Scroll-Kompressoren

Scroll-Kompressoren von Atlas Copco für Schienenfahrzeuge

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Kompressoren werden in Schienenfahrzeugen für vielfältige Aufgaben eingesetzt. Die Anforderungen an die Hersteller sind entsprechend hoch. Im Gespräch mit KEM Konstruktion erläutert Dirk Villé, Geschäftsführer der Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH in Essen, wo man welche Kompressorentypen verwendet und wieso Druckluft das Medium der Wahl in Bahnanwendungen ist.

Interview: Johannes Gillar und Nico Schröder, KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Bahnanwendungen sind ein breites Einsatzgebiet für Kompressoren. Welche Aufgaben übernehmen Kompressoren in Schienenfahrzeugen?

Dirk Villé: Die Hauptaufgaben für Kompressoren im Bereich Schienenfahrzeuge sind die Bremsen sowie die Federungen. Diese Abnehmer benötigen die meiste Druckluft. Zudem bedienen Kompressoren aber auch noch eine Reihe an Nebenabnehmern wie das Signalhorn, die Radkranzschmierung, die Fahrersitz-Einstellung, die Türenklapptritte oder die Sandung, bei der im Fall einer Notbremsung Sand aus einem Sandkasten – bei Bedarf mit Druckluft zwischen Rad und Schiene – geblasen wird. Außerdem betreiben Kompressoren sogenannte Pantografen. Dabei handelt es sich um die Stromabnehmer, mit denen man das Schienenfahrzeug mit der Stromleitung verbindet. Hierfür werden kleine Kolbenkompressoren verwendet, da sie nicht allzu oft in Betrieb sind.

KEM Konstruktion: Warum ist Druckluft so oft das Medium der Wahl in diesen Anwendungsbereichen?

Villé: Druckluft als Hauptmedium für solche Anwendungen hat folgende entscheidende Vorteile gegenüber Hydrauliköl oder Gasen: Es ist ein sauberer Energieträger. Es gibt keinerlei Verschmutzungen. Zudem ist Druckluft gegenüber der Elektrik die einfachste und billigste Lösung. Sie ist umweltfreundlich und für kompakte Konstruktionen geeignet.

KEM Konstruktion: Die Ansprüche der Bahntechnik-Unternehmen sind hoch. Welche Anforderungen müssen Kompressoren vor diesem Hintergrund erfüllen?

Villé: Normalerweise werden im Rahmen einer Ausschreibung oder einer Anfrage die Spezifikationen vom Kunden festgelegt. Diese beinhalten auch sämtliche technischen Ansprüche, die an die Anlage gestellt werden. Dabei handelt es sich unter anderem um einzuhaltende Standards und Normen – etwa in Sachen Brandschutz, Geräuscheffizienz oder elektromagnetische Kompatibilität. Dafür sind dann auch Nachweise zu erbringen. Sehr wichtig für Bahnkompressoren sind Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Da das Bremssystem einer der Hauptabnehmer für Druckluft ist, sind Kompressoren als Teil davon sicherheitsrelevant. Denn wenn der Kompressor nicht mehr funktioniert, bleibt der Zug auf der Strecke stehen. Das heißt, die Anlagen müssen über eine Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren zuverlässig funktionieren. Und das geht natürlich mit Wartungsfreundlichkeit einher, da die Anlage in regelmäßigen Zyklen gewartet werden muss. Bei dieser langen Lebenszeit spielt auch das Thema Obsoleszenz, also die Alterung von Produkten, eine wichtige Rolle. Weitere wichtige Kriterien sind Geräuschemissionen, die Ersatzteilverfügbarkeit sowie die Reaktionszeit für den Serviceeinsatz.

KEM Konstruktion: Wie stellen Sie sicher, dass die Kompressoren beispielsweise den rauen Umgebungsbedingungen gewachsen sind?

Villé: Die Scrollkompressoren von Atlas Copco wurden entworfen, gebaut und getestet, um den härtesten Umgebungsanforderungen zu widerstehen – einschließlich klimatischer Bedingungen, hoher Feuchtigkeit und Vibrationen. Sie können bei Temperaturen von -40 °C bis +50 °C unter extremen Wetterbedingungen betrieben werden. Für den Betrieb bei Tiefsttemperaturen bauen wir beispielsweise Begleitheizungen ein. Und bei extremen Staubbelastungen setzen wir spezielle Filter ein. Grundsätzlich stellt sich diesbezüglich die Frage, ob eine ölfreie oder eine ölgeschmierte Verdichtung die bessere Wahl ist. Die ölfreien Verdichter sind etwa bei sehr hohen Temperaturen nur begrenzt einsetzbar, dagegen sind die ölgeschmierten Varianten bestens für Extremfälle wie Wüstenklima, sehr staubige, sandige Luft und sehr hohe Temperaturen geeignet. Getestet werden die Kompressoren in speziellen Klimakammern. Das ist ein Service, den wir Kunden anbieten und den externe Institute übernehmen. Zudem führen wir Lebenszyklus-Tests durch. Das heißt, man simuliert die Lebensdauer, auf die die Anlage ausgelegt ist, auf einem Rüttelstand. Da werden 30 Jahre Kompressoreneinsatz innerhalb einer Woche simuliert, um den Beweis zu erbringen, dass die Anlage auch den Schwingungen und Schocks standhält, die während der Lebenszeit auf sie einwirken.

KEM Konstruktion: Atlas Copco bietet ölfrei verdichtende Pantograf-Kompressoren, Scroll-Kompressoren sowie öleingespritze Schraubenkompressoren für Bahnanwendungen an. Können Sie die Unterschiede dieser Lösungen erklären und wo man sie in Schienenfahrzeugen einsetzt?

Villé: Atlas Copco setzt im Bereich ölfreie Kompressoren auf Scrollkompressoren, während unsere Marktbegleiter hauptsächlich ölfreie Kolbenkompressoren verwenden. Die Gründe dafür sind die Wartungsfreundlichkeit der Scrollkompressoren und die damit verbundenen geringen Lebenszykluskosten. Das ist eine Frage des Verdichtungsprinzips: Bei einem Kolbenkompressor hat man immer Reibung zwischen dem Zylinder und dem Kolbengehäuse. Und dadurch verschleißt er schneller. Das heißt, in relativ kurzen Zeitabständen fallen aufwendige Wartungsarbeiten an. Der Scrollkompressor arbeitet dagegen mit einem berührungsfreien Verdichtungsprinzip, bei dem man zwei schneckenförmige Gehäuse gegeneinander schraubt. Die eine Schnecke ist der Stator, und die andere baugleiche Schnecke wird über drei Orbitallager oszillierend um das stehende Bauteil herumbewegt. Durch diese oszillierende Bewegung wird der Zwischenraum zwischen beiden Schnecken nach innen gehend immer geringer, und das erzeugt den Verdichtungsprozess. Da sich die beiden Schnecken dabei nie berühren, ist der Verschleiß bei diesen Kompressoren geringer als bei einem Kolbenkompressor. Dieses Scroll-Prinzip ist ein Alleinstellungsmerkmal von Atlas Copco. Es gibt keine anderen Hersteller im Bahnbereich, die das auch anbieten. Die ölfrei verdichtenden Pantograf-LFpR-Kompressoren sind speziell für den Einsatz an elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen mit pneumatisch betätigten Stromabnehmern vorgesehen. Dabei handelt es sich um kleine, kompakte Kolbenkompressoren mit einer geringen Laufleistung. Das reicht auch aus, denn diese Kompressoren werden vielleicht einmal in der Woche für fünf Minuten betätigt, um die Pantografen an die Leitung zu heben. Sobald der Zug unter Strom steht, übernimmt das Hauptkompressor-Aggregat.

Die öleingespritzten GAR-Schraubenkompressoren schließlich werden hauptsächlich in heißen Ländern mit staubigen Umgebungsbedingungen eingesetzt, was in erster Linie thermodynamische Gründe hat. Denn bei ölfreien Kompressoren sind wir auf eine Luftlieferleistung von 1500 I/min limitiert. Bei ölgeschmierten Schraubenkompressoren sind bis 4500 I/min möglich. Das Öl wird bei dieser Technologie dafür verwendet, die Druckluft zu kühlen. Um den Ölkreislauf zu integrieren, werden mehr Anlagenkomponenten benötigt. Vom Prinzip her saugen diese Systeme die Luft aus der Umgebung an, aus dem Ölbehälter wird dann Öl mit in das Schraubenelement eingespritzt, um – wie erwähnt – den Kühlungsprozess und die Schmierung zu gewährleisten. Am Ende des Verdichtungsprozesses hat man ein Luft-Öl-Gemisch, das über einen Zentrifugalmechanismus und einen Ölfilter anschließend weitgehend von Öl befreit wird. Wir bieten diese Kompressoren für den Bahnbereich mit Leistungen von 3,5 bis 37 kW für Lokomotiven-Anwendungen an. Allerdings werden bei Neuausschreibungen in Industrieländern meist ölfreie Kompressoren wegen ihrer Umweltfreundlichkeit nachgefragt.

KEM Konstruktion: Neben den erwähnten Kompressoren kommen Bahn-Membrantrockner von Atlas Copco in Schienenfahrzeugen zum Einsatz. Können Sie das technische Prinzip dieser Produkte erklären und auch, welche Aufgabe sie im Fahrzeug haben?

Villé: Das Prinzip des Membrantrockners beruht auf der Tatsache, dass Wasser eine speziell beschichtete Hohlfaser über 20.000-mal schneller durchdringt als Luft. Der Membrantrockner besteht aus einem Bündel sehr vieler beschichteter Hohlfasern. Die Hohlfasern oder Membranen sind in ein Rohr eingearbeitet, wobei der Innenkanal der Fasern am Ende offen ist. Das sieht wie ein Spaghetti-Bündel aus, und die vom Kompressor kommende Druckluft wird bei Betriebsdruck durch die Innenräume der Hohlfasern geleitet. Diese sind so perforiert, dass sie durchlässig für Wassermoleküle sind, aber undurchlässig für Luftmoleküle. Der Standardwert beträgt 10 bar. Nach dem Trocknungsprozess wird ein Teil der getrockneten Luft wieder gegenläufig in den Zwischenräumen zwischen den Hohlfasern zurückgeleitet. Und die trockene Luft nimmt dann die Feuchtigkeit aus der Druckluft auf. Eigentlich ist ein Membrantrockner mehr oder weniger ein dickeres Stück Rohrleitung und somit leicht in einem Fahrzeug zu verbauen. Die Aufgabe von Drucklufttrocknern ist es, den Taupunkt zu reduzieren und Feuchtigkeit im Luftsystem des Schienenfahrzeugs zu verhindern. Als Betreiber eines Kompressors will man keine Feuchtigkeit in der Luft, weil sonst Rost in den Rohrleitungen entstehen kann und der Endverbraucher dadurch Schaden nehmen kann. Deswegen entscheidet man sich häufig dafür, eine Druckluftaufbereitung, also Wasserabscheidung, Filtration und Trocknung der Druckluft, mit in die Anlage zu integrieren. Atlas Copco hat sich für Membrantrockner entschieden, weil sie im Gegensatz zu Absorptionstrocknern einen geringeren Wartungsaufwand und weniger Geräuschemissionen haben. Sie sind zwar in der Anschaffung etwas teurer, amortisieren sich aber über die Lebenszykluskosten.

KEM Konstruktion: Lassen sich die Anforderungen im Bahn-Bereich mit Standard-Produkten abdecken oder kommen doch eher kundenspezifische Lösungen zum Einsatz?

Villé: Die Hauptkomponenten, aus denen wir Kompressoren für Bahnanwendungen konstruieren, sind Standardprodukte. Für viele Aufgaben können wir unsere Standardkompressoren verwenden, die wir gemäß den Anforderungen für Schienenfahrzeuge umbauen. Letztendlich kann man sagen, dass man nie zweimal die gleiche Druckluftanlage liefert, weil der jeweilige Kunde immer Spezialanforderungen hat. Somit ist jede Anlage „customized“, also kundenspezifisch ausgelegt. Die größte Herausforderung ist der verfügbare Einbauraum. Passt ein Kompressor aus dem Standardportfolio nicht exakt in einen Bauraum, muss – selbst wenn nur eine kleine Änderung am Rahmen notwendig ist – das komplette Aggregat neu konzipiert werden, was natürlich sehr aufwendig ist.

KEM Konstruktion: Atlas Copco ist ein global agierendes Unternehmen. Nun sind aber die Standards in den USA andere als in Europa oder in Asien. Erfüllen Ihre Produkte die verschiedenen internationalen Bahnstandards und sind entsprechend zertifiziert?

Villé: Unser Entwicklungszentrum für Bahnkompressoren ist in Frankreich beheimatet und ist IRIS-zertifiziert. Das steht für International Railway Industry Standard. Er stellt ein Regelwerk dar, das die Union des Industries Ferroviaires Européennes (UNIFE) mit Sitz in Brüssel in enger Zusammenarbeit mit den führenden Bahnsystemherstellern erarbeitet hat. Dabei handelt es sich um eine international geltende Anforderung an die Qualitätsmanagementsysteme von Bahnherstellern und deren Zulieferer von Ausrüstungskomponenten sowie an Engineering-Dienstleister. IRIS setzt auf den Forderungen der ISO 9001 auf und enthält zusätzliche bahnspezifische Forderungen. Durch diese Zertifizierung wissen die Kunden, dass wir nach gewissen Standards arbeiten. Hinzu kommen im Einzelfall noch landes- oder projektspezifische Standards und Normen. In Deutschland ist das beispielsweise die GS-Zertifizierung, also Geprüfte Sicherheit.

KEM Konstruktion: Neben Produkten spielen Dienstleistungen eine wichtige Rolle. Auch Atlas Copco bietet sogenannte Aftermarket-Services an. Was muss man sich darunter vorstellen?

Villé: Hinter diesen Aftermarket-Services verbirgt sich ein globales Netzwerk in über 180 Ländern. Zu diesen gehören unter anderem das Ausarbeiten von Serviceplänen, Umbau und Aufrüstungsservices oder die Belieferung mit Originalersatzteilen im Rahmen von Reparatur, Wartung und Inspektion. Normalerweise führen wir im Zuge der Auslieferung neuer Anlagen einen sogenannten Wartungsworkshop durch, bei dem wir den Kunden die Standardwartungsarbeiten, die mit diesem Kompressor zusammenhängen, vermitteln. Ziel ist es, dass das Instandhaltungspersonal des Kunden entsprechend geschult wird, um die Servicearbeiten selbst vorzunehmen. Für alle Fälle haben wir im Kompressoren-Bereich aber deutschlandweit einen Pool an 140 Servicetechnikern, die den Kunden bei Problemen helfen, bei denen sie selbst nicht weiterkommen. Dieses Netzwerk ist auch ein Alleinstellungsmerkmal, denn bei den Produkten werden wir immer vergleichbarer, aber ein individuelles Servicenetzwerk mit erfahrenen Technikern kann nicht jeder bieten. Und das macht oft den Unterschied aus.

www.atlascopco.de

Details zu SFR Scrollkompressoren von Atlas Copco für Bahnanwendungen:

hier.pro/xcAwx

Messe Innotrans 2018:

Halle 1.2, Stand 213


Dirk Villé, Geschäftsführer, Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH
Bild: Christoph Landler/Konradin Mediengruppe

„Die Hauptaufgaben für Kompressoren im Bereich Schienenfahrzeuge sind die Bremsen sowie die Federungen.“

Dirk Villé, Geschäftsführer, Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH
Bild: Christoph Landler/Konradin Mediengruppe

„Die ölfrei verdichtenden Pantograf-LFpR-Kompressoren sind speziell für den Einsatz an elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen mit pneumatisch betätigten Stromabnehmern vorgesehen.“

Dirk Villé, Geschäftsführer Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH
Bild: Christoph Landler/Konradin Mediengruppe

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