We kennen drie filosofieën voor het onderhoud van spoorvoertuigen: correctief onderhoud; preventief onderhoud en ten derde predictief onderhoud.
Download het artikel in 
Deze laatste methode betekent dat de componenten alleen worden vervangen indien écht nodig. Vervangingen kunnen ook simultaan met andere aktiviteiten worden uitgevoerd, hetgeen planning perfect mogelijk maakt. De Lijn Oost-Vlaanderen startte met de implementatie van predictief onderhoud voor de Siemens trams MGT6, de zogenaamde Hermelijntrams begin 2007. Dit gebeurde in samenwerking met Coservices International, een Belgisch bedrijf gespecialiseerd in predictief onderhoud.
Onderhoudsstrategieën
Correctief onderhoud betekent dat reparaties of vervangingen worden uitgevoerd na een onvoorziene breakdown. Dit leidt tot veel ongemak en een hoge stilstandskost (een nieuwe tram kost ongeveer 2,5 miljoen €). Tevens kan dit defect leiden tot extra schade en zelfs tot gevaarlijke situaties. Onnodige vervangingen worden echter vermeden gezien de component alleen wordt vervangen indien écht defect.
Preventief onderhoud betekent dat de componenten worden onderhouden op tijd- of kilometerbasis, ook al is de vervanging technisch gezien nog niet nodig. Vervangingen gebeurden dan ook meestal te vroeg. Dit is een dure en inefficiënte strategie, gezien de hoge arbeid- en materiaalkost(12.300 € per tram voor de aankoop van lagers alleen al) en stilstandkost van de tram (450 € per hermelijn per dag). De constructeur en alle onderleveranciers hebben tevens allemaal hun eigen onderhoudsprogramma’s die niet op elkaar zijn afgestemd.
Voordeel is wel dat de verantwoordelijkheden volledig zijn gedekt door de constructeur. Als bij voorbeeld een defect lager zó oververhit is dat omringend materiaal ook beschadigd werd of als een defect wiellager leidde tot een ontsporing, kan de onderhoudsingenieur de verantwoordelijkheid afwentelen op de constructeur gezien zijn inadequaat onderhoudsprogramma.
Predictief onderhoud, ook gekend als Condition Based Monitoring (CBM), evalueert de conditie van de onderdelen door periodieke of continue conditie-monitoring. Het doel van predictief onderhoud is vervanging uitvoeren op het meest efficiënte moment en vóór het onderdeel in panne valt.
Met predictief onderhoud kan de levensduur van de onderdelen worden voorspeld en kan perfect gepland worden wanneer deze vervangen moeten worden. Dit brengt belangrijke besparingen in onderhoudskost met zich mee met minder werkuren en zonder onnodige vervangingen. Vervangingen kunnen tevens worden uitgevoerd simultaan met andere aktiviteiten om zo stilstandskost te reduceren.
De Lijn Oost-Vlaanderen onderzoekt de bogies van de Hermelijntrams op basis van een weldoordacht frequentie-analyseprogramma. Om mogelijke lagervervangingen simultaan uit te voeren met het vervangen van wielbanden worden frequentiemetingen uitgevoerd de dag vóór de wielbanden moeten worden vervangen. Dit gebeurt elke drie à vier jaar. De dag na de metingen stuurt Coservices (het bedrijf dat ook de metingen uitvoert) een adviserend rapport waarin staat welke lagers en/of tandwielen moeten worden vervangen of op een later tijdstip opnieuw moeten worden gemeten om nóg een beter beeld te krijgen van de mogelijke schade.
Basisbegrippen van trillingsanalyse
Trillingsanalyse is een systematische methode voor het diagnosticeren van de toestand van mechanische onderdelen. De metingen worden gedaan terwijl de machines draaien, liefst bij een constante en hoge snelheid.
Trillingsanalyses kunnen een groot scala aan imperfecties meten: onbalans, slechte uitlijning, schade aan tandwiel en lager, losgekomen onderdelen, te weinig smering, electrische problemen en resonanties.
Om mechanische en elektrische problemen te detecteren wordt de golfvorm van de trilling van de component gemeten met een accelerometer en datacollector. De gemeten golfvorm wordt omgezet in een spectrum door FFT (Fast Fourier Transformation). Zo wordt bijvoorbeeld een puur harmonische golfvorm gekarakteriseerd door één frequentie en één amplitude. Veel mechanische fouten, zoals voorkomend in lagers en tandwielen, zullen resulteren in een niet-harmonische periodieke golfvorm. Het FFT-spectrum van periodieke impacts zal een frequentie tonen corresponderend met het omgekeerde van de periode (de grondfrequentie) en veelvouden van deze frequentie (de harmonischen).
De grondfrequentie en de harmonischen zijn gekend als een harmonische familie. Voor lagers kennen we vier types van foutfrequenties:
- BPFO: Ball Pass Frequency of Outer race.
- BPFI: Ball Pass Frequency of Inner race.
- BSF: Ball Spin Frequency of roller elements.
- FTF: Fundamental Train Frequency.
Frequentietabel
Een exceltabel wordt gebruikt om alle mogelijk metingen en data te combineren. Voor ieder motortoerental berekent de file de rotatie-frequenties van de verschillende assen en de mogelijke frequenties van lager- en tandwielfouten. Naarmate meer en meer metingen worden uitgevoerd worden de theoretische gegevens gecombineerd met de reeds gemeten data.
Meten van golfvormen van frequenties
Met een draagbare accelerometer en datacollector van CSI worden metingen uitgevoerd op verschillende plaatsen. Deze meetgegevens worden verzameld en verwerkt in een databank voor verdere analyse en voorspelling.
Ook worden peakvue metingen uitgevoerd. Peakvue is een speciale techniek die gebruikt wordt voor de detectie van trillingsenergie bij hoge frequenties, door gebruik te maken van enveloppe- en demodelatietechnieken.
Meetpunten
Álle lagers van de aangedreven en niet-aangedreven bogies van álle hermelijnen worden gemeten: lagers van de motoren, in de tandwielkasten en de wiellagers.
We kunnen ons namelijk niet veroorloven om met steekproeven te werken gezien alle lagers andere karakteristieken hebben: het assembleren, installeren en smeren gebeurt namelijk manueel. Tevens zijn er steeds productietoleranties. Ook de rij-omstandigheden variëren en lekstromen kunnen vloeien door lagers.
- tractiemotor: twee standaard radiale meetpunten, één hoge resolutie radiaalmeetpunt (om bv electrische problemen te meten), één standaard axiaal meetpunt en één peakvue radiaal meetpunt.
- tandwielkast (bij elke as): twee standaard radiale meetpunten, één standaard axiaal meetpunt en twee peakvue radiale meetpunten.
- tramwielen (elk wiel): één standaard radiaal meetpunt, één standaard axiaal meetpunt en één peakvue axiaal meetpunt.
Samengevat voor de complete tram: 116 standaard en peakvue meetpunten.
Vóór we begonnen met de systematische metingen werden verschillende tests uitgevoerd om de beste meetcondities te bepalen. Onze CNC-ondervloerdraaibank voor het periodiek herprofileren van de tramwielen is niet geschikt omdat deze de wielen slechts kan aandrijven tot een maximale snelheid van 4 km/h, hetgeen te traag is voor realistische frequentie-analyses.
 |
Een complete bogies (twee tractiemotoren, twee tandwielkasten en vier wielen) werd opgehangen terwijl de tramwielen rustten op kleine wieltjes. De elektrische tractiemotor werd aangedreven door een externe, variabele frequentiegestuurde voeding.
Deze test was niet geschikt want het geheel begon te dansen en de lagers van de kleine wieltjes raakten oververhit, ook al werd de bogie deels opgehangen aan een rolbrug. De wieltjes werden zwaar overladen en veroorzaakten tevens parasitaire trillingen die de meetresultaten beïnvloedden.
Test 2: tram rijdend op de sporen
Nadat trillingssensoren via coaxkabels door de vensters werden verbonden met de meetapparatuur in het interieur van de tram, werden metingen uitgevoerd terwijl de tram reed aan een constante snelheid van 50 km/h. Ook dit gaf onbevredigende resultaten gezien de vele parasitaire trillingen, ontstaan door het metaal-metaal contact tussen wielen en rails.
Dit creëerde nutteloze trillingsspectra, hetgeen het ons onmogelijk maakte om lagerfouten te detecteren.
Test 3: complete tram wordt opgeheven met 12 hefbokken
De motoren, tandwielkasten en lagers van de trams worden gemeten in de werkplaats nadat het 41 ton wegende voertuig is opgeheven met 12 electrische hefbokken. Voor deze metingen worden de 4 tractiemotoren (95 kW per motor) één per één aangedreven door een externe frequentiegestuurde voeding tot 3600 toeren per minuut. Dit komt overeen met een draaisnelheid van de tramwielen van 440 toeren per minuut, het equivalent van rijden aan 50 km/h.
Deze methode maakt het mogelijk om zeer lage amplitudes van fouten te detecteren. Toch waren er nog twee nadelen verbonden aan deze methode:
- Het was nog niet mogelijk de lagers te meten van de niet-aangedreven wielen.
- De lagers van de aangedreven wielen worden op een andere manier belast dan wanneer de tram rijdt.
Test 3 bis: wielen van de niet-aangedreven bogies
Om deze lagers te meten, ontwikkelde De Lijn een speciaal stuk gereedschap. Dit bestaat uit twee luchtbanden, verbonden met twee electromotoren (2 x 1,1 kW) op een chassis. Het geheel wordt onderaan geduwd tegen de niet-aangedreven wielen en laat deze draaien aan een constante snelheid van 50 km/h. Met dit gereedschap kunnen nu alle tramwielen worden gemeten. Vóór dit toestel in gebruik werd genomen werden enkele tests uitgevoerd om de niet-aangedreven wielen te laten draaien. Zo werd overwogen om de wielen van een ‘duveltje’ te gebruiken, maar deze zijn niet ontworpen om 50 km/h te rijden!
Uiteindelijk vond De Lijn een oplossing in de wereld van de go-carting, waar luchtbanden met een kleine diameter in staat zijn om tot 250 km/h te rijden. Deze luchtbanden filteren parasitaire trillingen weg en zijn nu dus een ideaal hulpmiddel om nu ook de niet-aangedreven tramwielen aan te drijven.
Tijdsinterval tussen metingen
De trams worden gemeten als ze nagelnieuw zijn, om kinderziektes tijdens de garantieperiode te detecteren. Vanaf dan worden ze elke 3 à vier jaar gemeten, zodat eventuele vervangingen kunnen worden uitgevoerd simultaan met de vervanging van de wielbanden.
Besparingen per tram op totale lagerkost
Voor iedere gereden 960.000 km hebben we volgende kosten:
- 82.000 € als het preventief onderhoudsprogramma zoals voorzien door de constructeur strict wordt gevolgd. (Stel = 100%)
- 64.000 € als vervangingen worden uitgevoerd simultaan met het vervangen van de wielbanden (78%).
- 11.500 € als predictieve metingen worden uitgevoerd en 10 % van de lagers moet worden vervangen (15%).
- Minimaal 3500 € als de lagers in goede conditie blijven voor verder gebruik, maar periodiek predictieve metingen worden uitgevoerd (4%).
Tot einde augustus 2010 werden 54 niet-aangedreven en 117 aangedreven bogies gemeten op al onze 41 hermelijnen. Ernstige lagerschade van niet-aangedreven wielen werd gedetecteerd, evenals schade aan lagers van gloednieuwe tandwielkasten – tijdens de garantieperiode. Ook werd ernstige schade ontdekt bij verscheidene motorlagers ontstaan door elektrisch geïnduceerde lekstromen. Tevens werden problemen vastgesteld door teveel speling binnenin enkele lagers.
Besluit
Met vallen en opstaan werd een zeer bevredigende methode ontwikkeld én geïmplementeerd voor frequentieanalyse van moderne trams. De toestand van de complete tram (tractiemotoren, tandwielkasten en aangedreven en niet-aangedreven wielen) kan nu worden gemeten met behulp van frequentie-analyse.
Dankzij dit frequentieanalyse programma kunnen belangrijke besparingen worden gerealiseerd op onderhoudskosten met een vermindering van werkuren en zonder onnodige vervangingen. Nodige vervangingen kunnen worden gepland samen met andere activiteiten, hetgeen resulteert in een vermindering van down-time kosten.
Volgend op een bezoek van een ingenieur van Basler Verkehrs-Betriebe (BVB) uit Zwitserland in oktober 2009, tijdens een UITP-rondgang in de werkplaatsen van Gentbrugge, kocht de tramoperator in de lente van 2010 een gelijkaardige acceleratiemeter annex draagbare datacollector om zelf frequentiemetingen uit te voeren. Om een goed overzicht van de condities van de lagers en tandwielen van 28 moderne Combinotrams van Siemens te bekomen, voert een BVB-technieker periodieke metingen uit en mailt de meetresultaten naar Coservices in België. Een ervaren ingenieur van Coservices maakt een meetrapport op, laat dit vertalen naar het Duits en mailt dit terug naar de operator in Basel. Dit bewijst dat we met onze succesvolle meetmethodes nu reeds navolging krijgen in het buitenland. <<
door Patrick Debeuf, De Lijn Oost-Vlaanderen
