DE102019203379A1 - Method and drive arrangement for operating a rail vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs mit folgenden Schritten,a) Erfassen zumindest eines Signals an einer Komponente eines Antriebsstrangs (1) des Schienenfahrzeugs, wobei aus dem zumindest einen Signal ein in dem Antriebsstrang (1) anliegendes Drehmoment ermittelbar ist,b) Ermitteln eines Drehmomentverlaufs auf der Grundlage mehrerer nacheinander erfasster Signale,c) Ermitteln eines Schlupfs an zumindest einem Triebrad (24, 25) des Schienenfahrzeugs auf der Grundlage des ermittelten Drehmomentverlaufs,d) Abspeichern von Daten, die den Drehmomentverlauf repräsentieren in einem Datenspeicher (23) einer Steuereinrichtung (21) unde) Auswertung der Daten zum Zweck einer Lebensdauerermittlung, einer Verschleißermittlung und/oder einer Wartungsplanung für zumindest eine Komponente des Antriebsstrangs (1).Ferner wird eine entsprechende Antriebsanordnung vorgeschlagen, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.The invention relates to a method for operating a rail vehicle with the following steps, a) detecting at least one signal on a component of a drive train (1) of the rail vehicle, with a torque in the drive train (1) being able to be determined from the at least one signal, b) Determining a torque curve on the basis of several successively recorded signals, c) determining a slip on at least one drive wheel (24, 25) of the rail vehicle on the basis of the determined torque curve, d) storing data representing the torque curve in a data memory (23) a control device (21) and e) evaluation of the data for the purpose of determining the service life, determining wear and tear and / or planning maintenance for at least one component of the drive train (1). Furthermore, a corresponding drive arrangement is proposed which is suitable for carrying out such a method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The present invention relates to a method for operating a rail vehicle according to the preamble of
Aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs und eine verbesserte Antriebsanordnung für ein Schienenfahrzeug zu schaffen. Dabei soll das Verfahren und die Antriebsanordnung insbesondere Nachteile vermeiden, die durch Schlupf zwischen den Triebrädern und der Schiene entstehen und einen hohen Gesamtnutzen für den Betreiber des Schienenfahrzeugs bieten.The object of the present invention is to create an improved method for operating a rail vehicle and an improved drive arrangement for a rail vehicle. The method and the drive arrangement are intended to avoid disadvantages in particular that arise from slip between the drive wheels and the rail and offer a high overall benefit for the operator of the rail vehicle.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Antriebsanordnung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die mehrfache Nutzung von Daten über den Drehmomentverlauf, der anhand von am Antriebsstrang des Schienenfahrzeugs erfassten Signalen ermittelt wird. Die erfassten Daten oder der daraus ermittelte Drehmomentverlauf können zur Schlupferkennung und für eine Lastkollektiverfassung verwendet werden. Letztere kann insbesondere für eine Verschleißermittlung und für eine Lebensdauerermittlung für zumindest eine Komponente des Antriebsstrangs genutzt werden. Bei einer entsprechend hohen Signalauflösung, das heißt die Signale werden mit einer hohen Frequenz erfasst und ausgewertet, kann eine dynamische Lastüberwachung realisiert werden, was im Folgenden noch näher erläutert wird. Die dynamische Lastüberwachung ist auch unter dem Begriff „Dynamik Load Monitoring“ oder abgekürzt unter DLM bekannt. Eine hohe Frequenz und somit eine hohe Anzahl erfasster und an die Steuereinrichtung übertragener Signale ermöglicht dabei eine hochdynamische Regelung zur Schlupfvermeidung und eine dynamische Lastüberwachung. Moderne elektronische Komponenten sind in der Lage eine extrem hohe Signalanzahl und Datenmenge zu erfassen, zu übertragen, zu speichern und auszuwerten. Dadurch können mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine deutlich verbesserte dynamische Lastüberwachung und eine belastungsabhängige und genaue Lebensdauerabschätzung realisiert werden. So kann beispielsweise eine Restlebensdauer von Lagern in Abhängigkeit von Drehmomenten ermittelt werden, die über einen längeren Zeitraum erfasst, gespeichert und ausgewerteten werden.An essential aspect of the invention is the multiple use of data on the torque curve, which is determined on the basis of signals recorded on the drive train of the rail vehicle. The recorded data or the torque curve determined from it can be used for slip detection and for a load spectrum recording. The latter can be used in particular to determine wear and tear and to determine service life for at least one component of the drive train. With a correspondingly high signal resolution, that is, the signals are recorded and evaluated at a high frequency, dynamic load monitoring can be implemented, which is explained in more detail below. Dynamic load monitoring is also known under the term “dynamic load monitoring” or, for short, DLM. A high frequency and thus a large number of signals detected and transmitted to the control device enables highly dynamic regulation to avoid slip and dynamic load monitoring. Modern electronic components are able to record, transmit, save and evaluate an extremely high number of signals and data. As a result, with the aid of the proposed method, a significantly improved dynamic load monitoring and a load-dependent and precise service life estimate can be realized. For example, a remaining service life of bearings can be determined as a function of torques that are recorded, stored and evaluated over a longer period of time.
Mithilfe der dynamischen Lastüberwachung und der Schlupferkennung kann eine verbesserte Traktionsverteilung über mehrere Achsen des Schienenfahrzeugs erreicht werden. Mit anderen Worten kann über die Schlupferkennung und daraus abgeleiteten Maßnahmen Schlupf vermieden oder zumindest reduziert werden. Dies ist insbesondere im Anfahrmodus und in Steigungsbereichen vorteilhaft, und wenn in einem Antriebsstrang unterschiedliche Radreifendurchmesser vorliegen, die im üblichen Fahrbetrieb durch unterschiedlichen Verschleiß verursacht werden.With the help of dynamic load monitoring and slip detection, improved traction distribution over several axles of the rail vehicle can be achieved. In other words, slip detection and measures derived therefrom can prevent or at least reduce slip. This is particularly advantageous in the start-up mode and in incline areas, and when there are different wheel tire diameters in a drive train, which are caused by different wear in normal driving operation.
Die dynamische Lastüberwachung kann ferner dazu beitragen Überlastzustände in dem Antriebsstrang zu reduzieren oder ganz zu vermeiden, wodurch wiederum Reparatur- und Wartungskosten verringert werden.The dynamic load monitoring can also contribute to reducing overload conditions in the drive train or avoiding them entirely, which in turn reduces repair and maintenance costs.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine umfassende Analyse des typischen dynamischen Antriebsverhaltens im Bahnbetrieb durchgeführt werden, indem der Drehmomentverlauf im Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs erfasst, dargestellt und ausgewertet wird. Dabei können Überlasten, Drehzahlspitzen, Beschleunigungen erkannt und bei der Planung des künftigen Fahrbetriebs und der Wartung berücksichtig werden.In the context of the present invention, a comprehensive analysis of the typical dynamic drive behavior in rail operation can be carried out by recording, displaying and evaluating the torque curve in the drive train of a rail vehicle. Overloads, speed peaks, and accelerations can be detected and taken into account when planning future driving operations and maintenance.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs umfasst folgende Schritte. Zunächst wird zumindest ein Signal an einer Komponente eines Antriebsstrangs des Schienenfahrzeugs erfasst, wobei aus dem Signal ein in dem Antriebsstrang des Schienenfahrzeugs anliegendes Drehmoment ermittelbar ist. Gegenüber einem beispielsweise von einer Motorsteuerung eines elektrischen Antriebsmotors übernommenen Drehmomentwert hat das unmittelbar an einer Komponente des Antriebsstrangs erfasste und gemessene Signal und das daraus ermittelte Drehmoment den Vorteil, dass das aktuell und tatsächlich im Antriebsstrang vorliegende Drehmoment gemessen wird. Dagegen kann ein beispielsweise auf der Grundlage der Stromaufnahme eines Antriebsmotors ermitteltes Drehmoment von dem im Antriebsstrang aktuell vorliegenden Drehmoment abweichen.The proposed method for operating a rail vehicle comprises the following steps. First of all, at least one signal is detected on a component of a drive train of the rail vehicle, with a torque present in the drive train of the rail vehicle from the signal can be determined. Compared to a torque value taken, for example, from a motor control of an electric drive motor, the signal recorded and measured directly on a component of the drive train and the torque determined from it have the advantage that the current and actually present torque in the drive train is measured. In contrast, a torque determined on the basis of the power consumption of a drive motor, for example, can deviate from the torque currently present in the drive train.
Grundsätzlich sind verschiedene Arten des genannten Signals, der Signalerfassung und der Drehmomentmessung möglich. Es sind beispielsweise Drehmomentsensoren möglich, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten. Daneben können auch Drehmomentaufnehmer verwendet werden, die nach dem piezoelektrischen, dem magnetoelastischen oder dem optischen Prinzip funktionieren, sowie Drehmomentaufnehmer, die mit dem SAW-Verfahren arbeiten. Letztere Drehmomentaufnehmer nutzen akustischen Oberflächenwellen bzw. Körperschallwellen für ihre Funktion. Eine weitere, bevorzugte Möglichkeit das Drehmoment zu ermitteln wird im Folgenden noch näher erläutert.Basically, different types of the mentioned signal, signal acquisition and torque measurement are possible. For example, torque sensors that work with strain gauges are possible. In addition, it is also possible to use torque transducers that work according to the piezoelectric, magnetoelastic or optical principle, as well as torque transducers that work with the SAW method. The latter torque transducers use surface acoustic waves or structure-borne sound waves for their function. Another, preferred possibility of determining the torque is explained in more detail below.
Auf der Grundlage mehrerer nacheinander erfasster Signale wird ein Drehmomentverlauf ermittelt, um auf dessen Grundlage einen Schlupf an zumindest einem Triebrad des Schienenfahrzeugs zu ermitteln. Mehrere über einen gewissen Zeitraum erfasste bzw. ermittelte Drehmomente bilden den Drehmomentverlauf.A torque curve is determined on the basis of a plurality of successively detected signals in order to determine a slip on at least one drive wheel of the rail vehicle on the basis of this. Several torques recorded or determined over a certain period of time form the torque curve.
Der Vorgang des Ermittelns kann einzelne Schritte des Erfassens, Vergleichens mit abgespeicherten Werten und/oder Berechnens umfassen.The process of determining can include individual steps of recording, comparing with stored values and / or calculating.
Unter Schlupf wird eine Traktionsunterbrechung zwischen einem Triebrad und der Schiene verstanden. Der Schlupf wird bei Schienenfahrzeugen auch Schleudern genannt. Er ist in der Regel unerwünscht, weil er den Vortrieb des Schienenfahrzeugs begrenzt bzw. behindert. Angestrebt wird in der Regel ein Fahrbetrieb nahe an einem Kraftschlußmaximum des Rad-Schiene-Kontaktes. Der Schlupf ist abhängig von der Oberflächengüte und gegebenenfalls von einer Oberflächenverschmutzung an dem Triebrad und an der Schiene bzw. den Gleisen. In der Praxis kommt es am häufigsten durch Wasser, Eis, Fette oder Öle zu solchen Verschmutzungen. Mithilfe einer Schlupferkennung kann unzulässiges Schlupfverhalten und eine asymmetrische Traktionsverteilung im Anfahrmodus erkannt und dem entgegengewirkt werden. Zur Schlupferkennung können Unterbrechungen des Leistungsflusses beim Rad-Schiene-Kontakt zumindest annähernd in Echtzeit erkannt werden, sodass in vorteilhafter Weise eine schnelle Reaktion möglich ist, um andauernden Schlupf zu vermeiden.Slip is understood to be an interruption in traction between a drive wheel and the rail. The slip is also called skidding in rail vehicles. As a rule, it is undesirable because it limits or hinders the propulsion of the rail vehicle. As a rule, the aim is driving operation close to a frictional connection maximum of the wheel-rail contact. The slip is dependent on the surface quality and, if necessary, on surface contamination on the drive wheel and on the rail or tracks. In practice, water, ice, fats or oils are the most common sources of such contamination. With the help of a slip detection, impermissible slip behavior and an asymmetrical traction distribution in start-up mode can be detected and counteracted. In order to detect slip, interruptions in the power flow during wheel-rail contact can be detected at least approximately in real time, so that a quick reaction is advantageously possible in order to avoid persistent slip.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Daten, die den Drehmomentverlauf repräsentieren zusätzlich zu ihrer Nutzung bei der Schlupferkennung in einem Datenspeicher einer Steuereinrichtung abgespeichert und zum Zweck einer Verschleißermittlung und/oder einer Wartungsplanung für zumindest eine Komponente des Antriebsstrangs ausgewertet. Dadurch entsteht der erwähnte Mehrfachnutzen des ermittelten Drehmoments bzw. der entsprechenden Daten. Bei der genannten Komponente des Antriebsstrangs kann es sich um jedes Bauteil oder jede Baugruppe handeln, die zumindest zeitweise ein Drehmoment oder eine Kraft aufnimmt, beispielsweise ein Getriebe, eine Welle, ein Lager oder eine Kombination mehrerer solcher Bauteile. So kann mithilfe der Erfindung beispielsweise eine Lageralterung oder ein Verzahnungsverschleiss eines verzahnten Bauteils eines Getriebes in Abhängigkeit der Belastung ermittelt werden.According to the present invention, the data representing the torque curve are stored in a data memory of a control device in addition to their use in slip detection and evaluated for the purpose of determining wear and / or maintenance planning for at least one component of the drive train. This creates the aforementioned multiple use of the determined torque or the corresponding data. The mentioned component of the drive train can be any component or assembly that at least temporarily absorbs a torque or a force, for example a gear, a shaft, a bearing or a combination of several such components. With the aid of the invention, for example, aging of bearings or tooth wear of a toothed component of a transmission can be determined as a function of the load.
Im Rahmen der Erfindung können mithilfe des ermittelten Drehmoments auch kleinste Störungen oder Lastspitzen, die nur in kurzen Lastzeiten auftreten, erkannt und aufgezeichnet werden. Dabei handelt es sich um sogenannte Klein-Lastmomente oder Momentenimpulse. Diese können im Rahmen der Erfindung gezählt und ausgewertet werden. Für sich alleine genommen sind sie im Sinn einer Lebensdauerverkürzung kaum schädlich. Treten diese Momentenimpulse aber häufiger auf, so erhalten sie einen zerstörenden Charakter, der bewertet werden kann. Dies kann dadurch geschehen, dass die Momentenimpulse gezählt und beispielsweise mithilfe eines Wasserfalldiagramms bewertet werden.Within the scope of the invention, even the smallest disturbances or load peaks that only occur in short load times can be recognized and recorded with the aid of the determined torque. These are so-called small load torques or torque pulses. These can be counted and evaluated within the scope of the invention. Taken alone, they are hardly harmful in terms of shortening the service life. If these moment impulses occur more frequently, however, they acquire a destructive character that can be evaluated. This can be done by counting the moment impulses and evaluating them, for example, using a waterfall diagram.
Ein schwankender Drehmomentverlauf und kurzzeitige Lastspitzen in Form von Momentenimpulsen sind im regulären Fahrbetrieb eines Schienenfahrzeugs nicht zu vermeiden. Trotzdem wirken sich Drehmomentschwankungen und Momentenimpulse auf die Lebensdauer der Komponenten des Antriebsstrangs aus. Daher hängen die Lebensdauer und geeignete Wartungsintervalle von der Anzahl, Dauer und Stärke der ermittelten Drehmomentschwankungen ab.A fluctuating torque curve and short-term load peaks in the form of torque pulses cannot be avoided in the regular operation of a rail vehicle. Nevertheless, torque fluctuations and torque pulses have an effect on the service life of the components of the drive train. The service life and suitable maintenance intervals therefore depend on the number, duration and strength of the torque fluctuations determined.
Es kann vorgesehen sein, dass die erfassten Drehmomentschwankungen und Momentenimpulse lediglich in geeigneter Weise protokolliert, d.h. abgespeichert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt entsprechende Maßnahmen auszulösen, beispielsweise eine Wartung oder Reparatur. Die zwischengespeicherten Daten zu dem ermittelten Drehmoment, insbesondere zum Drehmomentverlauf und zu den genannten dynamischen Lastspitzen, können von einer Sensorsteuereinheit an eine Lastkollektiverfassung und an eine Lebensdauerberechnung zur Verfügung gestellt werden.It can be provided that the recorded torque fluctuations and torque pulses are only logged in a suitable manner, that is to say stored, in order to trigger appropriate measures at a later point in time, for example maintenance or repair. The cached Data on the determined torque, in particular on the torque profile and on the dynamic load peaks mentioned, can be made available by a sensor control unit to a load spectrum recording and to a service life calculation.
Ein bevorzugtes Verfahren, um das Drehmoment zu ermitteln sieht vor, dass Signal ein Drehwinkelsignal ist und umfasst folgende Teilschritte. Es wird zumindest ein erstes Drehwinkelsignal an einer ersten Stelle in dem Antriebsstrang erfasst, und es wird zumindest ein zweites Drehwinkelsignal an einer zweiten Stelle erfasst, die in Kraftflussrichtung mit einem Abstand zu der ersten Stelle in dem Antriebsstrang angeordnet ist. Die erfassten Drehwinkelsignale werden an eine Steuereinrichtung übertragen, in der eine Drehwinkeldifferenz zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle aufgrund des ersten und des zweiten Drehwinkelsignals ermittelt wird. Schließlich wird ein in dem Antriebsstrang anliegendes Drehmoment in Abhängigkeit der ermittelten Drehwinkeldifferenz ermittelt.A preferred method of determining the torque provides that the signal is a rotation angle signal and comprises the following sub-steps. At least one first angle of rotation signal is detected at a first point in the drive train, and at least one second angle of rotation signal is detected at a second point which is arranged at a distance from the first point in the drive train in the direction of force flow. The detected angle of rotation signals are transmitted to a control device, in which a difference in angle of rotation between the first point and the second point is determined on the basis of the first and the second angle of rotation signal. Finally, a torque present in the drive train is determined as a function of the determined difference in angle of rotation.
Zum Erfassen des ersten und des zweiten Drehwinkelsignals eignen sich wiederum eine Reihe von Sensortypen bzw. physikalischen Messprinzipien. Vorzugsweise können dazu Sensoren verwendet werden, die eine magnetisches Feld bzw. eine magnetische Flussdichte erfassen, sogenannte Hall-Sensoren. Insbesondere können Hall-Sensoren mit integrierter Signalverarbeitung verwendet werden, bei denen eine Signalverstärkung, Analog-Digital-Wandlung, Signalverarbeitung und/oder Temperaturkompensation intern erfolgt, sodass der Sensor einen direkt weiterverarbeitbaren Messwert liefert. Als Signalgeber eignet sich abhängig vom dem jeweils verwendeten Sensortyp beispielsweise eine Verzahnung eines Zahnrades, eine verzahnte Signalgeberscheibe oder ein Signalband mit Markierungen, das an einem rotierenden Komponente des Antriebsstrangs befestigt ist.A number of sensor types or physical measuring principles are again suitable for detecting the first and the second rotation angle signal. For this purpose, sensors can preferably be used which detect a magnetic field or a magnetic flux density, so-called Hall sensors. In particular, Hall sensors with integrated signal processing can be used in which signal amplification, analog-to-digital conversion, signal processing and / or temperature compensation take place internally, so that the sensor supplies a measured value that can be directly processed further. Depending on the type of sensor used, a toothing of a gear wheel, a toothed signal transmitter disk or a signal band with markings, which is attached to a rotating component of the drive train, is suitable as a signal transmitter.
Mit dem ersten und dem zweiten Drehwinkelsignal kann das Drehmoment bestimmt werden, indem die Torsion bzw. die Drehwinkeldifferenz entlang der Kraftflussrichtung in dem Antriebsstrang ermittelt wird. Hierbei ist gegebenenfalls eine Übersetzung eines zwischen der ersten und der zweiten Stelle angeordneten Getriebes bei der Drehzahl bzw. der Drehbewegung zu berücksichtigen. Dazu kann die jeweils vorliegende Übersetzung in Korrekturtabellen in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung abrufbar gespeichert sein.The torque can be determined with the first and the second rotation angle signal by determining the torsion or the rotation angle difference along the direction of force flow in the drive train. In this case, a translation of a gear arranged between the first and the second point in the speed or the rotary movement must be taken into account. For this purpose, the respective existing translation can be stored in correction tables in a data memory of the control device so that it can be called up.
Die Drehwinkeldifferenz entspricht einem Verdrehwinkel und damit einer Torsion zwischen der ersten und der zweiten Stelle im Antriebsstrang. Mittels der Drehwinkeldifferenz und eines bekannten oder bestimmbaren Torsionsmoduls kann somit auf ein Drehmoment geschlossen werden. Dieser Ausführung des Verfahrens liegt das Prinzip zugrunde, kontinuierlich oder zeitdiskret den Verdrehwinkel zwischen zwei Stellen in einem Antriebsstrang zu messen und daraus über ein entsprechendes Rechenmodel das Torsionsmoment zu ermitteln, das in dem Antriebsstrang vorliegt. Beispielsweise wird dabei aus einer Steifigkeitskennlinie oder aus einer bekannten Steifigkeit c des Systems in einem Berechnungsschritt über die Gleichung „MT = c × Drehwinkeldifferenz“ das Torsionsmoment MT berechnet werden. Alternativ dazu kann das anliegende Drehmoment auch ausgehend von der ermittelten Drehwinkeldifferenz mithilfe von Vergleichstabellen ermittelt werden. Solche Vergleichstabellen können durch Berechnung oder Versuche erstellt und ebenfalls in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung abrufbar gespeichert werden.The rotation angle difference corresponds to a rotation angle and thus a torsion between the first and the second point in the drive train. A torque can thus be inferred by means of the rotation angle difference and a known or determinable torsion module. This embodiment of the method is based on the principle of continuously or discrete-time measuring the angle of rotation between two points in a drive train and from this using a corresponding computation model to determine the torsional moment that is present in the drive train. For example, the torsional moment M T is calculated from a stiffness characteristic curve or from a known stiffness c of the system in a calculation step using the equation “M T = c × rotational angle difference”. Alternatively, the applied torque can also be determined on the basis of the determined difference in angle of rotation with the aid of comparison tables. Such comparison tables can be created by calculation or tests and can also be stored in a data memory of the control device so that they can be called up.
Vorzugsweise kann die erste Stelle eine antriebsseitig angeordnete Eingangswelle eines Getriebes und die zweite Stelle eine abtriebsseitig angeordnete Abtriebswelle des Getriebes sein. Somit kann also über die Torsion der getriebeinternen Baugruppen anhand der Drehwinkeldifferenz gemessen werden, woraus wiederum das in diesem Moment vorliegende Drehmoment ermittelt werden kann.Preferably, the first point can be an input shaft of a transmission arranged on the drive side and the second point can be an output shaft of the transmission arranged on the output side. Thus, the torsion of the internal gear assemblies can be measured on the basis of the rotation angle difference, from which the torque present at this moment can be determined.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Vermeidung möglicher Messfehler, die durch eine tangentiale oder radiale Verlagerung der Eingangswelle oder der Abtriebswelle des Getriebes verursacht werden könnten. Um die Drehwinkeldifferenz trotz solcher Verlagerungen zuverlässig und korrekt erfassen zu können, sind an der jeweiligen Stelle vorzugsweise jeweils zwei Sensoren zum Erfassen je eines Drehwinkelsignals in umfänglicher Richtung der Eingangswelle und/oder der Abtriebswelle versetzt zueinander angeordnet. Aus den Drehwinkelsignalen der zwei Sensoren wird jeweils die Drehwinkelstellung der Eingangswelle bzw. der Abtriebswelle bestimmt. Bei der Bestimmung der Drehwinkelstellung der Eingangswelle bzw. der Abtriebswelle wird dann jeweils der Abstand der wenigstens zwei Sensoren in umfänglicher Richtung berücksichtigt, so dass eine tangentiale und/oder radiale Verlagerung der Eingangswelle bzw. der Abtriebswelle im Antriebsstrang kompensiert wird.Another aspect of the invention relates to avoiding possible measurement errors that could be caused by a tangential or radial displacement of the input shaft or the output shaft of the transmission. In order to be able to reliably and correctly detect the rotation angle difference despite such displacements, two sensors for detecting a rotation angle signal are preferably arranged offset from one another in the circumferential direction of the input shaft and / or the output shaft. The angle of rotation position of the input shaft or the output shaft is determined from the angle of rotation signals from the two sensors. When determining the angular position of the input shaft or the output shaft, the distance between the at least two sensors in the circumferential direction is then taken into account so that a tangential and / or radial displacement of the input shaft or the output shaft in the drive train is compensated for.
In dem Fall, dass in der Schlupferkennung ein vorliegender Schlupf erkannt wird, kann die genannte Steuereinrichtung zum Beenden des Schlupfs ein Steuersignal zur Reduzierung eines Antriebsdrehmomentes an einen Antriebsmotors des Antriebsstrangs senden oder die Steuereinrichtung steuert einen Gangwechsel in einem Getriebe des Antriebsstrangs an. Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung auch ein Steuersignal zur Reduzierung eines Antriebsdrehmomentes und einen Gangwechsel in einem Getriebe veranlassen.In the event that an existing slip is detected in the slip detection, said control device can send a control signal to reduce a drive torque to a drive motor of the drive train to end the slip or the control device controls a gear change in a transmission of the drive train. As an alternative to this, the control device can also initiate a control signal to reduce a drive torque and a gear change in a transmission.
Bei einer bevorzugten Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine belastungsabhängige Lebensdauer zumindest einer Komponente des Antriebsstrangs mithilfe einer Belastungsmatrix ermittelt wird, in der einzelne Drehmomentbelastungen klassifiziert erfasst werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die Restlebensdauer von Lagern und anderen verschleißbehafteten Komponenten des Antriebsstrangs in Abhängigkeit der ermittelten Drehmomente ermittelt werden. In a preferred embodiment of the proposed method, it is provided that a load-dependent service life of at least one component of the drive train is determined with the aid of a load matrix in which individual torque loads are recorded in a classified manner. In this way, for example, the remaining service life of bearings and other components of the drive train subject to wear can be determined as a function of the determined torques.
Vorzugsweise können dabei die Drehmomentbelastungen nach der jeweiligen Höhe des ermittelten Drehmoments und dessen Verweildauer klassifiziert werden.The torque loads can preferably be classified according to the respective level of the determined torque and its dwell time.
Zusätzlich zu den Daten über den Drehmomentverlauf können im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens auch Drehzahl in dem Antriebsstrang erfasst und ausgewertet bzw. verwendet werden. Erfasste oder berechnete Drehzahldaten, die den Drehzahlverlauf repräsentieren, können dazu in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung gespeichert werden. Die Drehzahldaten können insbesondere bei der Auswertung zum Zweck der Verschleißermittlung und/oder einer Wartungsplanung berücksichtigt werden. Beispielsweise können Drehungleichförmigkeiten im Antriebsstrang während des Segelbetriebs Hinweise auf mögliche zu erwartende Schäden geben.In addition to the data on the torque profile, the proposed method can also be used to record and evaluate or use the speed in the drive train. For this purpose, detected or calculated speed data, which represent the speed profile, can be stored in a data memory of the control device. The speed data can be taken into account, in particular, in the evaluation for the purpose of determining wear and / or for maintenance planning. For example, rotational irregularities in the drive train during sailing operation can indicate possible damage to be expected.
Schließlich können in dem Verfahren auch weitere Einflüsse auf die Lebensdauer der betrachteten Komponenten des Antriebsstrangs berücksichtigt werden. Dazu können in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung Kompensationsfaktoren zur Kompensation der weiteren Einflüsse auf die Lebensdauer von zumindest einer Komponente des Antriebsstrangs gespeichert werden, welche bei der Auswertung zum Zweck der Lebensdauerermittlung, der Verschleißermittlung und/oder der Wartungsplanung berücksichtigt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kompensationsfaktoren jeweils um einen Faktor, also einen Multiplikationswert im Bereich von 0,9 bis 1,1. Mit einem solchen Wert kann der Zahlenwert der Lebensdauer jeweils verringert oder verlängert werden. Die Kompensationsfaktoren können verschiedenste Einflüsse betreffen, insbesondere
- • Eine vorgegebene Einsatzdauer
- • Tatsächlich angefallene Betriebsstunden
- • Einsatztemperaturen
- • Jahreszeitliche Schwankungen der Umgebungstemperatur wie extreme Hitze oder Kälte
- • Eine Anzahl von Kaltstarts und/oder Warmlaufphasen
- • Mechanische Belastungen wie Zugüberlängen, Anzahl der Grenzzuladungen im Güter-, Schüttgutverkehr
- • Medienbeanspruchung wie ein Betrieb an einer Küste, Salzwasserbeeinflussung, Verschleiß durch Mikrostaub beispielsweise in Wüstengebieten
- • Standzeiten unter Einfluss von Mikrovibrationen beispielsweise bei längerem „Parken“ in der Nähe von stark frequentierten Durchgangswegen und
- • Eine Strahlungsbeanspruchung.
- • A specified duration of use
- • Actual operating hours
- • Application temperatures
- • Seasonal fluctuations in the ambient temperature such as extreme heat or cold
- • A number of cold starts and / or warm-up phases
- • Mechanical loads such as excessive train lengths, number of border loads in freight and bulk transport
- • Media stress such as an operation on a coast, influence of salt water, wear and tear from micro-dust, for example in desert areas
- • Standing times under the influence of micro-vibrations, for example when “parking” for long periods in the vicinity of heavily frequented passageways and
- • A radiation exposure.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner eine Antriebsanordnung für den Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs, mit der auch das vorgeschlagene Verfahren durchführbar ist. Die Antriebsanordnung umfasst zumindest ein Getriebe mit einer antriebsseitig angeordneten Eingangswelle und mit zumindest einer abtriebsseitig angeordneten Abtriebswelle. An der Eingangswelle und an der Abtriebswelle ist jeweils mindestens ein Sensor zum Erfassen einer Drehwinkelstellung und/oder einer Drehzahl angeordnet. Die genannten Sensoren sind mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Komponenten des Antriebsstrangs signalübertragend verbunden. Die genannte Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet mithilfe der erfassten Signale einen Drehmomentverlauf in dem Antriebsstrang zu ermitteln. Die Steuereinrichtung umfasst ferner eine Schlupferkennung, die auf der Grundlage des ermittelten Drehmomentverlaufs einen Schlupf an zumindest einem Triebrad des Schienenfahrzeugs erkennt.The present invention further comprises a drive arrangement for the drive train of a rail vehicle, with which the proposed method can also be carried out. The drive arrangement comprises at least one transmission with an input shaft arranged on the drive side and with at least one output shaft arranged on the output side. At least one sensor for detecting a rotational angle position and / or a speed is arranged on the input shaft and on the output shaft. The sensors mentioned are connected in a signal-transmitting manner to a control device for controlling the components of the drive train. Said control device is set up to determine a torque profile in the drive train with the aid of the detected signals. The control device also includes a slip detection which detects a slip on at least one drive wheel of the rail vehicle on the basis of the determined torque curve.
Die Steuereinrichtung kann mehrere einzeln angeordnete Steuereinheiten oder Steuergeräte umfassen, die miteinander verbunden sind. So kann beispielsweise eine separat angeordnete Sensorsteuereinheit vorgesehen sein, in der die von den Sensoren erfassten Signale bearbeitet werden. Eine solche Sensorsteuereinheit kann auch Sensor Control Unit oder kurz SCU genannt werden. Die Schlupferkennung kann als integrierter Teil der Steuereinrichtung ausgeführt sein oder in einer eigens zu diesem Zweck eingerichteten Steuereinheit bzw. in einem separaten Steuergerät ausgeführt sein. Die Steuereinrichtung ist insbesondere mit elektronischen Hardware-Bauteilen wie Prozessoren, Datenspeichern, Arbeits- und/oder Zwischenspeicher, Schnittstellen und Verbindungen ausgestattet, sowie mit geeigneten Softwareprogrammen, mit deren Hilfe beispielsweise das oben beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann.The control device can comprise a plurality of individually arranged control units or control devices which are connected to one another. For example, a separately arranged sensor control unit can be provided in which the signals detected by the sensors are processed. Such a sensor control unit can also be called a sensor control unit or SCU for short. The slip detection can be as integrated part of the control device or in a control unit set up specifically for this purpose or in a separate control device. The control device is in particular equipped with electronic hardware components such as processors, data memories, work and / or intermediate memories, interfaces and connections, as well as with suitable software programs with the aid of which, for example, the method described above can be carried out.
Es kann vorgesehen sein, dass an einer weiteren Abtriebswelle des Getriebes zumindest ein weiterer Sensor zum Erfassen einer Drehwinkelstellung und/oder einer Drehzahl angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn das Getriebe mehrere Abtriebswellen aufweist. Dies ist beispielsweise der Fall bei einem Radsatzgetriebe mit einer ersten Abtriebswelle, die als Radsatzwelle ausgebildet ist und dem direkten Antrieb an einer ersten Achse des Schienenfahrzeugs dient, und mit einer weiteren Abtriebswelle, die dem Antrieb einer weiteren Radsatzwelle an einer zweiten Achse des Schienenfahrzeugs dient. Die weitere Abtriebswelle des Radsatzgetriebes kann dazu über eine Gelenkwelle und ein weiteres Radsatzgetriebe mit der weiteren Radsatzwelle verbunden sein. Eine solche Anordnung wird auch Master-Slave-Anordnung genannt und dient in der Regel dem Antrieb zweier Radsatzwellen, die in einem Drehgestell angeordnet sind.It can be provided that at least one further sensor for detecting a rotational angle position and / or a speed is arranged on a further output shaft of the transmission. Such an embodiment is advantageous when the transmission has several output shafts. This is the case, for example, with a wheelset transmission with a first output shaft, which is designed as a wheelset shaft and is used for direct drive on a first axle of the rail vehicle, and with a further output shaft, which is used to drive a further wheelset shaft on a second axle of the rail vehicle. For this purpose, the further output shaft of the gear set can be connected to the further wheelset shaft via a cardan shaft and another gear set. Such an arrangement is also called a master-slave arrangement and is usually used to drive two wheelset shafts that are arranged in a bogie.
Vorzugsweise sind jeweils zwei Sensoren zum Erfassen je eines Drehwinkelsignals in umfänglicher Richtung versetzt zueinander an der der jeweils zugeordneten Welle, also an der Eingangswelle, der Abtriebswelle oder der weiteren Abtriebswelle angeordnet. Die jeweils zwei Sensoren an jeder Stelle zur Erfassung der Drehwinkelsignale sind erforderlich, um das oben beschriebene Verfahren zur Vermeidung möglicher Messfehler, die durch eine tangentiale oder radiale Verlagerung der jeweiligen Welle verursacht werden, anzuwenden. Damit kann eine sehr genaue und korrekte Ermittlung des anliegenden Drehmoments erreicht werden. Vorzugsweise sind dazu die zwei Sensoren in umfänglicher Richtung um 150° bis 210° versetzt und in axialer Richtung auf etwa gleicher Höhe angeordnet. Die Richtungsangabe axial bezieht sich dabei auf die Rotationsachse der jeweils zugeordneten Welle, also der Eingangswelle oder einer der beiden Abtriebswellen.Preferably, two sensors for detecting a rotation angle signal each are arranged offset from one another in the circumferential direction on the respective assigned shaft, that is to say on the input shaft, the output shaft or the further output shaft. The two sensors at each point for recording the angle of rotation signals are required in order to use the method described above to avoid possible measurement errors caused by a tangential or radial displacement of the respective shaft. A very precise and correct determination of the applied torque can thus be achieved. For this purpose, the two sensors are preferably offset by 150 ° to 210 ° in the circumferential direction and arranged at approximately the same height in the axial direction. The indication of the direction axially relates to the axis of rotation of the respectively assigned shaft, that is to say the input shaft or one of the two output shafts.
Durch die Schlupferkennung mithilfe der Drehmomenterfassung wird ein Drehmomenteinbruch, der durch einen auftretenden Schlupf verursacht wird, schnell erkannt. In der Folge können Maßnahmen zur Reduzierung des Schlupfs sehr zeitnah durchgeführt werden. Die Steuereinrichtung ist zu diesem Zweck dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des erkannten Schlupfs Maßnahmen zum Beenden des Schlupfs zu steuern. Vorzugsweise geschieht dies, indem die Steuereinrichtung ein Steuersignal zur Reduzierung eines Antriebsdrehmomentes an einen Antriebsmotor des Antriebsstrangs sendet und/oder indem die Steuereinrichtung einen Gangwechsel in dem Getriebe ansteuert. Dadurch kann ein am Treibrad vorliegendes Drehmoment abgeregelt, d.h. reduziert werden. In Folge kann eine höhere Beschleunigung des Schienenfahrzeugs erreicht werden und der Abrieb an den Radreifen des Triebrades verringert sich signifikant. Eine weitere Maßnahme kann die Aktivierung einer Besandung durch die Steuereinrichtung sein. Vorrichtungen zur Besandung für Schienenfahrzeuge sind dem Fachmann bekannt. Dabei wird im Bedarfsfall Sand zwischen die Triebräder und die Schienen gebracht, wodurch die Reibung im Rad-Schiene-Kontakt erhöht und der Schlupf schnell abgebaut wird. Um unnötigen Verschleiß zu vermeiden soll eine Besandung jedoch nur im Notfall erfolgen, beispielsweise zum Notbremsen.With the slip detection with the help of torque detection, a torque drop caused by an occurring slip is quickly detected. As a result, measures to reduce the slip can be carried out very promptly. For this purpose, the control device is set up to control measures for ending the slip as a function of the detected slip. This is preferably done by the control device sending a control signal for reducing a drive torque to a drive motor of the drive train and / or by the control device triggering a gear change in the transmission. As a result, a torque present on the drive wheel can be limited, i.e. be reduced. As a result, a higher acceleration of the rail vehicle can be achieved and the wear on the wheel tires of the drive wheel is significantly reduced. Another measure can be the activation of sanding by the control device. Devices for sanding rail vehicles are known to those skilled in the art. If necessary, sand is brought between the drive wheels and the rails, which increases the friction in the wheel-rail contact and the slip is quickly reduced. In order to avoid unnecessary wear, sanding should only take place in an emergency, for example for emergency braking.
Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Steuereinrichtung vorzugsweise einen Datenspeicher zum Speichern der von den Sensoren erfassten Signale oder des ermittelten Drehmomentverlaufs. Die Steuereinrichtung ist dabei so eingerichtet, dass eine Lebensdauer, ein Verschleiß und/oder ein geeigneter Wartungstermin für zumindest eine Komponente des Antriebsstrangs in Abhängigkeit des Drehmomentverlaufs ermittelt werden.According to the method described above, the control device preferably comprises a data memory for storing the signals detected by the sensors or the determined torque curve. The control device is set up in such a way that a service life, wear and / or a suitable maintenance date for at least one component of the drive train are determined as a function of the torque curve.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der anliegenden Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen die
-
1 einen Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung; -
2 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zu einem erfindungsgemäßen Verfahren; -
3 ein Diagramm mit einem ermittelten Drehmomentverlauf und -
4 eine Belastungsmatrix mit daraus abgeleiteten Ergebnissen.
-
1 a drive train of a rail vehicle with a drive arrangement according to the invention; -
2 a schematic representation of a flow diagram for a method according to the invention; -
3 a diagram with a determined torque curve and -
4th a stress matrix with the results derived from it.
Der in
An der Eingangswelle
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Mithilfe dieser Antriebsanordnung kann also ein erstes Drehwinkelsignal an einer ersten Stelle in dem Antriebsstrang
Jeweils zwei Sensoren
Ein Flussdiagramm zeigt in
Das in der Sensorsteuereinheit
Wenn ein Schlupf vorhanden ist, werden von der übergeordneten Steuereinrichtung
In der elektronischen Schlupferkennung
Ferner werden in der Sensorsteuereinheit
Die Daten zu dem ermittelten Drehmoment, insbesondere die genannten dynamischen Lastspitzen, werden von der Sensorsteuereinheit
So kann mithilfe einer dynamischen Lastüberwachung zusätzlich zur Schlupferkennung eine belastungsbasierte Verschleißdetektion der Radreifen bzw. der Triebräder jeder angetriebenen Achse eines Drehgestells oder eines Schienenfahrzeugs realisiert werden. Der Lebensdauerberechnung
In Korrekturtabellen
Die
Mithilfe der dynamischen Lastüberwachung können dagegen nicht nur gemittelte, d.h. geglättete Lasten entsprechend der Strichlinie
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann also beides berücksichtigt werden, nämlich eine anhand eines geglätteten Drehmomentverlaufs ermittelte Drehmomentbelastung und nur kurzzeitig auftretende Lastspitzen. Dadurch sind deutlich präzisere Vorhersagen zur Lebensdauer der Komponenten des Antriebsstrangs möglich. Um dies zu erreichen, wird vorteilhaft eine Belastungsmatrix
Mithilfe der Belastungsmatrix
Als Ergebnisse
Unter Berücksichtigung verschiedener Kompensationsfaktoren aus der oben genannten Auflistung kann die Lebensdauer dann beispielsweise mithilfe der folgenden Formel berechnet werden:
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- AntriebsstrangPowertrain
- 22
- AntriebsmotorDrive motor
- 33
- WechselgetriebeChange gear
- 44th
- AusgangswelleOutput shaft
- 55
- GelenkwellePTO shaft
- 66th
- EingangswelleInput shaft
- 77th
- erstes Radsatzgetriebefirst final drive
- 88th
- Abtriebswelle, erste RadsatzwelleOutput shaft, first wheelset shaft
- 99
- AbtriebswelleOutput shaft
- 1010
- weitere Gelenkwellefurther cardan shaft
- 1111
- EingangswelleInput shaft
- 1212
- zweites Radsatzgetriebesecond final drive
- 1313
- zweite Radsatzwellesecond axle
- 1414th
- Sensorsensor
- 1515th
- Sensorsensor
- 1616
- Sensorsensor
- 1818th
- Sensorsensor
- 1919th
- Sensorsensor
- 2020th
- SensorsteuereinheitSensor control unit
- 2121st
- SteuereinrichtungControl device
- 22 22nd
- SchlupferkennungSlip detection
- 2323
- DatenspeicherData storage
- 2424
- TriebradDriving wheel
- 2525th
- TriebradDriving wheel
- 2626th
- Schienerail
- 2727
- BesandungSanding
- 2828
- BesandungSanding
- 2929
- SensorikSensors
- 3030th
- LastkollektiverfassungCollective load recording
- 3131
- LebensdauerberechnungLifetime calculation
- 3232
- KorrekturtabellenCorrection tables
- 3333
- Diagrammdiagram
- 3434
- VolllinieFull line
- 3535
- StrichlinieDashed line
- 3636
- BelastungsmatrixStress matrix
- 3737
- ErgebnisseResults
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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