DE102006046511B4

DE102006046511B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Lauffläche eines Rades eines Schienenfahrzeuges

Info

Publication number: DE102006046511B4
Application number: DE102006046511A
Authority: DE
Inventors: Hubert Tober; Stefan Tober
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: AT502033A4; AT502033B1; CH698324B1; DE102006046511A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche (RLF, SPF) eines Rades (RUO) eines Schienenfahrzeuges (SFZ) mit Hilfe einer Wärmebildkamera (WBK), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (o) der Wärmebildkamera (WBK) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Mittenebene (r) des Rades (RUO) liegt und zu einem Messbereich (ARE) der Umfangsfläche (RLF, SPF) des Rades (RUO) geführt ist, der unterhalb der Radachse (a) gelegen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche eines Rades eines Schienenfahrzeuges mit Hilfe einer Wärmebildkamera.
In gleicher Weise bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche eines Rades eines Schienenfahrzeuges mit Hilfe einer Wärmebildkamera.
Im Betrieb eines Schienenfahrzeuges entsteht durch Reibung zwischen Rad und Schiene ein oft nicht unerheblicher Verschleiß. Hauptverursacher für einen solchen Verschleiß sind der Brems- und Anfahrtsschlupf, ein Anlaufen eines Spurkranzes an der Schiene, Stick-Slip-Effekte durch Torsionsschwingungen in den Achsen sowie Mehrpunktberührung zwischen Rad und Schiene.
Es ist ein bekannter Wunsch, den Verschleiß sowohl an den Rädern eines Schienenfahrzeuges als auch an den Schienen so gering wie möglich zu halten. Die Erfindung geht davon aus, dass ein Verschleiß immer zur Erzeugung von Wärme führt. Wenn man die bei den verschleißerzeugenden Vorgängen entstehende Wärme bzw. Wärmeverteilung misst, könnte, so sollte man aus den Messergebnissen auf die Ursachen schließen können, die zu einem Verschleiß führen.
Es ist auf vielen Gebieten der Technik bekannt, Wärmebildkameras, auch Thermografiekameras genannt, zu verwenden, um eine Wärmeverteilung an Objekten zu ermitteln. Im vorliegenden Fall hat sich jedoch gezeigt, dass eine Wärmebildkamera nicht ohne weiteres eingesetzt werden kann, da das blanke Metall der Radlauffläche elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich sehr gut reflektiert aber ein schlechter Eigenstrahler ist.
Beispielsweise ist es aus der Patent Abstracts of Japan JP10073411A bekannt geworden, eine Wärmebildkamera zur Untersuchung der Schienenoberfläche auf Fehler zu verwenden. Dazu wird ein eigenes Testfahrzeug benutzt, das eine Wärmequelle, insbesondere ein Reibrad besitzt, um die Schiene lokal zu erwärmen. Hinter dem Reibrad sowie vor dem Reibrad wird eine Wärmekamera über eine Spiegelanordnung senkrecht gegen die Schiene gerichtet. Das genannte Problem der Reflektion stellt sich hier insofern nicht, als die Verwendung eines eigenen Fahrzeuges mit entsprechenden räumlichen Voraussetzungen es gestattet, senkrecht auf die Schienenoberfläche gerichtete Strahlengänge zu verwenden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass man auch versucht hat ( DD 239 659 A1 ), durch Reflektion von sichtbarem Licht an rotierenden, einer Reibbeanspruchung ausgesetzten Oberflächen, wie zum Beispiel auf einer Schiene laufenden Rädern, Schädigungen der Oberfläche zu erkennen. Dabei wird die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes mit Hilfe eines Rechners ausgewertet. Dieses Verfahren geht jedoch nicht von der erwähnten eigenen Wärmestrahlung eines Rades oder einer Schiene aus.
Die GB 2 296 335 A beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung der strukturalen Integrität der Lauffläche von Reifen für LKWs oder Busse. Dabei wird ein Bereich der Reifen durch eine externe Wärmequelle niedriger Intensität erwärmt. Die dann in diesem Bereich emittierte infrarote Wärmestrahlung wird mit einer Wärmebildkamera aufgenommen und mit der zur Erwärmung zugeführten Energie verglichen, um fehlerhafte Stellen im Reifen zu erkennen.
Die DE-OS 2 329 843 und die DE 3 020 331 A1 zeigen Vorrichtungen zum Erkennen unzulässig erwärmter Bauteile, insbesondere Räder, Radkränze und Bremsen, an fahrenden Schienenfahrzeugen. Dabei werden am Eisenbahngleis stationäre Detektoren angeordnet, die speziell erhöhte Lager-, Radkranz- und Bremsklotztemperaturen vorbeifahrender Schienenfahrzeuge messen können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche eines Rades, insbesondere an der Lauffläche eines Rades zu schaffen, welche unter Berücksichtigung des genannten Problems der Reflektion und Eigenstrahlung verlässliche Messwerte bzw. Wärmebilder liefert, die einen verlässlichen Rückschluss auf die auftretende Reibung bzw. den Verschleiß an Rad und/oder Schiene ermöglicht, ohne dass Wärmestrahlung aus der Umgebung die Ergebnisse stark beeinflusst.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die optische Achse der Wärmebildkamera im wesentlichen parallel zu der Mittenebene des Rades liegt und zu einem Messbereich der Umfangsfläche des Rades verläuft, der unterhalb der Radachse gelegen ist.
Dank der Erfindung wird zunächst vermieden, dass fremde Wärmestrahler einen starken Einfluss auf das jeweils erfasste Wärmebild ausüben. Durch die Ausrichtung der optischen Achse der Wärmbildkamera werden, natürlich einen geeigneten Bildausschnitt und eine Brennweite der Kamera vorausgesetzt, keine Bilder erfasst, die seitlich oder oberhalb des Rades liegen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Achse der Wärmebildkamera unter einem solchen Winkel gegen die Umfangsfläche eines Rades gerichtet ist, dass ein dem Rad benachbarter Abschnitt der Schienenfläche über die Radumfangsfläche zu der Wärmebildkamera reflektiert wird. Dadurch wird aus der Not der stark reflektierenden Radlauffläche insofern eine Tugend gemacht, als die über das Rad reflektierte Strahlung eine nützliche Information enthält, da sie zum Großteil von der Schiene kommt, die im Aufstandstandspunkt des Rades ebenso erwärmt wird wie das Rad, sodass auch die Wärmestrahlung der Schiene zur Auswertung herangezogen werden kann. In diesem Fall werden sowohl die Strahlung der Schiene als auch die Strahlung des Rades gleichzeitig gemessen.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der von der Wärmebildkamera erfasste Messbereich in Fahrtrichtung gesehen hinter der Radachse liegt. Dadurch wird einerseits der soeben erwärmte Bereich des Rades erfasst bzw. auch der soeben erwärmte Bereich der Schiene.
Zweckmäßigerweise ist weiters vorgesehen, dass die optische Achse der Wärmebildkamera von dieser ausgehend über einen Spiegel zu dem Messbereich der Umfangsfläche eines Rades verläuft. Dies ermöglicht eine weitgehend freie Hand in der Anordnung der Wärmebildkamera, insbesondere an einer Stelle, an welcher sie geschützt angeordnet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einen Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß mit Hilfe der Wärmebildkamera ein Messbereich der Umfangsfläche eines Rades erfasst wird, über den ein in Nähe des Rades und hinter diesem gelegener Abschnitt der Schienenoberfläche in das Kamerabild eingespiegelt wird.
Durch dieses Verfahren können gleichzeitig aktuell erwärmte Bereiche von Rad und Schiene erfasst und gemessen werden.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. In dieser zeigen:
1 in schematischer Seitenansicht eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und
2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung nach 1 Anhand der Zeichnung wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail erläutert. Ein Rad RUO eines Schienenfahrzeuges ist in üblicher Weise an einem Drehgestellrahmen gelagert, welcher der Übersicht halber nicht eingezeichnet ist, wobei die Radachse mit a bezeichnet ist. Das Rad weist eine Radlauffläche RLF sowie einen Spurkranz SPK mit einer Spurkranzfläche SPF auf. Beide Flächen zusammen werden im folgenden als Umfangsfläche des Rades bezeichnet. Das Rad rollt in einem gleitenden Aufstandspunkt ASP längs einer Schiene SHI ab. Es ist dabei klar, das der Begriff „Aufstandspunkt" nicht geometrisch zu verstehen ist, da sich sowohl das Rad als auch die Schiene unter der einwirkenden Kraft verformen, sodass weder eine punkt- noch linienförmige Berührung sondern vielmehr eine flächenförmige Berührung stattfindet. Die Schienenoberfläche ist mit SOF bezeichnet.
An dem Drehgestellrahmen ist eine handelsübliche Wärmebildkamera WBK befestigt, zum Beispiel eine Kamera der Type TVS 700 der Firma AVIO. Unterhalb der Kamera beziehungsweise des Kameraobjektives ist ein Spiegel SPE angeordnet, hier unter 45 Grad zu der von der Kamera ausgehenden optischen Achse o, wobei dieser Spiegel entsprechend dem zu erfassenden Strahlungsspektrum zur Reflektion von Infrarotstrahlung geeignet sein muss. Ein solcher Spiegel kann beispielsweise von der Firma ALANOD unter der Bezeichnung „MIRO 27" bezogen werden bzw. aus poliertem Aluminium bestehen. Dank des Spiegels wird die optische Achse o zu der Radlauffläche RLF geführt und zwar unterhalb der Radachse a, vorzugsweise möglichst nahe zu der Schienenoberfläche SOF.
Da das blanke Metall der Radlauffläche RLF Wärmestrahlung sehr gut reflektiert, dafür aber schlecht Wärmestrahlung abstrahlt, wird die optische Achse o der Wärmbildkamera WBK so gelegt, dass sie im wesentlichen in der Radmittenebene r, zumindest im wesentlichen parallel zu dieser Ebene r liegt. Auf diese Weise wird vermieden, dass fremde Wärmestrahler in das Kamerabild eingespiegelt werden. Solche Wärmestrahler können entweder außerhalb des Schienenfahrzeuges SFZ liegen oder am Schienenfahrzeug selbst angeordnet sein, z. B.: Bremsscheiben, Elektromotoren etc.
Wenn man überdies dafür Sorge trägt, dass die optische Achse o der Wärmebildkamera unter einem solchen Winkel a gegen die Radlauffläche RLF bzw. die Umfangsfläche gerichtet ist, dass ein dem Rad RUO unmittelbar benachbarter Abschnitt SAB der Schienenoberfläche SOF über die Radlauffläche RLF zu der Wärmebildkamera WBK reflektiert wird, erhält man ein Wärmebild der Kamera WBK, das zusätzlich zu der Information über die Wärmeverteilung der Radlauffläche auch eine solche über die Wärmeverteilung auf dem Abschnitt SAB der Schienenoberfläche SOF enthält. Diese doppelte Information ist hier brauchbar, da in dem bereits erwähnten Aufstandspunkt ASP eine Erwärmung sowohl der Radlauffläche als auch der Schienenoberfläche erfolgt und diese Erwärmung in das Bild der Wärmebildkamera WBK einfließt. Dabei versteht es sich, dass zweckmäßigerweise die erfassten Bereiche ARE bzw. SAB von Rad RUO bzw. Schiene SHI möglichst nahe zu dem Aufstandspunkt ASP liegen sollten, da durch Wärmeleitung eine rasche Abkühlung erhitzter Stellen erfolgt. Messungen relativ weit von dem Aufstandspunkt ASP entfernt, würden somit keine aktuellen Wärmeverteilungswerte liefern.
Die Wärmebildkamera kann die Temperaturverteilung in Echtzeit und mit genügend hoher Bildfolgefrequenz erfassen. Die Auswertung der gewonnen Bilder kann durch verschiedene bekannte Verfahren unter Zuhilfenahme entsprechender Software erfolgen, wobei zunächst eine visuelle Auswertung eines Falschfarbenbildes durchgeführt werden kann. Ebenso können aus den gewonnenen Bildern automatisiert Wärmemaxima ermittelt und aufgezeichnet werden.
Die Auswertung der Bilder ermöglicht einen Rückschluss auf den Verschleiß, der durch Reibung zwischen Rad und Schiene entsteht. Insbesondere kann man auf diese Weise den Einfluss von Brems- und Anfahrtsschlupf auf den Verschleiß feststellen. Auch das Anlaufen des Spurkranzes SPK des Rades an der Schiene führt zu Erwärmungen und kann Gegenstand nachfolgender Untersuchungen bzw. Optimierungen sein. Dies gilt auch für Stick-Slip-Effekte durch Torsionsschwingungen in den Achsen, oder erhöhte Reibung durch Mehrpunktberührung zwischen Rad und Schiene.
Insgesamt ermöglicht somit die Erfindung, die Gewinnung aussagekräftiger Bilder der Wärmeverteilung auf der Lauffläche des Rades bzw. der Oberfläche der Schiene und ermöglicht in der Folge eine Optimierung beispielsweise der Antriebe von Schienenfahrzeugen ebenso wie der Räder als solcher. Dies bietet auch die Möglichkeit, die Lebensdauer von Rad und Schiene gezielt zu erhöhen bzw. die Sicherheit des Betriebes zu verbessern.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche (RLF, SPF) eines Rades (RUO) eines Schienenfahrzeuges (SFZ) mit Hilfe einer Wärmebildkamera (WBK), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (o) der Wärmebildkamera (WBK) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Mittenebene (r) des Rades (RUO) liegt und zu einem Messbereich (ARE) der Umfangsfläche (RLF, SPF) des Rades (RUO) geführt ist, der unterhalb der Radachse (a) gelegen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (o) der Wärmebildkamera (WBK) unter einem vorbestimmten Einfallswinkel (α) gegen die Umfangsfläche (RLF, SPF) des Rades (RUO) gerichtet ist, sodass ein dem Rad (RUO) benachbarter Abschnitt der Schienenoberfläche (SOF) über die Umfangsfläche (RLF, SPF) zu der Wärmebildkamera (WBK) reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wärmebildkamera (WBK) erfasste Messbereich (ARE) in Fahrrichtung gesehen hinter der Radachse (a) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (o) der Wärmebildkamera (WBK) von dieser ausgehend über einen Spiegel (SPE) zu dem Messbereich (ARE) der Umfangsfläche (RLF, SPF) eines Rades (RUO) verläuft.
Verfahren zum Erfassen der Temperaturverteilung an der Umfangsfläche (RLF, SPF) eines Rades (RUO) eines Schienenfahrzeuges (SFZ) mit Hilfe einer Wärmebildkamera (WBK), dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Wärmebildkamera (WBK) ein Messbereich (ARE) der Umfangsfläche (RLF, SPF) des Rades (RUO) erfasst wird, über den ein in Nähe des Rades (RUO) und hinter diesem in Fahrtrichtung gelegener Abschnitt (SAB) der Schienenoberfläche in das Kamerabild eingespiegelt wird.