Strukturüberwachter Leichtbaudrucktank für Güterwaggon-Bremsanlage
Gewichtseinsparungen bis zu 40 Prozent und mehr Sicherheit dank integrierten Struktursensoren kennzeichnen den Leichtbau-Druckspeicher in Glasfaserverbundbauweise, den die CG Rail GmbH in Zusammenarbeit mit dem Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen (KVB) entwickelte.
Bislang beschränkt sich die Bahnindustrie bei lasttragenden Komponenten meist auf den Einsatz metallischer Werkstoffe. Doch durch den zunehmenden Druck, die CO2-Emission in allen Mobilitätsanwendungen zu reduzieren, findet seit einigen Jahren ein Umdenken statt. Neue Werkstoffe wie Faserverbundkunststoffe rücken in den Fokus der Entwicklung. Durch die zusätzliche Integration eines Structural-Health-Monitoring Systems können solche Komponenten nicht nur permanent oder bedarfsgerecht überwacht, sondern auch besonders leicht gebaut werden. So garantieren sie einen sicheren und nachhaltigen Bahnbetrieb.
Glasfaser-Drucktank mit Plus
Der Leichtbau-Druckspeicher, den die CG Rail in diesem Zusammenhang gemeinsam mit dem Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen (KVB) entwickelte, wird nun erstmals in einem Feldversuch in der Bremsanlage eines Güterwaggons eingesetzt.
Die Substitution des metallischen Behälters durch eine Glasfaserverbundbauweise erbrachte eine Gewichtsersparnis von ca. 40 %. Und das bei gesteigerter Sicherheit durch Applizieren eines Strukturüberwachungssystems auf Basis von Faser-Bragg-Gitter- (FBG-)Sensoren in die Laminatstruktur. Insgesamt befinden sich neun FBG-Sensoren in dem eingebrachten Lichtwellenleiter, angeordnet in drei Rosetten an unterschiedlichen Stellen des Tanks. Die Kontaktierung von Sensorfaser zur Auswerteeinheit ist in eines der Bossteile integriert und somit vor den herausfordernden Umgebungsbedingungen im Bahnbetrieb geschützt.
Neben der permanenten Echtzeitüberwachung des Dehnungszustandes im Einsatz bzw. zur Strukturprüfung bei bedarfsgerechten Wartungsintervallen, kann mit den Sensoren bereits der vollständige Wickelprozess überwacht und somit eine hohe und reproduzierbare Bauteilqualität sichergestellt werden.
Prüfstandversuche und Feldeinsatz
In der Bauteilentwicklung wurden zyklische Dauerversuche und anschließende Berst-Tests durchgeführt. In allen Versuchsreihen war eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den gemessenen Dehnungen der FBG-Sensoren in Abhängigkeit vom angelegten Druck zu beobachten. Für den Feldeinsatz wurde zusätzlich ein Drucksensor mit GPS-Modul und ein Temperatursensor installiert, deren Daten über eine Cloud jederzeit abrufbar sind.
Derzeit ist zum Auslesen der FBG-Sensoren noch stets ein PC notwendig, der auch die Stromversorgung der Auswerteinheit sicherstellt. Das KVB arbeitet aktuell mit einem weiteren Partner an der Entwicklung von Interrogatoren, die als reine Logger betrieben und die Messdaten per Funk an ein definiertes Endgerät senden bzw. in einer Cloud speichern und von überall abgerufen werden können. Das ist ein weiterer, entscheidender Schritt zur Industrialisierung von strukturüberwachten FVKKomponenten.
Ihre Zusammenarbeit wollen CG Rail und KVB weiter ausbauen und so einen signifikanten Beitrag zum flächendeckenden Einsatz von überwachten Faserverbundbauteilen und der Werkstoffklasse an sich in der Bahnindustrie
leisten.
Kontakt:
CG Rail GmbH, Dresden
M. Sc. Florian Zeidler, Projektleiter
+49 1517 420 85 32
florian.zeidler@cgrail.de
www.cgrail.de
KVB Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen gGmbH
M. Sc. Martin Zießler, Wissenschaftlicher Projektleiter
+ 49 3431 734 25 95
martin.ziessler@kvb-forschung.de
www.kvb-forschung.de
