TH Köln: Energieautarke Überwachung von schwingenden Maschinen

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Erfolgreicher Test eines robusten Sensorsystems durch die TH Köln:

Die TH Köln hat in Zusammenarbeit mit zwei Industriepartnern ein energieautarkes Sensorsystem entwickelt und erfolgreich im Labor getestet. Bisher konnten schwingende Maschinen wie Rüttelplatten, Sortieranlagen und Siebmaschinen aufgrund hoher Beschleunigungskräfte und rauer Witterungsbedingungen nicht kontinuierlich im laufenden Prozess überwacht werden. Das entwickelte System ermöglicht eine vorausschauende Wartung unter diesen Bedingungen.

Projektleiter Prof. Dr. Axel Wellendorf erklärte, dass die herkömmliche Überwachung vibrierender Maschinen mit kabel- oder akkubetriebenen Sensoren nicht praktikabel sei. Das neue System nutzt die Schwingungen während des Betriebs der Anlagen, wandelt einen Teil der auftretenden mechanischen Energie in elektrische Energie um und versorgt so das kabellose Sensorsystem.

Für die drahtlose Überwachung wurde ein Sensorsystem entwickelt, das durch einen Energiewandler mit integriertem Dämpfungssystem mit Strom versorgt wird. Der Energiewandler wandelt mechanische Energie aus Maschinenschwingungen in elektrische Energie um und gewährleistet so die Stromversorgung der angebundenen Sensoren. Diese messen permanent die Beschleunigungskräfte der Maschine, registrieren starke Vibrationen, die auf eine Fehlfunktion hindeuten können, und senden die Daten an eine Auswerteeinheit. Die ermittelten Daten werden drahtlos an die Techniker*innen gesendet.

Das Team der TH Köln entwickelte die Konstruktionsvorgaben für den Energiewandler mit numerischen Verfahren und Laborversuchen. Ein Labormuster des Energiewandlers wurde gefertigt und an einem Schwingungsprüfstand untersucht. Dabei wurden Versuchsreihen durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Energiewandler auch bei geringen Maschinenschwingungen von 1g genug Strom für die Sensorik und Datenübermittlung bereitstellt und gleichzeitig robust genug für maximale Schwingungen von 10g ist.

Das entwickelte Sensorsystem kann den zeitlichen Verlauf der Schwingungen in allen drei Raumrichtungen ermitteln. Es ermöglicht die Echtzeitüberwachung des Zustands einzelner Maschinenbauteile zur vorausschauenden Wartung. Durch den Abgleich der Schwingungsdaten mit Grenzwerten kann beurteilt werden, wie zeitnah Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen, um Maschinenschäden zu verhindern.

Nach erfolgreichen Laborbedingungen sollen nun Tests im realen Betrieb folgen. Ein Folgeprojekt wird einen Energiewandler untersuchen, der in einem breiten Temperaturbereich und bei kleinen Anregungen funktionieren muss. Bei erfolgreichem Abschluss der Tests ist eine Kleinserienfertigung geplant, um das Sensorsystem zu vermarkten.

Projektinformationen: Das Forschungsprojekt „RE-Con-3D – Entwicklung eines energieautarken, robusten Sensorsystems zur digitalen Erfassung mehrdimensionaler Daten zur Maschinendiagnose und -vorhersage an schwingenden Maschinen“ wurde von Oktober 2021 bis Ende April 2023 unter der Leitung von Prof. Dr. Axel Wellendorf an der TH Köln durchgeführt. Die INS GmbH entwickelte die elektronischen Komponenten des Sensorsystems, und die Plastec Kunststofftechnikum Oberberg GmbH konstruierte den Energiewandler. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ (ZIM) mit rund 430.000 Euro gefördert.

Basierend auf einer Pressemitteilung von TH Köln vom 22.11.2023