Internationale M ärkte 22 INTERNATIO NALES VERKEHRSWESEN (62) 1+2/ 2010 David John / Andreas Lipp / Siegmar Kögel Hochgeschwindigkeitszüge Velaro für Russland Erfahrungen bei Inbetriebsetzung und Zulassung D er „Sapsan“ (dt. Wanderfalke), ein Hochgeschwindigkeitszug der Velaro-Familie der Firma Siemens, verbindet seit Dezember 2009 in Russland die beiden „ Hauptstädte“ Moskau und St. Petersburg. Die zwei Triebzugvarianten als Ein- und Zweisystemzüge mit verteilter Traktion verkehren auf konventionellen Strecken. Die technische Ausführung ist von den Besonderheiten des Einsatzlandes geprägt worden. Vor allem die schneereichen und extrem kalten Winter erforderten besondere Maßnahmen bei Belüftung und Heizung, bei hochbeanspruchten Materialien und hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Komponenten. D ie Autoren Dipl. Phys. D avid John, GPL (Gesamtprojektleiter) High Speed und Intercity Russland; Dr. Ing. Andreas Lipp, Technischer PL (Projektleiter) Velaro RUS; Dr. Siegmar Kögel, Projektleiter Zertifizierung und Zulassung, Werner-von- Siemens Str. 67, 91052 Erlangen Sapsan - ein HGV-Zug der Velaro-Familie Nach Abschluss des Vertrags über die erste Etappe der Projektierung von Zügen des Hochgeschwindigkeitsverkehrs (HGV) für Russland im April 2005 hat die russische Eisenbahn O AO „ RZD“ im Mai 2006 die Siemens AG mit dem Bau und der Lieferung von acht zehnteiligen Hochgeschwindigkeitszügen vom Typ Velaro beauftragt. Im April 2007 wurde zwischen der RZD und Siemens AG für diese Züge ein Vertrag über deren Instandhaltung für 30 Jahre unterzeichnet. Die Technik der Züge basiert auf der Velaro-Plattform, die eine Weiterentwicklung der Triebzüge ICE 3 der Deutschen Bahn ist. Mit diesen seit Jahren in Deutschland im Betrieb befindlichen Zügen, dem Velaro E in Spanien, dem CRH3 in China und insgesamt über 160 verkauften HGV- Zügen, kann Siemens große Erfahrung bei der Entwicklung und dem Betrieb von Zügen mit verteilter Traktionsausrüstung vorweisen. Die neuen Velaro RUS sind an die Einsatzbedingungen und klimatischen Verhältnisse in Russland angepasst und ihre Konstruktion berücksichtigt alle Anforderungen der russischen Normen. Die Rohbaufertigung begann im Juni 2007 in Krefeld-Uerdingen. Der erste Zug wurde bereits im Dezember 2008 zur Inbetriebsetzung nach Russland transportiert. Velaro RUS - besondere Anforderungen Die augenscheinlichste Herausforderung für den Betrieb in Russland sind die extrem niedrigen Temperaturen in den russischen Wintern. Die Züge müssen bis zu einer Umgebungstemperatur von - 40 °C uneingeschränkt fahren können. Darüber hinaus müssen sicherheitsrelevante Systeme sogar bei - 50 °C mindestens sechs Stunden funktionieren. Alle Komponenten wurden hierauf überprüft und gegebenenfalls entsprechend ertüchtigt. Für diese Temperaturbereiche wurden spezielle Materialien eingesetzt, um so weitestgehend ohne zusätzliche Heizungen auszukommen. Um möglichen Problemen mit Flugschnee zu begegnen, wird die benötigte Kühlluft für die Traktionskomponenten im Winterbetrieb über Luftkanäle vom Dach in die Bodenwanne geleitet. Schließlich wurde das Material der Drehgestelle entsprechend weiterentwickelt und auf ausreichende Festigkeit bei diesen Minustemperaturen geprüft. Vier der acht Züge sind für den Betrieb im Netz mit DC 3 kV, die anderen vier für DC 3 kV und AC 25 kV 50 Hz konzipiert. Dementsprechend werden die einen kurz B1 genannt und die die Züge für beide Systeme als B2 bezeichnet. Die Hauptstrecke von Moskau nach St. Petersburg, die mit DC 3 kV elektrifi- Abb. 1: Klimaversuche im Klima-Wind- Kanal der Testanlage Rail Tec Arsenal (RTA) in Wien. Die Tests wurden durch Fachleute von Siemens M obility und dem russischen Prüfinstitut VNIIZhG durchgeführt. Abb. 2: Fahrzeugmontage im Werk Krefeld-Uerdingen - letzte Arbeiten an der Velaro- Bugnase Internationale M ärkte 23 INTERNATIO NALES VERKEHRSWESEN (62) 1+2/ 2010 ge wurden in den 70er Jahren entwickelt. Drei Einheiten davon wurden in Riga vor der Perestroika gebaut und sind einmal pro Woche mit einer Maximalgeschwindigkeit von 200 km/ h zwischen Moskau und St. Petersburg gefahren. Nach der Ankunft des Velaro RUS in Russland begann die Phase der Inbetriebnahme, Tests, Zulassungs- und Abnahmeprüfungen - ein Prozess, der für einen vollständig neuentwickelten Zug in Russland seit langer Zeit nicht mehr durchlaufen wurde. In den letzten Jahren wurden nur Züge mit leichten Modifikationen im Vergleich zu den vorhandenen hergestellt und zugelassen. Gleichzeitig wurden, in Anlehnung an die westeuropäischen Länder, vollständig neue Zulassungsprozesse implementiert und vergleichbare Behörden gebildet. Entsprechend den Gesetzen in Russland ist folgender Ablauf vorgeschrieben: 1. Die Zulassung von Einzelkomponenten des Zuges gemäß der russischen Norm für Sicherheit durch das Register (RS- FZhT, vergleichbar mit dem EBA in Deutschland). 2. Die Inbetriebsetzung des Zuges mit Absolvierung eines 5000 km-Tests zum Nachweis der Fahrfähigkeit des Zuges. 3. Die Übergabe des Zuges an die durch das Register akkreditierten Prüfinstitute, zur Durchführung der Abnahme- und Zertifizierungsprüfungen. 4. Die Erteilung des Zertifikates. 5. Die Abnahme des Zuges durch die Abnahmekommission inklusive Prüfung aller vorliegenden Zertifikate für die Komponenten und den Gesamtzug. In den ersten Gesprächen mit den Behörden und beteiligten Instituten im Jahr 2007 wurde für dieses Prozedere eine Durchlaufzeit von 20 Monaten prognostiziert. Eine solch lange Durchlaufzeit würde jedoch den Einsatz der fertigen Züge unnötig verzögern und ist damit für beide Seiten ineffektiv. Sowohl für den Käufer, der erst sehr spät beginnen kann, mit seiner Investition Geld zu verdienen, als auch für den fen. Dadurch sind diese Institute bei der Festlegung der Konstruktion und bei der Abnahme stark eingebunden. Der W eg auf die russische Schiene Schon der Transport war insofern eine Herausforderung, als sich der - an sich naheliegende Weg auf der Schiene - bedingt durch die Spurweite von 1520 mm für die Strecken innerhalb Deutschlands verbietet. Daher wurden die in Krefeld montierten Einzelwagen auf Lkw bis zum Fährhafen Sassnitz auf Rügen transportiert. Als einziger Hafenstandort Westeuropas verfügt der 1984 entstandene Hafen Sassnitz über Gleis- und Umschlaganlagen für Eisenbahnwaggons der russischen Breitspur und ist deshalb auch bekannt als „ westlichster Cargo-Bahnhof der Transsibirischen Eisenbahn“ . So wurden die Wagen in den großzügig gestalteten Gleisanlagen des Hafens aufgegleist und die mechanische Zugbildung vorgenommen. Danach konnte der so gebildete Zug auf seinen eigenen Rädern auf der Eisenbahnfähre Sassnitz die Reise nach Russland antreten. Den ersten Kontakt mit russischem Boden erhielt der Zug im Hafen Baltjisk, gelegen auf dem russischen Territorium Kaliningrad. Dort wurde der Zug entzollt und auf die Linienfähre Baltjisk umgeladen, ein Eisenbahnfährschiff mit dem Zielhafen Ust-Luga, 100 km vor St. Petersburg. Nach Ankunft in Ust-Luga wurde der Zug mit Hilfe einer Diesellok in das Depot TCh-10 in Metallostroi gebracht. Dieses Depot wurde im Jahr 2000 errichtet und 2008 durch die RZD in Zusammenarbeit mit der Berliner Firma Prokonzept für die Velaro Züge umfangreich umgebaut. TCh-10 wird auch weiterhin als Basis für die Instandhaltung der Velaro-Flotte dienen. Das Depot wurde ausgewählt, weil hier bereits in der Vergangenheit eine sehr motivierte Mannschaft mit großem Sachverstand auf hohem technologischem Niveau gearbeitet hat. Es war der Basisstandort für die bis vor kurzem im Fahrgastbetrieb befindlichen ER200-Züge. Diese elektrischen Triebzüziert und 645 km lang ist, soll mit bis zu 250 km/ h befahren werden. Die Reisezeit ist durch bestehende Geschwindigkeitsbeschränkungen auf 3 Stunden 45 Minuten veranschlagt. Die Zweisystemzüge werden vorzugsweise auf der 436 km langen Strecke von Moskau nach Nizhni Novgorod mit einer Maximalgeschwindigkeit von 160 km/ h eingesetzt. Bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden sehr harte Anforderungen an die Triebzüge gestellt. Die Grenzwerte liegen deutlich unter denen der europäischen Norm. Daher wurde eine Vielzahl von EMV-Maßnahmen wie EMV- Filter und Schirmungen entwickelt und umgesetzt. Das Drehgestell ist speziell angepasst worden. Einerseits für die in Russland größere Spurweite von 1520 mm, anstatt der in Europa üblichen 1435 mm, und andererseits, um den Gegebenheiten der Gleislage Rechnung zu tragen. Das Radprofil berücksichtigt das russische Schienenprofil und ist auch für Hochgeschwindigkeit geeignet. Zur Ausleuchtung der Strecke mussten wesentlich stärkere Scheinwerfer in den Kopf des Zuges integriert werden, als dies bisher in Europa üblich war. In Russland ist es vorgeschrieben, dass bei Strecken von mehr als drei Stunden Fahrt der Fahrer den Zug auch im Stehen bedienen können muss. Die Kopfform des Velaro RUS wurde entsprechend angepasst, so dass ein Fahrer bis zu einer Größe von 190 cm den Zug stehend steuern kann. Zusätzlich wurde im Fahrerraum eine Arbeitsmöglichkeit für den in Russland üblichen zweiten Fahrer geschaffen. Die russische Betriebsleittechnik Klub- U und der russische Zugfunk wurden integriert und in diesem Zusammenhang weiterentwickelt. Für die Belange der Betriebsleittechnik wird ein Display verwendet. Für den Zugfunk des Fahrers und Beifahrers wurde ein 3-Bandsystem eingesetzt, das die traditionellen russischen Frequenzen bei 2 MHz und 160 MHz, sowie die Frequenz des Tetra bei 460 MHz benutzt. Beim Zugkommandanten wurde ein 2-Bandsystem mit 160 MHz und 460 MHz eingebaut. Beide Systeme, Klub- U und Zugfunk im Endwagen, wurden zu Diagnosezwecken über eine spezielle Schnittstelle an die Fahrzeugsteuerung angeschlossen. Für den Velaro RUS sind, wie gezeigt, neben europäischen Normen auch vorrangig die russischen Normen einzuhalten. Eine besondere russische Direktive stellt dabei die Tatsache dar, dass neben dem Gesamtzug auch die einzelnen Komponenten eine Zulassung (Zertifizierung) erhalten müssen. Dies erfordert in vielen Fällen einen hohen Dokumentations- und Prüfumfang. Die Anforderungen an die Züge wurden mit der Technischen Aufgabenstellung zwischen dem Hersteller und der RZD abgestimmt und festgeschrieben. Des Weiteren hat die RZD russische Institute beauftragt, die Projektierung und die Umsetzung der Anforderungen zu begleiten und zu prü- Abb. 3: Die Velaro RUS (Sapsan) im modernisierten Depot TCh-10 Internationale M ärkte 24 INTERNATIO NALES VERKEHRSWESEN (62) 1+2/ 2010 die zu prüfenden Komponenten fest, die dann dem Prüfinstitut zu übergeben sind. Das Prüfinstitut wiederum legt anhand der jeweiligen Normen den Umfang der zu verrichtenden Tests fest und führt diese auch durch. Die Ergebnisse der Prüfungen erhält dann wieder das Register, das auf dieser Datenbasis über die Erteilung des Zertifikates entscheidet. Dieser Prozess beginnt bei der Entwicklung des Fahrzeuges und zieht sich über die Fertigung bis zur Abnahme der Züge hin, insbesondere für solche Komponenten, bei denen die Versuche über mehrere Monate laufen, wie zum Beispiel bei Drehgestellrahmen und Radsatzlagern. Die Triebzugzertifizierung Der zweite Teil der Zulassung ist die Triebzugzertifizierung. Dabei werden gewisse Parameter des Zuges ebenfalls von akkreditierten Prüfinstituten gemessen. Voraussetzung für die Durchführung dieser Messungen ist die eigentliche Inbetriebsetzung des Zuges durch den Hersteller und die Durchführung von gewissen Typprüfungen, die die Fahrtüchtigkeit des Zuges sicherstellen. Die Fahrtüchtigkeit ist in einem fehlerfreien 5000 km-Test unter Beweis zu stellen und bildet damit den formalen Startpunkt der Abnahme und der Zertifizierungsprüfungen. Danach wird der Zug quasi an die Prüfinstitute übergeben. Um einen fahrtüchtigen Hochgeschwindigkeitszug zu realisieren, ist unter anderem die Überprüfung bestimmter Systeme Grundvoraussetzung: Die Bremse wird auf Funktion und Bremsweg getestet und bei Hochtastfahrten wird die Entgleisungssicherheit überprüft. Zur O ptimierung bei hohen Geschwindigkeiten werden die Stromabnehmer inspiziert und im Rahmen der EMV die Störeinwirkungen auf bestehende Infrastruktur untersucht. Nach der statischen Zug-IBS im Depot St. Petersburg TCh-10 wurde deshalb sofort mit einem dynamischen Typtestprogramm für diese Parameter begonnen. Die Versuche führte zwar maßgeblich Siemens durch, die akkreditierten Prüfinstitute wurteiligten, insbesondere in Fällen, in denen Änderungen im Versuchsablauf kurzfristig vorzunehmen waren. Die Komponentenzertifizierung Als Besonderheit des Zulassungsverfahrens in Russland wurde bereits die Pflicht der gesonderten und aufwendigen Komponentenzertifizierung erwähnt. Darunter fallen eine Reihe naheliegender Komponenten wie Achsen und Räder, jedoch auch eine Reihe von Komponenten, bei denen die Notwendigkeit einer separaten Zulassung auf den ersten Blick nicht so einleuchtend ist, wie beispielsweise die Zertifizierung aller Lüftermotoren für die Kühlung von Hilfsaggregaten und ausgewählter Niedrigspannungskomponenten. Die Liste der zu zertifizierenden Komponenten ist vom Gesetzgeber vorgeschrieben. Dementsprechend muss für die jeweiligen Komponenten ein Antrag auf Zertifizierung im Register gestellt werden, von dem man anschließend ein akkreditiertes Prüfinstitut zugewiesen bekommt. Das Register legt über eine Musterauswahl Verkäufer, dessen Ressourcen über einen langen Zeitraum gebunden sind. Durch intensive Planung und hervorragende Abstimmung zwischen den Beteiligten konnte jedoch ein optimiertes Programm mit einer Durchlaufzeit von nur zwölf Monaten erarbeitet werden. Wie wurde diese Verkürzung erreicht? 1. Durch den gleichzeitigen Einsatz von drei Zügen für die Durchführung der Typ-, Abnahme- und Zertifizierungsprüfungen. 2. Durch die Umwandlung von sequenziellen Abläufen in parallel laufende Prozesse. 3. Durch das Vorziehen von Prüfungen in eine frühe Phase, um den kritischen Pfad im Terminplan zu entschärfen. 4. Durch eine enge Zusammenarbeit aller Beteiligten, um Messergebnisse mehrfach zu verwenden oder, wenn möglich, die Versuchsfahrten für verschiedene Messungen gleichzeitig zu nutzen. Dies erforderte natürlich einerseits eine sehr intensive Planung und Vorbereitung, aber auch eine hohe Flexibilität der Be- Abb. 6: Teilnehmer einer Hochtastfahrt nach einem erfolgreichen Test. Bei Versuchen an diesem Tag erreichte der Zug 282 km/ h. Abb. 4: Ermüdungsprüfungen der Radsätze beim russischen Prüfinstitut VNIKTI in Kolomna (Russland) Abb. 5: Dauerbelastungstests der Drehgestellrahmen beim russischen Prüfinstitut VNIIZhT in Xherbinka (Russland) Internationale M ärkte 25 INTERNATIO NALES VERKEHRSWESEN (62) 1+2/ 2010 seit vielen Jahren das Rückgrat des Transportwesens. Dadurch besteht ein tiefes technisches Verständnis bei den beteiligten Instituten und Versuchszentren. Normen und Abläufe haben sich jedoch - bedingt durch die langjährige politische Trennung - zum Teil sehr verschieden ausgebildet. Die Unterschiede in Methodik und Herangehensweise scheinen zwar auf den ersten Blick nicht vereinbar zu sein, führen aber letztendlich zu ähnlichen Ergebnissen. Allerdings erfordert diese Situation eine enge Zusammenarbeit der Spezialisten auf beiden Seiten und eine hohe Kompromissfähigkeit aller Beteiligten. O bwohl immer wieder sprachliche Barrieren überwunden werden mussten, ist es den Teams aus Russland und Deutschland so hervorragend gelungen, die Herausforderungen dieses Projektes zu meistern, so dass sich mittlerweile in vielen Bereichen eine solide Partnerschaft entwickelt hat. Die Versuchstrecke zwischen Beloretschenska und Maikop im Kauka susvorland dient dem Te st der Einwirkungen auf da s Gleis. Auf die ser Strecke gibt e s definierte Gleisabschnitte, bei denen durch Me sstechnik am Gleis die auf die Schiene wirkenden Kräfte geme ssen werden und auf denen minimale Funkstörungen der Umgebung vorhanden sind, um die Funkstörabstrahlung der Züge selbst zu ermitteln. Die Abnahmeprüfungen, die über die Zertifizierungsprüfungen hinausgehen, umfassen alle Systeme des Zuges. Dabei wird durch Versuche nachgewiesen, dass die, am Anfang des Projektes im Technischen Lastenheft vereinbarten, Parameter und Eigenschaften umgesetzt wurden. Die Programme und Methodiken für die Prüfungen wurden gemeinsam mit den Eisenbahninstituten VNIIZhT, NIIAS und VNIIZhG abgestimmt. Gelungene Zusammenarbeit Erwähnenswert ist die Tatsache, dass der Eisenbahn in Russland eine enorm wichtige Stellung zukommt, insbesondere durch die strategische Bedeutung basierend auf dem hohen prozentualen Anteil an der Gesamtbeförderungskapazität innerhalb des Landes. Die Eisenbahn bildet in Russland den aber in einer Weise beteiligt, dass einige der Messergebnisse für die spätere Abnahme von ihnen anerkannt werden konnten. Für die Durchführung dieser Versuche wurden im Wesentlichen zwei Standorte genutzt: Zum Einen der Hochgeschwindigkeitsabschnitt der O ktobereisenbahn auf der Strecke Moskau - St. Petersburg, zum Anderen das Versuchszentrum der RZD in Xherbinka, ein Testring von ca. sechs km Länge, im Süden von Moskau. Nachdem alle Parameter dieser Systeme verifiziert waren, konnte bei dem 5000 km-Test im Juni 2009 die Fahrfähigkeit des Zuges demonstriert werden und damit die lange Reihe der Abnahme und Zertifizierungsprüfungen beginnen. Die Dauer dieses Stadiums wurde mit ca. vier Monaten eingeplant. Auch wenn diese Phase der Versuchsdurchführung formal unter Federführung der Institute steht, werden alle Versuche selbstverständlich unter intensiver Mitwirkung von Siemens bewerkstelligt. Dies geschieht an zwei weiteren Standorten. Auf der Strecke der Gorkier Eisenbahn von Moskau nach Nizhni Novgorod erfolgt die Prüfung unter 25 kV AC-Bedingungen und Systemwechsel, da dies auch der spätere Einsatzort der Züge sein wird. Abb. 7 und Abb. 8: Auflaufversuche zur Prüfung der Wagenkastenfestigkeit gemäß russischen GOST-Normen im Prüf- und Validierungszentrum Wildenrath, Deutschland. Die Prüfungen wurden durch Fachleute von Siemens und dem russischen Prüfinstitut VNIIZhT durchgeführt. Abb. 9: Kupplungstests im Depot TCh-10 in Sankt Petersburg - Überprüfung der Kompatibilität mit russischen Fahrzeugen Summary Velaro high speed trains destined for Russia The high-speed train “ Sapsan” (“ Peregrine falcon“ ) of the Siemens-built Velaro family of trains has linked Russia’s two ‘capital cities’ of Moscow and St. Petersburg since December 2009. The two power cars in use are of the oneor two-system (i. e. AC or DC) variety. They can be deployed in various sections of a train, and can operate along conventional rail tracks. The trains’ technical components have been designed to take into account the characteristics of the country of operation. Especially the snowy and extremely cold winter conditions have made it necessary to install special ventilation and heating facilities, and to select suitable stress-resistant material as well as reliable component parts.