Der lange Weg zur Schadensanalyse 30 Jahre sollte eine Radsatzwelle spielend halten

Kronimo-sechs: So hört es sich an, wenn Werkstoffspezialisten über jenen Stahl fachsimpeln, der seit dem Bruch einer der 32 Radsatzwellen des ICE 518 im Juli 2008 in der an dieser Stelle engen Kurve des Kölner Hauptbahnhofs in Richtung Hohenzollernbrücke zum Stammtischthema avancierte. Was sich hinter diesem interessant klingenden Wortungetüm verbirgt, ist ein „höherfester Stahl“ (kein hochfester), wie ihn die Hersteller schnell fahrender Züge noch nicht allzu lange verwenden.

Nicht allzu lange bedeutet bei den in technischen Dingen vergleichsweise konservativ denkenden Eisenbahnern mehr als zehn Jahre. Erst mit dem Bau der 1993 bei Siemens, Adtranz, Bombardier und Alstom bestellten und im Sommer 2000 als Expo-Express in Betrieb genommenen Hochgeschwindigkeitszüge der ICE-3-Baureihe hat man sich entschlossen, dass ein Teil der Radsatzwellen der schnittigen, weiß lackierten Züge aus diesem, für die Herstellung von hochbelasteten Dampfturbinen- und Generatorwellen schon lange verwendeten Schmiedestahl bestehen sollte.

Die Auslegung einer Radsatzwelle ist kein Kinderspiel

Der Grund: Die Forderung, Antriebsenergie zu sparen und möglichst wenig Material einzusetzen, führte dazu, die „ungefederten Massen“, zu denen die Wellen und Räder der Züge gehören, weiter zu reduzieren. Dazu waren relativ schlanke Wellen notwendig. Mit dem bis dahin eingesetzten Stahl (EA4T oder 25 CrMo 4) wären sie zu klobig ausgefallen. Vor allem die Treibradsatz-Wellen machten „Probleme“: Hier ist wegen der auf den Wellen direkt angreifenden Motoren der Platz knapp. Nur mit einem höherfesten Stahl war diese Aufgabe zu meistern. Man wich auf eine höherwertige Stahlsorte aus: Auf den besagten Kronimo-6, der richtig 34 CrNiMo 6 heißt, was besagt, dass es sich hier um einen durch Zusätze von Chrom, Nickel und Molybdän angereicherten Vergütungsstahl handelt.

Die Auslegung einer Radsatzwelle ist kein Kinderspiel. Seit es Eisenbahnen gibt, wird diese Arbeit immer weiter perfektioniert. Schon lange haben hier Rechenschieber ausgedient. Die heutigen Konstruktionsmethoden kommen ohne rechnergestützte Kalkulations- und Simulationsprogramme nicht aus. Am grundsätzlichen Vorgehen hat sich jedoch nichts geändert: Die Basis für das Finden der richtigen Geometrie und des dazu passenden Werkstoffs einer Eisenbahn-Radwelle sind das technische Regelwerk (Normen) und die Beanspruchungen, die sich aus den zu tragenden Massen (Gewicht) und aus den dynamischen Kräften aus dem Fahrbetrieb ergeben.

„Radsätze, Drehgestelle, Radsatzwellen - Produktanforderungen“

Nach diesem Muster lief die Dimensionierung der in Köln gebrochenen Treibradsatzwelle ab: Die Informationen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu verwendenden Stähle liefert die europäische Norm EN 13261 „Radsätze, Drehgestelle, Radsatzwellen - Produktanforderungen“. Hier finden sich die zulässigen Beanspruchungen. Dass in diesem Regelwerk die höherfesten Stähle fehlen, irritiert die Experten der Deutschen Bahn nicht. Das sei kein Mangel, beschreibe die Norm doch genau, wie die „höhere Kerbempfindlichkeit“ des Kronimo-6 in die Auslegung einzugehen habe: Anstelle des für Treibradsatzwellen aus dem üblicherweise eingesetzten Basismaterial (EA1N) geltenden Sicherheitsaufschlags von 1,5 müssen die angetriebenen Wellen des ICE 3 aus höherfestem Stahl mit 1,86 gerechnet werden.

Ziel ist eine dauerfeste Auslegung, wofür man umgangssprachlich auch schon mal den Begriff „nichtkaputtbar“ wählt. Da nichts von Dauer ist und auch nicht Radsatzwellen, umschreibt die viel zitierte Dauerfestigkeit die mechanische Beanspruchung (Spannung), mit der ein Werkstoff beliebig oft, ohne zu brechen, belastet werden kann. Auf die Radsatzwelle des ICE übertragen, bedeutet das ein sicheres Widerstehen des sich bei jeder Umdrehung der Welle ergebenden Biegewechsels - über eine große Zeitspanne. Auf einem Kilometer sind das rund 300 Lastwechsel, die die Welle über sich ergehen lassen muss. Und „dauerfest“ ist sie dann, wenn sie diese Prozedur fünf Milliarden Mal übersteht, was einer Fahrleistung von 15 Millionen Kilometer entspricht. Zur Einordnung: ICE-Züge kommen auf Jahresfahrleistungen von bis zu 480.000 Kilometer.

Ein ganzer Strauß möglicher Ursachen

Dreißig Jahre sollte eine Radsatzwelle also spielend halten. Tut sie das nicht, gibt es einen ganzen Strauß möglicher Ursachen. Ganz oben stehen die in die Auslegung eingehenden Belastungen durch den Fahrbetrieb. Das sind Querkräfte durch Kurvenfahrten, Stöße und (Torsions-)Schwingungen, die sich aus Abweichungen des Schienenstrangs von der Ideallinie, im Fachjargon Gleislagefehler, ergeben. Zudem wirken Brems- und Antriebsmomente auf die Wellen. All das zerrt an den Wellen - und muss mit realistischen, realitätsnahen Werten in die Berechnung einfließen.

Ob man dieses Lastpotpourri bei der Auslegung der ICE-3-Treibradsatzwellen richtig erfasst hat, können nur Fachleute beurteilen: Und die streiten sich. So meint der mitunter als „Räderpapst“ bezeichnete frühere Mitarbeiter des Darmstädter Fraunhofer Instituts und Spezialist für die „betriebssichere Bemessung von Fahrzeugteilen“, Professor Vatroslav Grubisic, dass die auf die ICE-3-Welle einwirkenden Beanspruchungen um rund 18 Prozent über den durch die Norm zulässigen Werten lägen. Das wäre viel. Ganz anders sehen diese Frage die Vertreter der Deutschen Bahn. Sie bestätigen die Konformität der Auslegung mit dem Regelwerk und verweisen bei der Ursachensuche des Kölner Wellenbruchs auf die „sonstigen Einflüsse“.

Nur ein kleiner Teil der „Wirkkette“

Denn bei aller Rechnerei - unterstützt durch Lastwechselversuche an „maßstäblichen Proben“ - deckt dieses reproduzierbare Vorgehen nur einen Teil der „Wirkkette“ ab. Nicht vernachlässigen darf man die von aufgewirbelten und gegen die Radwellen schlagenden Steine verursachten Materialveränderungen, Korrosionsnester als Folge von Schäden am Schutzlack oder sogenannte Drehriefen, die ein nicht perfektes Spanwerkzeug beim Abdrehen der Welle hinterlassen kann.

Über Jahrzehnte wurden diese nicht oder nur schwer quantifizierbaren Einflüsse in die Auslegung von Radsatzwellen einbezogen, wobei diese „Erfahrungswerte“ naturgemäß nur für die etablierten Stahlsorten vorliegen. Für den höherfesten Kronimo-6 stehen diese Erkenntnisse nicht zur Verfügung. Und was die Fachleute der Deutschen Bahn nicht ausschließen wollen: Die sonstigen Einflüsse können bei Wellen aus dem verwendeten Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl ganz andere Auswirkungen haben, als man sie für die etablierten Stahlsorten kennen und zu beherrschen gelernt hat.

Und was tut die Bahn AG?

Ob die Radsatzwellen der ICE-3-Züge als dauerfest oder lediglich als „zeitfest“ zu gelten haben, kann aus Redaktionsstuben heraus nicht beurteilt werden. Die Antwort auf diese Frage ist zwar nicht unwichtig, doch letztlich bestimmt sie nur, dass sich innerhalb des definierten Zeitrahmens mit einer definierten (sehr hohen) Wahrscheinlichkeit keine Risse bilden. Das heißt: Werden die Wellen rechtzeitig getauscht, ist ein sicherer Fahrbetrieb gewährleistet.

Deutlich wichtiger ist zu wissen, wie lange es dauert, bis ein kleiner Riss (Anriss) sich so weit vergrößert hat, dass der Bruch der Welle droht. Von dieser Erkenntnis hängt die verantwortbare Größe der Intervalle ab, die zwischen Ultraschallprüfungen liegen dürfen. Hier tappt man im Dunkeln. Die „Rissfortschrittsrechnung“ liegt im Argen. Die Hersteller arbeiten wohl intensiv an diesem Thema, wollen sich jedoch nicht äußern, während die staatsanwaltlichen Ermittlungen laufen. Und was tut die Bahn AG? Sie geht auf Nummer Sicher und hat bis zur endgültigen Klärung der für den Bruch des ICE-3-Treibradsatzes von Köln verantwortlichen Ursache die Prüfintervalle in zwei Schritten von ursprünglich 300.000 auf unwirtschaftliche 30.000 Kilometer gesenkt.

Die Ursache für den Bruch

Wann - und ob überhaupt jemals - eine vollständige Klärung des Kölner Wellenbruchs vorliegen wird, ist nicht abzusehen: Auf Geheiß der Kölner Staatsanwaltschaft wurde die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit der Ursachenerforschung beauftragt. Im September hat die Berliner Behörde dann einen Zwischenbericht (mündlich) vorgelegt, der das Versagen der Welle mit „nichtmetallischen Einschlüssen“ in Verbindung bringt, wobei die fünf Millimeter von der Bruchstelle entfernt gefundenen, für Schmiedestähle keineswegs untypischen Sulfid- und Oxideinschlüsse nicht die von der Norm zulässige Größe überschritten.

Die Bahn-Metallurgen halten von diesem Erklärungsversuch wenig. Sie schließen nichtmetallische Einschlüsse an der Oberfläche einer Welle - und damit als Ursache für den Bruch - weitgehend aus, denn solche „Fehler“ würde man mit den gängigen Materialprüfmethoden sicher ausmachen, mit denen jedes Werkstück akribisch untersucht werde. Sie sehen die Ursache vielmehr in einem Initialschaden als Folge von Korrosion oder Steinschlag. Das jedoch zu verifizieren dürfte nur schwer möglich sein, haben sich doch die beiden Bruchkanten weitgehend in Wohlgefallen aufgelöst: Der Rissausgang ist durch Gegeneinanderschleifen der beiden Wellenstummel zerstört.

In unwirtschaftlich kurzen Abständen wird geschallt

Radsatzwellen müssen rissfrei sein. Um das zu garantieren, werden sie regelmäßig Ultraschalluntersuchungen unterzogen, die je nach Baureihe in unterschiedlichen Abständen erfolgen. Für den ICE-3 schreibt das „Serviceheft“ eine Inspektion alle 300.000 Kilometer vor. Nach dem Kölner Wellenbruch wurde das Prüfintervall auf 30.000 Kilometer verkürzt.

Vor (und nach) dem Kölner Wellenbruch hat man an ICE-3-Zügen keine Risse gefunden. Risse beziehungsweise „Auffälligkeiten“ fanden sich jedoch an zwei ICE-T-Radsatzwellen, einige Wochen nach dem Kölner Unfall.

Hohlwellenprüfstand: Auf einer Lanze sitzend, werden die Prüfköpfe des Ultraschallgeräts in die innen hohle Radsatzwelle eingeführt. Die Anlage erkennt Veränderungen ab einer Größe von zwei Millimeter. Der Prüfvorgang dauert je Welle eine halbe Stunde.

Radsatzwellenbruch am ICE TD. Im Dezember 2002 brach die Radsatzwelle bei einem ICE TD (Neigetechniktriebzug) zwischen Plauen und Hof. Vom Sommer 2004 an wurden an drei anderen Zügen dieser Baureihe Anrisse festgestellt. Als Konsequenz wurden alle ICE-TD-Züge mit stärkeren Achsen versehen.

Radsatzwellen wird einiges abverlangt: Die an den Enden angreifende Gewichtskraft des Wagens biegt die Welle minimal nach oben durch, so dass jede Umdrehung einen sogenannten Biegewechsel zur Folge hat. Fünf Milliarden dieser Lastwechsel - oder 15 Millionen Kilometer - müssen die Wellen schadlos überstehen. Dann gelten sie als dauerfest.