Projekte

Ausgangssituation

In der Regel sind an Güterwagen standardmäßig keine Einrichtungen für die Überwachung vorgesehen. Die vorgeschriebenen Wartungsintervalle sind sehr lang und zentrale Überwachungseinrichtungen an der Strecke, wie z. B. Heißlaufdetektoren, stehen nicht ausreichend zur Verfügung. Von der Einführung von Überwachungssystemen versprechen sich die Betreibergesellschaften eine verbesserte Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Wagen. Fehler, die vor Ablauf der vorgeschriebenen Wartungsintervalle auftreten, sollen so erkannt werden.

Die Anwendung im Güterverkehr erfordert robuste Systeme, die die erheblichen Beschleunigungs- und Stoßbelastungen sowie die extremen Witterungseinflüsse tolerieren. Lösungen für die Integration von Sensorik und Elektronik sollten möglichst so ausgeführt werden, dass sie genehmigungsfrei sind. Bei der Entwicklung der Energiekonzepte ist zu berücksichtigen, dass Güterwagen über keine eigene Stromversorgung verfügen.

Aus der sich ständig ändernden Wagenzusammenstellung resultieren Anforderungen hinsichtlich der Organisation des Datenaustauschs mit Wagenmeistern oder Betreibern.

Abb. 1: Güterwagen mit Testinstrumentierung am Rad.

Messposition 1 (gelb): Lagerüberwachung; Sensoren für Beschleunigung, Temperatur und Körperschall.

Messposition 2 (weiß): Überwachung des Federzustandes; Sensoren für Beschleunigung.

Aufgabenstellung

Für die Überwachung der Güterwagen wurden folgende Diagnoseaufgaben spezifiziert:

• Überwachung der Lager (Temperatur, Körperschall und Beschleunigung)
• Überwachung des Zustandes der Blattfedern (Beschleunigung)
• Überwachung der Bremsen (Körperschall)
• Überwachung von falscher Beladung (Neigung)

Es soll ein universeller Sensorknoten entwickelt werden, der Sensorik, Signalverarbeitung sowie Kommunikationsschnittstellen beinhaltet. Die Vernetzung der Sensorknoten mit dem in jedem Wagen vorhandenen Sensornetzwerkkoordinator soll über eine Funkschnittstelle erfolgen. Neben dem Hardwareentwurf sind Algorithmen für die Signalverarbeitung und Überwachung zu entwickeln und zu implementieren. Dabei muss der Gesichtspunkt der Energieeffizienz besondere Berücksichtigung finden.

Durchführung

Für die Auswahl geeigneter Sensoren und den Test von Algorithmen wurde zunächst ein Güterwagen mit einer Testinstrumentierung ausgestattet und Testfahrten durchgeführt. Die Installation der für den Einsatz im Sensorknoten vorgesehenen dreiaxialen Beschleunigungs-, Temperatur- und Körperschallaufnehmer erfolgte an verschiedenen Positionen am Güterwagen (Abbildung 1). Während der Fahrt auf einer Teststrecke wurden Daten aufgezeichnet und offline analysiert.

Für den weiteren Verlauf des Projektes sind Feldtests geplant, bei denen die entwickelten Hardwarekomponenten zum Einsatz kommen werden. Zur Verifikation der Signalverarbeitung und der Algorithmen sollen bei weiteren Versuchsfahrten auch fehlerhafte Komponenten (defekte Lager, ermüdete Federn) eingebaut werden.

Abb. 2: Kombisensor – Prinzip und Realisierung.

Ergebnis

Im Ergebnis der Testfahrten konnten die Anforderungen an die Hard- und Software präzisiert und die Sensorpositionen optimiert werden.

Gemeinsam mit den Projektpartnern wurde ein Systemkonzept entworfen, das die Spezifikationen für Sensorknoten, Kommunikationsschnittstellen und Netzwerk beinhaltet. Ein bereits realisierter und getesteter Kombisensor, der die sensorischen Elemente für die Erfassung von Beschleunigungen, Temperatur, Körperschall und die analoge Signalvorverarbeitung in einem Gehäuse vereint, ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Kombisensor wird in einen speziell für die Anwendung konstruierten, zwischen Lagergehäuse und Lagerdeckel zu montierenden Zwischenring integriert. Diese Lösung erfüllt die Forderung nach Schutz der Elektronik und stellt keine Beeinträchtigung des Wagens dar.

Auftraggeber

Die Arbeiten werden im Rahmen des Verbundprojekts AkuSens (Sensornetzwerkknoten zur Bewertung von Konstruktionselementen in Fahrzeugen mittels akustischer Überwachungstechniken; Laufzeit 1.6.2009 - 31.5.2012) im Programm »Mikrosystemtechnik« durch das BMBF gefördert.

Industriepartner

• Aucoteam GmbH Berlin
• Cicor/ RHe Microsystems GmbH Radeberg
• CIDEON Engineering GmbH Bautzen
• IMG Hoermann GmbH Nordhausen
• ITL Eisenbahngesellschaft GmbH Kamenz
• Siemens AG München
• Wölfel Beratende Ingenieure GmbH + Co. KG Höchberg