DE10062602B4

DE10062602B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Komponenten von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE10062602B4
Application number: DE2000162602
Authority: DE
Inventors: Mario Dr. Säglitz; Yong Guo
Original assignee: DB Fernverkehr AG
Current assignee: DB Fernverkehr AG
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: DE10062602A1

Abstract

Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, wobei das Beschleunigungsverhalten wenigstens einer Fahrzeugkomponente überwacht wird, indem ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal die Signalanteile (56) der Raddrehzahlharmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile (58) zur Dimensionsreduktion und Normierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signalanteilen (58') auf die normierten Signalanteile (56') der Raddrehzahlharmonischen geschlossen werden kann, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelten Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmonischen mit gemessenen (normierten) Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal (68) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, wobei der Zustand wenigstens einer Fahrzeugkomponente zum Beispiel anhand deren Beschleunigungsverhaltens erfasst wird und das erfasste Beschleunigungsverhalten mit einem zu erwartenden Beschleunigungsverhalten verglichen wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So ist beispielsweise bekannt, verschiedene Fahrzeugkomponenten eines Schienenfahrzeuges, beispielsweise Radsatz, Fahrgestell, Wagenkasten oder dergleichen, mit Beschleunigungssensoren zu bestücken, mittels denen das Beschleunigungsverhalten einzelner Fahrzeugkomponenten erfasst werden kann. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz von Schienenfahrzeugen treten durch den Rad-Schiene-Kontakt bekanntermaßen Schwingungsanregungen auf, die durch die Beschleunigungssensoren erfassbar sind. Unregelmäßigkeiten, zum Beispiel Schadstellen an Rädern oder Dämpfersystemen, führen zu einem veränderten Beschleunigungsverhalten der Fahrzeugkomponenten. Dieses veränderte Beschleunigungsverhalten ist mittels der Beschleunigungssensoren detektierbar. Die von den Beschleunigungssensoren gelieferten Messsignale können im Zeit- und/oder Frequenzbereich ausgewertet werden. Um einen Schadens- beziehungsweise Fehlerfall zu detektieren ist bekannt, zuvor zu bestimmten Schadens- beziehungsweise Fehlerfällen aus den Beschleunigungssignalen entwickelte Merkmale abzuspeichern und diese mit den aktuellen Werten der Merkmale zu vergleichen. Weichen die aktuellen Merkmalswerte von den erwarteten Merkmalswerten ab und/oder sind in Übereinstimmung mit den zuvor ermittelten, bestimmten Schadens- beziehungsweise Fehlerereignissen zugeordneten Merkmalswerten, kann auf das Vorliegen eines Schadens beziehungsweise eines Fehlers erkannt werden.

Bekannt ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schadenserkennung an Rädern eines Schienenfahrzeuges, wobei im Bereich zumindest einer Achslagerung zumindest ein Beschleunigungssignal erzeugt wird, aus welchem Radunrundheitsharmonische ermittelt werden und aus einer vorgebbaren Anzahl von Radunrundheitsharmonischen zumindest ein Kennwert gebildet wird, der den Radzustand quantitativ und/oder qualitativ charakterisiert ( EP 1 197 417 A1 ).

Auch ist eine Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen als bekannt anzusehen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet ist, auf dem sich ein Schienenfahrzeug bewegt, wobei eine Rotationsmesseinrichtung zum Generieren von Daten, die im wesentlichen die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes angeben mit einem Bewegungssensor zum Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer im allgemeinen vertikalen Achse relativ zum Gleisweg angeben sowie einem Datenprozessor, der mit dem Bewegungssensor und der Rotationsmesseinrichtung in Verbindung steht, zum Empfangen der Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten in Verbindung steht ( DE 195 80 682 T2 ).

Weiterhin bekannt ist ein sensorgestütztes Online-Erfassungssystem mit Auswertung von rad- und gleisbezogenen Daten während einer Zugfahrt durch Interpretation der Messwerte mit Hilfe einer zeitlich und geometrischen Korrelationsanalyse bekannt ( DE 198 27 271 A1 ).

Ferner ist ein Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Fahrgestelle von mehrachsigen Fahrzeugen auf Fahrbahnen bzw. Schienen mit Beschleunigungssensoren bekannt, wobei die Beschleunigungen von wenigstens zwei Achsen des Fahrgestells durch diesen zugeordnete Beschleunigungssensoren erfasst werden und die von den Beschleunigungssensoren abgegebenen Signale in einer Adapterstufe vorgesehenen FFT-Modulen einer Fourier-Transformation unterworfen werden und die von den FFT-Modulen abgegebenen Frequenzprofile

– in einem ersten Prüfmodul miteinander, mit ursprünglich gemessenen Frequenzprofilen und/oder mit einem entsprechend gewählten Standardprofil oder
– je in einem zweiten Prüfmodul je mit in Speicherstufen gebildeten Mittelwertprofilen und/oder
– die in Speicherstufen gebildeten Mittelwertprofile direkt miteinander, mit ursprünglich gemessenen Frequenzprofilen und/oder mit einem entsprechend gewählten Standardprofil verglichen werden und

die festgestellten Abweichungen mit Schwellwerten verglichen und davon abhängig Meldungen an Systeme abgegeben werden, die zur Steuerung oder Leitung des Fahrzeuges dienen (WO 00/60322).

Aus der US 4,493,042 ist ein Apparat zur Beurteilung von Lagerstörungen bekannt, der die Vibrationswellen in einem Lager unter Beachtung der Lokalisation der Amplituden und des Zeitverlaufes, der Perioden der pulsierenden Wellen, der umgebenden Wellen und des Frequenzspektrums sowie der Veränderung der Wellenform pro Zeiteinheit untersucht.

Bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen zeigte sich, dass für eine umfassende Überwachung/Diagnose mindestens einer Komponente eines Schienenfahrzeuges mehrere Merkmale je Sensorsignal benötigt werden. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass die unterschiedlichen Merkmale häufig für sich isoliert genutzt werden; sollten doch mehrere Merkmale zur Lösung der Überwachungs/Diagnoseaufgabe verknüpft werden, so geschieht dies häufig auf Basis der Erfahrung des Entwicklers "manuell" durch Vorgabe von Verknüpfungsregeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mittels denen in einfacher Weise die Überwachung des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und die Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass aus dem Ist-Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente die Signalanteile der Raddrehzahlharmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile mittels der herausgefilterten Raddrehzahlharmonischen derart abgeglichen werden, dass nachfolgend von den übrigen Signalanteilen auf die zugehörigen Raddrehzahlharmonischen geschlossen werden kann, und die derart über die übrigen Signalanteile ermittelten Raddrehzahlharmonischen mit gemessenen Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal erzeugt wird, ist vorteilhaft möglich, dass Überwachungsverfahren deutlich zu vereinfachen, da insbesondere durch unterschiedliche Oberbauarten bedingt auftretende große Streuungen der Beschleunigungssignale für die Überwachung weniger relevant sind. Bei diesem Verfahren der Überwachung/Diagnose stellen die Amplituden sämtlicher verwendeten Frequenzlinien Merkmale dar, die durch Anwendung einer Reihe von Verfahrensschritten (Analyse zur Dimensionsreduktion, Normierung, Neuronale Netze) miteinander in Beziehung gesetzt werden (Modellbildung).

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass Mittel vorgesehen sind, mittels denen aus dem Ist-Beschleunigungssignal die Signalanteile der Raddrehzahlharmonischen und die übrigen Signalanteile herausfilterbar sind und mittels denen die übrigen Signalanteile mittels der Raddrehzahl- harmonischen derart abgleichbar sind, dass nachfolgend von den übrigen Signalanteilen auf die zugehörigen Raddrehzahlharmonischen schließbar ist, und die derart über die übrigen Signalanteile ermittelbaren Raddrehzahl harmonischen mit messbaren Raddrehzahlharmonischen vergleichbar sind und hieraus ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal erzeugbar ist, lässt sich in einfacher Weise eine Vorrichtung bereitstellen, mittels der eine zuverlässige Überwachung des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten möglich ist.

Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine zustandsbezogene Instandhaltung der Schienenfahrzeuge. Das Überwachungsverfahren kann hierdurch insbesondere in einfacher Weise in eine Onboard-Diagnose der Schienenfahrzeuge integriert werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein Schienenfahrzeug und
2a und 2b ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens des Schienenfahrzeuges.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Schienenfahrzeug 10. Bei dem hier dargestellten Schienenfahrzeug 10 handelt es sich beispielsweise um einen Mittelwagen eines Hochgeschwindigkeitszuges. Die Erfindung wird lediglich beispielhaft anhand dieses Mittelwagens erläutert. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung ohne weiteres auf andere Schienenfahrzeuge, beispielweise Triebfahrzeuge, Steuerwagen, Güterwagen oder dergleichen, übertragen.
Das Schienenfahrzeug 10 umfasst einen Wagenkasten 12, der auf zwei Laufdrehgestellen 14 und 16 gelagert ist. Die Laufdrehgestelle 14 und 16 umfassen jeweils Radsätze 18, 20, 22 und 24. Der allgemeine Aufbau derartiger Schienenfahrzeuge 10, insbesondere die Ankopplung des Wagenkastens 12 an die Laufdrehgestelle 14 und 16 beziehungsweise die Lagerung der Radsätze 18, 20, 22 und 24 an den Laufdrehgestellen 14 und 16 über sekundäre beziehungsweise primäre Feder-/Dämpfersysteme, ist allgemein bekannt, so dass hierauf im Einzelnen im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden soll.
Die Radsätze 18, 20, 22 und 24 sind an Drehgestellrahmen 26 und 28 angeordnet. Die Radsätze 18, 20, 22 und 24 umfassen Räder 30, die über hier angedeutete Radsatzlager 32 gelagert sind.
Während des Einsatzes des Schienenfahrzeuges 10 rollen die Radsätze 18, 20, 22 und 24 über einen Fahrweg. Je nach Fahrgeschwindigkeit und Zustand des Fahrweges (Oberbau) erfährt das Schienenfahrzeug 10 eine Schwingungsanregung. Diese Schwingungsanregung führt zu einem Schwingungsverhalten einzelner Komponenten des Schienenfahrzeuges 10. Entsprechend der Schwingungsanregung erfahren die Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 eine Beschleunigung in den drei Raumrichtungen, also in x-Richtung (Fahrtrichtung), y-Richtung (vertikal zur Fahrtrichtung) und z-Richtung (quer zur Fahrtrichtung).
Während des Einsatzes der Schienenfahrzeuge 10 können Schäden und/oder Fehler an einzelnen Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 auftreten, die zu einer Beeinflussung des Schwingungsverhaltens einzelner Komponenten führen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll beispielsweise auf Fehler beziehungsweise Schäden der Räder 30 Bezug genommen werden, die beispielsweise als eine Flachstelle, eine Polygonbildung unterschiedlicher Ordnung, eine Riffelbildung an einer Radlauffläche, Ausbröckelung und/oder Risse am Radkranz oder dergleichen auftreten können. Entsprechend tatsächlich vorhandener Fehler und/oder Schäden wird das Schwingungsverhalten der einzelnen Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 beeinflusst, so dass die Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen ebenfalls entsprechend beeinflusst sind.
Gegenstand der Erfindung ist das Erfassen und Auswerten von auf die Radsatzlager 32, vorzugsweise in Fahrtrichtung (x-Richtung), einwirkenden Beschleunigungen zur Erkennung von insbesondere Fehlern und/oder Schäden an den Radsätzen 18, 20, 22 beziehungsweise 24.
Hierzu sind den Radsatzlagern 32 jeweils schematisch angedeutete Schwingungsaufnehmer 34, 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 zugeordnet. Die Schwingungsaufnehmer 34 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 sind beispielsweise von Beschleunigungssensoren gebildet, die eine in x-Richtung – und entgegengesetzt – wirkende Beschleunigung auf die Radsatzlagergehäuse detektieren. Es wird deutlich, dass jedem Radsatzlagergehäuse des hier dargestellten Schienenfahrzeuges 10 jeweils ein Schwingungsaufnehmer (Beschleunigungssensor) 34, 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 zugeordnet ist, so dass insge samt – gemäß dem Beispiel – acht Beschleunigungssignale zur Auswertung zur Verfügung stehen.
Die einzelnen Beschleunigungssignale besitzen bekanntermaßen einen bestimmten Verlauf, beispielsweise hinsichtlich ihrer Frequenz, ihrer Amplitude sowie der Änderung von Amplitude und/oder Frequenz über der Zeit.
In 2 ist in einem Blockschaltbild das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht, wobei 2a eine so genannte Lernphase und 2b eine so genannte Anwendungsphase zeigt.
Nachfolgend wird von der Auswertung der von einem der Beschleunigungssensoren, beispielsweise vom Beschleunigungssensor 34, gelieferten Signale ausgegangen. Dieses vom Beschleunigungssensor 34 gelieferte Signal wird einer Transformation 52, beispielsweise einer Fast-Fourier-Transformation, zugeführt, mittels der die Signale in den Frequenzbereich übertragen werden. An die Fast-Fourier-Transformation 52 schließt sich ein Teiler 54 an, mittels dem die Frequenzsignale in eine Gruppe der Raddrehzahlharmonischen 56 und in eine Gruppe der übrigen Signalanteile 58 geteilt werden. Die übrigen Signal anteile 58 werden einer Analyse zur Dimensionsreduktion (zum Beispiel Hauptkomponentenanalyse) und Normierung 60 zugeführt und auf diese Art und Weise vorverarbeitet. Hierbei werden beispielsweise die Signale der Schwellenfachfrequenz eliminiert, da die Amplitude dieser Frequenz sehr stark schwankt und wenig zu einer Überwachung der Radsätze beitragen kann. Die Gruppe der Raddrehzahlharmonischen 56 wird ebenfalls einer Normierung 62 zugeführt. Die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile 58' und die normierten Signale der Drehzahlharmonischen 56' werden einer Analyseeinrichtung 64 zugeführt, die beispielsweise mittels der Modellrechnungen auf Basis neuronaler Netze durchführbar sind. Durch die Analyseeinrichtung 64 können nunmehr die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile 58' zu den Signalen 56' der normierten Raddrehzahlharmonischen in Relation gesetzt werden. Die hierbei gefundene Beziehung zwischen den Raddrehzahlharmonischen 56 und den übrigen Signalanteilen 58 wird bei der in 2b verdeutlichten Anwendungsphase eingesetzt.
Wie 2b verdeutlicht, werden bei der Anwendungsphase sowohl die aus dem gemessenen Ist-Beschleunigungssignal ermittelten Raddrehzahlharmonischen 56 als auch die von dem Analysebauelement 64 aus der Gruppe der übrigen Signalanteile 58 ermittelten Raddrehzahlharmonischen 70 einem Vergleicher 66 zugeführt. Dieser Vergleicher 66 vergleicht die Amplitudenwerte der gemessenen Raddrehzahlharmonischen (aus dem Signal 56) und die Amplitudenwerte der berechneten Raddrehzahl harmonischen (aus den übrigen Signalanteilen 58) und liefert bei Überschreiten einer vorgebbaren Differenz zwischen den jeweiligen Amplitudenwerten ein Signal 68, das als charakteristisches, ereignisauslösendes Signal für das Fahrverhalten des Schienenfahrzeuges 10 auswertbar ist. Ist beispielsweise ein vorgebbarer Schwellwert überschritten, kann eine Alarmmeldung generiert werden, die auf einen Fehler und/oder Schaden des überwachten Rades schließen lässt. Ferner kann auch bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes generiert werden, dass auf ein normales Fahrverhalten schließen lässt.
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So sind auch beispielsweise Überwachungen von weniger oder mehr als acht Beschleunigungssensoren und anderen Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 als den Radsatzlagern 32 möglich. Auch ist vorstellbar eine Ausführung dieses Verfahrens unter Nutzung anderer Signaltypen als die Beschleunigung, so zum Beispiel auf Basis von Kraft- oder Wegsignalen.

10: Schienenfahrzeug
12: Wagenkasten
14, 16: Laufdrehgestelle
18, 20, 22, 24: Radsätze
26, 28: Drehgestellrahmen
30: Räder
32: Radlager
34, 36, 40, 42, 44, 46, 48, 50: Schwingungsaufnehmer
52: Fast-Fourier-Transformation
54: Teiler
56: Raddrehzahlharmonische
56': normierte Raddrehzahlharmonische
58: übrige Signalanteile
60: Normierung
62: Normierung
64: Analyseeinrichtung
66: Vergleicher
68: Signal
70: Signal

Claims

Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, wobei das Beschleunigungsverhalten wenigstens einer Fahrzeugkomponente überwacht wird, indem ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente ausgewertet wird, dadurch ge kennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal die Signalanteile (56) der Raddrehzahlharmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile (58) zur Dimensionsreduktion und Normierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signalanteilen (58') auf die normierten Signalanteile (56') der Raddrehzahlharmonischen geschlossen werden kann, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelten Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmonischen mit gemessenen (normierten) Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal (68) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Beschleunigungssignal einer Fast-Fourier-Transformation (52) und anschließend einem Teiler (54) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Signalanteile (58') über eine Modellrechnung, insbesondere auf Basis eines neuronalen Netzes, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbildung in einer Lernphase des Überwachungssystems erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anwendungsphase des Überwachungssystems die durch die Modellrechnung erhaltenen Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmonischen mit den aktuell gemessenen Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmmeldung, gegebenenfalls gekoppelt mit einer Abhilfemaßnahme, generiert wird, wenn das charakterisierende Signal (68) einen zu definierenden Schwellwert übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben Beschleunigungssignalen auch andere Signale (zum Beispiel Kraft, Weg, Temperatur) zur Merkmalsbildung genutzt werden.
Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, mit wenigstens einem an wenigstens einer Fahrzeugkomponente zugeordneten Beschleunigungsaufnehmer und einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von dem wenigstens einem Beschleunigungsaufnehmer gelieferten Signale gekennzeichnet durch Mittel, mittels denen aus dem aktuell gemessenen Beschleunigungssignal die Signalanteile (56) der Raddrehzahlharmonischen und die übrigen Signalanteile (58) herausfilterbar sind und mittels denen die übrigen Signalanteile (58) zum Zweck der Dimensionsreduktion und Normierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signalanteilen (58') auf die zugehörigen Raddrehzahlharmonischen (56') schließbar ist, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelbaren Raddrehzahlharmonischen (56) vergleichbar sind und hieraus ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal (68) erzeugbar ist.