Automatisierung in der Prüfung von Flugzeugrädern und -bremsen

Die Räder- und Bremsenabteilung von Parker Hannifin führt eine Vielzahl von Tests durch, um den ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb von Flugzeugrädern und -bremsen sicherzustellen. Da im Labor dafür bislang verschiedene veraltete Geräte und Systeme verwendet wurden, suchten die Ingenieure nach einem neuen, einheitlichen System, das in der Lage sein sollte, sämtliche Tests abzudecken. Dewesoft lieferte eine Lösung, die ihren Anforderungen voll entsprach.

Der Umstieg auf eine neue Schlüsseltechnologie ist für jedes Prüflabor ein schwieriger Prozess. Wenn Unternehmen versuchen, mit der technologischen Entwicklung Schritt zu halten, neue Kompetenzen aufzubauen und die Effizienz zu verbessern, müssen sie Kosten und Produktivität intern sorgfältig gegeneinander abwägen. Zudem liegt es in der Natur des Menschen, Risiken eher zu scheuen. Er hält sich gern an das Motto „Warum etwas ändern, wenn es funktioniert?“. 

Die Räder- und Bremsenabteilung von Parker Hannifin ist seit 1936 Marktführer in der Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Systemen für Flugzeugräder und -bremsen sowie von Hydraulikprodukten für die allgemeine und kommerzielle Luftfahrt, Drehflügler und militärische Luftfahrtanwendungen. 

Die Abteilung operiert inzwischen unter dem Dach der Kaman Corporation, hat ihren Sitz jedoch nach wie vor in Avon, ganz in der Nähe von Cleveland (Ohio, USA). Sie führt eine Vielzahl von Tests durch, um den ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb von Flugzeugrädern und -bremsen sicherzustellen. 

Das Problem – Systemintegration und -flexibilität

Das Testlabor der Räder- und Bremsenabteilung von Parker Hannifin (Aircraft Wheel and Brake Qualification Test Laboratory, AWB) verwendete zur Durchführung der Tests verschiedene Test- und Messgeräte, die jedoch kein „System“ im eigentlichen Sinne darstellten, da sie nicht synchronisiert waren und jeweils einzeln bedient werden mussten. 

Jeder Test erforderte eine schrittweise manuelle Einrichtung und war mit erheblichem Aufwand verbunden. Da mehrere Techniker beteiligt waren, unterschieden sich zudem die Konfigurationen von Test zu Test. Das Fehlen eines integrierten Datenerfassungssystems bedeutete, dass die Details der Testkonfiguration und sogar einige Daten manuell auf Papier protokolliert werden mussten.

AWB stand vor einer klassischen Entscheidung: Sollte ein handelsübliches Datenerfassungssystem beschafft und an die spezifischen Anforderungen angepasst werden, oder sollte man verschiedene Datenerfassungs-Hardwarekomponenten kombinieren und dann Monate oder gar Jahre in die Entwicklung maßgeschneiderter Software mit LabVIEW oder einer anderen Programmiersprache investieren? Oder gab es vielleicht eine auf dem Markt verfügbare Lösung, die das Beste dieser beiden Ansätze vereinte und die zeitaufwändige und kostenintensive Programmierung überflüssig machte?

Verstehen Sie mich nicht falsch: Das AWB führte seine Tests professionell durch und erhielt zuverlässige Daten, die die Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte ermöglichten. Aber der Prozess war sicher nicht effizient. Schließlich kam man im Labor zu dem Konsens, dass ein wirklich integriertes Datenerfassungssystem benötigt wurde, eines, das es den Technikern erlaubt, Tests jedes Mal auf identische Weise durchzuführen, indem sie diese einfach aus einer Liste in einem vollständig integrierten Hard- und Softwareinstrument auswählen. 

Eine solche Lösung würde nicht nur die Techniker zufriedenstellen, da identische Testkonfigurationen den Vergleich von Messdaten erheblich erleichtern, sondern auch das Management, das durch geringere Kosten pro Test von der gesteigerten Effizienz profitieren würde.

Die Anwendung – Prüfung von Flugzeugrädern und -bremsen

Bevor ich auf die vom AWB implementierte Lösung eingehe, möchte ich einen Überblick über die Arten von Tests geben, die dort täglich durchgeführt werden.  

Der Start und die Landung sind die beiden kritischsten Phasen im Betrieb eines Flugzeugs. AWB ist verantwortlich für die Prüfung von Haupträdern, Bugrädern, Hauptbremsen sowie der zugehörigen Hydraulikkomponenten. 

Nachvollziehbare und reproduzierbare Tests sind entscheidend für die Zertifizierung neuer Flugzeugkonstruktionen sowie für die laufende Wartung und Sicherheit bestehender Flugzeugflotten. Die Tests erfolgen auf Grundlage von Branchenstandards und Vorschriften – unter anderem jenen der US-amerikanischen Luftfahrtbehörde (Federal Aviation Administration, FAA), der DO-160- und MIL-Normen sowie der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA). 

Das Labor führt diese Tests mithilfe verschiedener Prüfverfahren durch, darunter Dynamometer-, Roll-, kombinierte Last-, Dauer- und Impulstests, Druck- und Berstprüfungen sowie Umwelttests. Hier eine kurze Beschreibung der einzelnen Verfahren:

Dynamometer-Test

Mit Dynamometern können Ingenieure reale Bedingungen in einer kontrollierten Umgebung simulieren. Dynamometer messen das Drehmoment und die Drehzahl eines Rades, das mit ihnen in Kontakt kommt, und ermöglichen die Simulation der Belastungen, denen das Rad während des Starts, der Landung und des Rollens ausgesetzt ist. Durch die gezielte Beaufschlagung des Rades mit unterschiedlichen Lasten können die Ingenieure seine Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Bedingungen – etwa bei variierenden Geschwindigkeiten, Temperaturen, Reifendrücken und Gewichtseinwirkungen – bewerten und auf Grundlage der Ergebnisse die erforderlichen Anpassungen oder Verbesserungen vornehmen.

Kombinierter Belastungstest

Bei Belastungstests wird die Fähigkeit der Flugzeugräder und -bremsen geprüft, den Belastungen und Beanspruchungen standzuhalten, denen sie während des Starts, der Landung und des Rollens ausgesetzt sind. Bei kombinierten Belastungstests setzen Techniker die Räder und Bremsen Kombinationen aus vertikalen, lateralen und longitudinalen Lasten aus, die die tatsächlichen Bedingungen simulieren, denen ein Flugzeug im Betrieb ausgesetzt ist. 

Ausdauerprüfung

Diese Tests ermöglichen es den Ingenieuren, die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Flugzeugräder und -bremsen unter Dauerbetrieb zu bewerten. Bei Ausdauerprüfungen werden die Räder und Bremsen einer Serie wiederholter Start- und Stoppvorgänge unterzogen, die die Start- und Landungszyklen simulieren, wie sie während des regulären Flugbetriebs auftreten.

Impulstests

Impulstests bewerten die Fähigkeit der Flugzeugbremsen, plötzlichen und extremen Geschwindigkeit- oder Richtungsänderungen standzuhalten. Dabei werden die Bremsen abrupten, intensiven Stoppvorgängen ausgesetzt, wie sie in realen Notbremssituationen auftreten können. 

Rolltests

Bei Rolltests wird die Fähigkeit der Räder bewertet, den Belastungen beim Rollen während des Start- und Landevorgangs standzuhalten. Diese Tests werden auf einem Prüfstand durchgeführt, wo während des Rollens eine Last auf die Räder aufgebracht wird, die das Gewicht des Flugzeugs simuliert. So lassen sich potenzielle Probleme (wie etwa Überhitzung, Vibrationen oder Verschleiß) an den Rädern oder Bremsen identifizieren, die die Betriebssicherheit des Flugzeugs beeinträchtigen könnten.

Druck- und Bersttests

Diese Tests dienen der Gewährleistung der Sicherheit von Flugzeugrädern. Sie ermöglichen es den Ingenieuren, den maximal zulässigen Betriebsdruck zu bestimmen und zu prüfen, ob ein Rad extremen Belastungen standhält und unter normalen wie auch unter Notfallbedingungen sicher und zuverlässig funktioniert.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Prüfverfahren, wie z. B. Dichtheitsprüfungen, Extremtemperaturtests, Temperaturauslagerungstest und vieles mehr. 

Tausch der Testsysteme

Das im AWB vorhandene „System“ erfüllte zwar seinen Zweck, war jedoch in die Jahre gekommen. Es bestand aus einer Reihe einzelner Geräte, die jeweils über ein eigenes Display und eine eigene Schnittstelle verfügten. Steuerungen, Oszilloskope, Funktionsgeneratoren und weitere Komponenten – alles war irgendwie zusammengestückelt, und nichts war automatisiert. 

Die Techniker mussten ihre Arbeit von Hand auf Papier protokollieren, während sie gleichzeitig mehrere voneinander unabhängige Geräte bedienten. Es gab weder Alarme noch eine Zyklussteuerung oder eine Fernabschaltfunktion. Das „System“ funktionierte, war aber bei Weiten nicht optimal.

AWB wollte ein einheitliches System, das sich flexibel an die gesamte Bandbreite der erforderlichen Tests anpassen ließ. Wie bereits erwähnt, sollte dieses System zudem keinerlei – nicht einmal grundlegende – Programmierkenntnisse erfordern, da dafür weder Zeit noch Ressourcen zur Verfügung standen. Man entschied sich aus verschiedenen wichtigen Gründen für Dewesoft als Anbieter:

• Die Datenerfassungshardware erfüllt problemlos die Anforderungen an Abtastrate und vertikale Auflösung. 

• Die DewesoftX Software ist ohne zusätzliche Kosten, Lizenz- oder Updategebühren im Lieferumfang der Hardware enthalten.

• DewesoftX bietet einen integrierten Sequenzer, der es dem AWB ermöglicht, die Testabläufe zu automatisieren. Das Testlabor kann Schritt-für-Schritt-Tests mit Benutzerführung und individuell angepassten Anzeigen erstellen, wobei eine Konfiguration auf Makroebene ausreicht und keine Low-Level-Programmierung erforderlich ist.

• Neben den analogen und digitalen Eingängen stehen auch analoge und digitale Ausgänge zur Verfügung, sodass externe Controller und Funktionsgeneratoren ersetzt werden können – alles kann vollständig integriert und automatisiert werden.

Obwohl verschiedene Verbindungsoptionen zur Verfügung stehen, entschied sich das AWB für das SIRIUS-Modul mit DB9-Anschlüssen, da bei jedem Test identische Kabelbäume zum Einsatz kommen. Die mehrpoligen Steckverbinder erlauben zudem den Zugriff auf die Sensorstromversorgung und TEDS für die automatische Sensorerkennung.

Zur Erweiterung des Systems für Temperaturmessungen und zusätzliche Spannungskanäle wählte das AWB mehrere besonders robuste, wasserdichte, mehrkanalige KRYPTON Modul. Jedes KRYPTON-TH-Modul bietet acht isolierte Universaleingänge für Thermoelemente. Da sie nahe am Messpunkt platziert werden können, werden die Kosten für teure Thermoelementkabel reduziert. 

Im KRYPTON-Modul werden die Daten digitalisiert und anschließend über die EtherCAT-Schnittstelle – die auch Synchronisationsdaten und Strom überträgt – an das SIRIUS-Modul gesendet. Alle Daten werden unabhängig von ihrer Quelle synchronisiert.

Das AWB entschied sich außerdem für ein KRYPTON-Modul mit vier zusätzlichen Spannungseingängen mit BNC-Buchsen, wodurch sich die Gesamtzahl der analogen Kanäle auf 20 erhöhte. An dieser Stelle soll erwähnt sein, dass KRYPTON-Module extremen Betriebsbedingungen, Stößen, Vibrationen und Temperaturen (-40 °C bis +80 °C) standhalten. Darüber hinaus sind sie in Schutzart IP67 ausgeführt und somit komplett wasser-, staub-, öl- und partikeldicht. Dadurch können KRYPTON-Module stets nahe am Messpunkt platziert werden.

Ein wesentlicher Faktor bei der Entscheidung für Dewesoft war der in DewesoftX integrierte Sequenzer. Er ermöglicht es, Tests vorzukonfigurieren und mit der erforderlichen Benutzerführung, individuell angepassten Anzeigen und sogar Datenausgaben auszuführen. Die Tatsache, dass Software mit lebenslangen Updates ohne zusätzliche Kosten im Lieferumfang der Hardware inbegriffen ist, war ein weiterer wichtiger Vorteil in Bezug auf die Investitionsrendite.

Diese Kombination aus Hardware, Software und Anwendungswissen erlaubt es dem AWB, eine komplette Testlösung zu erstellen, mit der alle Teammitglieder wiederholbare, vollständig dokumentierte Ergebnisse erzielen können.

Nach der Auswahl des Testtyps in der Software erscheint ein zweites Dialogfeld, in dem der Benutzer einen gespeicherten Test auswählen oder einen neuen erstellen kann. 

Da die Kenntnis und Dokumentation der Umgebungsbedingungen entscheidend ist, hat das AWB einen Bildschirm eingerichtet, über den diese vor jedem Test dokumentiert werden:

Die Flexibilität der Software ist immens wertvoll. DewesoftX ist ein komplettes, eigenständiges Datenerfassungs-Softwarepaket, das keinerlei Programmierung erfordert. Der integrierte Sequenzer und andere Funktionen ermöglichen es jedoch, die Software an spezifische Testszenarien anzupassen. 

Das AWB hat damit das Beste bekommen, was die beiden eingangs erwähnten Ansätze zu bieten haben: ein vollständig anpassbares Datenerfassungs-Softwarepaket ohne die Erfordernis irgendeiner Low-Level-Programmierung. Alle notwendigen Änderungen können flexibel vorgenommen werden, ohne dass etwas völlig Neues geschaffen werden muss.

Nach Durchführung eines Tests können die Daten zur Überprüfung grafisch dargestellt werden:

Im Wiedergabemodus erscheint ein gelber Zeitcursor auf den Zeitverlaufsanzeigen (siehe Abb. 8), den Benutzer einfach mit der Maus verschieben können.  Der Wert der Daten in allen anderen Anzeigen bleibt mit der Zeitposition des gelben Cursors synchronisiert, was die Datenüberprüfung und -validierung schnell und intuitiv macht. Natürlich werden die tatsächlichen Daten digital gespeichert und können bei Bedarf für weitere Analysen in verschiedene Formate (z. B. MatLab® oder Excel®) exportiert werden.

Abb. 9 zeigt die tatsächlichen Testergebnisse einer von AWB durchgeführten Druckfestigkeitsprüfung (<5K psig).

Das neue Dewesoft-System ermöglicht die Wahl zwischen zahlreichen Rampenraten, die erforderlich sind, um verschiedene Spezifikationen zu erfüllen. Im Vergleich zur älteren Hardware ist dies ein großer Vorteil.

Die DewesoftX-Software ist in der Lage, synchron zu den erfassten analogen und digitalen Daten auch Videobilder aufzuzeichnen. Diese eindrucksvolle Datenwiedergabe zeigt ein Flugzeugrad auf dem Prüfstand beim Aufsetzen im Rahmen einer Landungssimulation.

Fazit – vorher und nachher

In der Vergangenheit musste das AWB mit zahlreichen Einschränkungen zurechtkommen, darunter:

• manuelles Führen von Protokollen auf Papier,

• Anzeige der Messdaten auf mehreren separaten Geräten,

• fehlende Synchronisation zwischen den einzelnen Geräten,

• Beschränkung auf die Verwendung analoger Relais, 

• Einsatz externer Funktionsgeneratoren anstelle der im Dewesoft-System integrierten programmierbaren Generatoren,

• keine Möglichkeit, die Testergebnisse durch synchronisierte Videoaufnahmen zu ergänzen,

• erschwerter späterer Vergleich der Ergebnisse aufgrund unterschiedlicher Vorgehensweisen bei der Testeinrichtung,

• Erfordernis der Nutzung handschriftlicher Protokolle und Daten-Snapshots zur Datenüberprüfung infolge des Fehlens eines digitalen Prüfpfads,

• keine schnelle und einfache Möglichkeit, Daten nach Excel zu exportieren, um Kundenberichte zu erstellen.

All diese Probleme wurden durch das neue Dewesoft-System behoben. 

Die Techniker des AWB können nun konsistenter als je zuvor arbeiten und benötigen weniger Zeit für die Einrichtung und Durchführung der einzelnen Tests. Sie müssen nur noch ein einziges Gerät bedienen, und der Sequenzer führt sie durch Testauswahl, Einrichtung und Bedienung. 

Die Ingenieure des AWB erhalten nun eine einzige Datei mit allen Daten und Anmerkungen im .it-Format. Sie können die Software frei auf ihren Computern installieren und die Datendateien wiedergeben, um daraus die gewünschten Informationen und Ergebnisse zu extrahieren. Alle Daten aus allen Quellen werden synchronisiert. Sie brauchen die Testkonfiguration nicht zu hinterfragen, da alles – einschließlich der Testkonfiguration – in einer einzigen Datei enthalten ist.

Das AWB verfügt nun über neue Funktionen, die den Testprozess optimieren, wie z. B. automatische E-Mail-Benachrichtigungen und automatische Testabbrüche. Die Daten können mit einer einfachen VNC-Software aus der Ferne eingesehen werden. Darüber hinaus enthält DewesoftX eine Sensordatenbank, in die das Labor die Kalibrierungs- und die EU-Daten aller häufig verwendeten Sensoren eingepflegt hat. Diese Daten vereinfachen die Einrichtung und dokumentieren die jeweiligen Kalibrierungseigenschaften der einzelnen Sensoren. Das Dewesoft-System erkennt sogar, wenn ein Sensor sein Kalibrierungsdatum überschritten hat, sodass das AWB ihn ersetzen kann.

Die Implementierung des Dewesoft-Systems brachte auch einige unerwartete Vorteile mit sich. So ist das AWB nun beispielsweise gezwungen, vor jedem Test klare Entscheidungen über die Testkonfiguration, die Anzahl der Kanäle und vieles mehr zu treffen. Dadurch sind die Arbeitsabläufe und Testergebnisse des Labors konsistenter als je zuvor, was sich positiv auf das Zeitmanagement und die Kosten auswirkt. 

Bei der Implementierung des neuen Systems begann das AWB mit nur einem Test und fügte dann jeweils weitere hinzu, sobald sich die Funktionsfähigkeit bestätigt hatte – ein vernünftiger und sicherer Ansatz für die schrittweise Einführung.

Die Dewesoft-Hardware ist zudem erweiterbar: Bei Bedarf können in Zukunft weitere SIRIUS- und KRYPTON-Module hinzugefügt werden. Die Implementierung war in jeder Hinsicht ein voller Erfolg.

Es ist immer ein wenig beängstigend, ein „funktionierendes” System durch ein neues zu ersetzen, in diesem Fall war die Entscheidung für Dewesoft aber zweifellos richtig. Das AWB ist nun in der Lage, seine wichtigen Tests wesentlich einfacher und effizienter durchführen und die Daten erfassen, die zur Entwicklung hochwertiger und sicherer Flugzeugräder erforderlich sind.