Americas Alstom

Servicetechniker Texelis

Generaldirektor, Rail Safety Transport Canada

LRV ist eine nordamerikanische Bezeichnung für eine Straßenbahn. LRVs werden in der Regel für Systeme eingesetzt, die zwischen 3.000 und 10.000 Passagiere pro Stunde und Richtung (PPHPD) befördern. Zum Vergleich: Ein Metro- oder U-Bahn-System ist ein schwereres Schienensystem, das zwischen 10.000 und mehr als 50.000 PPHPD transportiert.

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Drehgestell ist ein in der Branche häufig verwendeter Begriff zur Beschreibung einer Baugruppe für Personenkraftwagen im Nahverkehr. Das Citadis Spirit-Drehgestell mit dem Namen Iponam (Ixège POur North AMerica) ist eine Weiterentwicklung des klassischen Alstom Ixège-Drehgestells, das für die LRV-Systeme Paris (Frankreich) und Istanbul (Türkei) verwendet wird.

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TSB Rail Safety Advisory 617-02/21, „Rollenlagerausfall, der zur Entgleisung des Ottawa Light Rail Transit-Fahrzeugs führt“ (herausgegeben am 27. September 2021).

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TSB Rail Safety Advisory 617-03/21, „Arbeitsverfahren für die Fahrzeugwartung des Ottawa Light Rail Transit“ (herausgegeben am 2. November 2021).

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