Lokomotivy jsou soumary moderní doby. Během své desítky let trvající životnosti urazí miliony kilometrů s vlaky těžkými stovky až tisíce tun. Při jejich návrhu proto konstruktéři hledají křehkou rovnováhu mezi potřebnou robustností a snižováním hmotnosti jednotlivých komponentů. Reálná data pro jejich rozhodování jim od loňska přináší unikátní bezdrátová měřící technologie. Na její využití se nyní těší i odborníci v dalších odvětvích.
Vývoj moderních lokomotiv se ubírá směrem k jejich lepší energetické efektivitě a co nejširší použitelnosti. Vzniká tak logický tlak na snižování hmotnosti jednotlivých komponent. Podvozek i nástavba stroje však během provozu odolávají enormnímu tahu a rázům. To přenáší různá mechanická zatížení i na další komponenty. Pokud ty mají navzájem spolehlivě spolupracovat a zároveň ještě zeštíhlit, stává se přesné zmapování působících sil bezpodmínečně nutným.
Tvrdý oříšek
Takové měření je ale nesmírně obtížné. Nejen časově, logisticky a finančně, ale i technicky. Hovoříme zde sice o mocných silách, ty se ale často na konstrukci vozidla projeví pohybem v řádu pouhých několika milimetrů. Ten je třeba precizně změřit a hlavně datovat s přesností na 100 mikrosekund, aby mohl být vyhodnocen spolu s údaji z dalších senzorů. Jakákoliv nepřesnost degraduje výsledky.
Ale to není vše. Měření a hlavně následný přenos dat jsou navíc ovlivňovány elektromagnetickým rušením od motorů, převodníků a další elektrovýzbroje. V případě klasických drátových čidel, proto často dochází k indukci falešných signálů a problémům s přenosem. Výzkumníci to doposud řešili vedením kabeláže podél vnějšího těla lokomotivy nebo po jejím spodku. Nicméně i to znamenalo problémy. Instalace je vystavena teplu, chladu, dešti nebo sněhu. Poruchy vznikaly při čištění vlaku a kabeláž vedená spodem byla zase náchylná na poškození kameny, porostem nebo jinými předměty v kolejovém loži. „Zadrátování“ celé lokomotivy bylo navíc pracné.
Inspirace u chůvičky
Víte, co mají společného bezdrátová sluchátka s elektronickou chůvičkou? Pracují bez kabeláže a přitom fungují rychle, spolehlivě a hlavně bez přenosových ztrát. Podobných zařízení existuje spousta. „U lokomotiv byly ale doposud senzory tahu a rázového zatížení propojeny s procesory pomocí drátů. A to samé platí o větrných turbínách, autech nebo letadlech,“ říká Dr. Werner Breuer ze společnosti Siemens. Nadešel čas zbavit se změti kabelů i zde.
Nejprve však bylo třeba vyvinout nové senzory. V červnu roku 2009 proto odstartoval projekt Akusens, který spojil týmy sedmi společností a finance německé vlády. Jeho cílem bylo využít bezdrátových technologií pro monitoring výkonu pracující lokomotivy. „Bylo to vůbec poprvé, kdy byly bezdrátové senzory testovány na lokomotivě,“ vzpomíná Dr. Hubert Mooshofer, projektový manažer senzorických technologií ve společnosti Siemens. Právě on a jeho tým vyvinuli bezdrátové senzory o velikosti desetikoruny spojené s radiovým vysílačem velikosti dlaně.
Dvanáct měsíců v terénu
Jejich první reálné testy probíhaly nejprve na testovacím okruhu Siemensu v bavorském Allachu. Výsledky byly uspokojivé a tak se senzory po třech měsících přesunuly na skutečné koleje. Pro zkoušku byla vybrána trasa mezi holandským Rotterdamem a Muttenzem ve Švýcarsku. Po dobu devíti měsíců bylo chování nové technologie detailně sledováno na nákladní lokomotivě nasazené v běžném provozu.
„Byl to skutečný soumar,“ vzpomíná na ní Breuer. Devadesátitunový stroj o výkonu 6.400 kilowat dennodenně křižoval Evropu s nákladními vlaky. Jeho provozní rychlost 140 kilometrů v hodině sice byla poměrně nízká, ale to nijak nezlehčovalo podmínky celého testu. Konstrukce lokomotivy pracuje i při minimálních rychlostech. „Děje se tak i když vlak přejíždí most rychlostí chůze nebo pomalu přejíždí výhybku při vjezdu do stanice. Proto jsme se zaměřili speciálně na měření torze v těle vozidla,“ vysvětluje Breuer. Snímače zaznamenávaly hodnoty zrychlení ve dvaceti měřících bodech rozmístěných po celé lokomotivě. Porovnáním naměřených dat pak byl tým schopen modelovat vibrace a zatížení, kterému je lokomotiva vystavována a přesně popsat dlouhodobé účinky na jednotlivé komponenty.
Slibná technologie
Projekt Akusens byl uzavřen v listopadu loňského roku. Bezdrátové snímače se v praxi naprosto osvědčily. Spolehlivě fungovaly při teplotách okolo mínus dvaceti i plus pětaosmdesáti stupňů Celsia. Nabídly také precizní dataci měření, neboť každý senzor má vnitřní hodiny, které jsou v pravidelných intervalech synchronizovány s ostatními. V budoucnu se proto předpokládá využití nové technologie i v dalších oblastech. Jednou z možných aplikací jsou vysokorychlostní vlaky, o senzory se intenzivně zajímá automobilový průmysl a hovoří se i o monitorování vibrací v generátorech a turbínách. Všechny tyto výzvy by ale neměly představovat sebemenší problém pro technologii, která je dostatečně citlivá na to, aby během stovky mikrosekund zaznamenala drobná zrychlení na sto tun vážící lokomotivě.
Článek vznikl pro časopis Visions (Visions 04/2013, http://www.siemens.cz/visions/). V případě zájmu o použití textu prosím kontaktujte pražské Tiskové centrum koncernu Siemens.
