AT408740B - Verfahren zur überwachung von materialfehlstellen und einrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

AT 408 740 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von Materialfehlstellen, insbesondere zur Überwachung der Bruchfestigkeit der Räder von Schienenfahrzeugen, bei dem eine permanente Überwachung der Homogenität des Materials über das Maß der Kopplungsintensität zwischen einem Sender und einem Empfänger erfolgt und das zu überwachende Material selbst das Kopplungsglied zwischen Sender und Empfänger bildet, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Gerade bei Schienenfahrzeugen ist es üblich, verschiedene vorsorgliche Überprüfungen periodisch vorzunehmen, beispielsweise durch visuelle Kontrolle, Ultraschall- oder Röntgentests. Natürlich haben diese bekannten Verfahren den Nachteil, nur sichprobenmäßig durchführbar zu sein, wobei etwa plötzlich auftretende Brüche oder Beschädigungen nicht erkannt werden können. Ein typisches Beispiel einer Vorrichtung, mit welcher jeweils vor Antritt einer Fahrt eine Überprüfung durchführbar ist (nicht aber etwa während der Fahrt) ist beispielsweise aus der DE-A-198 25 594 bekannt.

Zwar sind auch schon Systeme für die dauernde Überwachung vorgeschlagen worden, beispielsweise nach der DE-U-298 11 354. Dabei wird, wie in vielen anderen Bereichen der Technik auch, das sich im Falle eines Bruches oder einer Beschädigung (möglicherweise) ändernde Geräusch durch einen akustischen Wandler erfaßt. Dies ist natürlich nur eine sehr ungenaue Methode, da der Bruch oder die Beschädigung nur indirekt ermittelt wird. Beispielsweise mag es sein, daß gewisse Beschädigungen zu überhaupt keiner Veränderung des Geräusches führen. Anderseits hängt die Art des Geräusches auch von der befahrenen Schiene und ihrem Zustand ab. Bei Schnee, im nassen oder trockenen Zustand, bei auf einer Schiene liegenden Blättern od. dgl. kann sich eine Veränderung des Geräusches ergeben, die aber nicht unbedingt eine Beschädigung signalisiert. Ähnlich ist es, wenn man nach dem Vorschlag der WO 82/00805 Beschleunigungssensoren verwendet, die am Achslager befestigt sein sollen.

Die DE-A-198 39 596 bedarf eines Senders und eines Empfängers für jedes Rad, um dessen Fehlerlosigkeit zu überwachen. Dies ist natürlich nicht nur aufwendig, sondern auch mängelbehaftet, da es trotz des rauhen Betriebes bei der Bahn nötig ist, den jeweiligen, im Rad eingebauten Sender unter allen Bedingungen mit Strom zu versorgen. Dabei führen außerdem unvermeidliche Verschmutzungen zu Ungenauigkeiten und zu einer Beeinträchtigung der Empfindlichkeit. Ähnlich ist die Situation bei dem Vorschlag nach dem DE-U-298 11 208.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Materialfehlstellen, insbesondere zur Überwachung der Bruchfestigkeit der Räder von Schienenfahrzeugen, derart auszubilden, daß zufällige Beeinträchtigungen des Signals von Sensoren weitgehend ausgeschlossen werden.

Erfindungsgemäß erfolgt dies so, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei der Detektion der Materialfehlstellen mindestens zwei Sender mit paarig zueinander phasenverschobenen Signalen gespeist werden und sich deren Signale am Ort des Empfängers dann im Sinne einer Auslöschung überlagern, solange keine Materialstörung vorliegt, eine auftretende Materialstörung sich aber im Sinne einer Überlagerung der Sendesignale ungleich Null dokumentiert. Es handelt sich also um ein normalerweise auf Null abgestimmtes System, bei dem jede Verstimmung infolge einer Materialfehlsteile diese Materialstörung unmittelbar und sofort anzeigt. Eine noch höhere Genauigkeit wird man erhalten, wenn etwa die vorliegende Erfindung mit der nach der aus dieser Patentanmeldung hervorgegangenen Ausscheidungsanmeldung kombiniert wird, deren Gegenstand deshalb in diesem Zusammenhang geschildert wird.

Dabei ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn zur Messung der Kopplungsintensität in an sich bekannter Weise die induktive Kopplung zwischen Sender und Empfänger herangezogen wird, welche durch den jeweils aktuellen Kopplungsgrad an der jeweiligen aktuellen Radposition bestimmt wird.

Die Konstruktion vereinfacht sich, wenn bei einer Mehrzahl von Meßstellen deren Alarmsignale an einen gemeinsamen Datenbus geliefert und einem Bus-Controller zugeführt werden. Gerade bei einem solchen Aufbau ist es dann möglich, daß bei einer Alarmierung auch eine Identifikation des bzw. der fehlerhaften Rades bzw. Räder angezeigt wird.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung weist vorzugsweise eine Sende- und eine Empfangseinheit auf, die mit einem Luftspalt an der Bewegungsbahn des zu überwachenden Materials angeordnet sind, und kennzeichnet sich dadurch, daß eine Anordnung zur Erhöhung der Detektions- 2

AT 408 740 B empfindlichkeit vorgesehen ist, wobei die Sendeeinheit mindestens zwei Sender aufweist, die paarweise an Quellen für zueinander phasenverschobene Signale angeschlossen sind, wobei Sender und Empfänger derart angeordnet sind, daß, unter Berücksichtigung des Phasenversatzes, sich deren Signale am Ort des Empfängers dann im Sinne einer Auslöschung überlagern, solange keine Materialstörung vorliegt, eine auftretende Materialstörung sich aber im Sinne einer Überlagerung der Sendesignale ungleich Null dokumentiert. Dabei ist es bevorzugt, wenn Sende- und Empfangseinheit in an sich bekannter Weise jeweils mit Induktionsgebern bzw. -sensoren ausgeführt sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der Sensorik zur Bruch-Detektion an einem Rad; die

Fig. 2a und 2b den Signalverlauf am Sensor-System der Fig. 1, wobei die Fig. 2a die Signale bei langsamer Fahrt und Fig. 2b die Signale bei schneller Fahrt veranschaulicht;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines dem jeweiligen Sensor zugeordneten Mikroprozessorsystems;

Fig. 4 den Signalverlauf im Falle einer anderen, nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Signal-Verarbeitung im zugeordneten Mikroprozessor, wobei die Detektions-Empfindlichkeit durch synchronisierte bzw. mehrfache Mittelwertbildung vervielfacht wird; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Gesamtsystems in einem Fahrzeug mit Datenbus-System und Alarmierung.

Fig. 1 zeigt das beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandte Sensorprinzip. Dabei sind radial oder axial zum jeweiligen Rad 1 jeweils eine Sendespule 2 und eine Empfangsspule 3 möglich nahe zum Rad 1 angebracht. Damit werden mit Strom zu versorgende Komponenten am Rad selbst vermieden. Die naturgemäß streng rotationssymmetrische Struktur des Rades 1 macht diese Anordnung in einer derartigen Weise möglich, daß zwischen dem Rad 1 und den induktiven Spulen ein nur geringer Luftspalt entsteht. Das das Rad 1 meist aus ferromagnetischem Material besteht, findet zwischen der Sendespule 2 und der Empfangsspule 3 eine induktive Kopplung Mse statt, die im Falle eines intakten, und damit homogenen, Rades 1 konstant ist, d.h.

Mse(t) = const.

Treten dagegen im Rad 1 Inhomogenitäten 4, z.B. in Form von Rissen oder Brüchen, auf, so zeigt Mse (t) über jede Radumdrehung synchrone Schwankungen. Legt man nun an die Sendespule ein Signal 6, vorzugsweise ein Sinussignal, in Form von S(t) mit konstanter Frequenz fs an (von z.B. ca. 20 Khz) und konstanter Amplitude As, nach der Formel S(t) = As * sin (2π * fs * t) (S) dann wird das entsprechende Signal 7 [= E(T)J an der Empfangsspule 3 (zweckmäßig nach entsprechender Verstärkung) eine zum Anregungssignal 6 identische Antwort liefern, solange Mse (t) konstant ist, d.h. keine Störung am Rad 1 vorliegt.

Sobald jedoch eine Störung infolge einer Inhomogenität 4 im Rad 1 vorliegt (d.h. Mse (t) * const.), so verschwindet die Identität der Signale 6 und 7 bzw. S(t) und E(t), und die Inhomogenität bzw. die Störung 4 wird so detektierbar.

Da das Empfangssignal 7 bzw. E(t) gemäß den Fig. 2a und 2b jeweils über die Periode T bzw. 8 einer Radumdrehung aufgezeichnet wird, ergeben sich für „langsame Fahrt“ (Fig. 2a) und „schnelle Fahrt“ (Fig. 2b) unterschiedliche Beobachtungsintervalle T bzw. 8. Dabei bleibt natürlich die Frequenz des induktiven Sendesignals, wie aus Fig. 2a und 2b ersichtlich, gleich. Nur bei Stillstand des Fahrzeuges, d.h. wenn T = », ist keine Diagnose möglich, aber auch nicht erforderlich. Zweckmäßig erfolgt eine Synchronisation der Signale, und zu diesem Zweck kann, gemäß Fig. 1, ein Umdrehungs-Sensor 5 vorgesehen werden, der an sich bekannter Natur sein kann und die Radumdrehungsperiode T festlegt.

Nun ist das System natürlich mit einem gewissen Rauschanteil behaftet. Das hat auch einen gewissen Vorteil, denn geringe Fertigungstoleranzen und Unrundheiten (sogenannte „Flachstel- 3

AT 408 740 B len“) im Rad bleiben in diesem Rauschanteil E(t) verborgen und führen daher nicht zu einer unerwünschten „Fehleranzeige“. Allerdings bewirkt dieser Rauschanteil des Signals, daß bei auch einer beginnenden periodischen Störung, etwa auf Grund eines Haarrisses, der aus den Fig. 2a und 2b ersichtliche Einbruch der Signalamplitude des Signales 7 schwer detektierbar bleibt. Für solche Fälle hilft ein multiplikatives bzw. iteratives Verfahren, das selbst bei sehr geringen Amplitudeneinbrüchen signifikante Aussagen liefert und Gegenstand der schon genannten Ausscheidungsanmeldung ist.

Dieses zusätzlich zur vorliegenden Erfindung anwendbare Verfahren soll nachstehend zum besseren Verständnis erläutert werden. Dabei wird die erforderliche Signalverarbeitung vorteilhaft in digitaler Weise vorgenommen. Fig. 3 zeigt den bevorzugten Prinzipaufbau:

Ein Signalprozessor 1p besteht aus einem Mikroprozessor 30, einem Digital/Analog-Wandler 31, einem Analog/Digital-Wandler 32 und einem digitalen Signalspeicher 33. Ein Meßzyklus beginnt jeweils mit der Ausgabe des oben erwähnten Signales (S) über den Digital/Analog-Wandler 31 an die Sendespule 2. Das entsprechende Antwortsignal aus der Empfangsspule 3 wird über den Analog/Digital-Wandler 32 im Signalspeicher 33 abgelegt bzw. gespeichert. Nach einer, vorzugsweise vorgesehenen, entsprechenden Amplitudennormierung bzw. Verstärkung wird sodann der Inhalt des Signalspeichers 33 synchron zur Radumdrehung (z.B. synchronisiert mit dem Sensor 5 der Fig. 1 oder - wie dargestellt - ohne einen solchen, durch entsprechende Ausbildung des Speichers, so daß die Signalperiode mit der Umdrehungsperiode übereinstimmt) in einer nachfolgenden Umdrehungssequenz als neues Sendesignal über die Spule 2 ausgegeben. Das heißt es handelt sich um eine synchrone Rückkopplung, bei der - infolge der Synchronisation - kleine Amplitudeneinbrüche immer wieder dorthin gelangen, wo ein weiterer kleiner Amplitudeneinbruch erfolgt, so daß sich damit eine positive Rückkopplung ergibt. Fig. 4 veranschaulicht diesen Vorgang, bei dem in einem ersten Zyklus das Empfangssignal 41 neuerlich gesendet und im nächsten Zyklus, z.B. bei der nächsten Radumdrehung, zum Signal 42 wird. Dies setzt sich dann über die Signale 43 bis 46 und 2n-1 bis 2n weiter fort, wobei der Amplitudeneinbruch ersichtlich immer deutlicher wird, bis er schließlich eine Größe angenommen hat, die detektierbar ist.

Mit anderen Worten: Durch Kaskadierung des Verfahrens über mehrere aufeinanderfolgende Umdrehungen gemäß Fig. 4 wird eine multiplikativ abfallende Signalamplitude im Störbereich erreicht, wodurch selbst geringe Anfangsstörungen im Rad 1 detektierbar werden bzw. ein Materialfehler frühzeitig erkannt werden kann. Dabei erfolgt der Amplitudenabfall exponentiell, so daß etwa durch eine Störung bzw. einen Materialfehler hervorgerufene Schwankungen Mse von nur 2% nach nur 16 Umdrehungen zu einem Amplitudenabfall von (1,00-2%)16 =0,72 führen, d.h. der synchron gemittelte Amplitudenabfall im Bereich der Störung beträgt dann bereits ca. 28%. Es wird dabei eine weitgehend konstante Geschwindigkeit des Fahrzeuges pro Meßzyklus angenommen, sofern nicht eine Korrektur durch den Synchrongeber 5 vorgesehen ist.

Dieses Verfahren ist zwar sehr genau und kann daher zusätzlich zum erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden, benötigt aber für die Auswertung einige Radumdrehungen, um zum Ergebnis zu gelangen. Ist aber ein Materialfehler bereits deutlich aufgetreten - und dies kann einmal ziemlich plötzlich geschehen, so ist eine rasche Anzeige erwünscht.

Erfindungsgemäß werden daher zwei oder eine beliebige gerade Anzahl von Sendespulen 2 verwendet, zwischen denen äquidistant die Empfangsspule 3 angeordnet ist. Die Sendespulen 2 werden paarig mit identischen, aber zueinander phasenverschobenen Signalen S(t) und S*(t) gespeist, wobei der Phasenversatz für das jeweilige Paar konstant ist und π beträgt. Dabei ergibt sich ein Nullabgleich, wenn S* (tzt * t) = S [(tu + π) * t]

Dadurch wird erreicht, daß an der Empfangsspule 3 das Summensignal E(t) = k1 * S(t) + k2 * S*(t) 4

Claims (13)

1. AT 408 740 B anliegt, das bei Homogenität des zu überwachenden Materials, d.h. bei gleichem Kopplungsgrad k1 = k2, verschwindet: E(t) = 0 (Normalfall). Erst im Falle einer Störung (Inhomogenität, Bruch, Riß) wird k1 ungleich k2, und die beiden Signale S und S* tragen in ihrer Superposition unterschiedlich zum Summen- bzw. Differenzsignal E(t) bei, so daß mit E(t) * 0 das Faktum der aufgetretenen Störung sofort und ohne weitere Umschweife detektierbar wird. An Hand der Fig. 5 sei nun die Gesamtanordnung an einem Schienenfahrzeug erläutert. Die jeweils einem Rad 1 zugeordneten Signalprozessoren 1p bis 999p liefern eventuell auftretende Alarmzustände an einen durch den gesamten Zug geführten Datenbus 50 ab, der von einem Bus-Controller 51 überwacht wird. Solche Datenbus-Systeme sind industriell verfügbar und brauchen deshalb nicht im einzelnen erläutert zu werden (z.B. CAN-Bus). Sollte ein Alarmsignal auftreten, so wird es on-line vom Bus-Controller 51 an einen Computer 52 geführt, der die Alarmierung des Zugführers vornimmt, so daß der Zug sofort nach der Detektion des Fehlers angehalten werden kann. Die Alarmierung erfolgt dabei selektiv, d.h. es wird vorzugsweise auch die Nummer oder eine andere Identifikation des jeweiligen fehlerhaften Rades 1 angezeigt. Dadurch wird eine weitergehende Diagnose bzw. Inspektion rasch ermöglicht. Die Erfindung wurde oben zwar an Hand der Überwachung der Räder eines Zuges beschrieben, doch sind zahlreiche andere Anwendungen möglich; beispielsweise können an Stelle der Überwachung von sich drehenden Bauteilen etwa vorbeigeführte Bleche auf ihre Homogenität und Fehlerfreiheit abgetastet werden. Auch andere Einsätze in der Materialprüfung sind möglich. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Überwachung von Materialfehlstellen, insbesondere zur Überwachung der Bruchfestigkeit der Räder von Schienenfahrzeugen, bei dem eine permanente Überwachung der Homogenität des Materials über das Maß der Kopplungsintensität zwischen einem Sender und einem Empfänger erfolgt und das zu überwachende Material selbst das Kopplungsglied zwischen Sender und Empfänger bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei der Detektion der Materialfehlstellen (4) mindestens zwei Sender (2) mit paarig zueinander phasenverschobenen Signalen [S(t), S*(t)] gespeist werden und sich deren Signale am Ort des Empfängers (3) dann im Sinne einer Auslöschung [E(t) = 0] überlagern, solange keine Materialstörung vorliegt, eine auftretende Materialstörung sich aber im Sinne einer Überlagerung der Sendesignale ungleich Null dokumentiert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Kopplungsintensität in an sich bekannter Weise die induktive Kopplung (Mse) zwischen Sender (2) und Empfänger (3) herangezogen wird, welche durch den jeweils aktuellen Kopplungsgrad (pse) an der jeweiligen aktuellen Radposition bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Mehrzahl von Meßstellen deren Alarmsignale an einen gemeinsamen Datenbus (50) geliefert und einem Bus-Controller (51) zugeführt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Alarmierung auch eine Identifikation des bzw. der fehlerhaften Rades (1) bzw. Räder angezeigt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Messung der Kopplungsintensität zwischen Sender und Empfänger iterativ erfolgt und der Sender jeweils mit dem Antwortsignal des Empfängers aus der jeweiligen vorhergehenden Iterationsperiode gespeist wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Kopplungsintensität nicht nur iterativ, sondern auch synchron zur Periode der Umdrehung bzw. Bewegung des Materials erfolgt.
7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, mit einer Sende- (2) und einer Empfangseinheit (3), die mit einem Luftspalt an der Bewegungsbahn des zu überwachenden Materials (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet. daß eine Anordnung zur Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit vorgesehen ist, bei der die Sendeeinheit (2) mindestens zwei Sender aufweist, die paarweise an Quellen 5 AT 408 740 B für zueinander phasenverschobene Signale angeschlossen sind, wobei Sender (2) und Empfänger (3) derart angeordnet sind, daß, unter Berücksichtigung des Phasenversatzes, sich deren Signale am Ort des Empfängers (3) dann im Sinne einer Auslöschung [E(t) = 0] überlagern, solange keine Materiaistörung vorliegt, eine auftretende Materialstörung sich aber im Sinne einer Überlagerung der Sendesignale ungleich Null dokumentiert.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- (2) und Empfangseinheit (3) in an sich bekannter Weise jeweils mit Induktionsgebern bzw. -Sensoren ausgeführt sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (3) ein Signaispeicher (33) nachgeschaltet ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalspeicher (33) als digitaler Signalspeicher (33) ausgeführt ist, wobei vorzugsweise diesem digitalen Signalspeicher (33) jeweils Wandler (30, 31) zur Umwandlung analoger Empfangssignale in Digitalsignale bzw. zur Umwandlung der digital gespeicherten Signale in an die Sendeeinheit (2) abzugebende Analogsignale zugeordnet sind.
11. 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisiereinrichtung (5) mit der Umdrehung des Rades (1) vorgesehen ist.
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Paaren von Sende- (2) und Empfangseinheiten (3) an einem Datenbus angeordnet sind, über den Alarmsignale einem Bus-Controller zuführbar sind.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Paaren von Sende- (2) und Empfangseinheiten (3) jeweils eine Identifikation zugeordnet ist und mit dem Bus-Controller eine Anzeigeeinheit gekoppelt ist, an der bei einer Alarmierung auch eine Identifikation des bzw. der fehlerhaften Rades bzw. Räder anzeigbar ist. HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 6