Immer auf dem richtigen Weg
Sensorsysteme von Hansford Sensors und ASC
Schwingungs- und Vibrationsüberwachung im Schienenverkehr
Die hochgenaue Messung von Schwingungen und Vibrationen an Fahrzeugen und Infrastruktur ist eine grundlegende Voraussetzung für einen sicheren und komfortablen Schienenverkehr. Sensoren spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung, dem Bau und dem Betrieb von Zügen sowie bei Überwachungssystemen für Gleise, Weichen und Brücken.
Die Optimierung der Linienkapazitäten und das wachsende Schienenverkehrsvolumen erfordern Systeme, die schnell auf Störungen reagieren können. Die Auswertung von Schwingungen und Vibrationen dient nicht nur der Beurteilung des aktuellen Fahrzeugzustands, sondern ermöglicht auch die Früherkennung künftiger Materialschwächen. Korrekturmaßnahmen können eingeleitet werden, bevor kostenintensive Schäden entstehen.
Messdaten können in Echtzeit übertragen und digital bereitgestellt werden, wodurch sie die Grundlage für digitale Zwillinge bilden. Dies basiert auf robusten Sensorlösungen in Kombination mit intelligenten Algorithmen zur Verarbeitung von Vibrations- und Schwingungsdaten.
Herausforderungen bei Bahnanwendungen
Schienenfahrzeuge, insbesondere Drehgestelle, Achsen, Bremsen und Radlager, sind extremen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Komponenten werden gemäß der Norm EN 13749 ausgelegt und geprüft.
Während der Testfahrten legen Züge unter rauen Bedingungen Tausende von Kilometern zurück, wobei Stöße von bis zu vierhundert g keine Seltenheit sind, insbesondere beim Testen von Radsätzen und Drehgestellen. Da diese Kräfte auch auf die Sensoren einwirken, müssen Schwingungssensoren außergewöhnlich robust, langfristig stabil und zuverlässig sein.
Entwicklung der Sensoranforderungen im Bahnbetrieb
Historisch gesehen wurden Schwingungssensoren in Bahnanwendungen in erster Linie in Messzügen eingesetzt. Diese Systeme messeten Parameter wie Gleislage und vertikale Beschleunigung, um geometrische Fehler im Gleisoberbau zu identifizieren. Diese Informationen trugen dazu bei, Instandhaltungsmaßnahmen zu planen und zu terminieren.
Jedoch liefern Testfahrten und die anschließende Datenauswertung erst mit Verzögerung Aufschluss über den Fahrzeug- oder Gleiszustand. Eine kontinuierliche Überwachung während des regulären Betriebs ermöglicht es, potenzielle Schwachstellen viel früher zu erkennen, und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schienenfahrzeugen.
Digitalisierung und kontinuierliche Überwachung in Schienennetzen
Die Einführung digitaler Technologien im gesamten Eisenbahnsektor erhöht die Kapazität, Effizienz und Qualität der Schienennetze. Sensoren ermöglichen eine Echtzeitübertragung und einen dezentralen Zugriff auf Zustandsdaten, sodass Betreiber den genauen Status von Fahrzeugflotten und Infrastruktur jederzeit verfolgen können.
Sensoren sind längst nicht mehr auf Testzüge beschränkt. Sie sind nun in Hochgeschwindigkeitszüge, Regionalzüge, Straßenbahnen, U-Bahnen und S-Bahnen integriert. Infolgedessen müssen Sensoren die Anforderungen der Normen DIN EN 50155 und IEC 60751 erfüllen.
Diese Verlagerung hat die Nachfrage nach kostengünstigen Sensoren in Industriequalität erhöht, die für den großflächigen Einsatz geeignet sind.
Partnerschaft für die Entwicklung zugelassener Bahnsensoren
Die Entwicklung eines industriellen piezoelektrischen IEPE-Beschleunigungssensors mit Bahnzulassung brachte zwei Sensorspezialisten zusammen.
Die ASC GmbH, ein führender Hersteller von MEMS-basierten Inertialsensoren für anspruchsvolle Prüf- und Messanwendungen, ist eine Partnerschaft mit Hansford Sensors eingegangen, Experten für das Design und die Herstellung von industriellen Schwingungssensoren.
Hansford Sensors bot Flexibilität beim Sensordesign und ermöglichte es, die Sensoreigenschaften speziell auf die Anforderungen für die Bahnzulassung abzustimmen. Während Hansford Sensors die OEM-Sensortechnologie anpasste, konzentrierte sich ASC auf Systemdesign, Zertifizierung und die gesamte Implementierung.
In Schienen-Vibrationssensoren verwendete Technologie
Moderne Beschleunigungssensoren nutzen typischerweise ein piezoelektrisches Funktionsprinzip. Während die Schartechnologie weit verbreitet ist, bietet die Kompressionstechnologie Vorteile bei Bahnanwendungen.
Kompressionssensoren sind besser für die kontinuierliche Einwirkung von Stößen hoher Amplitude geeignet. Ihre Sandwich-Konstruktion ist mechanisch robust und im Vergleich zu Designs auf Schräg- oder Schurbasis weniger anfällig für Mikrorisse.
Die Entwicklung basierte auf vorhandenen piezoelektrischen Beschleunigungssensoren mit seitlichen und oberen Anschlussmöglichkeiten. Diese Sensoren nutzten bereits die Drucktechnologie und boten eine starke Grundlage für die Anpassung an Ermüdungstests und bahnspezifische Anforderungen.
Betriebsbedingungen auf Schienenfahrzeugen
Drehgestelle nehmen nicht nur das Gewicht von Schienenfahrzeugen auf, sondern auch alle auf Räder und Lager wirkenden Kräfte. Der spurgeführte Betrieb führt zu Materialverschleiß, einschließlich Schienendefekten und Flachstellen an den Radreifen.
Das Durchfahren von Kurven mit hoher Geschwindigkeit erzeugt zusätzliche Lasten auf den Radsätzen, was zu erhöhter Lagerreibung undem Verschleiß führt. Unterschiede zwischen Spurweite und Achsabmessungen führen zudem zu Beschleunigungen, die durch die Sinusbewegung verursacht werden.
Wenn Beschleunigungen kritische Werte überschreiten, kann es im Extremfall zu Entgleisungen kommen. Eine zuverlässige Schwingungsüberwachung von Drehgestellen ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Schadensentwicklungen, wodurch eine präventive Instandhaltung ermöglicht und unerwartete Ausfälle vermieden werden.
Bau- und Eisenbahngenehmigung
Das Ziel war die Entwicklung eines kostengünstigen, massentauglichen IEPE-Beschleunigungssensors, der sich für den Dauereinsatz in Zügen eignet.
Das Herzstück des Sensors ist eine OEM-Kapsel, die bereits in industriellen IEPE-Sensoren verwendet wird. Diese Technologie bietet einen breiten Frequenzbereich von null Komma fünf Hertz bis siebzehn Kilohertz, mehrere Messbereiche von plus minus sechzehn g bis plus minus achthundert g und eine Stoßfestigkeit von bis zu fünftausend g.
Zuverlässigkeit ist im Bahnbetrieb von entscheidender Bedeutung. Mit einer berechneten mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall von zweihundertfünfzigtausend Stunden, was etwa viereinhalbundzwanzig Jahren entspricht, erfüllt der Sensor die langfristigen Betriebsanforderungen.
Das Sensorgehäuse wurde speziell für den Bahnbereich entwickelt. Es ist hermetisch dicht, aus robustem Edelstahl gefertigt und erfüllt strenge Vibrations- und Schocktestkriterien. Mit der Schutzart IP68 hält es Schmutz, Feuchtigkeit, Steinschlag und extremen Temperaturen stand.
Alle technischen Konstruktionsmerkmale wurden während der Entwicklung festgelegt und durch Prüfungen nach EN 50155 validiert. Die enge Zusammenarbeit zwischen ASC und Hansford Sensors stellte die korrekte Integration der OEM-Sensorkapseln in die bahnspezifischen Gehäuse sicher.
Hinweise zu Montage und Installation
Konventionelle IEPE-Sensoren werden oft über einen einzigen Befestigungspunkt montiert, was keine Redundanz bietet. Bahnanwendungen erfordern robustere Befestigungslösungen.
Bahnspezifische Sensoren verwenden fest integrierte Kabel, die feuerbeständig, halogenfrei, flammwidrig sowie beständig gegen Temperatur, UV-Strahlung und Ozon sind.
Zusätzliche mechanische Schnittstellen werden nach Möglichkeit vermieden, da Materialübergänge den Frequenzgang beeinflussen und Messfehler verursachen können. Das Gehäusedesign ermöglicht zudem die Wahl der sensitiven Messrichtung, wodurch zusätzliche Halterungen oder Montageadapter überflüssig werden.
Ausblick auf die Entwicklung von Schienensensoren
Die Markteinführung des IEPE-Beschleunigungssensors für den Massenmarkt in Bahnanwendungen war für das erste Halbjahr 2021 geplant.
Die während der Entwicklung gewonnene Erfahrung fließt weiterhin in zukünftige Projekte ein, darunter zusätzliche elektrische Schnittstellen, alternative Stromversorgungsoptionen und neue Sensordesigns.
Durch die Zusammenarbeit mit Schienenfahrzeugherstellern optimiert Hansford Sensors kontinuierlich sein Portfolio und trägt zur kontinuierlichen Weiterentwicklung der Schwingungsüberwachung im Bahnsektor bei.
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