Das sagt der Kunde

“HBM SoMat eDAQ hat Sims Professional Engineers (SPE) kontinuierlich zuverlässige Messdaten geliefert, selbst unter den rauesten Einsatzbedingungen. eDAQ hat sich zu einer lohnenswerten Investition für SPE entwickelt."

Cody Kasten, Projektingenieur

Sims Professional Engineers (SPE)

Vorteile mit HBM

  • Zuverlässige, genaue und flexible Messdatenerfassung - für niedrige Kosten der Tests
  • Sichere autonome Messungen, durchgeführt über lange Strecken
  • Ein System für eine große Auswahl an Aufnehmern und Sensoren

Hersteller von Schienenfahrzeugen testen inzwischen alle Neuentwicklungen oder Änderungen ihrer Produkte in Computersimulationen. Doch vor der Freigabe oder Änderung einer Konstruktion für die Produktion, sowie zur Diagnose von Leistungsproblemen werden nach wie vor Tests auf der Schiene durchgeführt. Eine Simulation kann nie eine 100%ige Genauigkeit bieten. Die einzige Möglichkeit nachzuweisen, dass eine Konstruktion die Leistungsvorgaben tatsächlich erfüllt, ist die Durchführung eines realen Tests auf der Schiene.

Aus diesem Grund werden für Waggons, die im nordamerikanischen Güterverkehr eingesetzt werden, bei den meisten Fahrzeug-Neukonstruktionen Tests auf der Schiene verlangt. Zur Durchführung dieser Tests werden Kräfte, Beschleunigungen und Wege an kritischen Positionen an dem getesteten Schienenfahrzeug gemessen, indem an diesen Positionen eine Reihe von Sensoren installiert wird.

Danach werden diese Sensoren an ein Datenerfassungssystem angeschlossen, um die Werte aufzuzeichnen, während sich das getestete Fahrzeug über eine Teststrecke bewegt. Sobald der Testlauf abgeschlossen ist, werden die Messwerte ausgewertet, um sicherzustellen, dass das Schienenfahrzeug die Leistungsvorgaben erfüllt.

Die Durchführung dieser Tests kann recht teuer sein. Um die Kosten unter Kontrolle zu halten, braucht man ein Messdatenerfassungssystem, das zuverlässig, genau, einfach zu bedienen und auch unter ungünstigen Bedingungen voll funktionsfähig ist. Denn man will ja nicht einen Test nur deswegen wiederholen müssen, weil das Datenerfassungssystem nicht ordentlich funktioniert hat.

Für eine kürzlich durchgeführte Testreihe zu einem neu entwickelten Sattelzug hat sich das Ingenieurbüro Sims Professional Engineers (SPE) aus Highland im US-Bundesstaat Indiana für das Datenerfassungssystem SoMat eDAQ von HBM entschieden. Nach Aussage von Cody Kasten, Ingenieur bei SPE, war eDAQ die ideale Lösung für diese Aufgabe. SoMat eDAQ ist nicht nur robust und zuverlässig, sondern unterstützt auch eine vielfältige Palette von Aufnehmern und ist überdies einfach einzurichten und zu bedienen.

Anspruchsvolle Testvorschriften

Die Norm M-1001 des amerikanischen Eisenbahnverbands Association of American Railroads (AAR) unter dem Titel "Design, Fabrication, and Construction of Freight Cars" (Konstruktion, Herstellung und Aufbau von Güterwagen) beschreibt die durchzuführenden Prüfungen und die geforderten Prüfbedingungen. Diese Norm ist in Abschnitt C, Teil II des AAR-Handbuchs zu Normen und empfohlenen Arbeitsweisen enthalten.

Kapitel XI der Norm M-1001 legt unter der Überschrift Service-Worthiness Tests and Analyses for New Freight Cars (Diensttauglichkeitsprüfungen und Analysen für neue Güterwagen) eine Reihe von Zertifizierungsprüfungen fest, darunter:

  • Schlingern („Hunting“, d. h. seitliche Instabilität)
  • Konstante Kurvenfahrt
  • Spiralbewegung
  • Verwindungs- und Wankbewegung
  • Nickbewegung
  • Gier- und Schwingbewegung
  • Dynamische Kurvenfahrt

Da dieser Sattelauflieger nicht nur auf der Straße eingesetzt, sondern auch auf Güterwagen transportiert werden sollte, musste er auch die Anforderungen an für die Schiene geeignete Fahrzeuge erfüllen, die in Kapitel IX von M-1001 dargelegt sind.

Das Kernstück des von SPE für diese Tests konzipierten Prüfsystems sind zwei SoMat eDAQ-Datenerfassungssysteme. Zu den weiteren Komponenten in dem System gehören u. a.:

  • Zwei Simultaneous High Level Layer (EHLS), mit denen das eDAQ gleichzeitig 32 Differential-Analog-Eingänge (16 Kanäle pro Einheit) abtasten kann;
  • 14 SoMat Smart-Module, die die Aufbereitung der Signale von Dehnungsmessstreifen (DMS) für Viertel-, Halb- und Vollbrücken bereitstellen;
  • Sechs SoMat ICP-Signalaufbereitungsmodule.

Die eDAQ-Systeme wurden in wasserdichte Gehäuse nach NEMA-Norm eingebaut und so, wie in der Abbildung gezeigt, auf dem Übergangsflachwagen befestigt. Vor dem Flachwagen befindet sich die Lok, die die Antriebsenergie für das auf der Schiene fahrende System liefert.

An den Flachwagen sind der Sattelauflieger und das Eisenbahn-Drehgestell angehängt, die getestet werden sollen. Damit der Sattelauflieger auf der Schiene transportiert werden kann, wird er an einem Drehgestell befestigt, das dem Sattelauflieger folgt. Um reale Betriebsbedingungen zu simulieren, können für Testzwecke ein oder mehr Sattelauflieger mit Drehgestellen an den Zug angehängt werden.

Zur Messung der wesentlichen Parameter hat SPE eine Reihe unterschiedlicher Sensoren verwendet. Mit drei Vertikal-Beschleunigungsaufnehmern wurde die vertikale Anregung durch Schienenstörungen, Stöße und sonstige Phänomene gemessen. Mit drei Lateral-Beschleunigungsaufnehmern wurde ermittelt, ob die Lateralbeschleunigungen die in Kapitel XI festgelegten Bedingungen erfüllten.

Um Durchbiegungen zu messen und letztendlich die Wankbewegung der Einheiten und des Flachwagens zu bestimmen, hat SPE sechs Potentiometer verwendet. Die Last in Längsrichtung an der Kupplungsplatte des Drehgestells zur Herstellung der Verbindung mit dem Sattelauflieger wurde mit Hilfe eines speziellen Lastmessbolzens bestimmt. Anhand dieser Daten wurden die in Längsrichtung durch das System wirkenden Lasten ermittelt.

Schließlich wurden Dehnungsmessstreifen (DMS) sowohl am Drehgestell als auch am Sattelauflieger angebracht. Die geeigneten DMS-Positionen wurden mittels einer Finite-Elemente-Analyse der Konstruktion bestimmt. Die Ingenieure von SPE ermittelten im Verlauf dieser Analyse vierzehn besonders kritische Bereiche: vier auf dem Sattelauflieger und zehn auf dem Drehgestell.

Die am Übergangsflachwagen befestigten SoMat eDAQ-Systeme
Schnelles und einfaches Konfigurieren der Kanäle des Systems mit der SoMat TCE-Software

Photovoltaik-Module liefern mobile Energie

Um das System mit Strom zu versorgen, installierte SPE zwei Photovoltaik-Module des Typs SunWize SW90C auf dem Flachwagen. Jedes der PV-Module liefert 90 W. Die PV-Module laden eine aus drei Batterien bestehende Bank, die dann an das Datenerfassungssystem angeschlossen wird und es schließlich mit Strom versorgt.

SPE hat sich für die Nutzung von PV-Modulen anstelle größerer Batterien für dieses Testsystem entschieden, da diese Lösung mit kleineren Batterien kostengünstiger war und zudem bei ungünstigen Wetterverhältnissen keine Batterien ausgetauscht werden mussten. Einige der Tests wurden nämlich im Winter durchgeführt, und bei niedrigen Temperaturen ist die Batterielebensdauer erheblich kürzer.

Dank der PV-Module konnte auch die Kontrolle der Batteriekapazität während der Durchführung des Tests entfallen. Die Module lieferten ausreichend Energie, um die Batterien während der gesamten Dauer des Tests im aufgeladenen Zustand zu halten. Die Verwendung der PV-Module bedeutete, dass ausreichend Strom vorhanden war und SPE damit eine Sorge weniger hatte.

Nachdem das System montiert war und die Techniker die Sensoren angebracht hatten, programmierten die Ingenieure von SPE das System mit der auf einem Laptop laufenden SoMat TCE-Software, wie in der Abbildung gezeigt. Diese Software ermöglichte den Ingenieuren, die Kanäle des Systems, einschließlich der Kalibrierungen für jeden einzelnen Aufnehmer, schnell und einfach zu konfigurieren. Nachdem das System vollständig eingerichtet war, wurde der Laptop wieder entfernt und das Datenerfassungssystem konnte selbständig arbeiten.

Die Tests auf der Schiene fanden auf den Gleisanlagen von Canadian Pacific Railroad zwischen St. Paul im US-Bundesstaat Minnesota und Superior im US-Bundesstaat Wisconsin über eine Entfernung von ungefähr 150 Meilen (gut 240 km) statt. Über einen Zeitraum von zwei Wochen führte SPE zwei Fahrten ohne und zwei Fahrten mit Beladung durch. Die Sensorwerte wurden mit einer Abtastrate von 200 Hz erfasst. Obwohl kein Personal zur Betreuung des Systems anwesend war, verlief der Test vollkommen problemlos, und das Datenerfassungssystem zeichnete bei jedem Durchlauf 2 bis 4 Gigabyte an Daten auf.

Problemlose Datenanalyse

Nach Abschluss des Tests schlossen die Ingenieure von SPE wieder einen Laptop an das eDAQ-System an und luden die Rohdaten des Tests zur weiteren Auswertung herunter. Zum Auswerten der Daten verwendeten die Ingenieure von SPE die Software SoMat Infield. In einem ersten Schritt wurden die Daten digital mit einem Butterworth-Filter mit einer Grenzfrequenz von 15 Hz gefiltert, wie in der Norm AAR M-1001 spezifiziert. Die Filterung der Daten dient dazu, störendes Rauschen aus den Testdaten zu entfernen.

Im letzten Schritt der Testdatenauswertung wurde nach Dehnungen, Beschleunigungen und Durchbiegungen gesucht, die die von der AAR-Norm festgelegten Grenzwerte überschritten. Mit den Statistikfunktionen der Software SoMat Infield lief dieser Schritt "wie am Schnürchen".

Die Datenauswertung für diesen Test war zwar relativ einfach, doch die Software Infield kann darüber hinaus auch deutlich komplexere Analysen durchführen. Sie kann zum Beispiel nicht nur Maxima und Minima erkennen, sondern auch den Mittelwert, die Standardabweichung und Effektivwerte berechnen sowie Rainflow-Klassierungen, Klassierungen nach Zeitverweildauer (Time at level) und Frequenzanalysen durchführen.

Nach der Auswertung der Daten konnte SPE vermelden, dass die Kombination von Flachwagen/Sattelauflieger/Drehgestell die Prüfung bestanden hatte. SPE erstellte einen Bericht mit Tabellen, aus denen die erfassten Maximalwerte ersichtlich waren, und verglich diese Werte mit den laut AAR-Norm zulässigen Werten. Dabei wurde auch die Sicherheitsreserve dargestellt. Dieser Bericht wurde dem Kunden übergeben, der ihn zusammen mit anderen Unterlagen bei der AAR und der US-Eisenbehörde (Federal Railroad Administration) zur Genehmigung einreichte.

Cody Kasten betonte, dass die von HBM während des gesamten Projekts bereitgestellte technische Unterstützung eine große Hilfe war. Ob für einen Rat bei Hardware oder Software, "der Technische Support von HBM war immer zur Stelle, wenn wir ihn brauchten", erklärte er.

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