METHODISCHE ENTWICKLUNG VON ENERGIE- AUTARKEN SENSOREN FÜR SCHIENENGÜTERWAGEN

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1 METHODISCHE ENTWICKLUNG VON ENERGIE- AUTARKEN SENSOREN FÜR SCHIENENGÜTERWAGEN Oktober 2012, Kassel Matthias Kurch, Michael Koch, Dirk Mayer Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

2 METHODISCHE ENTWICKLUNG VON ENERGIE- AUTARKEN SYSTEMEN ZUR STRUKTURÜBERWACHUNG Zustandsüberwachung an Güterwagen Aufgaben und Herausforderungen Vorstellung der Entwicklungsmethodik Anwendungsbeispiel Realisierung der HiL-Simulation Ergebnisse und Ausblick Seite 2

3 Zustandsüberwachung an Güterwagen Dauerhafte Überwachung Basis für die zustandsbasierte Wartung Schadensdetektion zur Verhinderung schwerer Unfälle Nutzung von Sensoren zur Erfassung Keine elektrische Energieversorgung in Güterwaggons vorhanden Generierung von Energie auf dem Waggon Flexible Systemkonfiguration Retrofitting nachträglicher Einbau Freien Zugbildungsfähigkeit Drahtlose Kommunikation zwischen den Sensoreinheiten und dem Triebfahrzeugführer Energystorage and management EnergyHarvestingsystem Data acquisition Wireless transmission Signal processing Seite 3

4 Zustandsüberwachung an Güterwagen Energiequellen Messorte und -größen Seite 4

5 Intelligenter energieautarker Sensorknoten Aufgabe: Datenanalyse und übermittlungbei begrenzter Energiemenge Herausforderungen: Masse und Gewicht des Energy-Harvesting-Systems im Verhältnis zur generierten Energie Energieverbrauch für die Berechnungen zur Datenreduktion im Vergleich zu dem für die drahtlose Datenübertragung Energiemanagement, Optimierung des Energiespeichers im Bezug auf den Verbrauch und Häufigkeit der durchgeführten Messungen Ł Ganzheitliche Auslegung des Sensorknotens Ł Analyse der Wechselwirkung der Komponenten Ł Flexible Anpassung der Parameter an neue Anwendungen Seite 5

6 Hardware in the Loop Bewertung mechatronischersysteme im Labor unter realistischen Bedingungen Realisierung der Signalverarbeitung und der Strukturüberwachung mit prototypischer Elektronik Nachbildung der realen Umgebung wie z.b. piezoelektrischer Generatoren, Sensoren und Anregungssignalen durch eine Echtzeitsimulation Ł Systembewertung ist auch in einer frühen Entwicklungsphase der Komponenten möglich Ł Optimierung der Wechselwirkung von Komponenten ohne den Bau einer Vielzahl von Prototypen Ł Vorhersage der Leistungsfähigkeit des Systems unter veränderlichen Betriebsbedingungen Seite 6

7 Heissläufer Entstehung und Detektion Selbstzerstörung der Achslager durch die Überschreitung von Temperaturgrenz-werten Entgleisungen des Schienenfahrzeuges durch ungleiche Achsdrücke und Achsschenkelbrüchen Heißläuferdetektion Stand der Technik: Stationäre Heißläuferortungsanlagen (HOA) auf Neu- und Ausbaustrecken ca km Restlichen Netz 100 km oder vor Risikostellen (Steilstrecken, Tunneln und Gefällen) Flächendeckenden Temperaturüberwachung durch HOA nicht realisierbar Drehgestell Y25 Quelle: Seite 7

8 Heisslaufdetektion-Testanwendung für die Entwicklung Detektion heiß gelaufener Radlager Drahtlose Sensorplattform Integrierter Temperatursensor Generation von Energie aus Schwingungen Piezoelektrische Wandler Seite 8

9 Anwendungsbeispiel - Gepäckwagen Gepäckwagen der Gattung Pwi- 28, Baujahr 1928 Zweiachsiger Wagen mit freien Lenkradsatz Aufhängung Einfach-schaken und Trapezfedern Gesamtgewicht 19 t inkl. Radsatzmasse je 1 t Systemidentifikation Frequenzgangmessung zur Bestimmung des Eigenverhaltens Messung der Betriebs-lasten Ł Beschleunigungsmaxima bei 100 Hz und 200 Hz während der Testfahrt Seite 9

10 Auslegung des piezoelektrischen Generators Basiskonzept: Mechanischer Resonator, abgestimmt auf die Frequenz (100 Hz) der maximalen Anregung Biegebalken mit Kopfmasse M t Integration piezoelektrischer Wandler Fußpunktanregung, keine Rückwirkung auf den Waggon Parameteroptimierung Dimension des Balkens Dimension und Position des Wandlers Elektromechanische Kopplung Seite 10

11 Erstellung echtzeitfähiger Modelle des Wandlers Auslegung der mechanischen und piezoelektrischen Komponenten des Energy Harvesters Finite Element Modell mit elektromechanischer Kopplung (97346 DOF) Zweistufiges Modelreduktionsverfahren (Krylov Unterraumverfahren & Balanced Truncation) Erstellung eines Zustandsraummodell (3 DOF) Hardware In The Loop Simulation Modellreduktion V T C V z& + V T G V z= V T B C r z& + z =B r u G r u Seite 11

12 Realisierung der HiL-Simulation Hardware Prototype eines intelligenten Sensorknoten (LibeliumWaspmote) Echtzeitanalyse der elektrischen Leistungsaufnahmen Echtzeit-Nachbildung der realen Umgebung (Entwicklungswerkzeug dspace) Energy-Harvesting-System Energiespeicherung Anregungssignal Seite 12

13 Schrittweise Systemintegration Hardware In The Loop Laborversuch Erregung Simuliert Simuliert (RT) Shaker Real Systemsimulation Sensor/Signalverarbeitung Energy Harvester Feldversuch Simuliert Hardware Hardware Hardware Simuliert Simuliert (RT) Hardware Hardware Seite 13

14 Ergebnis des Laborversuchs Durchführung einer Temperaturmessung Deutliche Erhöhung der Messintervalle gegenüber stationären Detektoren Seite 14

15 Zusammenfassung, Ausblick und Danksagung Zusammenfassung: Vorteile der HiL-Simulation zur systemischen Auslegung von Energy- Harvesting-System wurde nachgewiesen Danksagung: Die hier vorgestellten Arbeiten sind zum Teil im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekt EA-TSM, Förderzeichen: W40027, PiezoEN Förderzeichen: 16SV3389, sowie dem LOEWE-Projekt AdRIA, gefördert durch das Land Hessen, realisiert worden, für deren Förderung die Autoren sich bedanken möchten. Ferner sei dem Eisenbahnmuseum Darmstadt-Kranichstein für die freundliche Unterstützung bei den Messungen gedankt. Seite 15

16 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Kontakt: Dipl.-Ing. Matthias Kurch Kompetenzcenter Mechatronik/Adaptronik Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Bartningstr. 47, Darmstadt Telefon: Seite 16