Cookies auf der SKF Webseite

Mithilfe von Cookies stellen wir sicher, dass Sie unsere Webseiten und -anwendungen optimal nutzen können. Wenn Sie ohne Änderung Ihrer Browser-Einstellungen fortfahren, gehen wir davon aus, dass Sie der Nutzung von Cookies zustimmen. Natürlich können Sie Ihre Browser-Einstellungen bezüglich Cookies jederzeit ändern.

Unterbrechungsfreie Zustandsüberwachung per Funk

2016 September 22, 10:00 CET

Ein innovatives Netzwerk- und Antennendesign könnte den Weg für eine neue Generation unterbrechungsfreier Funk-Zustandsüberwachungssysteme für Schienenfahrzeuge ebnen.

Von Mario Rossi*

Göteborg / Schweinfurt, den 22. September 2016

Im Schienenwesen führen die stetige Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie die Reduzierung der Wartung zu einem steigenden Interesse an zustandsorientierter Instandhaltung. Überwachungstechnologien erfassen Veränderungen von Temperatur, Vibration und anderen Variablen, die im Normalbetrieb als frühe Warnsignale für mechanische Probleme gelten. Dadurch kann der Bediener sofort handeln und damit Fehler wirksam vermeiden. Bis heute war für die Installation der Sensoren eine zusätzliche, komplexe Verkabelung erforderlich. Das war nicht nur kostspielig, sondern erhöhte auch den Zeit- und Kostenaufwand für die planmäßige Instandhaltung. SKF ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von zwei führenden italienischen Instituten gelungen, die Funk-Kommunikation in einem Sensorennetzwerk mit geringer Leistungsaufnahme einzusetzen und so die Konstruktion, Installation und Wartung extrem zu vereinfachen.1

Mehrere Faktoren erschweren die Zustandsüberwachung für Schienenfahrzeuge. Zum einen besteht die Anforderung, dass die Sensoren ohne Aufladung oder Austausche möglichst lange in Betrieb sind. Die Achslager moderner Passagierzüge müssen zwischen den Instandsetzungen über eine Million Kilometer leisten. Da die Sensoren ihren Strom eigenständig erzeugen und speichern, sollten sie höchst energieeffizient sein, was die Leistung zur Übertragung des Funksignals stark einschränkt.

Die enorme Größe der Schienenfahrzeuge steht dazu in starkem Kontrast. Ein Sensor am Achslager muss möglicherweise einen Empfänger erreichen, der sich 20 Meter entfernt in der Fahrzeugmitte befindet. Zudem birgt die Funkübertagung in Zügen ganz eigene Herausforderungen: Enorme Mengen leitender Materialien in den Dreh- und Fahrzeuggestellen sowie der Karosserie können zu Signalunterbrechungen und Interferenzen führen.

Um ein Funknetzwerk zu entwickeln, das diesen Anforderungen entspricht, musste das Team von SKF zuerst eine geeignete Arbeitsfrequenz für sein System wählen. Dabei spielten zahlreiche Faktoren eine Rolle: beispielsweise die regionalen Bestimmungen zur Anwendung des elektromagnetischen Spektrums, die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen anderer Elemente am Zug oder in dessen Nähe, die Datenmenge, die auf einer Frequenz übermittelt werden kann, sowie die Größe der erforderlichen Hardware.
Das Team begann mit drei möglichen Frequenzen: 434 MHz, 868 MHz und 2,4 GHz. Als nächstes untersuchten sie die Eigenschaften des Schienensystems mit modernsten Simulationswerkzeugen, welche die Reflexion und Diffraktion der Funkwellen durch und um die Struktur eines Zugwaggons nachbilden.

In dieser Simulation wurden mehrere Netzwerkkonfigurationen getestet, darunter auch ein System, bei dem die Sensoren an jedem Drehgestell ihre Informationen an Empfänger unter dem Zugdach senden. Alternativ dazu verfügen die Sensoren sowohl über Sende- als auch Empfangsantennen, sodass jeder Sensor mit seinen Nachbarn kommunizieren kann und die Daten am Zug entlang zum Empfänger im Führerstand übertragen werden können. Bei 2,4 GHz gab es Probleme mit der Ausbreitung sowie potenzielle Interferenzen von WLAN-Signalen an Bord, was bei den beiden anderen Frequenzen von 434 MHz und 868 MHz nicht der Fall war. 434 MHz wurde schließlich aufgrund der Notwendigkeit von großen, komplexen Antennen verworfen und das Team entschied sich für 868 MHz. Physikalische Tests mit Prototypen an einem echten Zug bestätigten die Ergebnisse der Simulationen.

Im nächsten Schritt war ein neues Antennendesign erforderlich, das für die besonderen Herausforderungen des Schienenverkehrs optimiert ist. Damit die Sensoren genau da installiert werden konnten, wo sie benötigt werden – beispielsweise am Achslager des Drehgestells – mussten Sensor, Steuerelektronik und Antenne sehr klein sein. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Antenne so anzubringen, dass sie vor  eindringendem Staub und Feuchtigkeit geschützt ist, sowie großen Temperaturschwankungen und starken Vibrationen standhält.

Das Team entschied sich daher für eine PIF-Antennenkonfiguration (Planar Inverted F-Shaped Antenna). Die Antennenelemente werden dabei über eine Leiterplatte aufgebaut, die mit einem leitenden Material überzogen ist und damit als Masseplatte dient. Auf der anderen Seite der Leiterplatte wird ein Dielektrikum mit Metallschicht aufgebracht. Die Konfiguration ist physisch stabil und überträgt in jede Richtung. Dies ist besonders für Komponenten, die in kleinsten Räumen installiert werden, sehr wichtig.

Durch die Verwendung eines Dielektrikums mit sehr hoher Permittivität (εr=10,9) ist es dem Team gelungen, die Antenne so stark zu verkleinern, dass sie sich für ein standardmäßiges Achslager eignete. Bei Tests der neuen Antenne in einem Achslager konnte ihre hervorragende Leistung nachgewiesen werden. Zudem wird sie durch die Nähe zu großen Metallgegenständen weniger beeinträchtigt als andere Designs, die aktuell auf dem Markt sind.

Aktuelle Lösungen für den Bahntechnik-Bereich zeigt SKF noch bis 23. September auf der Berliner InnoTrans. Besucher der InnoTrans finden SKF in Halle 22 am Stand 606. Zusätzliche Branchen-Informationen sind außerdem auf der SKF Website http://www.skf.com/de/industry-solutions/railways/index.html verfügbar.

*Mario Rossi ist Railways Engineering Manager bei SKF in Italien.

1Das Team setzt sich aus Franco Lambertino und Mario Rossi aus der Schienendivision bei SKF; Gianluca Dassano, Francesca Vipiana und Mario Orefice vom Antenna and EMC Lab (LACE) am Elektronik- und Telekommunikationsinstitut der Politecnico di Torino und Sergio Arianos vom Antenna and EMC Lab (LACE) am Istituto Superiore Mario Boella (ISMB) in Turin zusammen. Die Gruppe präsentierte ihre Ergebnisse im Frühjahr auf dem „11th World Congress on Railway Research“ in Mailand.

Aktiebolaget SKF
      (publ)

Pressekontakt:
Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland, Tel. 0 97 21 / 56 – 28 43,
E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

SKF ist ein weltweit führender Anbieter von Wälzlagern, Dichtungen, Schmiersystemen und Mechatronik-Bauteilen mit umfassenden Dienstleistungen in den Bereichen Technischer Support, Wartung und Instandhaltung sowie Engineering-Beratung und Training. Weltweit ist SKF in mehr als 130 Ländern präsent und arbeitet mit rund 17.000 Vertragshändlern zusammen. Der Umsatz der Unternehmensgruppe betrug im Jahr 2015 MSEK 75.997. Die Anzahl der Mitarbeiter lag bei 46.635. www.skf.de  

®SKF ist eine eingetragene Marke der SKF Gruppe.
™BeyondZero ist eine eingetragene Marke der SKF Gruppe.

SKF logo