Als het gaat om duurzame mobiliteit scoren de spoor-wegen hoog met een lage uitstoot aan emissies en gering gebruik van land-oppervlakte. Desondanks is de markt continu dalend ten opzichte van het wegver-voer. Er zou vooruitgang kunnen worden geboekt door tijdens bedrijf naar het rollend materieel te kijken. Hierdoor wordt een vroeg-tijdige detectie van elementaire schade en onderhoud op basis van noodzakelijkheid mogelijk. Hiermee zou goederenvervoer per spoor goedkoper, efficiënter én veiliger kunnen worden.
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) hebben een nieuwe oplossing ontwikkeld voor het continu bewaken van de toestand van goederenwagons, gebaseerd op een intelligente, energetisch autonome sensor. Deze maakt het mogelijk om schade in een vroeg stadium te detecteren en hierdoor ongevallen en stilstand te voorkomen.
Speciale module
Gezien de zware omstandigheden en de diversiteit aan lading (samen goed voor trillingen, temperatuurschommelingen, vuil en vocht) moet spoorweg-materieel eenvoudig en robuust zijn. Goederenwagons hebben daarom in principe geen onboard sensoren of een voeding. Om dit te omzeilen hebben de onderzoekers uit Darmstadt een manier ontwikkeld om intelligente en energie autonome sensoren te maken voor structuurbewaking.
Het doel van deze modules is het analyseren van data en deze met een gering energieverbruik te verzenden. Tijdens de ontwikkeling heeft het team gebruik gemaakt van geavanceerde real-time simulaties met speciale hardware om vanaf de eerste tekening tot aan het eerste prototype het ontwerp systematisch te testen.
De energetisch autonome sensormodule tijdens de veldtest. Hopelijk kiest men voor de definitieve versie voor beter weggewerkte bekabeling, want in het harde spoorwegbedrijf zijn deze kabeltjes snel gesneuveld.
Het ontwikkelingsteam ontwierp een systeem dat de eigen energie opwekt door het omzetten van in de directe omgeving aanwezige energie voor de werking van de module. Zo maakt de energiebron gebruikt van de mecha-nische trillingen van de wagons. Omdat deze benodigde energie niet continu voorhanden is, is het energie management aangepast aan de vereisten van de toepassing zodat de betrouwbare verwerving, verwerking en draadloze transmissie van meetgegevens is gewaarborgd.
Omdat er veel storende factoren zitten in het verbindingstraject van sensormodule naar cabine, vormde een bruikbare verbinding voor het versturen van data naar de machinist een speciale uitdaging. Dit is opgelost door het conditiebewakingsysteem voor de temperatuur bewakingsunit van de wiellagers te gebruiken.
Energie op locatie
Het sleutelelement van de energetisch autonome sensor is de software van de conditiebewaking. Om te voorzien in de behoefte van de informatie met betrekking tot het goede functioneren van het systeem en de berekening van de te verwachten levensduur zijn diverse algoritmen bruikbaar. Omdat op de goederenwagon slecht een geringe hoeveelheid energie beschikbaar is, werd een benadering gebruikt om een energetisch autonoom sensor-systeem te ontwerpen (EASS).
Tijdens het ontwerp creëerden de ontwerpers een meetsysteem om de dynamiek en bedrijfsbelading van de wagon te meten. Op grond van de verkregen meetdata konden ze een applicatie ontwikkelen, die voldoende energie kon verwerven. De onderzoekers ontwikkelden een mechanische resonator, die voor deze toepassing werd geoptimaliseerd en voorzien van piëzo-elektrische omvormers die mechanische trillingen omzetten in elektrische energie.
Hardware en software voor het energiemanagement en voor de dataver-werking en transmissie zijn complexe systemen, waarbij de samenwerking tussen de systemen werd geoptimaliseerd in het laboratorium met behulp van ‘hardware in the loop’ simulaties. Dit zorgt ervoor dat het mechatronisch systeem kan worden benaderd onder realistische omstandigheden om het prototype en de elektronische aansluitingen te beoordelen.
Daarom zijn aan het begin van het ontwikkelproces veel van de EASS componenten gesimuleerd door real-time computermodellen en konden individuele hardware componenten numeriek worden geoptimaliseerd. Na een succesvolle aanpassing werden de systeemcomponenten geleidelijk vervangen door prototypes, totdat een goed werkend energetisch autonoom sensorsysteem was verkregen. Na het succes in het laboratorium werd het systeem in de praktijk getest.
Verbetering door bewaking
De nieuwe sensormodulen kunnen de spoorwegindustrie helpen om een betere concurrentiepositie te verwerven ten opzichte van het wegvervoer. Bewaking van de condities van veiligheidsgerelateerde componenten die mogelijk worden door dit sensorsysteem, kunnen de kosten reduceren in vergelijking met onderhoudswerkzaamheden op basis van tijds intervallen. Bovendien maakt de nieuwe oplossing een willekeurig samenstellen van een trein mogelijk.
De constante data-acquisitie in de vorm van de gebruikte bewakingsmodules zorgt voor een verbetering van de productprestaties, omdat er meer accurate informatie beschikbaar is over de gebruiksomstandigheden. Bovendien verbetert het systeem de operationele veiligheid en dat zorgt voor vermindering van de kans op ernstige ongevallen.
Het systeem kan flexibel worden geconfigureerd en achteraf worden ingebouwd op het bestaande materieel.
