Ein entscheidender und innovativer Lösungsansatz für sichere mechanische Strukturen ist die in Bauteile integrierte maschinendynamische Sensorik. Diese Technologie ist derzeit kaum in technischen Anwendungen eingeführt. Der Projektpartner IZFP entwickelte bereits einen Sensorknoten zur Auswertung akustischer Plattenwellen mit Frequenzen von bis zu mehreren 100 kHz, der jedoch über keine netzwerkfähige Funkschnittstelle verfügt und nicht energieautark arbeitet. Durch den Totalausfall tragender Konstruktionselemente in Fahrzeugstrukturen entstehen beträchtliche wirtschaftliche Schäden, die durch eine frühzeitige Entdeckung und Beseitigung wesentlich verringert werden könnten. Deshalb zielte die Aufgabenstellung des Vorhabens auf die Entwicklung intelligenter Sensorik ab, die direkt in Maschinen- bzw. Fahrzeugstrukturen integriert werden kann und sich durch ihre besondere Kompaktheit, energieautarken Betrieb, funkvernetzte Kommunikation und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Daraus bestehende Sensornetzwerke sollten für verschiedene Anwendungen vorwiegend im Fahrzeugbereich eingesetzt werden (Nutzfahrzeuge /Monitoring Triebfahrzeuge, Güterwagen und Hybridantriebe), aber auch offen für neue Anwendungsfälle sein. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurde für die oben genannten Applikationen Anforderungen definiert und ein modulares Systemkonzept in Form eines Pflichtenheftes erarbeitet. Berechnungen mit Hilfe der FEM und MKS-Modellen lieferten die optimalen Messpunkte an den betrachteten Fahrzeugstrukturen. Auf dieser Grundlage wurden Simulationen der Schwingungen beim Einfedern eines Schüttgutwagens im Zeit- und Frequenzbereich durchgeführt. Eine Verifikation der Simulationsergebnisse erhielt man einerseits mithilfe von Laborversuchen an einem eigens entwickelten Versuchsaufbau ("snapback"- Versuch), andererseits durch Testfahrten mit dem instrumentierten Güterwagen auf freier Strecke. Es entstand ein variabel gestalteter Kombisensor in einem robusten Gehäuse, der mittels eines Zwischenrings in das Radlager des Güterwagens integriert werden konnte. Per Funk sendet dieser zyklisch Messdaten an einen Koordinator, welcher sich ebenfalls auf dem Fahnzeug befindet und als Schnittstelle zur stationären Auswertung durch den Anwender dient. Das somit erreichte Ergebnis erfüllt die Zielsetzung des Projekts und stellt einen Demonstrator dar. Um ein bahntaugliches und bahntechnisch zulassungsfähiges System zu erhalten, muss sich eine Produktentwicklung, angepasst auf den jeweils kommerziel nutzbaren Anwendungsfall, anschließen. Mit dem Einsatz zur laufenden Überwachung von Güterwaggons kann der Sensorknoten eine wichtige Sicherheitsfunktion übernehmen. Darüber hinaus können die gewonnen Erkenntnisse für andere Fahrzeugstrukturen oder Betriebsmittel genutzt werden.
Decisive and innovative approaches to secure mechanical structures are integrated sensors in machine dynamic components. This technology is currently hardly introduced in technical applications. The project partner IZFP already developed a sensor node for evaluation of acoustic Lamb waves with frequencies of up to several 100 kHz, but it includes no network-enabled radio interface and is not energy self-sufficient. The total failure of load-bearing structural elements in vehicle structures creates considerable economic damage that could be substantially reduced by early detection and elimination. Therefore, the task of the project was aimed at the development of intelligent sensors that can be integrated directly into machinery or vehicle structures and are characterized by their particularly compact, self-powered mode, radio networked communications and high reliability. Those sensor networks can be used for various applications, primarily in the automotive industry (commercial vehicle / monitoring locomotives, freight traffic and Hybrid Drives), but also are open to new applications. In cooperation with the project partners requirements were defined for the applications mentioned above and a modular system in the form of a specification was developed. Calculations using FEM and MBS models provided the optimal measuring points on the considered vehicle structures. On this basis, simulations of the oscillations during compression of a bulk container in the time and frequency domain were performed. A verification of the simulation results on one hand was obtained by laboratory experiments using a specially designed experimental setup ("snap-back" test), on the other hand by testing the instrumented freight car on the open railway. The result of the project was a variably shaped combination sensor in a rugged housing that could be integrated by means of an intermediate ring into the wheel bearing of the wagon. The sensor sends cyclical measurement data to a coordinator, which is also located on the vehicle and serves as an interface for steady evaluation by the user. The result achieved thus fulfills the objectives of the project and depicts a demonstrator level. To obtain a railway-suitable system and a technical railway approval, a product development, adapted to a commercially usable application, has to be done. With the use of continuous monitoring of freight cars, the sensor node can take over an important safety feature. In addition, the knowledge gained may be used for other vehicle structures or equipment.
Simulation und Anwendung des Sensornetzwerkes für die Überwachung von Schienenfahrzeugen. Teilprojekt. Sensornetzwerk-Knoten zur Bewertung von Konstruktionselementen in Fahrzeugen mittels akustischer Überwachungstechniken - AkuSens. Verbundprojekt zum Rahmenprogramm "Mikrosysteme 2004 - 2009". Schlussbericht. Laufzeit des Vorhabens: 01.06.2009 bis 30.11.2012
2013
59 Seiten, Bilder, Tabellen, 14 Quellen
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