DE102021119967A1 - METHOD AND SYSTEM FOR NON-CONTACT, NON-DESTRUCTIVE REAL-TIME COMPONENT MONITORING - Google Patents

METHOD AND SYSTEM FOR NON-CONTACT, NON-DESTRUCTIVE REAL-TIME COMPONENT MONITORING Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung. Zunächst wird ein Kalibriersystem mit einem ersten Bauteil und einem ersten Trag- und Führungselement bereitgestellt, wobei das erste Bauteil nicht mit einem Riss und/oder Schaden behaftet ist und in Kontakt mit dem ersten Trag - und Führungselement steht. Anschließend wird eine Transferpfadanalyse an dem Kalibriersystem durchgeführt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein zweites Bauteil entlang einer Längsachse eines zweiten Trag- und Führungselementes bewegt, wobei das zweite Bauteil durchgehend in Kontakt mit dem zweiten Trag- und Führungselement steht. Ferner werden Schwingungen im zweiten Trag- und Führungselement durch mindestens eine am zweiten Trag- und Führungselement befestigte Erfassungseinrichtung aufgenommen. Diese aufgenommenen Schwingungen werden mittels eines Transferpfad- und Synthesemodells transformiert, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils erhalten wird. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird das Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils analysiert, wobei die Analyse einen Riss und/oder ein Schaden erkannt werden kann.The invention relates to a method and a system for non-contact, non-destructive real-time component monitoring. First, a calibration system is provided with a first component and a first support and guide element, the first component not having a crack and/or damage and being in contact with the first support and guide element. A transfer path analysis is then carried out on the calibration system. In a further method step, a second component is moved along a longitudinal axis of a second carrying and guiding element, the second component being in continuous contact with the second carrying and guiding element. Furthermore, vibrations in the second support and guide element are recorded by at least one detection device attached to the second support and guide element. These recorded vibrations are transformed using a transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of the second component is obtained. In a final method step, the vibration spectrum of the second component is analyzed, with the analysis being able to detect a crack and/or damage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Kalibriersystem bereitgestellt. Dieses Kalibriersystem umfasst ein erstes Bauteil und ein erstes Trag- und Führungselement, wobei das erste Bauteil nicht mit einem Riss und/oder Schaden behaftet ist und in Kontakt mit dem ersten Trag - und Führungselement steht. Anschließend wird eine Transferpfadanalyse an dem Kalibriersystem durchgeführt. Dabei werden Übertragungsfunktionen von Transferpfaden ermittelt und ausgehend von den beteiligten Transferpfaden wird ein Transferpfadmodell erzeugt. Dieses Transferpfadmodell wird durch eine Mikrofon-Messung verifiziert. Weiterhin wird ein Synthesemodell erzeugt, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein zweites Bauteil entlang einer Längsachse eines zweiten Trag- und Führungselementes bewegt, wobei das zweite Bauteil durchgehend in Kontakt mit dem zweiten Trag- und Führungselement steht. Ferner werden Schwingungen im zweiten Trag- und Führungselement durch mindestens eine am zweiten Trag- und Führungselement befestigte Erfassungseinrichtung aufgenommen. Diese aufgenommenen Schwingungen werden mittels des Transferpfad- und Synthesemodells transformiert, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils erhalten wird. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird das Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils analysiert, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder einer Amplitude erfolgt und daraus resultierend ein Riss und/oder ein Schaden erkannt werden kann.The invention relates to a method and a system for non-contact, non-destructive real-time component monitoring. In a first method step, a calibration system is provided. This calibration system comprises a first component and a first support and guide element, the first component not having a crack and/or damage and being in contact with the first support and guide element. A transfer path analysis is then carried out on the calibration system. In this case, transfer functions of transfer paths are determined and a transfer path model is generated based on the transfer paths involved. This transfer path model is verified by a microphone measurement. Furthermore, a synthesis model is generated by inverting the transfer path model. In a further method step, a second component is moved along a longitudinal axis of a second carrying and guiding element, the second component being in continuous contact with the second carrying and guiding element. Furthermore, vibrations in the second support and guide element are recorded by at least one detection device attached to the second support and guide element. These recorded vibrations are transformed using the transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of the second component is obtained. In a final method step, the vibration spectrum of the second component is analyzed, with the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or an amplitude, and as a result a crack and/or damage can be detected.

Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art

Radreifen von Schienenfahrzeugen unterliegen aufgrund einer hohen Beanspruchungen einem erheblichen Verschleiß. Die Kenntnis des Verschleißzustands der Räder ist sowohl für einen sicheren Bahnbetrieb als auch zur Vermeidung von Unfällen mit extremen Sach- und Personenschäden unerlässlich.Wheel tires of rail vehicles are subject to considerable wear due to high stress. Knowing the state of wear of the wheels is essential both for safe railway operation and for avoiding accidents with extreme property damage and personal injury.

Schäden an einem Schienenfahrzeugrad haben fatale Auswirkungen auf die Betriebskapazität durch:

  • • Gleisbelegungszeit - die Zeit, während ein Fahrzeug mit Radfehlern zurückgelassen werden muss.
  • • schnellere Degradierung des Gleises - mit großen dynamischen Kräften durch defekte/unrunde Räder, die zu einer früheren und intensiveren Instandhaltung des Gleises führen.
  • • Geschwindigkeitsbeschränkungen - während ein Fahrzeug mit einem defekten Rad in eine Werkstatt gebracht wird und bevor eine Inspektion des Gleises stattgefunden hat
Damage to a railway vehicle wheel has fatal effects on the operating capacity due to:
  • • Track Occupancy Time - the time during which a vehicle with wheel faults must be left behind.
  • • Faster track degradation - with large dynamic forces from defective/out-of-round wheels leading to earlier and more intensive track maintenance.
  • • Speed limits - while a vehicle with a defective wheel is brought into a workshop and before a track inspection has taken place

Typische Schäden an Radreifen sind Flachstellen, Risse, Brüche und Lockerungen des Presssitzes auf der Radscheibe. Kleinere Haarrisse sind zunächst noch keine unmittelbare Gefahr für ein plötzliches Versagen des Radreifens. Sie sind oft Begleiterscheinungen des Auftragungsprozesses auf die Radscheibe durch Schrumpfung. Lockerungen des Radreifens auf der Radscheibe sind hingegen eine große Gefahrquelle und können zu schweren Unfällen mit Entgleisungen führen. Lockere Radreifen müssen sofort erkannt und beseitigt werden. Ein Abwarten des nächsten Inspektionsintervalls kann dabei bereits zu spät sein.Typical damage to wheel tires includes flat spots, cracks, fractures and loosening of the interference fit on the wheel disc. Initially, small hairline cracks are not an immediate danger for a sudden tire failure. They are often side effects of the application process to the wheel disc due to shrinkage. On the other hand, loosening of the wheel tire on the wheel disc is a major source of danger and can lead to serious accidents with derailments. Loose wheel tires must be recognized and eliminated immediately. Waiting for the next inspection interval may already be too late.

Aufgrund ihrer Sicherheitsrelevanz müssen Radreifensysteme häufig zu routinemäßigen Inspektionen in eine Werkstatt. Wegen der nötigen Außerbetriebnahme von gesamten Zügen sind konventionelle Zustandsüberwachungsverfahren jedoch extrem zeit- und ressourcenaufwendig. Dies führt zu einer Verringerung der Verkehrskapazität, verbunden mit einer Zunahme von Zugverspätungen und -ausfällen. Die Optimierung des Detektionsprozesses in Bezug auf Bauteilschäden an den Rädern von Schienenfahrzeugen ist daher für den rechtzeitigen Austausch des verschlissenen Bauteils bzw. einer Reparatur von großer Bedeutung. Angesichts der Risiken des Bahnbetriebs wird die Überwachung der technischen Betriebssicherheit seit jeher präventiv betrieben. Bauteile und Anlagen werden in vorgeschriebenen Wartungsintervallen überwacht.Due to their safety relevance, wheel tire systems often have to be checked in a workshop for routine inspections. However, due to the necessary shutdown of entire trains, conventional condition monitoring methods are extremely time-consuming and resource-consuming. This leads to a reduction in traffic capacity, combined with an increase in train delays and cancellations. The optimization of the detection process with regard to component damage on the wheels of rail vehicles is therefore of great importance for the timely replacement of the worn component or a repair. In view of the risks of railway operations, the monitoring of technical operational safety has always been preventive. Components and systems are monitored at prescribed maintenance intervals.

Für die Schadenserkennung an Schienenfahrzeugrädern sind eine Vielzahl von Methoden bekannt. Es gibt „in Werkstatt“-Prüfverfahren und „im Betrieb“-Prüfverfahren zur Detektion von Defekten.A large number of methods are known for detecting damage to rail vehicle wheels. There are "in workshop" test methods and "in service" test methods for detecting defects.

Ein großer Nachteil der „in-Werkstatt“-Prüfverfahren ist die notwendige Demontage einzelner Radsätze vom Zug. Wegen der nötigen Außerbetriebnahme von gesamten Zügen sind solche Zustandsüberwachungsverfahren extrem zeit- und ressourcenaufwendig. Dies führt zu erheblichen Wartungskosten, einer Verringerung der Verkehrskapazität mit einer dazugehörigen Zunahme von Zugverspätungen und -ausfällen.A major disadvantage of the "in workshop" test procedure is the need to dismantle individual wheelsets from the train. Due to the necessary decommissioning of entire trains, such condition monitoring methods are extremely time-consuming and resource-consuming. This leads to significant maintenance costs, a reduction in traffic capacity with a consequent increase in train delays and cancellations.

„Im Betrieb“-Messverfahren sind An-Bord-Messverfahren (Ultraschallverfahren, magnetische Verfahren, Luftschallverfahren und Körperschallverfahren) sowie streckenseitige Messverfahren (Dehnmessstreifen, faseroptische Sensortechnologie, Ultraschallverfahren, Körperschallverfahren, Luftschallemissionsverfahren und Laser- und Hochgeschwindigkeitskameras)."In service" measurement methods are on-board measurement methods (ultrasonic, magnetic, airborne and structure-borne) and trackside (strain gauges, fiber optic sensor technology, ultrasonic, structure-borne, airborne, and laser and high-speed cameras).

Der wesentliche Nachteil der „in-Betrieb“-Prüfverfahren ist insbesondere die Messungenauigkeit und Fehleranfälligkeit aufgrund der robusten und komplexen Umfeldbedingungen. Die Messung von akustischen Zuständen im Fahrzeugbetrieb und die automatisierte Ermittlung von Bauteilzuständen unterliegt erheblichen Einschränkungen durch Störgeräusche und Umwelteinflüsse. Akustische Monitoringsysteme nutzen hierbei Schallpegelmessgeräte bzw. Mikrofone und Achszähler. Das Fahrzeugmonitoring im Speziellen nutzt zusätzliche Sensoren und -techniken, um den Zustand eines Fahrzeuges zu ermitteln.The main disadvantage of the "in operation" test method is in particular the measurement inaccuracy and susceptibility to errors due to the robust and complex environmental conditions. The measurement of acoustic states in vehicle operation and the automated determination of component states are subject to significant limitations due to background noise and environmental influences. Acoustic monitoring systems use sound level meters or microphones and axle counters. Vehicle monitoring in particular uses additional sensors and technologies to determine the condition of a vehicle.

Aus der Druckschrift US 2016/0207552 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Erkennung von Flachstellen an spurgebundenen Rädern während einer Fahrt bekannt. Dabei werden Beschleunigungssensoren zur Aufnahme von Vibrationen offenbart, wobei diese voneinander beabstandet entlang einer Schienenanordnung platziert sind. Die aufgenommenen Vibrationen erzeugen ein Schallbild, welches analysiert wird, indem das Schallbild nach auffälligen Vibrationsausschlägen hin untersucht wird. Das Verfahren bzw. System ist jedoch nachteilig nur dazu eingerichtet, Flachstellen an einem Rad zu erkennen und eignet sich darüber hinaus nicht, weitere Schäden zu erfassen bzw. die Art eines Schadens zu klassifizieren. Ferner ist das System bzw. Verfahren sehr ungenau und fehleranfällig, da die Messungen auch unter den Einfluss von anderen Komponenten wie der Schienenanordnung, der Wagenachse oder weiteren Bauteilen unterliegt.From the pamphlet U.S. 2016/0207552 A1 a system and a method for detecting flat spots on track-bound wheels while driving is known. Acceleration sensors for picking up vibrations are disclosed, these being placed at a distance from one another along a rail arrangement. The recorded vibrations generate a sound image, which is analyzed by examining the sound image for conspicuous vibration deflections. However, the disadvantage of the method and system is that it is only set up to detect flat spots on a wheel and is also not suitable for detecting further damage or for classifying the type of damage. Furthermore, the system or method is very imprecise and error-prone, since the measurements are also subject to the influence of other components such as the rail arrangement, the carriage axle or other components.

Die Druckschrift DE 10 2018 123 445 A1 betrifft eine Identifizierung von Geräuschquellen insbesondere Güterwagen und Zügen zur rechtlichen Absicherung ohne Störgeräusche. Die offenbarte Lehre zielt insbesondere darauf ab, die Lautstärke eines Zuges zu ermitteln, ohne dass Störgeräusche wie Verkehrslärm (Auto, Helikopter) Einfluss auf ein Lautstärkeergebnis nehmen. Besonders bevorzugt kann die Lautstärke eines jeden einzelnen spurgebundenen Rades ermittelt werden. Das offenbarte Verfahren bzw. System ermöglicht allerdings keine Schadensdetektion und insbesondere keine Detektion der Art eines Schadens (zum Beispiel Riss, Lockerung oder Flachstelle)The pamphlet DE 10 2018 123 445 A1 relates to the identification of noise sources, in particular freight wagons and trains, for legal protection without background noise. The teaching disclosed aims in particular at determining the volume of a train without interference noise such as traffic noise (car, helicopter) affecting a volume result. Particularly preferably, the volume of each individual track-bound wheel can be determined. However, the disclosed method or system does not enable damage detection and in particular no detection of the type of damage (e.g. crack, loosening or flat spot).

Neben der Überprüfung von Bauteilschäden an Zügen, insbesondere spurgebundenen Rädern, ist weiterhin die Qualitätssicherung in der Produktion von bspw. Massenartikeln von hoher Relevanz. Allein schon aufgrund der hohen Anzahl an zu fertigenden Artikeln werden häufig nur Stichproben für eine geeignete Qualitätsprüfung ausgewählt und auf Schäden hin untersucht. Eine solche Qualitätsprüfung ist sehr aufwändig und wird häufig noch manuell durch Begutachtung einer ausgebildeten Fachkraft durchgeführt. Es liegt daher ein Bedarf an einer automatischen, berührungslosen, zerstörungsfreien und frühzeitigen Erkennung von Schäden an Bauteilen, insbesondere in der Massenproduktion.In addition to checking component damage on trains, especially rail-bound wheels, quality assurance in the production of mass-produced items, for example, is still of great relevance. Due to the large number of articles to be manufactured, only random samples are often selected for a suitable quality check and examined for damage. Such a quality check is very complex and is often still carried out manually by assessment by a trained specialist. There is therefore a need for an automatic, non-contact, non-destructive and early detection of damage to components, particularly in mass production.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung war es daher die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen und ein robustes und fehlerresistentes Verfahren sowie System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung bereitzustellen, wobei ein Schaden als solcher sowie die Art eines Schadens identifiziert werden soll.The object of the invention was therefore to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a robust and error-resistant method and system for non-contact, non-destructive real-time component monitoring, with damage as such and the type of damage being identified.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschriebenThe object according to the invention is solved by the features of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:

  1. a. Bereitstellung eines Kalibriersystems, welches ein erstes Bauteil und ein erstes Trag- und Führungselement umfasst, wobei das erste Bauteil nicht mit einem Riss und/oder Schaden behaftet ist und in Kontakt mit dem ersten Trag- und Führungselement steht;
  2. b. Durchführen einer Transferpfadanalyse am Kalibriersystem, wobei
    • - Übertragungsfunktionen von Transferpfaden ermittelt werden;
    • - ausgehend von den beteiligten Transferpfaden ein Transferpfadmodell erzeugt wird;
    • - das Transferpfadmodell durch eine Mikrofon-Messung verifiziert wird;
    • - ein Synthesemodell erzeugt wird, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird;
  3. c. Bewegen eines zweiten Bauteils entlang einer Längsachse eines zweiten Trag- und Führungselementes, wobei das zweite Bauteil durchgehend in Kontakt mit dem zweiten Trag- und Führungselement steht;
  4. d. Erfassen von Schwingungen im zweiten Trag- und Führungselement durch mindestens eine am zweiten Trag- und Führungselement befestigte Erfassungseinrichtung;
  5. e. Transformieren der erfassten Schwingungen mittels des Transferpfad- und Synthesemodells, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils erhalten wird;
  6. f. Analyse des Schwingungsspektrums des zweiten Bauteils, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder eine Amplitude erfolgt und daraus resultierend ein Riss und/oder ein Schaden erkannt werden kann.
In a preferred embodiment, the invention relates to a method for non-contact, non-destructive real-time component monitoring, characterized in that the method comprises the following steps:
  1. a. Providing a calibration system, which comprises a first component and a first support and guide element, wherein the first component is not afflicted with a crack and/or damage and is in contact with the first support and guide element;
  2. b. Carrying out a transfer path analysis on the calibration system, wherein
    • - Transfer functions of transfer paths are determined;
    • - Based on the transfer paths involved, a transfer path model is generated;
    • - the transfer path model is verified by a microphone measurement;
    • - a synthesis model is generated by inverting the transfer path model;
  3. c. moving a second component along a longitudinal axis of a second support and guide member, the second component being in continuous contact with the second support and guide member;
  4. i.e. Detection of vibrations in the second support and guide element by at least one detection device attached to the second support and guide element;
  5. e. Transforming the detected vibrations using the transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of the second component is obtained;
  6. f. Analysis of the vibration spectrum of the second component, with the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or an amplitude and, as a result, a crack and/or damage being able to be detected.

Ausgangspunkt für das vorliegende Verfahren war die Erkenntnis, dass durch Schall der Zustand (in Bezug auf eine Schädigung) eines Bauteiles festgestellt werden kann, wobei durch eine Impulsanregung (bspw. Kraftimpuls durch Hammerschlag) die Struktur des Bauteils in Schwingung versetzt wird. Das Bauteil ist dabei aufgrund seiner strukturellen Beschaffenheit für bestimmte Frequenzen sensitiver, wodurch sich diese Frequenzen stärker als andere ausprägen. Da eine solche Analyse eine Anregung durch einen Impuls bedingt, ist eine berührungslose Bauteilüberwachung mit herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht realisierbar.The starting point for the present method was the knowledge that the condition (in terms of damage) of a component can be determined by sound, with the structure of the component being caused to vibrate by an impulse excitation (e.g. force impulse from a hammer blow). Due to its structural nature, the component is more sensitive to certain frequencies, which means that these frequencies are more pronounced than others. Since such an analysis requires excitation by a pulse, non-contact component monitoring using conventional methods known from the prior art cannot be implemented.

Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, mittels einer akustischen Resonanzanalyse zu einer punktgenauen Zustandsdiagnose eines Bauteils zu kommen - ohne das Bauteil aktiv einer Impulsanregung (bzw. Berührung) zu unterziehen. Dies hat sich als eine große Herausforderung dargestellt und war nicht ohne erfinderische Überlegungen möglich. Beobachtungen haben gezeigt, dass durch die Bewegung eines Bauteils, welches mit einem Trag- und Führungselement in Kontakt steht, Vibrationen im Trag- und Führungselement entstehen. Eine spezielle (erfindungsgemäße) Analyse der Vibrationen führt dabei zu Rückschlüssen auf den Zustand eines Bauteiles, wobei die Analyse so genau erfolgt, dass nicht nur das bloße Vorhandensein eines Schadens (also eine Auffälligkeit), sondern auch die Art eines Schadens erkannt werden kann.The core of the method according to the invention is to use an acoustic resonance analysis to arrive at a precise diagnosis of the condition of a component—without subjecting the component to active impulse excitation (or touching). This has presented itself as a great challenge and was not possible without inventive considerations. Observations have shown that the movement of a component that is in contact with a support and guide element causes vibrations in the support and guide element. A special (according to the invention) analysis of the vibrations leads to conclusions about the condition of a component, with the analysis being carried out so precisely that not only the mere presence of damage (i.e. an abnormality) but also the type of damage can be recognized.

Die Kombination der vorgeschlagenen Verfahrensschritte führt zu einem überraschenden Synergieeffekt, der zu den vorteilhaften Eigenschaften und dem damit einhergehenden Gesamterfolg der Erfindung führt, wobei die einzelnen Merkmale in Wechselwirkung zueinanderstehen. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erforderlichkeit von äußerst wenigen Verfahrensschritten und Systemkomponenten, wobei trotzdem eine überaus robuste und fehlerresistente Infrastruktur für eine berührungslose, zerstörungsfreie Echtzeit-Bauteilüberwachung generiert wird. Das Verfahren lässt sich aufgrund seiner wenigen Systemkomponenten und Verfahrensschritte vorteilhaft in besonders vereinfachter Weise in einen Vorgang/Prozess - wie einen Produktionsprozess oder eine Zugfahrt - implementieren. Dabei werden keine umfangreichen Umbauten vorhandener Systeme, bzw. Einschnitte oder Änderungen in der Abfolge des Vorgangs/Prozesses nötig. Im Gegenteil, das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft dazu eingerichtet, parallel zu einem herkömmlichen Vorgang/Prozess abzulaufen, ohne eine Wirkung auf diesen Vorgang/Prozess auszuüben. Die Innovation des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht weiterhin darin, dass die Erkennung eines Schadens und/oder eines Risses vollautomatisch während eines laufenden Prozesses/Vorgangs erfolgen kann, wobei das Verfahren darüber hinaus eine äußerst hohe Sensivität aufweist. Dies führt dazu, dass auch geringfügige Schäden - die bei einer manuellen Untersuchung durch eine Person unter Umständen nicht sichtbar und/oder erkennbar sind - anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden können. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine Erkennung eines Schadens innerhalb überaus kurzer Zeit, nämlich unmittelbar (bevorzugt innerhalb von Millisekunden) nachdem die Vibrationen aufgenommen wurden.The combination of the proposed process steps leads to a surprising synergy effect, which leads to the advantageous properties and the associated overall success of the invention, with the individual features interacting with one another. An important advantage of the method according to the invention is the need for extremely few method steps and system components, while an extremely robust and fault-resistant infrastructure for non-contact, non-destructive real-time component monitoring is nevertheless generated. Due to its few system components and method steps, the method can advantageously be implemented in a procedure/process—such as a production process or a train journey—in a particularly simplified manner. Extensive conversions of existing systems, cuts or changes in the sequence of operations/processes are not necessary. On the contrary, the method according to the invention is advantageously set up to run in parallel with a conventional procedure/process without having any effect on this procedure/process. The innovation of the method according to the invention also consists in the fact that damage and/or a crack can be detected fully automatically during an ongoing process/operation, the method also having an extremely high sensitivity. As a result, even minor damage—which may not be visible and/or recognizable in a manual examination by a person—can be determined using the method according to the invention. In addition, the method enables damage to be detected within an extremely short time, namely immediately (preferably within milliseconds) after the vibrations have been recorded.

Das vorgeschlagene Verfahren als Lösung der oben genannten Aufgabe ist als eine neuartige Technologie des sog. „Predictive Maintenance“ anzusehen, welche im Sinne einer vorausschauenden Wartung Zustands- und Leistungsdaten von Bauteilen für die Ableitung von Wartungsinformationen nutzt. Ziel ist es, Maschinen und Anlagen bzw. deren Bauteile proaktiv zu warten und Störungszeiten zu minimieren. Im Optimalfall lassen sich Störungen vorhersagen, bevor es zu Auswirkungen oder Ausfällen kommt. Durch frühzeitig proaktiv eingeleitete Wartungsmaßnahmen kann das tatsächliche Eintreten der Störung verhindert werden.The proposed method as a solution to the above task is to be regarded as a novel technology of so-called "predictive maintenance", which uses condition and performance data of components to derive maintenance information in the sense of predictive maintenance. The aim is to proactively maintain machines and systems or their components and to minimize downtimes. In the ideal case, faults can be predicted before they have an impact or failures. through early If maintenance measures are taken proactively, the actual occurrence of the fault can be prevented.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt ebenfalls als ein Verfahren zur Risserkennung und/oder Schadensdetektion an einem Bauteil zu verstehen, wobei im Sinne der Erfindung ein Bauteil bevorzugt als ein Einzelteil eines technischen Komplexes (zum Beispiel Maschine, Apparat etc.) zu verstehen ist. Bei einem Bauteil kann es sich dabei um einen vollständig gefertigten, einsatzfähigen (bzw. auch im Einsatz befindlichen) Gegenstand handeln oder aber das Bauteil kann sich auch als ein Halbzeug oder als ein Ausgangswerkstoff darstellen. Ein Bauteil kann demnach bevorzugt in einer Maschine (oder dergleichen) eingebaut und während der Durchführung eines Prozesses/Vorgangs oder während des Ruhezustandes einer Maschine überwacht werden. Andererseits kann das Bauteil auch während, vor oder nach seiner Fertigung/Produktion auf Schäden hin untersucht werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des vorliegenden Verfahrens bei der Überwachung von Bauteilen, die in komplexen Maschinen eingebaut sind, denn das Verfahren ermöglicht eine Bauteilüberwachung, ohne den Ausbau des Bauteils aus der Maschine durchführen zu müssen. Vor allem wird zudem durch das berührungslose und zerstörungsfreie Verfahren sichergestellt, dass das Bauteil nach der Überprüfung weiterhin funktionsfähig ist.The method according to the invention is preferably also to be understood as a method for detecting cracks and/or damage to a component, with a component preferably being understood as an individual part of a technical complex (e.g. machine, apparatus, etc.) within the meaning of the invention. A component can be a fully manufactured object that is ready for use (or is in use), or the component can also be a semi-finished product or a starting material. A component can therefore preferably be installed in a machine (or the like) and monitored while a process/operation is being carried out or while a machine is idle. On the other hand, the component can also be examined for damage during, before or after its manufacture/production. The use of the present method is particularly advantageous when monitoring components that are installed in complex machines, because the method enables component monitoring without having to remove the component from the machine. Above all, the non-contact and non-destructive process ensures that the component is still functional after the inspection.

Als ein Trag- und Führungselement ist bevorzugt eine Komponente zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Bauteil und/oder eine ein Bauteil umfassende Maschine zu tragen und/oder zu führen. Darunter fällt zum Beispiel ein Werkstückträger, ein Fördergurtsystem in einer Fertigung/Produktion, eine Abführungsrutsche aus einer Produktionsmaschine für fertiggestellte Bauteile und/oder Schienen für spurgebundene Maschinen oder Fahrzeuge. Das Trag- und Führungselement ist nicht darauf beschränkt und kann sämtliche weitere einem Fachmann bekannte Ausgestaltungen annehmen.A support and guide element is preferably to be understood as a component which is set up to support and/or guide a component according to the invention and/or a machine comprising a component. This includes, for example, a workpiece carrier, a conveyor belt system in manufacturing/production, a discharge chute from a production machine for finished components and/or rails for rail-bound machines or vehicles. The support and guide element is not limited to this and can assume all other configurations known to a person skilled in the art.

Besonders bevorzugt steht das Bauteil (das erste und/oder zweite Bauteil) in Kontakt mit dem Trag- und Führungselement (das erste und/oder zweite Trag- und Führungselement), wohingegen bevorzugt das Trag- und Führungselement in Kontakt mit einem Boden (-element) oder einer weiteren mit einem Boden in Verbindung stehenden Komponente, auf welchem das Trag- und Führungselement aufgestellt ist und in welchem aufkommende Kräfte bevorzugt eingeleitet werden. Das heißt, dass eine physische Berührung bzw. ein physischer Kontakt zwischen dem Bauteil und dem Trag- und Führungselement und zwischen Trag- und Führungselement und einem Boden (-element) oder einer weiteren mit einem Boden in Verbindung stehenden Komponente vorherrscht.The component (the first and/or second component) is particularly preferably in contact with the supporting and guiding element (the first and/or second supporting and guiding element), whereas the supporting and guiding element is preferably in contact with a floor (element ) or another component connected to a floor, on which the support and guide element is set up and in which emerging forces are preferentially introduced. This means that there is physical touch or physical contact between the component and the supporting and guiding element and between the supporting and guiding element and a floor (element) or another component connected to a floor.

Das vorgeschlagene Verfahren kann bevorzugt in zwei Abschnitte eingeteilt werden, nämlich in einen Kalibrierabschnitt (Verfahrensschritte a und b) und einen Untersuchungsabschnitt (Verfahrensschritte c bis f). Es versteht sich, dass zunächst eine Kalibration durchgeführt wird und im Anschluss daran ein Bauteil (oder eine Vielzahl von Bauteilen) auf Schäden und/oder Rissen hin untersucht werden können.The proposed method can preferably be divided into two sections, namely a calibration section (method steps a and b) and an examination section (method steps c to f). It goes without saying that a calibration is carried out first and then a component (or a large number of components) can be examined for damage and/or cracks.

Im Kalibrierabschnitt des Verfahrens wird bevorzugt ein Kalibriersystem bereitgestellt. Das Kalibriersystem dient bevorzugt als ein Referenzsystem. Das Kalibriersystem umfasst dabei ein erstes Bauteil und ein erstes Trag- und Führungselement, wobei das erste Bauteil nicht mit einem Riss und/oder Schaden behaftet ist und im Kontakt mit dem ersten Trag- und Führungselement steht. Das Kalibrieren eines Kalibriersystems ermöglicht insbesondere, dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Referenz zu einem Gutteil (erstes Bauteil), also einem nicht beschädigten Bauteil, bereitzustellen. Darüber hinaus kann durch das Kalibrieren die Genauigkeit des Verfahrens erhöht und die Fehleranfälligkeit minimiert werden.A calibration system is preferably provided in the calibration section of the method. The calibration system preferably serves as a reference system. The calibration system includes a first component and a first support and guide element, the first component not having a crack and/or damage and being in contact with the first support and guide element. The calibration of a calibration system makes it possible, in particular, to provide the method according to the invention with a reference to a good part (first component), that is to say a non-damaged component. In addition, the accuracy of the method can be increased and the susceptibility to errors can be minimized by the calibration.

Im Zuge des Kalibrierens wird bevorzugt zunächst eine Transferpfadanalyse am Kalibriersystem durchgeführt. Eine Transferpfadanalyse analysiert insbesondere die Ausbreitungswege (Transferpfade) von Schall von seinem Entstehungsort zu einem Messort durch ein Medium, welches z. B. ein Fluid (insbesondere Luft) oder ein Festkörper sein kann. Oftmals sind mehrere Medien an der Ausbreitung des Schalls beteiligt. Eine Transferpfadanalyse kann bspw. experimentell, in Form von Messungen direkt an der Schallquelle sowie an weiter entfernten Orten des analysierten Mediums durchgeführt werden. Auch sind theoretische Berechnungen von Transferpfaden aufgrund der Eigenschaften des ausgesendeten Schalls wie z. B. Frequenz, Amplitude und Phase sowie der an der Übertragung beteiligten Medien möglich, u. U. jedoch komplex.In the course of the calibration, a transfer path analysis is preferably first carried out on the calibration system. A transfer path analysis analyzes in particular the propagation paths (transfer paths) of sound from its point of origin to a measuring point through a medium, which e.g. B. can be a fluid (especially air) or a solid. Multiple media are often involved in the propagation of sound. A transfer path analysis can, for example, be carried out experimentally, in the form of measurements directly at the sound source and at more distant locations in the medium being analyzed. Also, theoretical calculations of transfer paths are based on the properties of the emitted sound such. B. frequency, amplitude and phase as well as the media involved in the transmission possible, but may be complex.

Die Transferpfadanalyse ist ferner bevorzugt als eine Analyse der Übertragungseigenschaften eines Schwingsystems (hier: bevorzugt Kalibriersystem) anzusehen. Ein Transferpfad beschreibt dabei die Übertragung von einem Signal, wobei der Transferpfad durch ein oder mehrere Übertragungsfunktionen dargestellt werden kann. Das Kalibriersystem transformiert bevorzugt ein Anregungssignal zu einem Empfängersignal, wobei sich diese Transformation durch eine oder mehrere Übertragungsfunktion(en) H (ω) darstellen lässt (vgl. auch 7).The transfer path analysis is also preferably to be regarded as an analysis of the transfer properties of an oscillating system (here: preferably a calibration system). A transfer path describes the transmission of a signal, it being possible for the transfer path to be represented by one or more transfer functions. The calibration system preferably transforms an excitation signal into a receiver signal, where this transformation can be represented by one or more transfer function(s) H (ω) (cf. also 7 ).

Bevorzugt sollen die Übertragungsfunktionen der Transferpfade des Luft- und Köperschalls von der Schallquelle zum Messort ermittelt werden. Der Luftschall bezeichnet bevorzugt die direkte Ausbreitung des Schalls von der Schallquelle zum bevorzugten Messort, mithin ist das Medium in diesem Falle insbesondere Luft. Diese kann vor allem die direkte Schallausbreitung zwischen Schallquelle und Messort entlang der „Luftlinie“ (der direkten Verbindung) bezeichnen. Jedoch kann ebenfalls an anderen Medien reflektierter Schall Teil des Luftschalls sein. In erster Linie geht es um den Schall, welcher nur durch Luft und nicht durch ein anderes Medium zum Messort gelangt.The transfer functions of the transfer paths of the airborne and structure-borne noise from the noise source to the measurement location should preferably be determined. Airborne sound preferably refers to the direct propagation of the sound from the sound source to the preferred measurement location, so the medium in this case is in particular air. Above all, this can refer to the direct sound propagation between the sound source and the measurement location along the "linear distance" (the direct connection). However, sound reflected from other media can also be part of the airborne sound. It is primarily about the sound, which only reaches the measuring point through air and not through another medium.

Mit Körperschall wird bevorzugt die indirekte Ausbreitung des Schalls von der Schallquelle zum Messort durch die mit der Schallquelle in Verbindung stehenden (Fest-) Körper gemeint. Dabei kann es auch eine teilweise Ausbreitung des Schalls vom an der Schallausbreitung beteiligten Körpers zum Messort durch Luft geben. In erster Linie bezeichnet Körperschall bevorzugt den Teil des am Kontakt zwischen Bauteil und Trag- und Führungselement sowie den am Kontakt zwischen Trag- und Führungselement und einem Boden (oder einer weiteren mit einem Boden in Verbindung stehenden Komponente) entstehenden Schalls, welcher sich zumindest teilweise auch durch ein anderes Medium als Luft, insbesondere durch einen Festkörper, ausgebreitet hat. Betrachtet man bspw. den Kontakt zwischen Bauteil und Trag- und Führungselement breiten sich die Schallwellen auch durch das am Kontakt beteiligte Bauteil bzw. das beteiligte Trag- und Führungselement aus.Structure-borne noise preferably means the indirect propagation of the noise from the noise source to the measurement location through the (solid) bodies connected to the noise source. There can also be a partial propagation of the sound from the body involved in the propagation of the sound to the measuring point through the air. Structure-borne noise primarily refers to the part of the noise that occurs at the contact between the component and the support and guide element and the part of the sound that occurs at the contact between the support and guide element and a floor (or another component connected to a floor), which is at least partially also through a medium other than air, in particular through a solid body. If one considers, for example, the contact between the component and the supporting and guiding element, the sound waves also propagate through the component involved in the contact or the supporting and guiding element involved.

Die bei der Ausbreitung in diesen Körpern beteiligten Kräfte können auch an angrenzende Gegenstände sowie wiederum an die Luft übertragen werden, so dass eine Körperschallanalyse schnell eine hohe Komplexität aufweisen kann. Jedoch sind bei der Transferpfadanalyse bevorzugt nur die Anteile des Körperschalls zu betrachten, welche einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtschall am Messort beitragen. Die Ermittlung dieser Anteile ist bevorzugt Teil der Analyse. Der Gesamtschall am Messort setzt sich dabei bevorzugt aus Luft- und Körperschall zusammen.The forces involved in the propagation in these bodies can also be transmitted to adjacent objects and in turn to the air, so that structure-borne sound analysis can quickly become very complex. However, in the transfer path analysis, it is preferable to only consider those parts of the structure-borne noise that make a significant contribution to the total noise at the measurement location. The determination of these proportions is preferably part of the analysis. The total noise at the measurement location is preferably made up of airborne and structure-borne noise.

Es kann ebenso bevorzugt sein, dass der Körperschall nur den durch Festkörper übertragenen Anteil des Schalls bezeichnet. Wie vorstehend erwähnt, kann eine Transferpfadanalyse auch aufgrund theoretischer Überlegungen vorgenommen werden. Insbesondere sollen die Übertragungsfunktionen des Luft- und Körperschalls jedoch experimentell ermittelt werden. Insbesondere kann ein Transferpfad des Luftschalls durch die Verwendung von einer bekannten Schallquelle und mindestens einem Mikrofon bzw. bei nicht genau charakterisierter Schallquelle durch mindestens ein Mikrofon an der Schallquelle und eines am Messort analysiert werden. Eine Transferpfadanalyse von Körperschall kann durch ein ähnliches Grundprinzip, jedoch unter Verwendung von bspw. Beschleunigungsmessern (Beschleunigungssensoren) an der Körperoberfläche anstelle von Mikrofonen, durchgeführt werden. Durch Beschleunigungsmesser können bevorzugt die für den Körperschall charakteristischen Vibrationen des Körpers festgestellt werdenIt can also be preferred that the structure-borne noise refers only to the portion of the noise transmitted by solid bodies. As mentioned above, a transfer path analysis can also be performed on the basis of theoretical considerations. In particular, however, the transfer functions of airborne and structure-borne noise should be determined experimentally. In particular, a transfer path of the airborne sound can be analyzed by using a known sound source and at least one microphone or, if the sound source is not precisely characterized, by at least one microphone at the sound source and one at the measurement location. A transfer path analysis of structure-borne noise can be performed by a similar basic principle, but using, for example, accelerometers (acceleration sensors) on the body surface instead of microphones. Accelerometers can preferably be used to determine the vibrations of the body that are characteristic of structure-borne noise

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass Übertragungsfunktionen von mindestens drei Transferpfaden ermittelt werden. Die Transferpfade werden bevorzugt anhand von Übertragungsfunktionen beschrieben, wobei die mindestens drei Transferpfade bevorzugt definiert sind als Luftschall von einem Bauteil, Körperschall im Kontakt zwischen einem Bauteil und einem Trag- und Führungselement und Körperschall im Kontakt von einem Trag- und Führungselement und einem Boden (vgl. unter anderem 2a). Jeder Transferpfad weist einen Schallanteil eines vom Kalibriersystem erzeugten Gesamtschalls auf, sodass die Summe aller Transferpfade bevorzugt einen Gesamtschall ergibt.In a preferred embodiment, the method is characterized in that transfer functions of at least three transfer paths are determined. The transfer paths are preferably described using transfer functions, with the at least three transfer paths preferably being defined as airborne noise from a component, structure-borne noise in contact between a component and a supporting and guiding element, and structure-borne noise in contact between a supporting and guiding element and a floor (cf . among other things 2a ). Each transfer path has a sound component of a total sound generated by the calibration system, so that the sum of all transfer paths preferably results in a total sound.

Weiterhin bevorzugt ist die Vielzahl der aufgenommenen Transferpfade in ihrem Zusammenspiel als ein Transferpfadmodell anzusehen. Drei aufgenommene Transferpfade sind demnach beispielsweise gemeinsam als ein Transferpfadmodell anzusehen. Der besondere Vorteil des Transferpfadmodells ist der, dass bei einem aufgenommenen Eingangssignal (Anregungssignal) für einen einzelnen Transferpfad über die Übertragungsfunktion ein Signal berechnet werden kann, welches einem Empfängersignal - also dem Gesamtschall - entspricht. G e s a m t s c h a l l = a u f g e n o m m e n e s   V i b r a t i o n s s i g n a l U ¨ b e r t r a g u n g s f u n k t i o n e n

Figure DE102021119967A1_0001
Furthermore, the multiplicity of recorded transfer paths can be viewed in their interaction as a transfer path model. Accordingly, for example, three recorded transfer paths can be viewed together as a transfer path model. The particular advantage of the transfer path model is that with a recorded input signal (excitation signal) for a single transfer path, a signal can be calculated via the transfer function which corresponds to a receiver signal - i.e. the overall sound. G e s a m t s c H a l l = a and f G e n O m m e n e s V i b right a t i O n s s i G n a l u ¨ b e right t right a G and n G s f and n k t i O n e n
Figure DE102021119967A1_0001

Folglich kann durch die Erfassung des Körperschalls bspw. im Kontakt von Trag- und Führungselement und einem Boden - als Anregungssignal - auf Basis der Transferpfadanalyse auf den Gesamtschall ohne Störeinflüsse geschlossen werden. Dies kann insbesondere aufgrund der bekannten Übertragungsfunktionen der Transferpfade geschehen. Der Gesamtschall kann so berechnet bzw. simuliert werden. Dabei umfasst die Simulation bevorzugt auch eine Simulation des am Messort entstehenden Luftschalls. Dies ist wiederum aufgrund der bekannten Übertragungsfunktion für den Transferpfad des Luftschalls möglich.Consequently, by detecting structure-borne noise, e.g. in contact between the support and guide element and a floor - as an excitation signal - on the basis of the transfer path analysis, conclusions can be drawn about the total noise without interference. This can be due in particular to the known transmission functions of the transfer paths happen. The overall sound can be calculated or simulated in this way. In this case, the simulation preferably also includes a simulation of the airborne noise occurring at the measurement location. This is again possible due to the known transfer function for the transfer path of the airborne sound.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auch - abhängig vom Kalibriersystemaufbau - mehr als drei Transferpfade bevorzugt sein.In a further preferred embodiment, more than three transfer paths can also be preferred--depending on the calibration system structure.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Transferpfadmodell durch eine Mikrofon-Messung verifiziert. Dabei kann das im Kalibriersystem umfasste erste Bauteil bevorzugt in Bewegung versetzt werden, wobei dieses durchgehend in Kontakt mit dem ersten Trag- und Führungselement steht. Ein Mikrofon ist dabei bevorzugt an einem festen Ort platziert und nimmt dabei den Gesamtschall auf, welcher die Summe des Schalls ergibt, welcher durch alle Transferpfade erhalten wird. Parallel dazu wird über mindestens einen Erfassungssensor, bevorzugt ein Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor, die durch die Bewegung des ersten Bauteiles entstehende Vibration im ersten Trag- und Führungselement aufgenommen und als Eingangsgröße für das Transferpfadmodell ausgewählt. Wie schon beschrieben, kann anhand des Transferpfadmodells aufgrund der ermittelten Transferpfade bei der Aufnahme von Körperschall im Trag und- Führungselement der Gesamtschall simuliert werden. Der simulierte Gesamtschall wird anschließend mit dem aufgenommenen Schall des Mikrofons verglichen und verifiziert. Unterscheidet sich der simulierte Gesamtschall erheblich vom gemessenen Schall des Mikrofons, so werden die Transferpfade des Kalibriersystems bevorzugt neu aufgenommen. Die Verifikation kann bevorzugt auch bei einem
ruhenden ersten Bauteil erfolgen, wobei in diesem Fall das erste Bauteil durch einen Stößel oder Hammer angeregt wird. Auch hier soll bevorzugt der gemessene Gesamtschall in einem ähnlichen Bereich wie der simulierte bzw. berechnete Gesamtschall liegen.
In a further preferred embodiment, the transfer path model is verified by a microphone measurement. In this case, the first component included in the calibration system can preferably be set in motion, with this being continuously in contact with the first support and guide element. A microphone is preferably placed at a fixed location and records the overall sound, which results in the sum of the sound that is obtained through all transfer paths. At the same time, at least one detection sensor, preferably an acceleration and/or force sensor, records the vibration in the first support and guide element caused by the movement of the first component and selects it as an input variable for the transfer path model. As already described, the overall noise can be simulated using the transfer path model based on the determined transfer paths when recording structure-borne noise in the support and guide element. The simulated overall sound is then compared and verified with the sound recorded by the microphone. If the simulated overall sound differs significantly from the measured sound of the microphone, the transfer paths of the calibration system are preferably re-recorded. The verification can preferably also be carried out at a
stationary first component, in which case the first component is excited by a ram or hammer. Here, too, the measured total sound should preferably be in a similar range to the simulated or calculated total sound.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Synthesemodell erzeugt, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird. Wie schon erörtert, ist das Transferpfadmodell bevorzugt durch ein oder mehrere Transferpfade mit jeweils mindestens einer Übertragungsfunktion H (ω) definiert. Die Summe des simulierten bzw. berechneten Schalls aller Transferpfade mit deren Übertragungsfunktionen stellen den emittierten Gesamtschall dar. Das Transferpfadmodell ermöglicht daher, bei der Aufnahme einer Eingangsgröße eines einzelnen Pfades einen Gesamtschall zu berechnen/simulieren. Das Synthesemodell kehrt bevorzugt diese Transferpfade - also die jeweiligen Übertragungsfunktionen H (ω) - um und weist demnach Umkehrfunktionen der Übertragungsfunktionen auf. Dies ermöglicht es ausgehend von einem simulierten (oder aufgenommenen) Gesamtschall als Eingangsgröße die einzelnen Schallgrößen der am Kalibriersystem beteiligten Komponenten zu ermitteln. Bevorzugt ermöglicht das Synthesemodell daher ebenfalls eine Synthese/ Extrahierung der einzelnen umgekehrten Transferpfade. Die einzelnen ermittelten Schallgrößen können dabei im Sinne der Erfindung als ein extrahiertes Schwingungsspektrum angesehen werden.In another preferred embodiment, a synthesis model is generated by inverting the transfer path model. As already discussed, the transfer path model is preferably defined by one or more transfer paths, each with at least one transfer function H(ω). The sum of the simulated or calculated sound of all transfer paths with their transfer functions represents the total sound emitted. The transfer path model therefore makes it possible to calculate/simulate a total sound when recording an input variable of a single path. The synthesis model preferably reverses these transfer paths—ie the respective transfer functions H(ω)—and accordingly has inverse functions of the transfer functions. Based on a simulated (or recorded) overall sound as an input variable, this makes it possible to determine the individual sound variables of the components involved in the calibration system. The synthesis model therefore preferably also enables a synthesis/extraction of the individual reverse transfer paths. In the context of the invention, the individually determined sound quantities can be viewed as an extracted vibration spectrum.

Anhand des Synthesemodells kann demnach die akustische Abstrahlung des Bauteils ermittelt werden.Based on the synthesis model, the acoustic radiation of the component can be determined.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Transferpfadanalyse bevorzugt auch folgendermaßen beschrieben werden: Zunächst werden einzelne Transferpfade, bevorzugt an einem Kalibriersystem, und die zugehörigen Übertragungsfunktionen (von der Anregung bis zum Empfänger) ermittelt bzw. analysiert. Anschließend wird bevorzugt ein Gesamtschall am Empfänger berechnet/simuliert, wobei alle Übertragungsfunktionen summiert werden und wobei als Eingangsgröße ein durch einen Sensor aufgenommener Impuls an einem Anregungspunkt verwendet wird. In einem nächsten Schritt wird der simulierte Gesamtschall mit einer Mikrofonmessung abgeglichen, sodass die Transferpfade validiert und gegebenenfalls im Anschluss die Übertragungsfunktionen der Transferpfade angepasst werden.In a further preferred embodiment, the transfer path analysis can preferably also be described as follows: First, individual transfer paths, preferably on a calibration system, and the associated transfer functions (from the excitation to the receiver) are determined or analyzed. An overall sound is then preferably calculated/simulated at the receiver, with all transfer functions being summed up and with a pulse recorded by a sensor at an excitation point being used as the input variable. In a next step, the simulated overall sound is compared with a microphone measurement so that the transfer paths are validated and, if necessary, the transfer functions of the transfer paths are then adjusted.

Über ein Synthesemodell wird ein bevorzugter Transferpfad extrahiert und auch umgekehrt, sodass eine Analyse des einen Transferpfades zur Identifikation über Resonanzfrequenz und Dämpfung des Risses oder Beschädigung führen kann.A preferred transfer path is extracted via a synthesis model and vice versa, so that an analysis of one transfer path can lead to the identification of the resonance frequency and damping of the crack or damage.

Nachdem anhand des Kalibriersystems ein Transferpfadmodell sowie ein Synthesemodell erzeugt wurden, können bevorzugt weitere Bauteile auf Schäden hin überprüft werden. Weiterhin bevorzugt wird im Sinne der Erfindung das zweite Bauteil entlang einer Längsachse eines zweiten Trag- und Führungselementes bewegt, wobei das zweite Bauteil durchgehend in Kontakt mit dem zweiten Trag- und Führungselement steht. Das zweite Bauteil ist dabei bevorzugt die gleiche Bauteilart wie das erste Bauteil, wobei bei dem zweiten Bauteil im Vorhinein nicht klar ist, ob es sich dabei um ein Gutteil (also ein Bauteil ohne Schäden) oder ein Schlechtteil (ein Bauteil mit Schäden wie ein Riss) handelt. Das erste und das zweite Bauteil weisen darüber hinaus bevorzugt die gleichen geometrischen Abmessungen auf. Das zweite Trag- und Führungselement ist dabei von dem ersten Trag- und Führungselement zu unterscheiden. Es handelt sich vorzugsweise um zwei verschiedene Trag- und Führungselemente. In einer weiteren bevorzugten Variante kann es sich allerdings bei dem ersten und zweiten Trag- und Führungselement auch um dasselbe Trag und Führungselement handeln.After a transfer path model and a synthesis model have been generated using the calibration system, further components can preferably be checked for damage. Furthermore, within the meaning of the invention, the second component is preferably moved along a longitudinal axis of a second carrying and guiding element, the second component being in continuous contact with the second carrying and guiding element. The second component is preferably the same type of component as the first component, although it is not clear in advance whether the second component is a good part (i.e. a component without damage) or a bad part (a component with damage such as a crack ) acts. The first and the second component have darü In addition, the same geometric dimensions are preferred. The second support and guide element is to be distinguished from the first support and guide element. It is preferably two different support and guide elements. In a further preferred variant, however, the first and second support and guide element can also be the same support and guide element.

Darüber hinaus ist im zweiten Trag- und Führungselement bevorzugt mindestens eine Erfassungseinrichtung montiert. Diese mindestens eine Erfassungseinrichtung nimmt bevorzugt Schwingungen auf, die während des Bewegens des zweiten Bauteiles im zweiten Trag- und Führungselement erzeugt werden. Die erfassten Schwingungen werden dann anhand des Transferpfad- und Synthesemodells so transformiert, dass ein extrahiertes, genaues, dem zweiten Bauteil zugeordnetes Schwingungsspektrum erhalten wird. Im Endeffekt wird als Eingangsgröße für eine durchzuführende Schadensanalyse des zweiten Bauteils die erfassten Vibrationen des zweiten Trag- und Führungselementes gewählt und anhand des Transferpfadmodells zunächst die Gesamtschalleistung ermittelt. Anschließend wird durch das Synthesemodell, welches die Umkehrung des Transferpfadmodells (also der einzelnen Transferpfade) darstellt, ausgehend vom Gesamtschall ein Schwingungsspektrum vom zweiten Bauteil generiert bzw. simuliert (vgl. auch 2a und 2b).In addition, at least one detection device is preferably mounted in the second support and guide element. This at least one detection device preferably picks up vibrations that are generated during the movement of the second component in the second support and guide element. The detected vibrations are then transformed using the transfer path and synthesis model in such a way that an extracted, precise vibration spectrum assigned to the second component is obtained. Ultimately, the detected vibrations of the second support and guide element are selected as the input variable for a damage analysis to be carried out on the second component, and the total sound power is first determined using the transfer path model. Then the synthesis model, which represents the reversal of the transfer path model (i.e. the individual transfer paths), generates or simulates a vibration spectrum from the second component based on the overall sound (cf. also 2a and 2 B ).

In anderen Worten ist die Eingangsgröße für die vorgenannte Signal-Synthetisierung bevorzugt eine Messung der Körperschallanregung am Kontaktort von zweitem Bauteil und zweitem Trag- und Führungselement. Dafür wird bevorzugt ein Sensor (Erfassungseinrichtung) verwendet, der die Kraftanregung am Entstehungsort in allen Raumrichtungen messen kann. Durch die hohen Impulskräfte, die am Entstehungsort der Anregung wirken, kann diese Größe bevorzugt durch die Messung weiterer Parameter bestimmt werden. Dazu zählen sowohl die Biegung des Trag- und Führungselementfußes (Trag- und Führungselement -Bodenelement-Kraft) als auch die Beschleunigungen am Trag- und Führungselement in allen drei Raumrichtungen und weitere zu integrierenden Funktionen (Beschleunigung, Impulsmessungen, Temperatur, usw.).In other words, the input variable for the aforementioned signal synthesis is preferably a measurement of the structure-borne noise excitation at the contact point between the second component and the second support and guide element. A sensor (detection device) is preferably used for this, which can measure the force excitation at the point of origin in all spatial directions. Due to the high impulse forces that act at the point at which the excitation occurs, this variable can preferably be determined by measuring other parameters. This includes both the bending of the support and guide element foot (support and guide element - floor element force) and the accelerations on the support and guide element in all three spatial directions and other functions to be integrated (acceleration, pulse measurements, temperature, etc.).

Das Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils wird bevorzugt in einem abschließenden Schritt einer Analyse unterzogen, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder eine Amplitude erfolgt und daraus resultierend ein Riss und/oder ein Schaden erkannt werden kann. Ausgehend von Eigenfrequenzen, Dämpfung und Amplitude kann ein spezielles Schadensbild erkannt werden, da dieses charakteristisch für ein Bauteil in Verbindung mit einer Schadensart ist.The vibration spectrum of the second component is preferably subjected to an analysis in a final step, with the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or an amplitude, and as a result a crack and/or damage being able to be detected. Based on natural frequencies, damping and amplitude, a special damage pattern can be identified, as this is characteristic of a component in connection with a type of damage.

Die Analyse erfolgt dabei bevorzugt über eine Datenverarbeitungseinheit. Die Analyse ist demnach bevorzugt als ein computerimplementierter Verfahrensschritt anzusehen. Eine solche Analyse kann sich dabei bevorzugt als ein Vergleich zwischen Referenzdaten darstellen oder aber auch durch eine Analyse mittels Algorithmen der künstlichen Intelligenz erfolgen. Dabei ist die Analyse des Schwingungsspektrums nicht darauf beschränkt.The analysis is preferably carried out using a data processing unit. The analysis is therefore preferably to be regarded as a computer-implemented method step. Such an analysis can preferably be presented as a comparison between reference data or can also be carried out by an analysis using artificial intelligence algorithms. The analysis of the vibration spectrum is not limited to this.

Beispielsweise können anhand von Validierungsversuchen Referenzdaten mit bekannten Bauteilschäden generiert und mittels Methoden des maschinellen Lernens die Unterscheidungsmerkmale extrahiert werden. Diese erlauben dann bevorzugt im akustischen Resonanztest die Detektion der aufgeführten Bauteilschäden. Weiterhin sind Algorithmen bevorzugt, mit denen Übersprechen und Störsignale kompensiert werden könnenFor example, reference data with known component damage can be generated on the basis of validation tests and the distinguishing features can be extracted using machine learning methods. These then allow the component damage listed to be detected, preferably in the acoustic resonance test. Furthermore, algorithms are preferred with which crosstalk and interference signals can be compensated

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktionen erhalten werden, indem das erste Bauteil keiner Bewegung unterliegt und das erste Bauteil und/oder das erste Trag- und Führungselement über einen Kraft-Impulshammer zu einer Schwingung angeregt wird und ein Antwortsignal über ein Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor und/oder ein Mikrofon gemessen wird,

  • - wobei zwei oder drei Übertragungsfunktionen pro Transferpfad ermittelt werden;
  • - wobei die Übertragungsfunktionen eine Reaktion einer Komponente auf eine Kraftanregung und/oder einen Übergang von einer Strukturschwingung in Luft und/oder eine Änderung eines Körperschalls bei einem Übergang zweier Elemente durch Kontaktdämpfung beschreiben.
In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the transfer functions are obtained in that the first component is not subject to any movement and the first component and/or the first support and guide element is excited to vibrate via a power impulse hammer and a response signal is measured via an acceleration and/or force sensor and/or a microphone,
  • - where two or three transfer functions per transfer path are determined;
  • - Wherein the transfer functions describe a reaction of a component to a force excitation and/or a transition from a structural vibration in air and/or a change in structure-borne noise during a transition of two elements through contact damping.

Anhand dieser bevorzugten Vorgehensweise lassen sich besonders fehlerfreie sowie resistente Übertragungsfunktionen generieren, welche überaus realitätsnahe Simulationen ermöglichen und zudem auch schon frühzeitig keine großen Abweichungen zur Mikrofon-Verifikation aufweisen. Eine Anpassung der Übertragungsfunktion nach einer Mikrofon Verifikation ist dadurch vorteilhaft nicht häufig durchzuführen. Darüber hinaus ermöglicht die bevorzugte Ausführungsform auch eine Aufnahme von Übertragungsfunktionen in einem Labor oder in einem abgeschlossenen Raum (bevorzugt auch mit kleinen Abmessungen) da das erste Bauteil nicht in Bewegung versetzt wird. In einem abgeschlossenen Raum oder Labor können insbesondere vorteilhaft die Umgebungsparameter beeinflusst und kontrolliert werden, was zu besonders fehlerfreien Übertragungsfunktionen führt. Ferner können simple, insbesondere einfach zu beschaffende, Mittel wie ein Kraftimpulshammer eingesetzt werden, um das Kalibriersystem anzuregen und daraus folgend eine oder mehrere Übertragungsfunktionen zu generieren.Using this preferred procedure, particularly error-free and resistant transfer functions can be generated, which enable extremely realistic simulations and also do not show any major deviations from the microphone verification at an early stage. An adaptation of the transfer function after a microphone verification is therefore advantageous not to be carried out frequently. In addition, the preferred embodiment also allows transfer functions to be included in a laboratory or in a closed room (preferably also with small dimensions) because the first component is not set in motion. The environmental parameters can be influenced and controlled in a particularly advantageous manner in a closed room or laboratory, which leads to particularly error-free transmission functions. Furthermore, simple means such as a power impulse hammer, in particular ones that are easy to obtain, can be used in order to stimulate the calibration system and, as a result, to generate one or more transfer functions.

Im Sinne der Erfindung unterliegt das erste Bauteil bevorzugt keiner Bewegung. Es versteht sich, dass das erste Bauteil also in Ruhe ist. Ein Körper ist grundsätzlich in Ruhe, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugskörper oder Bezugssystem nicht ändert. Vorliegend ändert sich die Lage des ersten Bauteils nicht gegenüber dem ersten Trag- und Führungselement.In terms of the invention, the first component is preferably not subject to any movement. It goes without saying that the first component is therefore at rest. A body is basically at rest if it does not change its position in relation to a reference body or reference system. In the present case, the position of the first component does not change in relation to the first supporting and guiding element.

Vorzugsweise wird ein Kraft-Impulshammer ausgewählt um eine Signalanregung und daraus folgend eine Transferpfadanalyse an einem Kalibriersystem zu erhalten. Ein Impulshammer ist bevorzugt ein mit einem Kraftsensor ausgerüsteter Hammer zum Anregen eines Gegenstandes bzw. eines ersten Bauteils oder einer Systemkomponente in einem Kalibriersystem durch einen Impuls. Durch weitere am gleichen Bauteil und/oder Systemkomponente angebrachte Sensoren kann die Übertragung dieses Impulses im Bauteil untersucht werden. Vorliegend werden Impulshämmer bevorzugt zur Anregung von Körperschall genutzt. Um das Übertragungsverhalten bestimmter Systemkomponenten (Kalibriersystem) - vor allem in der Transferpfadanalyse - zu bestimmen, wird mit dem Impulshammer eine Systemkomponente, bevorzugt das erste Bauteil, mit einem (durch den Kraftsensor) bekannten Kraftverlauf angeregt. Mit Körperschallaufnehmern (bevorzugt Beschleunigungssensoren) kann die Schwingung des Bauteils bzw. einer Systemkomponente, und mit Mikrofonen der abgestrahlte Luftschall bestimmt werden. Aus diesen gemessenen Signalen kann das Übertragungsverhalten des ersten Bauteils oder aber auch Kalibriersystems berechnet werden.A power impulse hammer is preferably selected in order to obtain signal excitation and, as a result, a transfer path analysis on a calibration system. An impulse hammer is preferably a hammer equipped with a force sensor for exciting an object or a first component or a system component in a calibration system with an impulse. The transmission of this impulse in the component can be examined by additional sensors attached to the same component and/or system component. In the present case, impulse hammers are preferably used to excite structure-borne noise. In order to determine the transmission behavior of certain system components (calibration system) - above all in the transfer path analysis - a system component, preferably the first component, is excited with the impact hammer with a force curve that is known (from the force sensor). The vibration of the component or a system component can be determined with structure-borne noise sensors (preferably acceleration sensors), and the emitted airborne noise can be determined with microphones. The transmission behavior of the first component or of the calibration system can be calculated from these measured signals.

Vorzugsweise werden mit sogenannten Kraft-Impulshämmern strategische Punkte angeregt und Antwortsignale mit Beschleunigungssensoren, Kraftsensoren und Mikrofonen gemessen. Daraus können die Übertragungsfunktionen (FRF) für Körper- und Luftschall bestimmt werden.Strategic points are preferably excited with so-called power impulse hammers and response signals are measured with acceleration sensors, force sensors and microphones. From this, the transmission functions (FRF) for structure-borne and airborne noise can be determined.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Transferpfad zwei oder drei Übertragungsfunktionen. Die Übertragungsfunktion beschreiben dabei bevorzugt die Änderung des Körperschalls beim Übergang zweier Elemente durch Kontaktdämpfung, die Reaktion einer Komponente auf eine Krafterregung den Übergang von Strukturschwingung in Luft (ohne darauf beschränkt zu sein). Ausgehend von diesen Übertragungsfunktionen können besonders detaillierte Transferpfade sowie damit einhergehend ein Transferpfadmodell generiert werden.In a further preferred embodiment, a transfer path comprises two or three transfer functions. The transfer function preferably describes the change in structure-borne noise during the transition of two elements through contact damping, the reaction of a component to a force excitation describes the transition from structural vibration to air (without being limited to this). Based on these transfer functions, particularly detailed transfer paths and, associated with this, a transfer path model can be generated.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass

  1. a. das erste Bauteil ein erstes spurgebundenes Rad ist und das zweite Bauteil ein zweites spurgebundenes Rad ist, wobei das erste und zweite spurgebundene Rad einen, bevorzugt den gleichen, Radumfang aufweisen und;
  2. b. das erste Trag- und Führungselement eine erste Schiene und das zweite Trag- und Führungselement eine zweite Schiene ist.
In a further preferred embodiment, the method is characterized in that
  1. a. the first component is a first fixed wheel and the second component is a second fixed wheel, the first and second fixed wheels having a, preferably the same, wheel circumference and;
  2. b. the first support and guide element is a first rail and the second support and guide element is a second rail.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden eine Vielzahl von Vorteilen insbesondere mit der Überprüfung im Zusammenhang von Zugbauteilen erreicht. Anhand der innovativen Ausgestaltung des Verfahrens können vorteilhaft Risse und Lockerungen eines Radreifens bei einer Zugvorbeifahrt mit Reisegeschwindigkeit detektiert werden. Das Verfahren ist dabei als ein besonders robustes (gegen Fehler), kostengünstiges sowie einfaches Messverfahren (und/oder - system) mit geringem Wartungsaufwand anzusehen. Zudem vermeidet die erfindungsgemäße bedarfsgerechte Wartung der Radreifen vorteilhaft unnötige Standzeiten einer Fahrzeugflotte. Darüber hinaus erhöht eine automatisierte und kontinuierliche Schadenserkennung die Betriebssicherheit und verringert das Risiko für schwere Unfälle durch gelöste oder gebrochene Radreifen. Das bevorzugte Verfahren kann frühzeitig notwendige Reparaturen erkennen, die Wartungsintervalle der Radsätze optimieren und die Auswirkungen der Schäden an die Gleisinfrastruktur minimieren. Jede Prüfung oder Werkstückkontrolle muss sicher klären, ob die Prüfobjekte in der Lage sind, die künftige betriebliche Beanspruchung ohne Versagen zu ertragen. Dabei lassen sich nicht nur Werkstoffeigenschaften ermitteln, sondern auch sporadisch vorkommende Fehlstellen auffinden und bewerten.A large number of advantages are achieved by the method according to the invention, in particular with the checking in connection with train components. On the basis of the innovative design of the method, cracks and loosening of a wheel tire can advantageously be detected when a train is passing at cruising speed. The method is to be regarded as a particularly robust (against errors), cost-effective and simple measuring method (and/or system) with little maintenance. In addition, the needs-based maintenance of the wheel tires according to the invention advantageously avoids unnecessary downtimes of a vehicle fleet. In addition, automated and continuous damage detection increases operational safety and reduces the risk of serious accidents caused by loose or broken tires. The preferred method can identify necessary repairs at an early stage, optimize the maintenance intervals of the wheelsets and minimize the effects of damage to the track infrastructure. Every test or workpiece control must clarify whether the test objects are able to withstand the future operational stress without failure. Not only can material properties be determined, but sporadic defects can also be found and evaluated.

Die Schwingungssignale des Rades lassen sich bevorzugt durch die Kopplung im Rad-Schiene-Kontakt in der Schiene finden. Über eine Transferpfadanalyse und -synthese werden bevorzugt die vibro-akustischen Übertragungswege (Kraftanregung, Körperschall bzw. Strukturschall und Luftschall) ermittelt. Bei einer Kenntnis der Übertragungspfade und deren mathematischen Zusammensetzung ist im zweiten Schritt eine Extrahierung/Separierung des Schwinganteiles nur des Rades möglich, gemessen mit der Schwingung an der Schiene nahe des Rad-Schiene-Kontakts als Eingangsgröße. Die Auswertung des separierten Schwingungsspektrum des Rades ermöglicht dann bevorzugt eine Zuordnung des akustischen Signals zu bekannten Schadensbildern. Eine Identifizierung von Defekten ist damit vorteilhaft möglich.The vibration signals of the wheel can be found in the rail through the coupling in the wheel-rail contact. Via a transfer path analysis and synthesis, the vibro-acoustic are preferred physical transmission paths (force excitation, structure-borne noise or structural noise and airborne noise). If the transmission paths and their mathematical composition are known, it is possible in the second step to extract/separate the vibration component of only the wheel, measured with the vibration on the rail near the wheel-rail contact as the input variable. The evaluation of the separated vibration spectrum of the wheel then preferably enables the acoustic signal to be assigned to known damage patterns. An identification of defects is thus advantageously possible.

Die Transferpfadanalyse und -synthese (TPA/TPS) ist dabei bevorzugt eine testbasierte Methode zur Messung und Berechnung der Übertragungswege von mechanischen Schwingungen. Das Ziel ist die Analyse des Beitrags jedes Einzelpfades von einer Quelle zu einem Empfänger (z. B. ein Mikrofon). Die typische Vorgehensweise bei der TPA/TPS besteht vorzugsweise aus drei Schritten:

  • 1) Experimentelle Bestimmung der vibro-akustischen Transferpfade (Transferpfadanalyse)
  • 2) Erstellung eines parametrischen Transferpfadmodells
  • 3) Synthetisierung eines äquivalenten Schallsignals aus Körperschall und Luftschall
The transfer path analysis and synthesis (TPA/TPS) is preferably a test-based method for measuring and calculating the transmission paths of mechanical vibrations. The goal is to analyze the contribution of each individual path from a source to a receiver (e.g. a microphone). The typical procedure for TPA/TPS preferably consists of three steps:
  • 1) Experimental determination of the vibro-acoustic transfer paths (transfer path analysis)
  • 2) Creation of a parametric transfer path model
  • 3) Synthesis of an equivalent sound signal from structure-borne and airborne noise

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach einer initialen experimentellen Erfassung der Transferpfade bevorzugt ein parametrisches Transferpfadmodell erstellt. Durch dieses Transferpfadmodell sind eine Synthese der relevanten Schallübertragungswege möglich. Das Gesamtschallergebnis (Summe aus Luft- und Körperschall) kann bevorzugt berechnet und über eine Mikrofon-Messung verifiziert werden. Ferner wird das validierte Transferpfadmodell bevorzugt umgestellt und rückgerechnet, um mittels der Transferpfadsynthese aus dem Schwingungssignal am Sensor der zweiten Schiene den Schwingungsbeitrag des zweiten Rades alleine zu extrahieren. Das Schwingungssignal aus dem zweiten Rad kann anschließend für den akustischen Resonanztest verwendet werden.In a further preferred embodiment, after an initial experimental detection of the transfer paths, a parametric transfer path model is preferably created. This transfer path model enables a synthesis of the relevant sound transmission paths. The overall sound result (sum of airborne and structure-borne noise) can preferably be calculated and verified via a microphone measurement. Furthermore, the validated transfer path model is preferably converted and recalculated in order to extract the vibration contribution of the second wheel alone from the vibration signal at the sensor of the second rail by means of the transfer path synthesis. The vibration signal from the second wheel can then be used for the acoustic resonance test.

Es können bevorzugt Unterschiede zwischen defektem (bevorzugt zweites Rad) und intaktem Rad (bevorzugt erstes Rad) messtechnisch erfasst werden. Das Rad schwingt als gemeinsames System mit der Schiene und den weiteren Anbauteilen, wie z. B. Schwellen und Klemmen. Die Schwingungen dieses Rad-Schiene-Systems werden von mehreren an der Schiene befestigten Schwingungssensoren erfasst.Differences between a defective (preferably second wheel) and an intact wheel (preferably first wheel) can preferably be detected by measurement. The wheel oscillates as a common system with the rail and other attachments, such as B. sleepers and clamps. The vibrations of this wheel-rail system are recorded by several vibration sensors attached to the rail.

Es kann bevorzugt sein, dass für den Transferpfad des Körperschalls insbesondere das Rad-Schiene-System Bedeutung hat und dass dessen Übertragungsfunktion unabhängig vom jeweiligen Zug und dem Ort der Schiene gleich ist, Dies kann vor allem bei modernen Schienen und/oder Zügen ähnlicher Bauweise der Fall sein. Ein Rad-Schiene System umfasst dabei bevorzugt das am Kontakt beteiligte Rad (erstes oder zweites Rad) sowie die beteiligte Schiene (erste oder zweite Schiene). So kann bevorzugt die Kenntnis einer Übertragungsfunktion des Körperschalls eines Standard Rad-Schiene-Systems ausreichen, um im Wesentlichen die Übertragungsfunktion aller Rad-Schienen-System zu kennen.It can be preferred that the wheel-rail system is particularly important for the transfer path of the structure-borne noise and that its transfer function is the same regardless of the respective train and the location of the rail case. A wheel-rail system preferably includes the wheel involved in the contact (first or second wheel) and the rail involved (first or second rail). Thus, knowledge of a transfer function of the structure-borne noise of a standard wheel-rail system can be sufficient to essentially know the transfer function of all wheel-rail systems.

Es kann jedoch auch bevorzugt sein, die Übertragungsfunktionen verschiedener Rad-Schienen-Systeme bevorzugt an verschiedenen Messorten individuell zu bestimmen. Die Übertragungsfunktion des Körperschalls ist bevorzugt weniger gut für verschiedene Rad-Schienen-Systeme und/oder Messorte verallgemeinerbar als die des Luftschalls. Die individuelle Bestimmung der Übertragungsfunktion des Körperschalls kann dann bevorzugt durch individuelle Messungen verschiedener Rad-Schiene-Systeme und/oder Messorte bestimmt werden. Dies ist für den Körperschall bevorzugt einfach, da externe Störeinflüsse erheblich geringer sind als beim Luftschall und bevorzugt keine Laborbedingungen benötigt werden. Daher kann es bevorzugt sein, geeignete Sensoren und/oder Prozessoren zur Messung der Übertragungsfunktion am Messort zu installieren und so im Wesentlichen die Übertragungsfunktion individuell zu messen.However, it can also be preferred to individually determine the transfer functions of different wheel-rail systems, preferably at different measurement locations. The transfer function of structure-borne noise is preferably less generalizable for different wheel-rail systems and/or measurement locations than that of airborne noise. The individual determination of the transfer function of the structure-borne noise can then preferably be determined by individual measurements of different wheel-rail systems and/or measurement locations. This is preferably simple for structure-borne noise, since external interference is significantly lower than for airborne noise and preferably no laboratory conditions are required. It may therefore be preferable to install suitable sensors and/or processors for measuring the transfer function at the measurement location and thus essentially measure the transfer function individually.

Das Messverfahren ist zerstörungsfrei und erkennt Risse und Lockerungen der Radreifen von Eisenbahnrädern bei der Überfahrt mit normaler Reisegeschwindigkeit. Je nach Zugart (Nachverkehrszug, Güterwagen, Straßenbahn) kann das von 50 bis 140 Km/h reichen. Die Sensoren werden bevorzugt an einem geplanten Messort in das Gleis (erste oder zweite Schiene) eingebaut und verbleiben dort permanent. Das System arbeitet nach der Einrichtung automatisch und prüft bevorzugt kontinuierlich den Radreifenzustand der Fahrzeugflotte.The measuring method is non-destructive and detects cracks and loosening of the wheel tires of railway wheels when crossing at normal travel speed. Depending on the type of train (night train, freight wagon, tram), this can range from 50 to 140 km/h. The sensors are preferably built into the track (first or second rail) at a planned measurement location and remain there permanently. Once set up, the system works automatically and preferably continuously checks the wheel tire condition of the vehicle fleet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein Beschleunigungssensor ist und vier Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von ¼ Radumfang entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt sind. Die Beschleunigungssensoren können dabei bevorzugt mit einer Rate abgetastet werden, die ausreicht, um genügend Daten für eine zuverlässige Auswertung zu liefern der darüberfahrenden Eisenbahnräder (zweites Rad) zu liefern. Durch die Sensorik ist zudem eine genaue Bestimmung der Schwingung am Rad-Schiene-Kontakt möglich. Dies ist die Voraussetzung für die Extraktion des rein vom Rad abgestrahlten Schwingungssignals durch die angewendete Technik der Transferpfadanalyse und -synthese und den nachfolgenden akustischen Resonanztest. Beschleunigungssensoren haben den Vorteil relativ geringer Stückkosten (Massenfertigung) und hoher Zuverlässigkeit (manche solcher Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen). Wegen der geringen Größe zeichnen sie sich auch durch hohe Messgeschwindigkeit aus.In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the detection device is an acceleration sensor and four acceleration sensors are attached to the second rail at a distance of ¼ wheel circumference along the longitudinal axis of the second rail. The acceleration sensors can preferably be sampled at a rate that is sufficient to provide enough data for a reliable evaluation of the railway wheels passing over them (second wheel) to deliver. The sensor system also enables precise determination of the vibration at the wheel-rail contact. This is the prerequisite for the extraction of the vibration signal purely radiated from the wheel by the applied technology of transfer path analysis and synthesis and the subsequent acoustic resonance test. Acceleration sensors have the advantage of relatively low unit costs (mass production) and high reliability (some such sensors can still withstand accelerations of up to a thousand times the measuring range without damage). Due to their small size, they are also characterized by high measuring speeds.

In einer alternativen bevorzugten Variante ist ausschließlich ein Beschleunigungssensor an der zweiten Schiene befestigt. Es hat sich dabei gezeigt, dass dieser für eine Transferpfadanalyse ausreichen kann, wobei der Sensor bevorzugt Schwingungen in nur einer Raumrichtung aufnimmt, stärker bevorzugt in 3 Raumrichtungen. Für die Berechnung der Radgeometrie (Polygonisierung) werden hingegen bevorzugt mind. 4 Sensoren benötigt.In an alternative preferred variant, only one acceleration sensor is attached to the second rail. It has been shown that this can be sufficient for a transfer path analysis, with the sensor preferably recording vibrations in only one spatial direction, more preferably in 3 spatial directions. For the calculation of the wheel geometry (polygonization), on the other hand, at least 4 sensors are preferably required.

Die Radgeräusche entstehen hauptsächlich durch unrunde (polygonisierte) Räder. Bei vier in der zweiten Schiene umfassten Beschleunigungssensoren werden entsprechend vier Signale aufgenommen. Dadurch das die Sensoren in einem Abstand zueinander von ¼ Radumfang entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt sind, nehmen sie in ihrem Zusammenspiel eine Radumdrehung also einen gesamten Radumfang des zweiten Rades auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Abbild der Polygonisierung generiert.Wheel noise is mainly caused by out-of-round (polygonized) wheels. With four acceleration sensors included in the second rail, four signals are recorded accordingly. Since the sensors are mounted at a distance of ¼ wheel circumference from one another along the longitudinal axis of the second rail, they interact with one wheel revolution, i.e. one entire wheel circumference of the second wheel. This advantageously generates an image of the polygonization.

Die Sensoren werden bevorzugt im Gleis bzw. in der zweiten Schiene mit einem definierten Abstand (¼ Umfangslänge des Rades) eingebaut. Zusätzlich wird das Gleisstück bzw. die zweite Schiene, auf dem das zu vermessende Rad läuft, baulich so verändert, dass sichergestellt wird, dass die gesamte Radlauffläche innerhalb der Messtrecke Kontakt mit dem Gleis hatte und somit alle möglichen Risse durch das Lastgebiet gelaufen sind. Nur so können alle möglicherweise vorhandenen Risse oder der fehlerhafte Sitz des Radreifens vom System erkannt werden.The sensors are preferably installed in the track or in the second rail with a defined distance (¼ circumference of the wheel). In addition, the piece of track or the second rail on which the wheel to be measured runs is structurally modified in such a way that it is ensured that the entire wheel tread surface within the measuring section was in contact with the track and that all possible cracks have therefore run through the load area. This is the only way that the system can detect any cracks that may be present or that the wheel tire is not properly seated.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von bevorzugt ½ Radumfang voneinander entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt. Ein derartiger Abstand der Beschleunigungssensoren verringert vorteilhaft die Anzahl der zu verwendeten Beschleunigungssensoren. Es werden nämlich nur zwei Sensoren für die Aufnahme eines vollen Radumlaufes benötigt. Die relativ geringe Anzahl von Sensoren verringert zwar die Genauigkeit der Mesergebnisse (im Vergleich zu beispielsweise vier Sensoren), sie ist jedoch schon als ausreichend anzusehen, um ein Schwingungsspektrum auf nehmen zu können, welches zu der Identifizierung von Schäden zu fü h rt.In a further preferred embodiment, the acceleration sensors are attached to the second rail at a distance of preferably ½ wheel circumference from one another along the longitudinal axis of the second rail. Such a distance between the acceleration sensors advantageously reduces the number of acceleration sensors to be used. In fact, only two sensors are required to record a full revolution of the wheel. Although the relatively small number of sensors reduces the accuracy of the measurement results (compared to four sensors, for example), it is to be regarded as sufficient to be able to record a vibration spectrum, which leads to the identification of damage.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von bevorzugt 1/6, 1/8 oder 1/10 Radumfang voneinander beabstandet. Bei einem Abstand von 1/6 Radumfang werden bevorzugt sechs Sensoren, bei einem Abstand von 1/8 Radumfang bevorzugt acht Beschleunigungssensoren und bei einem Abstand von 1/10 Radumfang bevorzugt zehn Beschleunigungssensoren verwendet, wobei bei der Überfahrt des zweiten spurgebundenen Rades über die Messstrecke der zweiten Schiene ein kompletter Radumlauf aufgenommen werden kann. Je mehr Sensoren verwendet werden, je detaillierter werden die Messungen und die Analyse möglich.In a further preferred embodiment, the acceleration sensors on the second rail are spaced apart at a distance of preferably 1/6, 1/8 or 1/10 of the wheel circumference. With a distance of 1/6 wheel circumference, preferably six sensors are used, with a distance of 1/8 wheel circumference preferably eight acceleration sensors and with a distance of 1/10 wheel circumference preferably ten acceleration sensors second rail a complete wheel revolution can be accommodated. The more sensors are used, the more detailed the measurements and analysis become possible.

Bevorzugt sind die Erfassungseinrichtungen (Beschleunigungssensoren, Kraftsensoren etc.) als Messeinrichtungen zu verstehen. Streng genommen ist ein Sensor (auch Detektor oder Messaufnehmer oder Messfühler) ein technisches Bauteil und bevorzugt das erste Element einer Messkette in einer Messeinrichtung. Eine Messeinrichtung bzw. Erfassungseinrichtung kann weiterhin bevorzugt, eine Recheneinheit und eine Kommunikationseinheit sowie eine Speichereinheit umfassen. Im vorliegenden Dokument sind mit den Begriffen Beschleunigungssensor, Kraftsensor (bzw. sämtliche Sensoren) jeweils Messeinrichtungen gemeint, die die jeweiligen Sensoren umfassen.The detection devices (acceleration sensors, force sensors, etc.) are preferably to be understood as measuring devices. Strictly speaking, a sensor (also a detector or measuring transducer or measuring sensor) is a technical component and is preferably the first element in a measuring chain in a measuring device. A measuring device or detection device can also preferably include a computing unit and a communication unit as well as a memory unit. In the present document, the terms acceleration sensor, force sensor (or all sensors) mean measuring devices that include the respective sensors.

Weiterhin bevorzugt ist ein Raddetektor an der zweiten Schiene befestigt. Dieser Raddetektor ist bevorzugt ein Sensor ausgesucht aus der Gruppe umfassend Beschleunigungssensor, Kraftsensor, optischer Sensor (ohne darauf beschränkt zu sein). Der Raddetektor kann jede Art von Sensoren umfassen, die in der Lage sind, ein überfahrendes spurgebundenes Rad (bevorzugt zweites Rad) zu erkennen. Der Raddetektor ist bevorzugt vor (zeitlich und örtlich in Bezug auf eine Bewegungsrichtung des zweiten Rades) einer Messstrecke an der zweiten Schiene angebracht, wobei im Sinne der Erfindung mit einer Messtrecke die in einem Abstand zueinander angeordneten Beschleunigungssensoren zu verstehen ist. Der Raddetektor kann dabei bevorzugt als sogenannter Trigger dienen, der nach Erkennung des zweiten Rades, ein Signal abgibt, wodurch die weiteren Beschleunigungssensoren angeschaltet werden, wobei die Beschleunigungssensoren in einem Energiesparmodus verharren - sofern kein Zug bzw. zweites Rad in der Nähe ist. Insofern ist der Raddetektor bevorzugt in einem ausreichenden Abstand zu anderen Komponenten in der Umgebung platziert, um eine Reaktivierung dieser Komponenten in Reaktion auf ein herannahendes zweites spurgebundenes Rad zu ermöglichen. Diese Platzierung kann in Abhängigkeit von der maximalen Geschwindigkeit, mit der das zweite spurgebundene Rad den Messbereich durchfährt, sowie einer Zeitspanne erfolgen, die zur Reaktivierung der entsprechenden Komponenten benötigt wird.Also preferably, a wheel detector is attached to the second rail. This wheel detector is preferably a sensor selected from the group consisting of an acceleration sensor, a force sensor, and an optical sensor (without being limited to these). The wheel detector can include any type of sensors that are able to detect an overriding track-bound wheel (preferably a second wheel). The wheel detector is preferably attached to the second rail before (in terms of time and location in relation to a direction of movement of the second wheel) a measurement section, with a measurement section being understood within the meaning of the invention as the acceleration sensors arranged at a distance from one another. The wheel detector can preferably serve as a so-called trigger, which emits a signal after detecting the second wheel, whereby the other acceleration sensors are switched on, whereby the acceleration sensors remain in an energy-saving mode - as long as there is no train or second wheel in the vicinity. In this respect, the wheel detector is preferably placed at a sufficient distance from other components in the environment to enable reactivation of these components in response to an approaching second track-bound wheel. This placement can be made depending on the maximum speed at which the second track-bound wheel traverses the measurement area and a period of time required for the reactivation of the corresponding components.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass

  • - die Beschleunigungssensoren in Datenverbindung mit einer Datenverarbeitungseinheit stehen und die erfasste Schwingung als Rohdaten an die Datenverarbeitungseinheit übertragen wird
und/oder
  • - die erfasste Schwingung von Übersprechen und Störsignalen bereinigt wird.
In a further preferred embodiment, the method is characterized in that
  • - the acceleration sensors are in data connection with a data processing unit and the detected vibration is transmitted as raw data to the data processing unit
and or
  • - the recorded vibration is cleaned of crosstalk and interference signals.

Die im Verfahren implementierte Datenverarbeitungseinheit ermöglicht bevorzugt die Automatisierung der Analyseschritte des aufgenommenen Schwingungsbildes. Es ist weiterhin entscheidend, dass die Datenverarbeitungseinheit ausreichend Kapazitäten aufweist, die es ermöglichen eine große Menge von Daten zu verarbeiten, wobei die Datenverarbeitungseinheit eine überaus detaillierte Analyse durchführen kann, die detaillierte Schadensbilder erkennen lässt, welche von Fachpersonal womöglich nicht aufgefunden werden. Dadurch, dass Rohdaten bevorzugt ohne eine Aufbereitung an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt werden, können die Erfassungseinrichtungen eine besonders vereinfachte Ausgestaltung aufweisen. Die Erfassungseinrichtungen benötigen entsprechend nur einen Messaufnehmer und eine Kommunikationseinheit und können auf eine Speichereinheit und/oder Prozessor verzichten.The data processing unit implemented in the method preferably enables the analysis steps of the recorded vibration image to be automated. It is also crucial that the data processing unit has sufficient capacities to enable processing of a large amount of data, the data processing unit being able to carry out an extremely detailed analysis, revealing detailed damage patterns which may not be found by specialist personnel. Due to the fact that raw data are preferably transmitted to the data processing unit without being processed, the detection devices can have a particularly simplified design. Accordingly, the detection devices only require a measuring sensor and a communication unit and can dispense with a memory unit and/or processor.

Im Sinne der Erfindung umfasst eine Datenverarbeitungseinheit vorzugsweise Mittel zum Erzeugen, Verarbeiten, Speichern, Senden und Empfangen von Daten. Die Datenverarbeitungseinheit steht bevorzugt mit einer oder mehreren Erfassungseinrichtung(en) (Beschleunigungssensoren, Kraftsensor, Mikrofon etc.) in Datenverbindung, wodurch Daten zwischen diesen Systemkomponenten bidirektional übertragen werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform führt die Datenverarbeitungseinheit Algorithmen und Berechnungen aus, indem sie von den Erfassungseinrichtungen Input-Daten erhält und nach Ausführung der Algorithmen Output-Daten generiert, welche eine Klassifizierung eines Schadens umfassen. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass die Erfassungseinrichtung nicht mit Komponenten zur Datenverarbeitung (Prozessor) und Datenspeicherung bestückt werden muss. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Datenverarbeitungseinheit für ihre Analyse bzw. Durchführung der Algorithmen eine Vielzahl von aufgenommenen Daten von verschiedenen Erfassungseinrichtungen miteinbeziehen kann, sodass eine weitreichende Analyse ermöglicht wird. Die Datenverarbeitungseinheit kann bevorzugt als ein Server ausgestaltet sein, welcher mit dem Internet verbunden ist und auf den weitere Endgeräte zugreifen können. So können werden vorteilhaft verschiedene verantwortliche Stellen oder Personen über den Zustands eines Zuges jederzeit informiert.In terms of the invention, a data processing unit preferably includes means for generating, processing, storing, sending and receiving data. The data processing unit is preferably in data connection with one or more detection device(s) (acceleration sensors, force sensor, microphone, etc.), whereby data can be transmitted bidirectionally between these system components. In a preferred embodiment, the data processing unit carries out algorithms and calculations by receiving input data from the detection devices and generating output data after the algorithms have been carried out, which include a classification of damage. The advantage of such an arrangement is that the detection device does not have to be equipped with components for data processing (processor) and data storage. A further advantage is that the data processing unit can include a large number of recorded data from different acquisition devices for its analysis or implementation of the algorithms, so that a far-reaching analysis is made possible. The data processing unit can preferably be in the form of a server which is connected to the Internet and which other end devices can access. In this way, different responsible bodies or persons can advantageously be informed at any time about the status of a train.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die Datenverarbeitungseinheit die Erfassungseinrichtungen steuern. Es kann dabei bevorzugt sein, dass alle Erfassungseinrichtungen in einem Stromsparmodus verharren, während sich kein Zug einer Messstrecke nähert. Sofern der erfindungsgemäße Raddetektor jedoch ein sich bewegendes Rad detektiert, kann dieser ein Triggersignal an die Datenverarbeitungseinheit übertragen. Diese kann anschließend die weiteren Erfassungseinrichtungen so ansteuern, dass diese von einem Stromsparmodus in einem Betriebsmodus wechseln, um Vibrationen in der Schiene aufnehmen zu können.In a further preferred refinement, the data processing unit can control the detection devices. In this case, it can be preferable for all detection devices to remain in a power-saving mode while no train is approaching a measurement section. However, if the wheel detector according to the invention detects a moving wheel, it can transmit a trigger signal to the data processing unit. This can then control the other detection devices in such a way that they switch from a power-saving mode to an operating mode in order to be able to absorb vibrations in the rail.

Als Rohdaten werden bevorzugt auch Daten verstanden, die über einen A/D Wandler aus analogen Daten in digitale Daten gewandelt wurden.Raw data is preferably also understood to mean data that has been converted from analog data into digital data via an A/D converter.

Da das zweite Rad als Bauteil eines Zuges nicht alleine auf der zweiten Schiene steht, sondern im Verbund mit anderen Rädern die zweite Schiene anregt, wird das gemessene Schwingverhalten bevorzugt noch um den Einfluss von Schwingungen der Schiene mit weiteren Anbauteilen bereinigt. Im Sinne der Erfindung ist dies als ein Übersprechen von anderen Rädern und Schallpfade anzusehen. Weiterhin können auch weitere Störsignale Einfluss auf die aufgenommenen Schwingungen nehmen, die ebenfalls vom Signal bereinigt werden müssen.Since the second wheel as a component of a train does not stand alone on the second rail, but excites the second rail in combination with other wheels, the measured vibration behavior is preferably corrected for the influence of vibrations of the rail with other attachments. In terms of the invention, this is to be regarded as crosstalk from other wheels and sound paths. Furthermore, other interference signals can also influence the recorded vibrations, which must also be cleaned from the signal.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schiene baulich so angepasst wird, dass eine gesamte Radlauffläche des ersten und/oder zweiten spurgebundenen Rades in Kontakt mit der ersten und/oder zweiten Schiene steht. Die Oberfläche der ersten und/oder zweiten Schiene weist dabei im Querschnitt einen Bogen auf, der so ausgestaltet ist, dass die Radlauffläche und die gesamte Schienenoberfläche in Kontakt zueinanderstehen. Zwar erzeugt dies eine erhöhte Reibung zwischen erster und/oder zweiter Schiene und erstes und/oder zweites Rad, da die Messstrecke allerdings keine großen Ausmaße aufweist, ist dies zu vernachlässigen. Durch die Anpassung der Schiene kann ein erhöhter Detailgrad der Schadenserkennung erreicht werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die gesamte Radlauffläche innerhalb der Messtrecke Kontakt mit dem Gleis hatte und somit alle möglichen Risse durch das Lastgebiet gelaufen sind. Nur so können alle möglicherweise vorhandenen Risse oder der fehlerhafte Sitz des Radreifens vom System erkannt werden.In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the first and/or second rail is structurally adapted such that an entire wheel running surface of the first and/or second track-bound wheel is in contact with the first and/or second rail. In this case, the surface of the first and/or second rail has an arc in cross section, which is designed in such a way that the wheel running surface and the entire rail surface are in contact with one another. Although this generates increased friction between the first and/or second rail and the first and/or second wheel, this can be neglected since the measurement section is not large. By adjusting the splint, an increased level of detail in damage detection can be achieved. This ensures that the entire wheel tread was in contact with the track within the test section and that all possible cracks ran through the load area. This is the only way that the system can detect any cracks that may be present or that the wheel tire is not properly seated.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil einer Identifikationsnummer zugeordnet ist und/oder im Falle eines Risses und/oder Schadens ein Warnsignal durch die Datenverarbeitungseinheit ausgelöst wird. Dadurch, dass dem zweiten Bauteil eine Identifikationsnummer zugeordnet ist, kann vorteilhaft im Nachhinein - nachdem ein Schaden erkannt wurde - unmittelbar der Schaden ebenfalls der Identifikationsnummer zugeordnet werden und behoben werden. Es ist dabei bevorzugt, dass die Identifikationsnummer rechtssicher und nur einmalig vergeben wird, sodass Verwechslungen von Bauteilen vermieden werden. Weiterhin ermöglicht eine Identifikationsnummer vorteilhaft eine verbesserte Archivierung von erkannten Schäden. Durch das Warnsignal der Datenverarbeitungseinheit können vorteilhaft Zuginsassen, Zugführer oder für eine Reparatur verantwortliche Stellen oder aber auch Rettungsstellen alarmiert werden. Bei dem Warnsignal kann es sich dabei vorzugsweise um ein akustisches Signal handeln, dass mit Mitteln der Datenverarbeitungseinheit an die Umgebung abgegeben wird oder aber es werden Daten mit einer Warnung an Endgeräte die den benannten zuständigen Stellen oder Personen zugeordnet sind übermittelt.In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the second component is assigned an identification number and/or a warning signal is triggered by the data processing unit in the event of a crack and/or damage. Due to the fact that an identification number is assigned to the second component, the damage can advantageously also be assigned to the identification number and rectified immediately afterwards—after damage has been detected. In this case, it is preferable for the identification number to be assigned in a legally secure manner and only once, so that mixing up components is avoided. Furthermore, an identification number advantageously enables improved archiving of detected damage. The warning signal from the data processing unit can advantageously be used to alert train occupants, train drivers or bodies responsible for repairs, or even emergency services. The warning signal can preferably be an acoustic signal that is emitted to the environment by means of the data processing unit, or else data with a warning are transmitted to terminals that are assigned to the designated competent authorities or persons.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an jedem Wagen ein Barcode zur Identifizierung des Rades angebracht. Der Raddetektor ist dabei bevorzugt ebenfalls dazu eingerichtet, diesen Barcode auszulesen und and die Datenverarbeitungseinheit zu übertragen.In a further preferred embodiment, a barcode for identifying the wheel is attached to each carriage. The wheel detector is preferably also set up to read this barcode and transmit it to the data processing unit.

Eine derartige Anordnung ist auch allgemein für Bauteile möglich, wobei ein Werkstückträger (End of line-test) ein Barcode zur Identifizierung eines Werkstücks Bauteils umfasst.Such an arrangement is also generally possible for components, with a workpiece carrier (end of line test) including a barcode for identifying a workpiece component.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das extrahierte Schwingungsspektrum in einem akustischen Resonanztest auf Merkmale hin untersucht wird und/oder die Analyse des Schwingungsspektrums des zweiten Bauteils über Algorithmen des maschinellen Lernens erfolgen.In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the extracted vibration spectrum is examined for features in an acoustic resonance test and/or the analysis of the vibration spectrum of the second component is carried out using machine learning algorithms.

Die Datenverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt ein Softwaremodul zur Transferpfadsynthese, das mittels Umkehrrechnung des parametrischen Transferpfadmodells und Störsignalfilter die Messdaten instantan transformiert. Die behandelten Messdaten werden bevorzugt um Störeinflüsse bereinigt und geben nur noch das Schwingspektrum allein des zweiten Rades wieder. An den so transformierten Daten wird bevorzugt in einem weiteren Softwaremodul der akustische Resonanztest durchgeführt. Dieser vergleicht bevorzugt die Schwingspektren mit hinterlegten Merkmalen, die auf einen Radreifenriss oder eine Lockerung des Presssitzes hindeuten. Die Merkmale können bevorzugt mit Hilfe von Trainingsdaten erstellt werden. Die Ergebnisse dieser Vergleichsprüfung werden bevorzugt mit zugehörigen Fahrzeugnummern verknüpft und in einem Instandhaltungsmanagementsystem des Betreibers gespeichert. Bei einer Schadensdetektion wird bevorzugt ein Alarm ausgelöst.The data processing unit preferably includes a software module for transfer path synthesis, which transforms the measurement data instantaneously by means of inverse calculation of the parametric transfer path model and interference signal filter. The treated measurement data are preferably cleaned of interference and only reflect the vibration spectrum of the second wheel alone. The acoustic resonance test is preferably carried out on the data transformed in this way in a further software module. This preferably compares the vibration spectra with stored characteristics that indicate a wheel tire crack or a loosening of the press fit. The features can preferably be created using training data. The results of this comparison test are preferably linked to associated vehicle numbers and stored in the operator's maintenance management system. If damage is detected, an alarm is preferably triggered.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Schwingungsspektrums des zweiten Bauteils über Algorithmen der künstlichen Intelligenz erfolgt. Die Nutzung von künstlicher Intelligenz (kurz: KI) zur Analyse von Daten führt zu bedeutenden Vorteilen gegenüber einer Analyse durch herkömmliche (computerimplementierte) Verfahren und/oder auch gegenüber einer manuellen Analyse durch einen menschlichen Beobachter. So kann eine KI vorteilhaft überaus große Datenmengen in einer sehr kurzen Zeit automatisiert analysieren. Ferner können die Algorithmen der künstlichen Intelligenz Muster und/oder Merkmale in einer Datenmenge erkennen, die von einem Menschen oder herkömmlichen Algorithmen nicht erkannt werden. Dies führt insbesondere dazu, dass die KI eintretende Schäden und/oder Risse an einem zweiten Bauteil und/oder Rad frühzeitig erkennen kann.In a further preferred embodiment, the method is characterized in that the vibration spectrum of the second component is analyzed using artificial intelligence algorithms. The use of artificial intelligence (in short: AI) to analyze data leads to significant advantages over analysis by conventional (computer-implemented) methods and/or also compared to manual analysis by a human observer. In this way, an AI can advantageously automatically analyze extremely large amounts of data in a very short time. Furthermore, the artificial intelligence algorithms can recognize patterns and/or features in a data set that are not recognized by a human or conventional algorithms. In particular, this means that the AI can detect damage and/or cracks occurring on a second component and/or wheel at an early stage.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Algorithmen der künstlichen Intelligenz bevorzugt Machine Learning Algorithmen (oder Algorithmen des maschinellen Lernens). Vorliegend werden die Begriffsfolgen „Algorithmen des maschinellen Lernens“ und „Machine Learning Algorithmen“ synonym füreinander verwendet. Es versteht sich, dass Machine Learning Algorithmen ein Teilbereich der künstlichen Intelligenz (Artificial Intelligence) sind. Machine Learning nutzt dabei mathematische und statistische Modelle, um aus Datenbeständen zu „lernen“. Im Allgemeinen haben Machine Learning Algorithmen den Vorteil, dass Informationen, die für einen menschlichen Beobachter zu komplex sind, automatisch aus einem großen Datensatz extrahiert werden können. Es gibt eine Vielzahl von Machine Learning Algorithmen, die sich im Wesentlichen in drei unterschiedliche Lernverfahren unterscheiden lassen: Supervised Learning, Unsupervised Learning und Reinforcement Learning.In a further preferred embodiment, the artificial intelligence algorithms preferably comprise machine learning algorithms (or machine learning algorithms). In the present case, the term sequences "algorithms of machine learning" and "machine learning algorithms" are used synonymously. It goes without saying that machine learning algorithms are a part of artificial intelligence. Machine learning uses mathematical and statistical models to "learn" from databases. In general, machine learning algorithms have the advantage that information that is too complex for a human observer can be automatically extracted from a large data set. There are a large number of machine learning algorithms that can essentially be divided into three different learning methods: supervised learning, unsupervised learning and reinforcement learning.

Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß Verfahren des Supervised Learning für die Analyse des extrahierten Schwingungsspektrums genutzt. Beim Supervised Learning Verfahren wird zunächst ein sogenannter Trainingsprozess durchgeführt. Hierbei werden Trainingsdaten in Form von Eingabedaten zusammen mit den entsprechenden Zieldaten bereitgestellt. Der Zweck eines Trainings ist allgemein in Machine Learning Verfahren, Parameter einer Funktion so anzupassen, dass die Funktion anschließend in der Lage ist, den Zielwert mit hoher Genauigkeit von dem entsprechenden Eingabewert zu bestimmen. Die angepasste Funktion wird dann nach dem Trainingsprozess zur Vorhersage von Zieldaten für zuvor nicht sichtbare Eingabedaten verwendet. Die Funktion wird dabei durch ein mathematisches und/oder statistisches Modell beschrieben.According to the invention, methods of supervised learning are particularly preferably used for the analysis of the extracted vibration spectrum. In the supervised learning process, a so-called training process is carried out first. Training data is provided in the form of input data together with the corresponding target data. The purpose of training in machine learning methods is generally to adapt parameters of a function in such a way that the function is then able to determine the target value from the corresponding input value with high accuracy. The fitted function is then used after the training process to predict target data for previously invisible input data. The function is described by a mathematical and/or statistical model.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird hierbei die Funktion durch Support Vektor Machine, Bayes Netze und/oder Entscheidungsbäume ausgestaltet. Besonders bevorzugt wird die Funktion durch ein künstliches neuronales Netz beschrieben. Hierbei können die künstlichen neuronalen Netze erfindungsgemäß verschiedene Architekturen aufweisen und bspw. als Deep Feed Forward (DFF) Network, Recurrent Neural Network (RNN), Deep Convolutional Network (DCN), Deconvolutinal Network (DN), Convolutional Neural Network (CNN), Deep Residual Network (DRN), Boltzmann-Maschine, Time Delay Neural Networks (TDNNs) ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the function is configured using a support vector machine, Bayes networks and/or decision trees. The function is particularly preferably described by an artificial neural network. According to the invention, the artificial neural networks can have different architectures and e.g. as Deep Feed Forward (DFF) Network, Recurrent Neural Network (RNN), Deep Convolutional Network (DCN), Deconvolutinal Network (DN), Convolutional Neural Network (CNN), Deep Residual Network (DRN), Boltzmann Machine, Time Delay Neural Networks (TDNNs).

Im Sinne der Erfindung sind die Eingabedaten bevorzugt durch das extrahierte Schwingungsspektrum definiert.In terms of the invention, the input data are preferably defined by the extracted vibration spectrum.

Erfindungsgemäß sind Zieldaten bevorzugt durch die Einordnung der Eingabedaten in eine bestimmte Klasse definiert und/oder es wird aufgrund der Eingabedaten das Auftreten von spezifischen Zieldaten (Ereignissen) bestimmt. Ebenso können auch Wahrscheinlichkeiten für die Zugehörigkeit in eine bestimmte Klasse als Zieldaten oder Wahrscheinlichkeiten für ein Auftreten von spezifischen Zieldaten (Ereignissen) ausgegeben werden. Bevorzugt sind die Klassen in bestimmte Schadensarten unterteilt. Zum Beispiel: „Aufweisen eines Risses“; „Aufweisen einer Flachstelle“; „Brüche und Lockerungen des Presssitzes auf der Radscheibe“; „Aufweisen eines Haarrisses“, „kein Schaden“. Die Kl kann demnach als sogenannter Klassifikationsalgorithmus anhand der Zuordnung der Eingabedaten in entsprechende Zieldaten ausgeben, ob ein bestimmtes Schadensereignis eintrifft.According to the invention, target data is preferably defined by the classification of the input data in a specific class and/or the occurrence of specific target data (events) is determined on the basis of the input data. Likewise, probabilities for belonging to a specific class can be output as target data or probabilities for the occurrence of specific target data (events). The classes are preferably divided into specific types of damage. For example: "having a crack"; "having a flat spot"; "Fractures and loosening of the interference fit on the wheel disc"; "Have a hairline crack", "No damage". As a so-called classification algorithm, the AI can therefore output whether a specific damage event occurs based on the assignment of the input data to corresponding target data.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren des Unsupervised Learning für die Analyse oder Verarbeitung des extrahierten Schwingungsspektrums genutzt. Beim Unsupervised Learning versucht der Algorithmus in den Eingabedaten Muster zu erkennen, die von einem strukturlosen Rauschen abweichen. Die Funktion im Trainingsprozess orientiert sich dabei nur an den Ähnlichkeiten der Eingabedaten und passt ihre Parameter dementsprechend an, sodass keine Ausgabedaten für den Trainingsprozess verwendet werden.In a further preferred embodiment, the unsupervised learning method is used for the analysis or processing of the extracted oscillation spectrum. In unsupervised learning, the algorithm tries to recognize patterns in the input data that deviate from structureless noise. The function in the training process is based only on the similarities of the input data and adjusts its parameters accordingly, so that no output data is used for the training process.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden anhand des Unsupervised Learning Verfahrens Segmentierungen bzw. Clustering der Eingabedaten oder aber auch bevorzugt Komprimierungen der Eingabedaten durchgeführt. Dem Fachmann sind die Begriffe Clustering, Segmentierung und Komprimierung im Zusammenhang mit Machine Learning Verfahren bekannt.In a preferred embodiment, the unsupervised learning method is used to segment or cluster the input data or, preferably, to compress the input data. The terms clustering, segmentation and compression in connection with machine learning methods are known to those skilled in the art.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Unsupervised Learning Algorithmus bevorzugt die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis (PCA)) und/oder den K-Means-Algorithmus und/oder mindestens ein neuronales Netz.In a preferred embodiment, the unsupervised learning algorithm preferably comprises principal component analysis (PCA) and/or the K-Means algorithm and/or at least one neural network.

Das vorgeschlagene Verfahren weist weiterhin bevorzugt Algorithmen der künstlichen Intelligenz mit Unsupervised Learning Verfahren auf. In diesem Zusammenhang kann eine Datenmenge des extrahierten Schwingungsspektrums über Verfahren des Unsupervised Learning vorbearbeitet werden, indem zum Beispiel relevante Daten gruppiert (geclustert) werden, um anschließend ausgehend von diesen „gefilterten“ Daten einen Klassifikationsalgorithmus zur Ermittlung eines Schadensereignisses zu erhalten. Ein solches Verfahren kann beispielsweise vorteilhaft die Übersprechung oder Störsignale herausfiltern.The proposed method also preferably has artificial intelligence algorithms with unsupervised learning methods. In this context, a dataset of the extracted Vibration spectrum can be pre-processed using unsupervised learning methods, for example by grouping (clustering) relevant data in order to then use this "filtered" data to obtain a classification algorithm for determining a damage event. Such a method can, for example, advantageously filter out the crosstalk or interference signals.

Wie schon beschrieben werden in beiden oben benannten Verfahren in einem ersten Schritt sogenannte Trainingsprozesse zum Ermitteln von optimalen Parametern einer o.g. Machine Learning Funktion durchgeführt. Anhand der angepassten Funktion werden nach dem Training verschiedene Aussagen für vorher unbekannte Eingabedaten getätigt.As already described, so-called training processes are carried out in a first step in both of the above-mentioned methods to determine optimal parameters of a machine learning function mentioned above. Based on the fitted function, various statements are made for previously unknown input data after the training.

In einer weiteren bevorzugten Variante wird das Verfahren des Reinforcement Learning für die Analyse oder Verarbeitung der aufgenommenen Prozessgrößen genutzt. Beim Reinforcement Learning (Lernen durch Verstärkung) Verfahren findet hingegen der Trainingsprozess kontinuierlich auch nach Anpassung der Parameter einer Funktion statt. Über „Trial and Error“ werden Auswirkungen verschiedener Aussagen anhand der angepassten Funktion für bisher unbekannte Eingabedaten beobachtet und bewertet. Als Reaktion auf diese Aussagen erhält der Algorithmus ein Feedback, abstrakt dargestellt in Form einer Belohnung oder Bestrafung. Woraufhin der Algorithmus die Funktion anhand ihrer Parameter weiter optimiert. Dementsprechend passt der Algorithmus die Funktion des Machine Learning Verfahrens kontinuierlich an bzw. verändert diesen.In a further preferred variant, the method of reinforcement learning is used for the analysis or processing of the recorded process variables. In the case of reinforcement learning, on the other hand, the training process takes place continuously even after the parameters of a function have been adjusted. The effects of different statements are observed and evaluated via "trial and error" using the adapted function for previously unknown input data. In response to these statements, the algorithm receives feedback, presented in the abstract in the form of a reward or punishment. The algorithm then further optimizes the function based on its parameters. Accordingly, the algorithm continuously adapts or changes the function of the machine learning process.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren des Reinforcement Learning die Q-Learning Methode und/oder o.g. neuronale Netze und/oder weitere neuronale Netze sowie weitere für den Fachmann bekannte AlgorithmenIn a preferred embodiment, the method of reinforcement learning includes the Q-learning method and/or the aforementioned neural networks and/or other neural networks and other algorithms known to those skilled in the art

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens eine Erfassungseinrichtung und eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, wobei

  1. a. die mindestens eine Erfassungseinrichtung an einem Trag- und Führungselement befestigt und dazu eingerichtet ist,
    • - eine Schwingung im Trag- und Führungselement aufzunehmen;
    • - die aufgenommene Schwingung als Rohdaten an die Datenverarbeitungseinheit zu übertragen;
  2. b. die Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist,
    • - anhand eines bauteilabhängigen Transferpfad- und Synthesemodells die aufgenommene Schwingung zu transformieren, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum eines mit dem Trag- und Führungselement in Kontakt stehenden und sich bewegenden Bauteils erhalten wird;
    • - das Schwingungsspektrum des Bauteils zu analysieren und daraus resultierend einen Riss und/oder einen Schaden zu erkennen, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder Amplituden erfolgt;
    • - das extrahierte Schwingungsspektrum in einem akustischen Resonanztest auf Merkmale hin zu untersuchen und/oder das extrahierte Schwingungsspektrum über Algorithmen des maschinellen Lernens zu analysieren.
In a further preferred embodiment, the invention relates to a system for non-contact, non-destructive real-time component monitoring, characterized in that the system comprises at least one detection device and a data processing unit, wherein
  1. a. the at least one detection device is attached to a support and guide element and is set up for this purpose,
    • - absorb a vibration in the support and guide element;
    • - to transmit the recorded vibration as raw data to the data processing unit;
  2. b. the data processing unit is set up to
    • - to transform the recorded vibration using a component-dependent transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of a moving component that is in contact with the support and guide element is obtained;
    • - to analyze the vibration spectrum of the component and, as a result, to detect a crack and/or damage, the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or amplitudes;
    • - examine the extracted vibration spectrum for features in an acoustic resonance test and/or analyze the extracted vibration spectrum using machine learning algorithms.

Ein derartiges System zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist aus dem Stand der Technik weder bekannt noch einem durchschnittlichen Fachmann nahegelegt. Das erfindungsgemäße System ist vielmehr als eine Abkehr vom Stand der Technik anzusehen, in welchem insbesondere zur Schadensdetektion häufig manuelle Überwachungs-, Analyse-, Übertragungs- und/oder Bearbeitungsschritte miteinbezogen werden müssen. Wohingegen das erfindungsgemäße System die Möglichkeit bietet, ein voll automatisch ausgeführtes Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung durchzuführen. Das System bietet vor allem auch die Möglichkeit, einen besonders kompakten Messaufbau bereitzustellen, welcher nur wenige Systemkomponenten benötigt und -nachdem er einmal kalibriert wurde- für eine große Anzahl an Messungen und Analysen ohne weiterführende Änderungen verwendet werden kann.Such a system for solving the above-mentioned problem is neither known from the prior art nor suggested to an average person skilled in the art. Rather, the system according to the invention is to be regarded as a departure from the prior art, in which manual monitoring, analysis, transmission and/or processing steps often have to be included, particularly for damage detection. In contrast, the system according to the invention offers the possibility of carrying out a fully automatically executed method for non-contact, non-destructive real-time component monitoring. Above all, the system also offers the possibility of providing a particularly compact measurement setup, which requires only a few system components and - once it has been calibrated - can be used for a large number of measurements and analyzes without further changes.

Ein Fachmann erkennt, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erörterten Vorteile, technischen Effekte und bevorzugten Ausführungsformen analog für das erfindungsgemäße System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung gelten. Ebenfalls sind alle Vorteile, technischen Effekte und bevorzugten Ausführungsformen, welche im Kontext des Systems beschrieben werden, auf das Verfahren übertragbar.A person skilled in the art recognizes that the advantages, technical effects and preferred embodiments discussed in connection with the method according to the invention apply analogously to the system according to the invention for non-contact, non-destructive real-time component monitoring. Likewise, all advantages, technical effects and preferred embodiments that are described in the context of the system can be transferred to the method.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das bauteilabhängige Transferpfad- und Synthesemodell generiert wird, indem eine Transferpfadanalyse an einem Kalibriersystem durchgeführt wird, wobei das Kalibriersystem ein keinen Riss und/oder Schaden aufweisendes Bauteil und ein mit dem Bauteil in Kontakt stehendes Trag- und Führungselement umfasst,
wobei

  • - Übertragungsfunktionen von drei Transferpfaden ermittelt werden;
  • - ausgehend von den drei Transferpfaden ein Transferpfadmodell erzeugt wird;
  • - das Transferpfadmodell durch eine Mikrofon-Messung verifiziert wird;
  • - das Synthesemodell erhalten wird, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird.
In a further preferred embodiment, the system is characterized in that the component-dependent transfer path and synthesis model is generated by carrying out a transfer path analysis on a calibration system, the calibration system having a component that is free of cracks and/or damage and a component that is in contact with the component supporting and guiding element,
in which
  • - Transfer functions of three transfer paths are determined;
  • - A transfer path model is generated based on the three transfer paths;
  • - the transfer path model is verified by a microphone measurement;
  • - the synthesis model is obtained by inverting the transfer path model.

Vor der Installation des erfindungsgemäßen Systems wird bevorzugt die Messstrecke kalibriert. Dazu wird bevorzugt über die Transferpfadmessungen ein parametrisches Transferpfadmodell erstellt. Die Software dazu wird bevorzugt als Modul innerhalb der bevorzugten Datenverarbeitungseinheit implementiert. Das Transferpfadmodell enthält dabei die relevanten Transferpfade und alle relevanten sekundären Parameter. Für die Kalibrierungsmessungen wird bevorzugt ein Bauteil nacheinander auf jeder Position einer Erfassungseinrichtung abgestellt.Before installing the system according to the invention, the measuring section is preferably calibrated. For this purpose, a parametric transfer path model is preferably created using the transfer path measurements. The software for this is preferably implemented as a module within the preferred data processing unit. The transfer path model contains the relevant transfer paths and all relevant secondary parameters. For the calibration measurements, one component is preferably placed one after the other on each position of a detection device.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein spurgebundenes Rad ist, wobei das spurgebundene Rad einen Radumfang aufweist und das Trag- und Führungselement eine Schiene ist.In a further preferred embodiment, the system is characterized in that the component is a track-bound wheel, the track-bound wheel having a wheel circumference and the support and guide element being a rail.

Das System wird bevorzugt zunächst für eine Schiene kalibriert und eingemessen. Dazu wird bevorzugt eine Transferpfadanalyse mit einem spurgebundenen Rad, auf der Schiene durchgeführt, um exakt alle Transferpfade über das Rad, Schiene und einer Schwelle zu bestimmen. Die Ergebnisse werden bevorzugt mit Mikrofonmessungen bei einer Vorbeifahrt des spurgebundenen Rades verifiziert. Als Messstrecke bieten sich Abschnitte im Gleisnetz eines Bahnbetreibers an, über die zwangsweise alle Fahrzeuge einer zu untersuchenden Fahrzeugflotte fahren müssen, z.B. Depotausfahrten.The system is preferably first calibrated and measured for one rail. For this purpose, a transfer path analysis is preferably carried out with a track-bound wheel on the rail in order to determine exactly all transfer paths via the wheel, rail and a sleeper. The results are preferably verified with microphone measurements when the track-bound wheel drives past. Sections in the track network of a railway operator, over which all vehicles in a vehicle fleet to be examined must drive, e.g.

Die Begriffe „Gleis“ und „Schiene“ werden im gesamten Dokument synonym füreinander verwendet.The terms "track" and "rail" are used interchangeably throughout the document.

Bevorzugt wird mit einer nachfolgenden Transferpfadsynthese das erstellte Transferpfadmodell umgekehrt, um aus dem Schwingungssignal nur der Schiene, nahe des Rad-Schiene-Kontaktes, auf die Schwingbeiträge der einzelnen Komponenten zurückzuschließen. Wenn dies gelingt, wird der Transferpfad isoliert, der den alleinigen Beitrag des Rades am Schwingungssignal darstellt. Die Synthese dieses isolierten Transferweges wird bevorzugt in einer Analysesoftware der Datenverarbeitungseinheit implementiert.The created transfer path model is preferably reversed with a subsequent transfer path synthesis in order to draw conclusions about the vibration contributions of the individual components from the vibration signal of only the rail, close to the wheel-rail contact. If this succeeds, the transfer path, which represents the sole contribution of the wheel to the vibration signal, is isolated. The synthesis of this isolated transfer path is preferably implemented in analysis software for the data processing unit.

Die Schwingungen in der Schiene werden bevorzugt bei der Überfahrt gemessen und die Messdaten instantan von der Analysesoftware mit dem implementierten Synthesemodell transformiert. Weiterhin werden hier bevorzugt Filter gegen Übersprechen und Störsignale appliziert. Das Ergebnis ist dabei bevorzugt das exakte, extrahierte Schwingungsspektrum nur des Rades/Radreifen, ohne Störanteile.The vibrations in the rail are preferably measured during the crossing and the measurement data are transformed instantaneously by the analysis software with the implemented synthesis model. Furthermore, filters against crosstalk and interference signals are preferably applied here. The result is preferably the exact, extracted vibration spectrum of just the wheel/wheel tire, without interference components.

Das extrahierte Schwingungsspektrum des Rades/Radreifen wird danach bevorzugt in einem akustischen Resonanztest (ART) auf Merkmale untersucht, die auf einen Rissschaden oder die Lockerung des Radreifens hindeuten. Der ART ist dabei bevorzugt ebenfalls in einer der Datenverarbeitungseinheit umfassten Software implementiert und arbeitet automatisiert und instantan zur Überfahrt. Die Unterscheidungsmerkmale für die Schadenserkennung werden bevorzugt anhand von Trainingsdaten definiert. Hierbei werden bevorzugt auch Methoden des maschinellen Lernens angewendet. Das System ist bevorzugt modular aufgebaut und ist dadurch an die örtlichen Anforderungen anpassbar.The extracted vibration spectrum of the wheel/wheel tire is then examined, preferably in an acoustic resonance test (ART), for features that indicate crack damage or loosening of the wheel tire. The ART is preferably also implemented in software included in the data processing unit and works automatically and instantaneously for the crossing. The distinguishing features for the damage detection are preferably defined using training data. Machine learning methods are also preferably used here. The system preferably has a modular structure and can therefore be adapted to local requirements.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das System dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein Beschleunigungssensor ist und vier Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von ¼ Radumfang entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt sind.In a further preferred embodiment, the system is characterized in that the detection device is an acceleration sensor and four acceleration sensors are attached to the second rail at a distance of ¼ wheel circumference along the longitudinal axis of the second rail.

Das Messsystem umfasst bevorzugt mehrere an der Schiene dauerhaft befestigte Schwingungssensoren (Wayside-System). Die Sensoren werden dabei bevorzugt konsekutiv bei der Überfahrt des Rades durch die Datenverarbeitungseinheit ausgelesen, um Schwingungen vom gesamten Umfang des Rades zu erfassen. Ebenfalls ist die Messtrecke bevorzugt dermaßen angepasst, dass pro Rad alle möglichen Aufstandspunkte der Radlauffläche erfasst werden.The measuring system preferably comprises a number of vibration sensors permanently attached to the rail (wayside system). The sensors are preferably read consecutively by the data processing unit as the wheel passes over them, in order to detect vibrations from the entire circumference of the wheel. The measuring section is also preferably adapted in such a way that all possible contact points of the wheel tread are recorded for each wheel.

FIGURENCHARACTERS

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.The invention is to be explained in more detail below with reference to figures, without being restricted to these.

Figurenlistecharacter list

  • 1 Schematische Darstellung eines Mechanismus der Entstehung von Rollgeräuschen in einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich an einem Rad und einer Schiene 1 Schematic representation of a mechanism for generating rolling noise in a preferred embodiment, namely on a wheel and a rail
  • 2 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich eines Rad-Schiene-Kontakts und den damit einhergehenden Transferpfaden von Schall 2 Schematic representation of a preferred embodiment, namely a wheel-rail contact and the associated transfer paths of sound
  • 3 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich eines Rad-Schiene-Kontakts, wobei insbesondere eine bevorzugte Systemanordnung gezeigt wird 3 Schematic representation of a preferred embodiment, namely a wheel-rail contact, particularly showing a preferred system arrangement
  • 4 Darstellung eines Transferpfades 4 Representation of a transfer path
  • 5 Schematische Darstellung eines Kalibriersystems aufweisend bevorzugt zwei Transferpfade 5 Schematic representation of a calibration system preferably having two transfer paths
  • 6 Schematische Darstellung von Transferpfaden eines bevorzugten Rad-Schiene-Kontakts zur Erkennung eines Schadens an einem Rad 6 Schematic representation of transfer paths of a preferred wheel-rail contact for detecting damage to a wheel
  • 7 Bevorzugter Transferpfad, welcher durch drei Übertragungsfunktionen beschrieben wird 7 Preferred transfer path, which is described by three transfer functions
  • 8 Schematische Darstellung von Transferpfaden eines bevorzugten Rad-Schiene-Kontakts zur Erkennung eines Schadens an einem Rad, wobei die einzelnen Übertragungsfunktionen mitberücksichtigt werden 8th Schematic representation of transfer paths of a preferred wheel-rail contact for detecting damage to a wheel, taking into account the individual transfer functions

Detaillierte Beschreibung der AbbildungenDetailed description of the illustrations

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mechanismus der Entstehung von Rollgeräuschen in einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich an einem Rad und einer Schiene. Im Sinne der Erfindung ist das Rad bevorzugt als ein Bauteil 1 und die Schiene bevorzugt als ein Trag- und Führungselement 3 zu verstehen. 1 FIG. 12 shows a schematic representation of a mechanism of rolling noise generation in a preferred embodiment, namely on a wheel and a rail. In terms of the invention, the wheel is preferably to be understood as a component 1 and the rail is preferably to be understood as a supporting and guiding element 3 .

Vibrationen in Zügen entstehen bevorzugt aus dem Rad-Schiene-Kontakt beim Abrollen des Rades auf dem Gleis. Die Rauheit von Rad und Schiene induziert bevorzugt Vibrationen in Rad und Schiene gleichermaßen. Es liegt entsprechend eine Kraftanregung am Rad-Schiene-Kontakt vor. Genau an diesem Mechanismus setzt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. System an: Die Schwingungssignale des Rades lassen sich durch die Kopplung im Rad-Schiene-Kontakt ebenfalls in der Schiene finden. Über eine Transferpfadanalyse und -synthese lassen sich dabei bevorzugt die vibro-akustischen Übertragungswege (Kraftanregung, Körperschall bzw. Strukturschall und Luftschall) finden. Bei Kenntnis der Übertragungspfade (Transferpfade) und deren mathematischen Zusammensetzung (Übertragungsfunktionen) ist eine Extrahierung/Separierung des Schwinganteiles des Rades möglich, wobei eine Schwingung am Gleis nahe des Rad-Schiene-Kontakts als Eingangsgröße gemessen wird. Die Auswertung eines separierten Schwingungsspektrums des Rades ermöglicht abschließend eine Zuordnung des akustischen Signals zu bekannten Schadensbildern, wodurch eine Identifizierung von Defekten möglich wird.Vibrations in trains are primarily caused by wheel-rail contact when the wheel rolls on the track. The roughness of wheel and rail preferentially induces vibrations in both wheel and rail. There is a corresponding force excitation at the wheel-rail contact. The method and system according to the invention is based precisely on this mechanism: the vibration signals of the wheel can also be found in the rail due to the coupling in the wheel-rail contact. The vibro-acoustic transmission paths (force excitation, structure-borne noise or structural noise and airborne noise) can preferably be found via a transfer path analysis and synthesis. If the transmission paths (transfer paths) and their mathematical composition (transfer functions) are known, it is possible to extract/separate the vibration component of the wheel, with vibration on the track near the wheel-rail contact being measured as the input variable. Finally, the evaluation of a separated vibration spectrum of the wheel enables the acoustic signal to be assigned to known damage patterns, which makes it possible to identify defects.

2 (2a und 2b.) illustriert eine bevorzugte Ausführungsform, nämlich einen Rad-Schiene-Kontakt, und die technische Vorgehensweise einer Transferpfadanalyse und -synthese. Im Sinne der Erfindung ist das Rad bevorzugt als ein Bauteil 1 und die Schiene als ein Trag- und Führungselement 3 zu verstehen. Ferner ist bevorzugt eine Erfassungseinrichtung 5 an der Schiene befestigt, welche dazu eingerichtet ist, Vibrationen in der Schiene aufzunehmen. 2 ( 2a and 2 B .) illustrates a preferred embodiment, namely a wheel-rail contact, and the technical procedure of a transfer path analysis and synthesis. In terms of the invention, the wheel is preferably to be understood as a component 1 and the rail as a supporting and guiding element 3 . Furthermore, a detection device 5 is preferably attached to the rail, which is set up to record vibrations in the rail.

Die 2a zeigt insbesondere schematisch eine Transferpfadanalyse für das bevorzugte Rad-Schiene-System. In 2a handelt es sich bevorzugt um ein Kalibriersystem mit einem ersten Rad und einer ersten Schiene. Zunächst werden die Transferpfade der Körperschall- und Luftschallübertragung im Kalibriersystem gemessen, die den Gesamtschall ohne Störeinflüsse ergeben. Dabei wird bevorzugt eine Analyse aller Übertragungswege (Transferpfade) an einem stehenden (also keine Bewegung aufweisenden) ersten Rad durchgeführt, wobei dieser keinen Schaden oder Riss aufweist. Ziel dieser Analyse ist es, Informationen über die Auswirkung von Kraftimpulsen aller drei Raumrichtungen auf das Körperschall- und Luftschallspektrum an einem Zielort zu erhalten. Dazu werden mit sogenannten Kraft-Impulshämmern strategische Punkte angeregt und Antwortsignale mit Erfassungseinrichtungen 5 (bevorzugt Beschleunigungssensoren, Kraftsensoren und/oder Mikrofonen) gemessen. Daraus können Übertragungsfunktionen (FRF) für Körper- und Luftschall bestimmt werden, welche jeweils einem Transferpfad zugeordnet sind. Ein Transferpfad kann dabei bevorzugt zwei oder drei Übertragungsfunktionen umfassen. Vorzugsweise beschreibt ein erster Transferpfad einen Luftschall vom ersten Rad, ein zweiter Transferpfad Körperschall im Rad-Schiene Kontakt und ein dritter Transferpfad Körperschall im Schwelle Gleisbett-Kontakt. Das Gleisbett kann in abstrahierter Form bevorzugt auch als ein Boden zu verstehen sein.the 2a shows in particular schematically a transfer path analysis for the preferred wheel-rail system. In 2a it is preferably a calibration system with a first wheel and a first rail. First, the transfer paths of the structure-borne and airborne noise transmission are measured in the calibration system, which result in the total noise without interference. In this case, an analysis of all transmission paths (transfer paths) is preferably carried out on a stationary (that is to say not showing any movement) first wheel, with this wheel showing no damage or cracks. The aim of this analysis is to obtain information about the impact of force impulses in all three spatial directions on the structure-borne and airborne noise spectrum at a target location. For this purpose, strategic points are excited with so-called power impulse hammers and response signals with detection devices 5 (preferred Acceleration sensors, force sensors and/or microphones) measured. From this, transfer functions (FRF) for structure-borne and airborne noise can be determined, each of which is assigned to a transfer path. A transfer path can preferably include two or three transfer functions. A first transfer path preferably describes an airborne noise from the first wheel, a second transfer path describes structure-borne noise in the wheel-rail contact and a third transfer path describes structure-borne noise in the sleeper track bed contact. In abstract form, the track bed can preferably also be understood as a floor.

Nach der initialen experimentellen Erfassung der Transferpfade (Transferpfadanalyse) wird davon ausgehend ein parametrisches Transferpfadmodell erstellt. Durch dieses Modell kann bei einer realen Anregung (bspw. durch einen rollenden Zug mit einem zweiten Rad auf einer zweiten Schiene) der Gesamtschall erhalten werden, wobei als Eingangsgröße für das Transferpfadmodell die Anregung eines einzelnen Transferpfades ausreicht.After the initial experimental recording of the transfer paths (transfer path analysis), a parametric transfer path model is created. With this model, the total sound can be obtained with a real excitation (e.g. by a rolling train with a second wheel on a second rail), whereby the excitation of a single transfer path is sufficient as an input variable for the transfer path model.

In 2b wird eine reale Zugüberfahrt schematisch dargestellt, wobei ein zweites Rad und eine zweite Schiene illustriert sind. Mit der Zugüberfahrt einhergehend ist das zweite Rad in Bewegung und dabei kontinuierlich mit der zweiten Schiene in Kontakt. Aufgrund der Bewegung werden Vibrationen in Rad und Schiene gleichermaßen induziert. Durch das vorgenannte (s. 2a) Transferpfadmodell wird bevorzugt ein Synthesemodell erzeugt, wobei anhand des Synthesemodells ausgehend von einem durch das Transferpfadmodell ermittelter Gesamtschall eine Rückrechnung des reinen Luftschallbeitrages des einzelnen zweiten Rades erfolgen kann. Die erforderliche Eingangsgröße für diese Signal-Synthetisierung ist eine Messung der Körperschallanregung am Kontaktort von Schiene und Rad. Dafür misst ein bevorzugter Sensor (Erfassungseinrichtung 5) eine Kraftanregung am Entstehungsort in allen Raumrichtungen. Der reine Luftschallbeitrag des einzelnen zweiten Rades ist als ein extrahiertes Schwingungsspektrum zu verstehen, welches bevorzugt weiteren Analysen unterzogen werden kann, um einen Schaden und/oder Riss am zweiten Rad zu identifizieren.In 2 B a real train crossing is shown schematically, with a second wheel and a second rail being illustrated. As the train passes, the second wheel moves and is in constant contact with the second rail. Due to the movement, vibrations are induced in the wheel and rail alike. Through the above (p. 2a ) Transfer path model, a synthesis model is preferably generated, it being possible to back-calculate the pure airborne noise contribution of the individual second wheel using the synthesis model, starting from an overall noise determined by the transfer path model. The required input variable for this signal synthesis is a measurement of the structure-borne noise excitation at the point of contact between rail and wheel. For this purpose, a preferred sensor (detection device 5) measures a force excitation at the point of origin in all spatial directions. The pure airborne noise contribution of the individual second wheel is to be understood as an extracted vibration spectrum, which can preferably be subjected to further analyzes in order to identify damage and/or cracks on the second wheel.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich eines Rad-Schiene-Kontakts, wobei insbesondere eine bevorzugte Systemanordnung gezeigt wird. Das bevorzugte System weist vier Erfassungseinrichtungen 5 und eine Datenverarbeitungseinheit 7 auf. Das System ist bevorzugt dazu eingerichtet, eine berührungslose, zerstörungsfreie Echtzeit-Bauteilüberwachung auszuführen. Insbesondere ist das System dazu eingerichtet, eine Zugüberfahrt über ein Gleis zu analysieren, um daraus resultierend einen Riss und/oder Schaden in einem spurgebundenen Rad zu erkennen. 3 FIG. 12 shows a schematic representation of a preferred embodiment, namely a wheel-rail contact, particularly showing a preferred system arrangement. The preferred system has four detection devices 5 and a data processing unit 7 . The system is preferably set up to carry out non-contact, non-destructive real-time component monitoring. In particular, the system is set up to analyze a train crossing a track in order to identify a crack and/or damage in a track-bound wheel as a result.

Der Zug weist dabei ein zweites Bauteil 1, nämlich ein zweites Rad, auf, welches in Kontakt mit einem zweiten Trag- und Führungselement 3, nämlich einer zweiten Schiene, ist, wobei das zweite Rad auf der Schiene in Bewegung ist und der Kontakt durchgängig aufrecht erhalten wird. Die Erfassungseinrichtungen 5 des bevorzugten Systems sind im Gleis (zweite Schiene) mit einem definierten Abstand voneinander, nämlich bevorzugt ¼ Umfangslänge des zweiten Rades, eingebaut. Zusätzlich wird die zweite Schiene, auf dem das zu vermessende zweite Rad läuft, baulich bevorzugt so verändert, dass es einen lateralen Bogen beschreibt. Dadurch ist sichergestellt, dass die gesamte Radlauffläche innerhalb der Messtrecke Kontakt mit dem Schiene hat und somit alle möglichen Risse durch das Lastgebiet gelaufen sind.The train has a second component 1, namely a second wheel, which is in contact with a second supporting and guiding element 3, namely a second rail, the second wheel being in motion on the rail and the contact being maintained throughout is obtained. The detection devices 5 of the preferred system are installed in the track (second rail) at a defined distance from one another, namely preferably ¼ the circumferential length of the second wheel. In addition, the second rail, on which the second wheel to be measured runs, is structurally modified in such a way that it describes a lateral arc. This ensures that the entire wheel tread is in contact with the rail within the test section and that all possible cracks have run through the load area.

Da das zweite Rad als Bauteil 1 eines Zuges nicht alleine auf der zweiten Schiene steht, sondern im Verbund mit anderen Rädern die zweite Schiene anregt, muss das gemessene Schwingverhalten noch um den Einfluss von Schwingungen der Schiene mit weiteren Anbauteilen bereinigt werden (Übersprechen von anderen Rädern und Schallpfade). Dafür muss an der Messstelle (oder einem Kalibriersystem) eine genaue Untersuchung der Transferpfade des Rad-Schiene-Systems durchgeführt werden.Since the second wheel as part 1 of a train does not stand alone on the second rail, but excites the second rail in combination with other wheels, the measured vibration behavior still has to be adjusted for the influence of vibrations of the rail with other attachments (crosstalk from other wheels and sound paths). For this, a detailed investigation of the transfer paths of the wheel-rail system must be carried out at the measuring point (or a calibration system).

Weiterhin kann das System um einen in der zweiten Schiene angebrachten Raddetektor 11 erweitert werden, wobei der Raddetektor 11 bevorzugt einen Beschleunigungssensor umfasst und die Genauigkeit der Messergebnisse erhöht. Die von der Erfassungseinrichtungen 5 ermittelten Vibrations-Signale (Schwingungen) in der zweiten Schiene werden an die Datenverarbeitungseinheit 7 übertragen wobei diese vorher bevorzugt über einen A/D-Wandler 9 in ein digitales Signal gewandelt werden. Die Datenverarbeitungseinheit 7 ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, anhand eines radabhängigen Transferpfad- und Synthesemodells die aufgenommene Schwingung zu transformieren, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum des zweiten Rads erhalten wird. Ferner kann die Datenverarbeitungseinheit 7 das Schwingungsspektrum des zweiten Rades analysieren und daraus resultierend einen Riss und/oder einen Schaden zu erkennen, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder Amplituden erfolgt. Weiterhin ist die Datenverarbeitungseinheit 7 dazu eingerichtet das extrahierte Schwingungsspektrum in einem akustischen Resonanztest auf Merkmale hin zu untersuchen und/oder das extrahierte Schwingungsspektrum über Algorithmen des maschinellen Lernens zu analysieren.Furthermore, the system can be expanded to include a wheel detector 11 mounted in the second rail, with the wheel detector 11 preferably comprising an acceleration sensor and increasing the accuracy of the measurement results. The vibration signals (oscillations) determined by the detection devices 5 in the second rail are transmitted to the data processing unit 7, these being converted into a digital signal beforehand, preferably via an A/D converter 9. The data processing unit 7 is preferably set up to transform the recorded vibration using a wheel-dependent transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of the second wheel is obtained. Furthermore, the data processing unit 7 can analyze the vibration spectrum of the second wheel and, as a result, detect a crack and/or damage, with the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or amplitudes. Furthermore, the data processing unit 7 is set up for the extracted oscillation spectrum in an acoustic resonance test for features and/or to analyze the extracted vibration spectrum using machine learning algorithms.

Ferner ist die zweite Schiene -wie aus dem Stand der Technik bekannt - über eine Klemme 15 an eine Vielzahl von Schwellen 13 befestigt, wodurch die Belastungen auf die zweite Schiene auf einen Boden übertragen und gleichmäßig verteilt werden.Furthermore, as is known from the prior art, the second rail is fastened to a plurality of sleepers 13 via a clamp 15, as a result of which the loads on the second rail are transferred to a floor and distributed evenly.

4 zeigt die Elemente eines Transferpfades. Um Schwingungen akustisch wahrnehmen zu können, müssen sich diese über einen bestimmten Weg vom Entstehungsort zum Empfangsort, in diesem Fall zu einem Ohr eines Empfängers hin ausbreiten. Diese Ausbreitungswege werden Transferpfade genannt und können mittels der Transferpfadanalyse „sichtbar“ gemacht werden. D. h. die Erkennung des Energieflusses, in Form von Körper- bzw. Luftschall von einzelnen oder mehrerer Quellen über verschiedene Transferpfade hin zu einem Empfänger ist die Aufgabe einer Transferpfadanalyse. 4 shows the elements of a transfer path. In order to be able to perceive vibrations acoustically, they have to propagate along a certain path from the point of origin to the point of reception, in this case to an ear of a receiver. These propagation paths are called transfer paths and can be made "visible" using the transfer path analysis. i.e. The task of a transfer path analysis is to identify the flow of energy in the form of structure-borne or airborne noise from one or more sources via different transfer paths to a receiver.

In anderen Worten beschreibt ein Transferpfad die Übertragung von einem Signal. Sofern ein System durch beispielsweise Kraft-Impulshammer zu einer Schwingung angeregt wird, erzeugt das System ein Antwortsignal, dass zu einem Empfänger gelangt. Das System transformiert also ein Anregungssignal zu einem Empfängersignal. Eine solche Transformation lässt sich durch Übertragungsfunktionen H(ω) beschreiben, wobei ein oder mehrere Übertragungsfunktionen zu einem Transferpfad gehören. Das System entspricht also einer Division von Empfängersignal und Anregungssignal oder aber auch eine Division von Ausgangssignal und Eingangssignal: H _ ( ω ) = A ( ω ) E _ ( ω ) S y s t e m = A u s g a n g E i n g a n g S y s t e m = E m p f a ¨ n g e r A n r e g u n g

Figure DE102021119967A1_0002
In other words, a transfer path describes the transmission of a signal. If a system is excited to vibrate, for example by a power impulse hammer, the system generates a response signal that reaches a receiver. The system thus transforms an excitation signal into a receiver signal. Such a transformation can be described by transfer functions H(ω), where one or more transfer functions belong to a transfer path. The system therefore corresponds to a division of receiver signal and excitation signal or a division of output signal and input signal: H _ ( ω ) = A ( ω ) E _ ( ω ) S y s t e m = A and s G a n G E i n G a n G S y s t e m = E m p f a ¨ n G e right A n right e G and n G
Figure DE102021119967A1_0002

5 zeigt ein bevorzugtes Kalibriersystem mit zwei Transferpfaden. Ein derartiges Kalibriersystem umfasst bevorzugt mehrere Komponenten, wobei diese Komponenten jeweils Körperschall untereinander übertragen. Dies führt dazu, dass bei einer Transferpfadanalyse für ein System mit mehreren umfassten Komponenten auch Übertragungsfunktionen zwischen den Komponenten berücksichtigt werden müssen. Im Übergang zwischen den Komponenten verhält sich der Schall wie Strukturschall. 5 shows a preferred calibration system with two transfer paths. Such a calibration system preferably comprises a number of components, these components each transmitting structure-borne noise to one another. This means that in a transfer path analysis for a system with several components, transfer functions between the components must also be taken into account. In the transition between the components, the sound behaves like structural sound.

Vorliegend umfasst das bevorzugte Kalibriersystem zwei Systemkomponenten, die miteinander verbunden sind, d.h. sie stehen im Kontakt zueinander. Sofern eine erste Komponente durch einen Kraftimpulshammer angeregt wird, erzeugt das Kalibriersystem bevorzugt zwei Transferpfade, die jeweils einen Anteil an einem Gesamtschall aufweisen, welcher den Empfänger erreicht.Here the preferred calibration system comprises two system components which are connected to one another, i.e. they are in contact with one another. If a first component is excited by a power impulse hammer, the calibration system preferably generates two transfer paths, each of which has a portion of a total sound that reaches the receiver.

6 illustriert Transferpfade eines bevorzugten Rad-Schiene-Kontakts zur Erkennung eines Schadens an einem Rad. Bei dem abgebildeten Rad-Schiene-Kontakt handelt es sich bevorzugt um ein zweites Rad, welches in Kontakt mit einer zweiten Schiene ist, wobei das zweite Rad in Bewegung entlang einer Längsachse der zweiten Schiene bewegt wird. Dies führt dazu, dass die Schiene eine unbekannte Anregung erfährt. Die zweite Schiene ist weiterhin bevorzugt in Kontakt mit einer Schwelle, die aufkommende Kräfte in einen Boden einleitet. 6 12 illustrates transfer paths of a preferred wheel-rail contact for detecting damage to a wheel. The wheel-rail contact depicted is preferably a second wheel in contact with a second rail, with the second wheel in motion along a longitudinal axis of the second rail is moved. This causes the rail to experience an unknown excitation. The second rail is also preferably in contact with a threshold that introduces emerging forces into a floor.

Anhand einer Transferpfadanalyse an einem Kalibriersystem, welche ein Transferpfadmodell erzeugt, sind die Transferpfade auch für den vorliegenden Rad-Schiene-Kontakt adaptierbar. Ein einziges Input Signal - also bspw. eine unbekannte Anregung der zweiten Schiene durch das zweite Rad - reicht dabei aus, anhand der bekannten Übertragungsfunktionen im Transferpfadmodell den Empfänger zu erreichenden Gesamtschall zu berechnen bzw. zu simulieren. E m p f a ¨ n g e r = A n r e g u n g U ¨ b e r t r a g u n g s f u n k t i o n

Figure DE102021119967A1_0003
Based on a transfer path analysis on a calibration system, which generates a transfer path model, the transfer paths can also be adapted for the existing wheel-rail contact. A single input signal - e.g. an unknown excitation of the second rail by the second wheel - is sufficient to calculate or simulate the total sound to be reached by the receiver using the known transfer functions in the transfer path model. E m p f a ¨ n G e right = A n right e G and n G u ¨ b e right t right a G and n G s f and n k t i O n
Figure DE102021119967A1_0003

7 zeigt einen bevorzugten Transferpfad, welcher durch drei Übertragungsfunktionen definiert wird. Die Übertragungsfunktion „MTL“ (Mount-Transmissibility) beschreibt dabei die Änderung des Körperschalls beim Übergang zweier Elemente durch Kontaktdämpfung. Die Übertragungsfunktion „AP“ (Apparent Mass) beschreibt die Reaktion einer Komponente auf eine Krafterregung. Wohingegen die Übertragungsfunktion „ATF“ (Vibro-Acoustic Transfer Function) den Übergang von Strukturschwingung in Luft umfasst. 7 shows a preferred transfer path, which is defined by three transfer functions. The transfer function "MTL" (Mount Transmissibility) describes the change in structure-borne noise when two elements pass through due to contact damping. The transfer function "AP" (Apparent Mass) describes the reaction of a component to a force excitation. Whereas the transfer function “ATF” (Vibro-Acoustic Transfer Function) includes the transition from structural vibration to air.

8 illustriert schematisch drei Transferpfade eines bevorzugten Rad-Schiene-Kontakts zur Erkennung eines Schadens an einem Rad, wobei die einzelnen Übertragungsfunktionen in der Darstellung mitberücksichtigt werden. Dabei wird in einer Schiene (bevorzugt eine zweite Schiene) ein Anregungssignal aufgenommen, welches durch ein sich bewegendes und in Kontakt mit der (zweiten) Schiene stehenden zweiten Rad erzeugt wird. Die Erfassungseinrichtung 5 zur Aufnahme der Schwingung in der (zweiten) Schiene ist dabei bevorzugt ein Beschleunigungssensor. Dieser ist bevorzugt dazu eingerichtet, Schwingungen in drei Raumrichtungen (x, y, z) aufzunehmen. Die durch den Beschleunigungssensor aufgenommenen Schwingungen in der zweiten Schiene ermöglichen anhand einzelner Transferpfade und deren Übertragungsfunktionen den Schallanteil des zweiten Rades, der zweiten Schiene und der Schwelle zu ermitteln (vom Gesamtschall). Die Transferpfade sind dabei in einem vorherigen Schritt mittels eines Kalibriersystems umfassend ein erstes ruhendes Rad und eine erste Schiene ermittelt worden. Die Transferpfade, ausgehend vom Rad oder von der Schwelle zu einem Empfänger, weisen jeweils drei Übertragungsfunktionen (MTL, AP und ATF) für jeweils eine aufgenommene Raumrichtung (x, y, z) der Vibration auf. Das heißt beide Transferpfade umfassen insgesamt neun Übertragungsfunktionen. Der Transferpfad, ausgehend von der zweiten Schiene zum Empfänger, weist hingegen zwei Übertragungsfunktionen pro aufgenommener Raumrichtung auf. Dementsprechend umfasst der Transferpfad insgesamt sechs Übertragungsfunktionen. Die jeweiligen Übertragungsfunktionen der Transferpfade können weiterhin bevorzugt noch mit einem Faktor multipliziert werden. 8th schematically illustrates three transfer paths of a preferred wheel-rail contact for detecting damage to a wheel, with the individual transfer functions being taken into account in the illustration. In this case, an excitation signal is recorded in one rail (preferably a second rail). taken, which is generated by a moving and standing in contact with the (second) rail second wheel. The detection device 5 for recording the vibration in the (second) rail is preferably an acceleration sensor. This is preferably set up to absorb vibrations in three spatial directions (x, y, z). The vibrations in the second rail recorded by the acceleration sensor make it possible to determine the sound component of the second wheel, the second rail and the sleeper (from the total sound) on the basis of individual transfer paths and their transfer functions. The transfer paths have been determined in a previous step using a calibration system comprising a first stationary wheel and a first rail. The transfer paths, starting from the wheel or from the sleeper to a receiver, each have three transfer functions (MTL, AP and ATF) for each recorded spatial direction (x, y, z) of the vibration. This means that both transfer paths include a total of nine transfer functions. In contrast, the transfer path, starting from the second rail to the receiver, has two transfer functions per spatial direction recorded. Accordingly, the transfer path includes a total of six transfer functions. The respective transfer functions of the transfer paths can also preferably be multiplied by a factor.

BezugszeichenlisteReference List

11
Bauteilcomponent
33
Trag- und Führungselementsupporting and guiding element
55
Erfassungseinrichtungdetection device
77
Datenverarbeitungseinheitdata processing unit
99
A/D WandlerA/D converter
1111
Rad-DetektorWheel Detector
1313
Schwellethreshold
1515
Klemmeclamp

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 20160207552 A1 [0010]US20160207552A1[0010]
  • DE 102018123445 A1 [0011]DE 102018123445 A1 [0011]

Claims (10)

Verfahren Anwendungen zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: a. Bereitstellung eines Kalibriersystems, welches ein erstes Bauteil (1) und ein erstes Trag- und Führungselement (3) umfasst, wobei das erste Bauteil (1) nicht mit einem Riss und/oder Schaden behaftet ist und in Kontakt mit dem ersten Trag- und Führungselement (3) steht; b. Durchführen einer Transferpfadanalyse am Kalibriersystem, wobei - Übertragungsfunktionen von beteiligten Transferpfaden ermittelt werden; - ausgehend von den beteiligtenTransferpfaden ein Transferpfadmodell erzeugt wird; - das Transferpfadmodell durch eine Mikrofon-Messung verifiziert wird; - ein Synthesemodell erzeugt wird, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird; c. Bewegen eines zweiten Bauteils (1) entlang einer Längsachse eines zweiten Trag- und Führungselementes (3), wobei das zweite Bauteil (1) durchgehend in Kontakt mit dem zweiten Trag- und Führungselement (3) steht; d. Erfassen Schwingungen im zweiten Trag- und Führungselement (3) durch mindestens eine am zweiten Trag- und Führungselement (3) befestigte Erfassungseinrichtung (5); e. Transformieren der erfassten Schwingungen mittels des Transferpfad- und Synthesemodells, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum des zweiten Bauteils (1) erhalten wird; f. Analyse des Schwingungsspektrums des zweiten Bauteils (1), wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder eine Amplitude erfolgt und daraus resultierend ein Riss und/oder ein Schaden erkannt werden kann.Process Applications for non-contact, non-destructive real-time component monitoring, characterized in that the process comprises the following steps: a. Provision of a calibration system comprising a first component (1) and a first support and guide element (3), the first component (1) being free of a crack and/or damage and being in contact with the first support and guide element (3) standing; b. Carrying out a transfer path analysis on the calibration system, wherein - transfer functions of the transfer paths involved are determined; - A transfer path model is generated based on the transfer paths involved; - the transfer path model is verified by a microphone measurement; - a synthesis model is generated by inverting the transfer path model; c. Moving a second component (1) along a longitudinal axis of a second support and guide element (3), the second component (1) being in continuous contact with the second support and guide element (3); i.e. Detection of vibrations in the second support and guide element (3) by at least one detection device (5) attached to the second support and guide element (3); e. Transforming the detected vibrations using the transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of the second component (1) is obtained; f. Analysis of the vibration spectrum of the second component (1), the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or an amplitude and as a result a crack and/or damage being able to be detected. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktionen erhalten werden, indem das erste Bauteil (1) keiner Bewegung unterliegt und das erste Bauteil (1) und/oder das erste Trag- und Führungselement (3) über einen Kraft-Impulshammer zu einer Schwingung angeregt wird und ein Antwortsignal über ein Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor und/oder ein Mikrofon gemessen wird, - wobei zwei oder drei Übertragungsfunktionen pro Transferpfad ermittelt werden; - wobei die Übertragungsfunktionen eine Reaktion einer Komponente auf eine Kraftanregung und/oder einen Übergang von einer Strukturschwingung in Luft und/oder eine Änderung eines Körperschalls bei einem Übergang zweier Elemente durch Kontaktdämpfung beschreiben.procedure after claim 1 characterized in that the transfer functions are obtained in that the first component (1) is not subject to any movement and the first component (1) and/or the first supporting and guiding element (3) is excited to vibrate via a power impulse hammer and a Response signal is measured via an acceleration and/or force sensor and/or a microphone, two or three transfer functions per transfer path being determined; - Wherein the transfer functions describe a reaction of a component to a force excitation and/or a transition from a structural vibration in air and/or a change in structure-borne noise during a transition of two elements through contact damping. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass a. das erste Bauteil (1) ein erstes spurgebundenes Rad ist und das zweite Bauteil (1) ein zweites spurgebundenes Rad ist, wobei das erste und zweite spurgebundene Rad einen, bevorzugt den gleichen, Radumfang aufweisen und; b. das erste Trag- und Führungselement (3) eine erste Schiene und das zweite Trag- und Führungselement (3) eine zweite Schiene ist.Method according to one or both of the preceding claims , characterized in that a. the first component (1) is a first track-bound wheel and the second component (1) is a second track-bound wheel, the first and second track-bound wheels having one, preferably the same, wheel circumference and; b. the first carrying and guiding element (3) is a first rail and the second carrying and guiding element (3) is a second rail. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) ein Beschleunigungssensor ist und vier Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von ¼ Radumfang entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt sind.procedure after claim 3 characterized in that the detection device (5) is an acceleration sensor and four acceleration sensors are attached to the second rail at a distance of ¼ wheel circumference along the longitudinal axis of the second rail. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass - die Beschleunigungssensoren in Datenverbindung mit einer Datenverarbeitungseinheit (7) stehen und die erfasste Schwingung als Rohdaten an die Datenverarbeitungseinheit (7) übertragen wird und/oder - die erfasste Schwingung von Übersprechen und Störsignalen bereinigt wird.procedure after claim 4 characterized in that - the acceleration sensors are in a data connection with a data processing unit (7) and the detected vibration is transmitted to the data processing unit (7) as raw data and/or - the detected vibration is cleaned of crosstalk and interference signals. Verfahren nach Anspruch 4 und/oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schiene baulich so angepasst wird, dass eine gesamte Radlauffläche des ersten und/oder zweiten spurgebundenen Rades in Kontakt mit der ersten und/oder zweiten Schiene steht.procedure after claim 4 and/or 5 characterized in that the first and/or second rail is structurally adapted in such a way that an entire wheel running surface of the first and/or second track-bound wheel is in contact with the first and/or second rail. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (1) einer Identifikationsnummer zugeordnet ist und/oder im Falle eines Risses und/oder Schadens ein Warnsignal durch die Datenverarbeitungseinheit (7) ausgelöst wird.Method according to one or more of the preceding claims , characterized in that the second component (1) is assigned an identification number and/or a warning signal is triggered by the data processing unit (7) in the event of a crack and/or damage. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das extrahierte Schwingungsspektrum in einem akustischen Resonanztest auf Merkmale hin untersucht wird und/oder die Analyse des Schwingungsspektrums des zweiten Bauteils (1) über Algorithmen des maschinellen Lernens erfolgen.Method according to one or more of the preceding claims , characterized in that the extracted vibration spectrum is tested for features in an acoustic resonance test is sought and/or the analysis of the vibration spectrum of the second component (1) is carried out using machine learning algorithms. System zur berührungslosen, zerstörungsfreien Echtzeit-Bauteilüberwachung dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens eine Erfassungseinrichtung (5) und eine Datenverarbeitungseinheit (7) umfasst, wobei a. die mindestens eine Erfassungseinrichtung (5) an einem Trag- und Führungselement (3) befestigt und dazu eingerichtet ist, - eine Schwingung im Trag- und Führungselement (1) aufzunehmen; - die aufgenommene Schwingung als Rohdaten an die Datenverarbeitungseinheit (7) zu übertragen; b. die Datenverarbeitungseinheit (7) dazu eingerichtet ist, - anhand eines bauteilabhängigen Transferpfad- und Synthesemodells die aufgenommene Schwingung zu transformieren, sodass ein extrahiertes Schwingungsspektrum eines mit dem Trag- und Führungselement (1) in Kontakt stehenden und sich bewegenden Bauteils (1) erhalten wird; - das Schwingungsspektrum des Bauteils (1) zu analysieren und daraus resultierend einen Riss und/oder einen Schaden zu erkennen, wobei die Analyse im Hinblick auf Eigenfrequenzen, Dämpfung und/oder Amplituden erfolgt; - das extrahierte Schwingungsspektrum in einem akustischen Resonanztest auf Merkmale hin zu untersuchen und/oder das extrahierte Schwingungsspektrum über Algorithmen des maschinellen Lernens zu analysieren.System for non-contact, non-destructive real-time component monitoring, characterized in that the system comprises at least one detection device (5) and a data processing unit (7), wherein a. the at least one detection device (5) is attached to a support and guide element (3) and is set up to - record a vibration in the support and guide element (1); - To transmit the vibration recorded as raw data to the data processing unit (7); b. the data processing unit (7) is set up to - transform the recorded vibration using a component-dependent transfer path and synthesis model, so that an extracted vibration spectrum of a moving component (1) that is in contact with the support and guide element (1) is obtained; - To analyze the vibration spectrum of the component (1) and, as a result, to detect a crack and/or damage, the analysis being carried out with regard to natural frequencies, damping and/or amplitudes; - examine the extracted vibration spectrum for features in an acoustic resonance test and/or analyze the extracted vibration spectrum using machine learning algorithms. System nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das bauteilabhängige Transferpfad- und Synthesemodell generiert wird, indem eine Transferpfadanalyse an einem Kalibriersystem durchgeführt wird, wobei das Kalibriersystem ein keinen Riss und/oder Schaden aufweisendes Bauteil (1) und ein mit dem Bauteil (1) in Kontakt stehendes Trag- und Führungselement (3) umfasst, wobei - Übertragungsfunktionen von drei Transferpfaden ermittelt werden; - ausgehend von den drei Transferpfaden ein Transferpfadmodell erzeugt wird; - das Transferpfadmodell durch eine Mikrofon-Messung verifiziert wird; - das Synthesemodell erhalten wird, indem das Transferpfadmodell umgekehrt wird; wobei das Bauteil (1) ein spurgebundenes Rad ist, wobei das spurgebundene Rad einen Radumfang aufweist und das Trag- und Führungselement (3) eine Schiene ist; wobei die Erfassungseinrichtung (5) ein Beschleunigungssensor ist und vier Beschleunigungssensoren an der zweiten Schiene in einem Abstand von ¼ Radumfang entlang der Längsachse der zweiten Schiene befestigt sind.system after claim 9 characterized in that the component-dependent transfer path and synthesis model is generated by a transfer path analysis being carried out on a calibration system, the calibration system having no crack and/or damage in the component (1) and a component (1) in contact with the supporting and guide element (3), wherein - transfer functions of three transfer paths are determined; - A transfer path model is generated based on the three transfer paths; - the transfer path model is verified by a microphone measurement; - the synthesis model is obtained by inverting the transfer path model; wherein the component (1) is a track-bound wheel, wherein the track-bound wheel has a wheel circumference and the supporting and guiding element (3) is a rail; wherein the detection device (5) is an acceleration sensor and four acceleration sensors are attached to the second rail at a distance of ¼ wheel circumference along the longitudinal axis of the second rail.
DE102021119967.0A 2021-06-22 2021-08-02 METHOD AND SYSTEM FOR NON-CONTACT, NON-DESTRUCTIVE REAL-TIME COMPONENT MONITORING Pending DE102021119967A1 (en)

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