PresseBox
Pressemitteilung BoxID: 524475 (Fraunhofer Institut LBF)
  • Fraunhofer Institut LBF
  • Bartningstr. 47
  • 64289 Darmstadt
  • http://www.fraunhofer.de/leichtbau
  • Ansprechpartner
  • Peter Steinchen
  • +49 (761) 380968-27

Mehr Sicherheit auf der Schiene

Energieautarke Sensoren überwachen den Zustand von Güterwagen

(PresseBox) (Darmstadt, ) Beim Stichwort nachhaltige Mobilität punktet die Eisenbahn mit wenig Emissionen und geringem Flächenverbrauch. Dennoch sinken die Marktanteile gegenüber dem Straßenverkehr. Aufholen ließe sich der Rückstand beispielsweise, wenn Güterwagen während des Betriebs überwacht werden könnten. Das würde eine frühe Schadenserkennung und eine zustandsbezogene Instandhaltung ermöglichen. Güterverkehr würde wirtschaftlicher und deutlich sicherer. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben ein neues Verfahren zur dauerhaften Zustandsüberwachung an Güterwagen entwickelt. Sie setzen dazu intelligente energieautarke Sensoren ein. Schäden können auf diese Weise frühzeitig entdeckt und Unfälle dadurch vermieden werden. Das System lässt sich flexibel konfigurieren und auch noch nachträglich einbauen. Auf der Messe InnoTrans präsentiert das Fraunhofer LBF das neue Verfahren in Halle 4.1 am Messestand 225.

Wegen der starken Beanspruchung durch Vibrationen, Temperaturschwankungen, Schmutz und Feuchte muss Eisenbahntechnik einfach und robust sein. So verfügen Güterwagen im Allgemeinen weder über eine fahrzeugeigene Sensorik noch über eine eigene Stromversorgung. Die Darmstädter Forscher kreierten daher eine Methodik für die Entwicklung intelligenter energieautarker Sensorknoten zur Strukturüberwachung. Derartige Knoten haben die Aufgabe, Daten zu analysieren und diese bei begrenzter Energiemenge zu übermitteln. Während der Entwicklung nutzten die Wissenschaftler moderne Werkzeuge der Simulation, Echtzeitsimulation und Hardware-in-the-Loop, um die Entwicklung durch systematisches Testen effizient vom Entwurf bis zum Prototypen zu bringen.

Das Team des Fraunhofer LBF konstruierte ein Energy-Harvesting-System, das Energie aus der Umgebung wandelt und den Sensorknoten versorgt. Als Energiequelle wurden die Schwingungen der Waggons "angezapft". Da die Umgebungsenergie nicht kontinuierlich zur Verfügung steht, erarbeiteten die Wissenschaftler ein anwendungsspezifisches Energiemanagement, das die Messung, die Datenverarbeitung und deren drahtlose Übermittlung zuverlässig ermöglicht.

Als besondere Herausforderung zeigte sich die verlässliche Datenübermittlung an den Triebwagenführer, denn auf der Länge der Übertragungstrecke ergibt sich eine Vielzahl störender Einflüsse. Umgesetzt haben die LBF-Forscher die Zustandsüberwachung mit einem mobilen Heißläuferdetektor für die Überwachung von Radlagern.

Ausreichend Energie am Applikationsort

Zentrales Element des energieautarken Sensorsystems ist die Software zur Zustandsüberwachung. Hierfür existieren verschiedene Algorithmen, welche Aussagen über die korrekte Funktionsweise eines Systems liefern oder die Restlebensdauer errechnen.

Aufgrund der begrenzten Umgebungsenergiemengen an Bord des Güterwagens musste das energieautarke Sensorsystem (EASS) ganzheitlich ausgelegt werden. Zu Beginn der methodischen Entwicklung führten die Wissenschaftler eine umfassende Messung zur Erfassung der Systemdynamik und der Betriebslasten am Güterwagen durch. Anhand der Messdaten konnten sie einen Applikationsort bestimmen, an dem sich eine ausreichende Energiemenge für den Betrieb eines EASS gewinnen lässt. Für diesen Ort legten die LBF-Forscher anschließend einen optimierten mechanischen Resonator mit applizierten piezoelektrischen Wandlern aus, der die Vibrationen der Umgebung effektiv in elektrische Energie wandelt.

Die Hard- und Software für das Energiemanagement sowie die Datenverarbeitung und -übermittlung sind komplexe Systeme, deren Interaktion das Darmstädter Forscherteam zunächst im Labor durch eine Hardware-in-the-Loop-Simulationen analysierte und optimierte. Auf diese Weise konnten mechatronische Systeme unter realistischen Bedingungen bewertet, reale Umgebungsbedingungen nachgebildet und prototypische Elektronik evaluiert werden. Entsprechend wurden zu Beginn ein Großteil der Komponenten des EASS durch echtzeitfähige Computermodelle beschrieben und einzelne Hardware-Komponenten numerisch optimiert. Nach erfolgreicher Anpassung konnten die Systemkomponenten sukzessive durch Prototypen ersetzt werden, bis ein abgestimmtes energieautarkes Sensorsystem realisiert war. Nach der erfolgreichen Umsetzung im Labor erprobten die Forscher das System in einem Feldversuch.

Produkte verbessern mit "Usage Monitoring"

Der neuartige Sensorknoten kann der Eisenbahnwirtschaft helfen, ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Verkehrsträgern zu steigern. Denn die durch den Sensorknoten mögliche zustandsorientierte Wartung sicherheitskritischer Bauteile senkt Kosten im Vergleich zur üblichen intervallbasierten Wartung. Dabei bleibt die freie Zugbildungsfähigkeit erhalten. Das sogenannte "Usage Monitoring", die dauerhafte Datenerfassung, lässt sich zur Produktverbesserung einsetzen, da der Konstrukteur genauere Informationen über Nutzungsprofile erhält. Darüber hinaus erhöht die verbesserte Zustandsüberwachung die Betriebssicherheit und vermeidet schwere Unfälle.

Fraunhofer Institut LBF

Mit ganzheitlicher Kompetenz in Betriebsfestigkeit, Adaptronik, Systemzuverlässigkeit und Kunststoffen entwickelt, bewertet und realisiert das Fraunhofer LBF unter Leitung von Professor Holger Hanselka gemeinsam mit dem assoziierten Fachgebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik SzM an der TU Darmstadt im Team von rund 450 Mitarbeitern maßgeschneiderte Lösungen für alle Sicherheitsbauteile - vom Werkstoff bis zum System, von der Idee bis zum Produkt. Automobil- und Nutzfahrzeugbau, Schienenverkehrstechnik, Schiffbau, Maschinen- und Anlagenbau, Luftfahrt, Energietechnik und andere Branchen nutzen die ausgewiesene Expertise und modernste Technologie auf mehr als 11.560 Quadratmeter Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.