Fragen & Antworten

Von Condition Monitoring System, oft mit CMS abgekürzt, auch Condition based Maintenance (MBS) genannt, spricht man bei Einsatz von Sensoren in Bauteilen in Kombination mit einem Rechenalgorithmus, der auf einen notwendig werdenden Tausch des Teils hinweist.

Nichts hält ewig. gerade Bauteile unter großer wechselnder Belastung durch Schwingungen oder Bauteile, bei denen Reibung eine Rolle spielt, verschleißen. Reifen und Bremsbeläge in Fahrzeugen aller Art sind Beispiele für den Verschleiß durch Reibung. Unsere Gummi-Metalllager werden durch große Schwingungen belastet und dadurch im Laufe Zeit, ausgelegt meist auf etwa 10 Jahr, immer weicher bis sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen. Es gibt darüber hinaus noch andere Mechanismen, die aber bei elastischen Gelenken, unsere Hauptprodukte, eine untergeordnete Rolle spielen.

Es gibt Messgrößen, die den Grad der Schädigung gut repräsentieren. Die müssen identifiziert, dann gemessen und aufgezeichnet werden. Der Zustand, condition, wird überwacht, monitored. Die Messgröße selbst oder die Veränderung der Messgröße wird bewertet. Im einfachsten Fall gibt es einen festen Grenzwert, bei dessen Überschreitung eine Warnung erfolgt und ein baldiger Austausch der überwachten Komponente erforderlich wird. So einfach ist es in der Regel aber nicht. Meistens werden viele Daten über die Einsatzzeit aufgezeichnet und dann per Rechenalgorithmen oder per KI verarbeitet, so dass ein rechtzeitiger Hinweis auf einen bald notwendigen Tausch erzeugt wird. Wie lange genau das jeweilige Bauteil noch hält, kann so „nur qualifiziert geschätzt“ werden Die Königsdisziplin zum Condition monitoring heißt predictive maintenance. Dabei will man den Zeitpunkt des endgültigen Lebensdauerendes möglichst genau vorhersagen. Eine Vorhersagegenauigkeit von 10% wäre an der Stelle sehr gut. Das bedeutet, dass die Vorhersage bei einem Zeitraum von 10 Monaten bis zum tatsächlichen Ausfall einen Zeitraum von 9 bis 11 Monaten bis dahin prognostizieren würde, sofern die Belastungen nicht zu- oder abnehmen.
CMS vermeidet auch den ungeplanten Ausfall der Komponente, was unter Umständen zu großen Folgeschäden an der Maschine, in der die überwachte Komponente eingesetzt wird, führen könnte.

Kostengünstig planbar? Klingt das eher wie ein Werbeversprechen oder doch wie eine Sensation? Denn heute wird eine Belastung aus Messungen und Berechnungen ermittelt, mit der das Bauteil erprobt wird. Man will natürlich, dass nahezu alle Teile dieser Teilegruppe, die in den verschiedenen Fahrzeugen, z.B. elastische Lenkerlager eine LKW, eingebaut werden, die geplanten 10 Jahre halten. Die Belastungen unterscheiden sich sehr stark von Fahrzeug zu Fahrzeug. Auch die tatsächliche Belastbarkeiten der verschiedenen Teile einer Serie unterscheiden sich. Man muss also sicherstellen, dass das schwächste Teil mit der größten Belastung erprobt wird und hält. Mit anderen Worten: das robusteste Teil könnte bei der geringsten Belastung zum Teil sehr viel länger halten. Sieht man dem Teil von außen gar nicht oder nur mit sehr großem Aufwand an, ob es getauscht werden müsste, so wird präventiv getauscht. Je stärker die Belastungen sich von Fahrzeug zu Fahrzeug – eines Typs natürlich – unterscheiden und je stärker sich die Belastbarkeit von Teil zu Teil – eines Typs natürlich – unterscheiden, desto größer ist die Verschwendung durch zu frühen Tausch der Komponente. Wir haben Beispiele gesehen, bei denen Teile getauscht wurden, die erst bei einem Drittel der individuell möglichen Einsatzzeit lagen.

Bei unseren Gummi-Metallteilen, Schlitzbuchsen, Duobuchsen etc. ist die physikalische Messgröße, die die fortschreitende Degradation repräsntiert, eigentlich die Bauteilsteifigkeit Die ist aber kaum direkt zu messen. Allerdings wird bei abnehmender Steifigkeit des Bauteils und gleicher Kraft ein größerer Weg gemacht. Dadurch wird mehr mechanische Bewegungsenergie in thermische Energie, also Wärme umgewandelt. Die Duobuchse als Lagerung eines Stabilisators im LKW-Fahrwerk oder als Lagerung der Wankstütze im Drehgestell eines Eisenbahnwaggons wird sich im Laufe der Zeit bei gleicher Belastung stärker erwärmen. Wärme kann man sehr gut messen. Man muss die Temperaturdifferenz der Buchse zur unmittelbaren Umgebung messen, um Einflüsse der Umgebungstemperatur auszuschließen. Vergleicht man den Verlauf dieser Temperaurdifferenz, nachdem die Kurve um die Stillstandszeiten reduziert worden ist, mit dem Verlauf der zunehmenden Wege, so lässt sich gut eine Korrelation erkennen. Man kann diese Temperaturverläufe also sehr gut nutzen.
Nach einigen mathematischen Operationen kann ein Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem auf einen bald notwendigen Tausch der Komponente hingewiesen wird. Man kann die Parameter so einstellen, dass die Warnung bei etwa 70 bis 90% der tatsächlich möglichen Laufzeit erfolgt. Mitunter ist es insgesamt nicht optimal erst bei knapp 100% der tatsächlich möglichen Laufzeit den Tausch zu planen. Oft ist es sogar günstiger den Tausch noch früher durchführen. Das ist dann der Fall, wenn an dem Fahrzeug oder der Windenergieanlage ohnehin eine größere Wartung durchgeführt werden muss. Es sei denn, man kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit die nächste große Wartung erreichen.

So viel zur Theorie von Condition Monitoring. Wie funktioniert es nun mit unseren Bauteilen, mit unseren Gummi-Metallteilen? Wie gesagt, wir messen Temperaturen beziehungsweise Temperaturdifferenzen. Das geschieht mit einfachen Thermoelementen oder auch PT100 Elementen, die möglichst dicht an der Position installiert sind, wo die höchsten Temperaturen zu erwarten sind. Idealerweise wäre das im Gummikörper selbst. Das allerdings ist nicht möglich, weil dann eine solche Stelle eine mechanische Kerbe wäre und auch die Verbindung zwischen dem Gummiwerkstoff und dem Sensor nicht optimal sein kann, so dass hier aufgrund von Reibung zusätzliche Wärmeeffekte entstünden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch im Außenteil des Gummimetallteils in der Nähe des Hotspots der Temperatur die Temperaturdifferenz gut messbar ist.

Die Änderung der Temperaturdifferenz wird dann über die Zeit aufgetragen und ausgewertet. Aus dem Verlauf dieser Kurve kann man den Zeitpunkt bestimmen, zu dem das Gummilager ausgetauscht werden sollte.

Ein charmanter Vorteil der Methode der Temperaturmessung ist die Einfachheit. Die Temperatursensoren gehören zu den kostengünstigsten Sensoren überhaupt und dadurch, dass sie als Messsignal eine Spannung oder eine Spannungsänderung beziehungsweise eine Widerstandsänderung ausgeben, ist auch die Auswerteelektronik extrem einfach und kostengünstig. Der Speicherplatz für den Algorithmus, den wir benötigen, ist sehr klein, was bedeutet, dass wir in aller Regel keine eigenen Controller benötigen, sondern uns einfach auch auf vorhandene Controller, wenn wir denn dürfen, aufschalten können. Als Ergebnis kommt dann ein Signal im Ampelformat von grün, gelb und rot, wobei dann gelb andeutet, dass ein baldiger Austausch bevorsteht. Rot würde bedeuten, es muss jetzt sehr dringend getauscht werden.

Condition Monitoring wird heutzutage in Branchen und in Maschinen, in denen die zu überwachenden Geräte in aller Regel gewerblich genutzt werden, mit denen also Geld verdient wird, eingesetzt, Investitionsgüter, weil Investitionsgüter natürlich nur bei ungestörtem Betrieb Geld verdienen.  Condition Monitoring abgekürzt CMS ist eben ein Beitrag dazu, dass diese Geräte störungsfrei laufen können oder dass die Wartung auch langfristig geplant werden kann. Aktuell wird im Bereich der Windenergieanlagen viel CMS eingesetzt. Diese Maschinen sollen überwiegend autonom betrieben werden. Aktuell müssen jedoch zu häufig Servicetechniker*innen auf die Türme steigen. Seit vielen Jahren fordern in dieser Industrie auch die Versicherung der Windenergieanlagen eine entsprechende Fernwartung per CMS zur Sicherstellung einer Schadensvermeidung.
Hier werden überwiegend Bauteile überwacht wie etwa Kugellager, Wälzlager und Getriebe.

Eine weitere Branche, in der sich das Thema CMS gerade zu verbreiten beginnt, ist die der Schienenfahrzeuge. Auch hier geht es um Investitionsgüter, die einfach nur dann Geld verdienen, wenn sie auf der Schiene fahren, und nicht, wenn sie im Depot stehen und gewartet werden. 
CMS wird aktuell (noch) nicht für Gummiteile eingesetzt. Bei der Jörn GmbH ist die Funktion des Jörn CMS auf Prüfständen nachgewiesen und aktuell laufen die ersten Felderprobungen.

Das Kundennutzen liegt auf der Hand. Zwar wird das Bauteil im ersten Schritt teurer wegen der zusätzlichen Sensorik und Elektronik. Allerdings können im späteren Verlauf der Nutzungsdauer die sogenannten Life Cycle Cost reduziert werden, weil die Bauteile einfach bedarfsgerecht getauscht werden und nicht präventiv. Oftmals ist der Tausch der Teile, die Arbeitszeit und die Zeit des Stillstands der Maschine, viel teurer als die zu tauschenden Teile selbst. Wenn man es dann noch schafft, die Wartungszyklen, die Tauschzyklen, von mehreren Komponenten zu harmonisieren und auch nur das tauscht, was notwendig ist zu tauschen, ergibt sich ein enormer Kostenvorteil über die Betriebsdauer.

Ein einfaches Rechenbeispiel: Stellen Sie sich vor, Sie benötigen zur Erbringung einer bestimmten Transportleistung 100 Züge. Stellen sie sich weiter vor, dass die Züge 10% ihrer Zeit gewartet werden müssen. Das bedeutet in Realität, dass sie für die Erbringung der Transportleistung 111 Züge vorhalten müssen. Wenn sie nun durch Condition Monitoring erreichen können, dass die Züge nur 5% ihrer Einsatzzeit in der Wartung verbringen müssen, ergibt sich als Bedarf für die Erbringung der Transportleistung von 100 Zügen die Notwendigkeit 105 Züge also 6 weniger einsetzen zu müssen. Das ist natürlich ein großer wirtschaftlicher Vorteil.

Aktuell gibt es noch keine Anwendung in Serie mit unseren Teilen. Wir sind noch in dem Bereich der Vorentwicklung, aber der erste Feldversuch in einem realen Einsatz hat begonnen. Grundsätzlich eignen sich unsere Bauteile, die mit Schwingungen belastet sind, hervorragend für dieses Konzept und da auch besonders Bauteile, die relativ verdeckt eingebaut sind, bei denen man nicht durch eine einfache optische Begutachtung einen Schaden oder einen Schadensfortschritt feststellen kann. Das sind im Bereich von Schienenfahrzeugen zum Beispiel jede Art von Lenkerbuchsen, Stabilisatorlager oder auch Wankstützlager. Im Bereich von Windenergieanlagen können das die Generator- und Getriebelager sein. Überall dort, wo ein Austausch der Teile sehr aufwendig ist im Vergleich zum Teilepreis, wo nicht erkennbar ist, ob die Teile geschädigt sind oder nicht, kann unser System sinnvoll zum Einsatz kommen.

Denkbar ist es sicherlich auch, diese Technologie in Lkw-Fahrwerken einzusetzen. Zumal wir da ja unsere Teile auch hin liefern. Wir können uns genauso auch Anwendungen im Bereich der Baumaschinen vorstellen, bei denen eine Überwachung der Komponenten sinnvoll sind. Jetzt muss man natürlich sagen, dass diese Technologie noch neu ist. Es gilt die Stückzahlen noch zu entwickeln, um Skaleneffekte für den Preis realisieren zu können.

Sinnvolle Stückzahlen für dieses Produkt bei Jörn beginnen bei wenigen hundert Teilen im Jahr bis zu aktuell ein paar 1000 teilen im Jahr. Ich denke, dass es zu einem späteren Zeitpunkt nach oben wenig Grenzen gibt.

Das ist ja ohnehin ein typischer Stückzahlbereich für alle unsere Produkte.

Sicher ist, wo wir unsere Produkte verbauen, werden unsere Kunden sich erst nach deutlich mehr als 10 Jahren wieder melden und Ihre Folgebestellung aufgeben.

Wenn Sie weitere Fragen haben zu diesem Thema. Zögern Sie nicht, sich an uns zu wenden und wir beantworten Sie so schnell wie möglich und in jedem Fall sehr gerne.