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D
MAGAZIN [MOBILITÄT]
Gewichtseinsparungen bis zu 40 Prozent und
mehr Sicherheit dank integrierten Struktur-
sensoren kennzeichnen den Leichtbau-
Druckspeicher in Glasfaserverbundbauweise,
den die CG Rail GmbH in Zusammenarbeit
mit dem Institut für Konstruktion und Ver-
bundbauweisen (KVB) entwickelte.
Bislang beschränkt sich die Bahnindustrie bei
lasttragenden Komponenten meist auf den Ein-
satz metallischer Werkstoffe. Doch durch den
zunehmenden Druck, die CO-Emission in allen
Mobilitätsanwendungen zu reduzieren, findet
seit einigen Jahren ein Umdenken statt.
Neue Werkstoffe wie Faserverbundkunststof-
fe rücken in den Fokus der Entwicklung. Durch
die zusätzliche Integration eines Structural-
Health-Monitoring Systems können solche
Komponenten nicht nur permanent oder be-
darfsgerecht überwacht, sondern auch beson-
ders 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 Verbundbauwei-
sen (KVB) entwickelte, wird nun erstmals in ei-
nem Feldversuch in der Bremsanlage eines Gü-
terwaggons eingesetzt.
Die Substitution des metallischen Behälters
durch eine Glasfaserverbundbauweise erbrach-
bei gesteigerter Sicherheit durch Applizieren ei-
nes Strukturüberwachungssystems auf Basis
von Faser-Bragg-Gitter- (FBG-)Sensoren in die
Laminatstruktur. Insgesamt befinden sich neun
FBG-Sensoren in dem eingebrachten Lichtwel-
lenleiter, angeordnet in drei Rosetten an unter-
schiedlichen Stellen des Tanks. Die Kontaktie-
rung von Sensorfaser zur Auswerteeinheit ist in
eines der Bossteile integriert und somit vor den
herausfordernden Umgebungsbedingungen
im Bahnbetrieb geschützt.
Neben der permanenten Echtzeitüberwa-
chung des Dehnungszustandes im Einsatz bzw.
zur Strukturprüfung bei bedarfsgerechten War-
tungsintervallen, kann mit den Sensoren bereits
der vollständige Wickelprozess überwacht und
somit eine hohe und reproduzierbare Bauteil-
qualität 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 Si-
mulationsergebnissen 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 ins-
talliert, 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 sicher-
stellt. Das KVB arbeitet aktuell mit einem weite-
ren Partner an der Entwicklung von Interroga-
toren, die als reine Logger betrieben und die
Messdaten per Funk an ein definiertes Endge-
rät senden bzw. in einer Cloud speichern und
von überall abgerufen werden können. Das ist
ein weiterer, entscheidender Schritt zur Indust-
rialisierung von strukturüberwachten FVK-
Komponenten.
Ihre Zusammenarbeit wollen CG Rail und
KVB weiter ausbauen und so einen signifikan-
ten Beitrag zum flächendeckenden Einsatz von
überwachten Faserverbundbauteilen und der
Werkstoffklasse an sich in der Bahnindustrie
leisten. ■
Strukturüberwachter Leichtbaudrucktank für Güterwaggon-Bremsanlage
Drucktank
mit Messdaten-
erfassung
Pressure vessel with
measurement data
acquisition
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E[MOBILITY] MAGAZINE
Weight savings of up to 40 percent and great-
er safety thanks to integrated structural sen-
sors are the hallmarks of the lightweight
fiberglass composite pressure accumulator
developed by CG Rail GmbH in collaboration
with the Institut für Konstruktion und Ver-
bundbauweisen (KVB).
So far, the railway industry has limited itself to
the use of metallic materials for load-bearing
components. In times of increasing pressure to
reduce CO emission in all mobility sectors, a re-
think has been taking place.
This means that new groups of material, like
fiber-reinforced plastics, are becoming the fo-
cus of development. If you additionally inte-
grate a structural health monitoring system
such components can not only be monitored
permanently or as required, but can also be
built extremely light due to the reduction of
safety coefficients. Thus a safe and sustainable
railway operation can be guaranteed.
Fiberglass pressure vessel
with an integrated plus
In this context, CG Rail GmbH, in cooperation
with the Institut für Konstruktion und Verbund-
bauweisen (KVB), has developed a lightweight
pressure tank as a part of the brake system of a
freight wagon. For the first time now his com-
ponent is tested in a field application.
The substitution of the metal tank resulted in
provided for more safety by applying a structure
monitoring system based on Fiber Bragg Grat-
ing (FBG) sensors inside the laminate structure.
There is a total of nine FBG sensors integrat-
ed in the fiber optic cable, which are arranged
in three rosettes at different
positions in the pressure
vessel. The contact between
the sensor fiber and the in-
terrogation unit is integrat-
ed in one of the boss parts
and thus protected from
the challenging environ-
mental conditions in railway
operations.
In addition to the func-
tion of permanent real-time
monitoring of the strain
condition during use or at
required maintenance inter-
vals, the entire fiber winding process can also
be monitored. As a result, a high and reproduc-
ible component quality can be ensured.
Successful bench tests and
field operation
As part of the component development, cyclic
endurance tests were carried out, followed by a
bursting test. In every test series, there was a
high agreement between the finite element
simulation results and the measured strain of
the FBG sensors as a function of the applied
pressure. A pressure sensor with GPS module
and temperature sensor was also installed for
field use. The data gained can be called up at
any time via cloud.
Up to now, a PC is required to read out the
FBG sensors and ensure the power supply of
the interrogation unit. KVB and another partner
are currently working on the development of in-
terrogators that operate purely as logger and
send the measurement data wirelessly to a de-
fined end device or cloud service with access
from anywhere. This is a further, decisive step
towards the industrialization of structure-moni-
tored FRP components in all sectors of industry.
By expanding their cooperation both CG Rail
and KVB want to make a significant contribu-
tion to the widespread use of monitored fiber
composite components and the material class
itself in the railway industry. ■
Lightweight pressure vessel with structural monitoring system for freight wagon braking system
Einbauzustand der Glasfaserdruckbehälter im
Güterwaggon
Installation condition of FRP tank in the freight wagon
CG Rail GmbH, Dresden
M. Sc. Florian Zeidler, Projektleiter |
Project Manager
+49 1517 420 85 32
orian.zeidler@cgrail.de
www.cgrail.de
KVB Institut für Konstruktion und
Verbundbauweisen gGmbH
M. Sc. Martin Zießler, Wissen-
schaftlicher Projektleiter |
Scientic Project Manager
+ 49 3431 734 25 95
martin.ziessler@kvb-
forschung.de
www.kvb-forschung.de