DE102011089464A1

DE102011089464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Raddurchmessern an Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE102011089464A1
Application number: DE102011089464A
Authority: DE
Inventors: Christoph Gericke
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013092956A2; WO2013092956A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers (dn) eines auf einer Schiene (S) laufenden Rades (Rn) und/oder der Geschwindigkeit (v) eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges (F) mit mindestens zwei den Rädern (R1, R2) oder Drehgestellen (DG1, DG2) des Schienenfahrzeuges (F) zugeordneten Achsen (Y1, Y2). Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf einer ersten Achse (Y1) liegenden ersten Messpunkt (R1; DG1) ein erstes Beschleunigungssignal (a1) und an einem – in Fahrtrichtung (x) des Schienenfahrzeuges (F) gesehen – hinter dem ersten Messpunkt (R1; DG1) auf einer zweiten Achse (Y2) liegenden zweiten Messpunkt (R2; DG2) ein zweites Beschleunigungssignal (a2) sowie an mindestens einem der Räder (R1, R2) ein Rotationsfrequenzsignal (f1, f2) gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen (a1, a2) liegende Laufzeitdifferenz (Δt) ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref fn) mindestens eines Rades (R1, R2) und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeit (vref a, vref fn ) der mindestens eine Durchmesser (d1, d2) des mindestens einen Rades (R1, R2) berechnet wird. Die dazu notwendige Anordnung von mindestens zwei Beschleunigungssignal-Sensoren (Sa1, Sa2) und mindestens einem Rotationsfrequenzsignal-Sensor (Sf1, Sf2) innerhalb einer Vorrichtung (10) wird beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Raddurchmessern an Schienenfahrzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Druckschriften entnehmbar, die technische Lösungen zur Bestimmung eines Raddurchmessers eines Schienenfahrzeuges beschreiben.
Die Druckschrift EP 2 154 509 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Untersuchung von Raddurchmesserunterschieden aus Drehzahlunterschieden an voneinander unabhängig rotierenden Rädern.
In den Druckschriften DE 101 02 673 A1 , CN 100449259 C und US 4,749,870 werden unterschiedliche Verfahren zum Bestimmen des Raddurchmessers von Schienenfahrzeugen unter Einsatz von Lichtquellen beansprucht.
In den Druckschriften CH 688 728 A5 und DE 35 22 809 C2 wird der Raddurchmesser auf einer Laufspur bestimmt.
In der Druckschrift US 4,866,642 werden mittels Sensoren an bestimmten Messstationen winkelabhängige Daten gewonnen, mit deren Hilfe der Raddurchmesser bestimmt werden kann.
Die Druckschrift EP 1 630 518 A2 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Raddurchmessers über Sensoren, welche an den Schienen befestigt sind.
Ferner werden in den Druckschriften DE 103 05 923 A1 und DE 37 21 127 A1 Verfahren zum Messen des Raddurchmessers von schienengebundenen Fahrzeugen unter Verwendung von Magnetisierungsvorrichtungen beschrieben.
Die Druckschrift EP 2 199 735 A2 beschreibt ein Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Durchmessers eines Schienenfahrzeugrades mittels eines Bildverarbeitungsalgorithmus.
Schließlich lehrt die Druckschrift DE 295 16 461 U1 eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Raddurchmessers mittels einer Markierung auf einem Rad und einer optischen Markierleseeinrichtung.
In der Druckschrift EP 1 197 419 A1 wird ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Raddurchmessers und/oder der Fahrtgeschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges beschrieben. In der Druckschrift wird erläutert, dass der Raddurchmesser aus einem Beschleunigungssignal und einem Drehfrequenzsignal ermittelt wird.
In der Praxis wird zur Bestimmung der Laufkreisdurchmesser derzeit noch wie folgt vorgegangen: Der Laufkreisdurchmesser von Eisenbahnrädern wird in der Regel nur bei einem Werkstattaufenthalt bestimmt. Die Bestimmung erfolgt mit Hilfe einer Radlehre oder einer Abtastung auf einer Radsatzdrehbank. Bei Personenwagen für Personenzüge stellt dieses Vorgehen kein Problem dar, da sich die Personenwagen zu Routinekontrollen häufig in der Werkstatt befinden. Güterwagen hingegen werden nur alle sechs bis acht Jahre gewartet. In der Zwischenzeit erfolgt in der Regel keine Laufkreisdurchmesserbestimmung beziehungsweise kurz gesagt Raddurchmesserbestimmung. Ferner ist eine Kontrolle des Radprofils eines Schienenfahrzeuges normalerweise höchstens per Sichtprüfung möglich.
Mit dem zunehmenden Aufkommen von Telematiksystemen an Güterwagen, durch die eine Fernüberwachung der Fahrwerkstechnik auf sicherheitsrelevante Defekte erfolgt, ist der Bedarf an einer einfachen Möglichkeit zur Bestimmung des Laufkreisdurchmesser der Räder von Schienenfahrzeugen allgemein entstanden. Der Nutzen der Überwachung durch Telematiksysteme entsteht dadurch, dass ohne Werkstattaufenthalt ermittelt werden kann, ob Wartungen notwendig sind, beziehungsweise ob die Wartungen in naher oder entfernter Zukunft durchgeführt werden müssen.
Derzeit fordern die Regulierungsbehörden auch eine Laufleistungserfassung von Radsätzen von Güterwagen. Derzeit werden hierfür ausschließlich die Radumdrehungen erfasst. Da jedoch der Raddurchmesser von Güterwagen bei den in Europa am verbreitesten eingesetzten Bauarten zwischen 840 mm und 920 mm variiert, entsteht bei einer mittels der Radumdrehungen der Räder der Radsätze erfassten Laufleistung ein potentieller Fehler von fast 7%. Die Werte der genannten Raddurchmesser von 840 bis 920 mm stellen die Herstellbeziehungsweise Betriebsgrenzmaße für die am weitesten verbreiteten Räder der gebräuchlichsten Radsätze dar. Tatsächlich existieren auch Räder mit größeren und kleineren Raddurchmessern, diese sind jedoch nicht so verbreitet. Die Erfindung ist für Räder, die einen größeren oder kleineren Raddurchmesser aufweisen, gleichermaßen anwendbar.
Hinzu kommt, dass das Profil von Güterwagenrädern und die Einhaltung von Grenzmaßen für einen sicheren Betrieb der Güterwagen essentiell ist. Seit der Einführung der Komposit-Brems-Sohle an Schienenfahrzeugen wird verstärkt ein Hohllauf an den Räder der Schienenfahrzeuge beobachtet. Dieses Problem ist in 1A anhand eines Diagramms dargestellt. Aufgetragen ist die Profilhöhe H eines Rades in mm über der Radbreites B eines Rades in mm. Es wird erkennbar, dass sich der Raddurchmesser d durch den Hohllauf des Rades reduziert. Die erste Profilhöhen-Kennlinie 1.1 zeigt ein Rad mit einer Profilhöhe ohne verschleißbedingten Hohllauf des Rades, während die zweite Profilhöhen-Kennlinie 1.2, die durch Verschleiß entstehende reduzierte Profilhöhe des Rades zeigt. Die erfasste Differenz zwischen den Kennlinien 1.1 und 1.2 beträgt Dd/2. Es wird deutlich, dass ein großes Interesse darin besteht, insbesondere auf diese Weise stark verschlissene Räder frühzeitig und automatisch zu erkennen, um betroffene Güterwagen oder auch Personenwagen im Rahmen einer zustandsabhängigen Instandhaltung der Wartung zuzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchmesser mindestens eines Rades eines Schienenfahrzeuges während der Fahrt zu ermitteln.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei den Rädern oder Drehgestellen des Schienenfahrzeuges zugeordneten Achsen vor, welches sich dadurch auszeichnet, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf einer ersten Achse liegenden ersten Messpunkt ein erstes Beschleunigungssignal und an einem – in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen – hinter dem ersten Messpunkt auf einer zweiten Achse liegenden zweiten Messpunkt ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder ein Rotationsfrequenzsignal gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen liegende Laufzeitdifferenz ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit mindestens eines Rades und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeiten der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades berechnet wird.
Erste Ausführungsform des Verfahrens:
Zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei einen konstanten Abstand aufweisenden Rädern wird in der ersten Ausführungsform wie folgt vorgegangen: Beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf der ersten Achse liegenden ersten Rad (erster Messpunkt) wird ein erstes Beschleunigungssignal und an einem – in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen – hinter dem ersten Rad auf der zweiten Achse liegenden zweiten Rad (zweiter Messpunkt) wird ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder wird ein Rotationsfrequenzsignal gemessen. (2A)
Zweite Ausführungsform des Verfahrens:
Zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges mit mindestens zwei einen konstanten Abstand aufweisenden Drehgestellen wird in der zweiten Ausführungsform wie folgt vorgegangen: Beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten wird an einem auf der ersten Achse liegenden ersten Drehgestell (erster Messpunkt) ein erstes Beschleunigungssignal und an einem – in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges gesehen – hinter dem ersten Drehgestell auf der zweiten Achse liegenden zweiten Drehgestell (zweiter Messpunkt) wird ein zweites Beschleunigungssignal sowie an mindestens einem der Räder wird ein Rotationsfrequenzsignal gemessen. (2B)
Zur ersten und zweiten Ausführungsform des Verfahrens:
Danach wird die zwischen den in der ersten oder zweiten Ausführungsform ermittelten Beschleunigungssignalen, liegende Laufzeitdifferenz ermittelt, wodurch eine von den Beschleunigungen abhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit mindestens eines Rades und aus diesen beiden Referenz-Geschwindigkeiten der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades berechnet wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, wird die Ermittlung der zwischen den Beschleunigungssignalen liegenden Laufzeitdifferenz unter Auswertung des ersten und zweiten Beschleunigungssignales mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion und/oder unter Auswertung eines ersten und eines zweiten Extremas, vorzugsweise maximalen Beschleunigungswerten jeweils über der Zeit in einem vorgebbaren Zeitfenster vorgenommen. Es versteht sich, dass ein erster und zweiter minimaler Beschleunigungswert in einem vorgebbaren Zeitfenster jeweils über der Zeit gemessen gleichermaßen zur Auswertung herangezogen werden kann.
Der mindestens eine Durchmesser wird in einer bevorzugten Ausgestaltung in vorgebbaren Zeitfenstern mehrmals ermittelt und statistisch ausgewertet.
In einer möglichen Ausgestaltung der statistischen Auswertung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Histogramm zu verwenden, in dem der mindestens eine erwartete, mehrfach ermittelte Durchmesser des mindestens einen Rades vorgebbaren Intervallbreiten zugeordnet wird, wobei diejenige Intervallbreite, der die größte Anzahl des mindestens einen mehrfach ermittelten Durchmessers zugeordnet worden ist, dem zu ermittelten mindestens einen Durchmesser entspricht.
Das Verfahren bedient sich einer Vorrichtung, welches sich dadurch auszeichnet, dass einem ersten Messpunkt auf der ersten Achse mindestens ein erster Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Messpunkt auf der zweiten Achse mindestens ein zweiter Beschleunigungs-Sensor zugeordnet ist, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder ein Rotationsfrequenz-Sensor zugeordnet ist, wobei die Sensoren mit einer Erfassungseinheit interagieren, die zumindest dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und auszugeben.
Erste Ausführungsform der Vorrichtung:
In der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, einem ersten Rad (erster Messpunkt) auf der ersten Achse mindestens einen ersten Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Rad (zweiter Messpunkt) auf der zweiten Achse mindestens einen zweiten Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder ein Rotationsfrequenz-Sensor zuzuordnen.
Zweite Ausführungsform der Vorrichtung:
In der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, einem ersten Drehgestell (erster Messpunkt) auf der ersten Achse mindestens einen ersten Beschleunigungs-Sensor und einem zweiten Drehgestell (zweiter Messpunkt) auf der zweiten Achse mindestens einen zweiten Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder des Drehgestells einen Rotationsfrequenz-Sensor zuzuordnen.
Zur ersten und zweiten Ausführungsform der Vorrichtung:
Prinzipiell ist in der ersten und zweiten Ausführungsform in einer Basis-Ausführungsvariante zumindest eine Erfassungseinheit auf dem Schienenfahrzeug vorzusehen, so dass die mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie das mindestens eine Rotationsfrequenzsignal ausgelesen werden kann, um nachfolgend eine externe Auswertung mittels einer Auslese- und Auswerteeinheit vorzunehmen.
In einer ersten Ausführungsvariante beider Ausführungsformen interagieren die Sensoren mit einer Erfassungs- und Auswerteeinheit des Schienenfahrzeuges, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens einen Durchmesser des mindestens einen Rades zu berechnen. Zur Datenkontrolle wird dann nur noch eine Ausleseeinheit benötigt, da die Daten bereits ausgewertet sind.
In beiden zuvor genannten Ausführungsvarianten, erfolgt die Datenkontrolle beispielsweise in vorgebbaren Prüfintervallen in einer Werkstatt oder dergleichen, wobei die Schienenfahrzeuge während der Auswertung nicht in Betrieb sind.
In einer zweiten Ausführungsvariante, die ebenfalls für beide Ausführungsformen anwendbar ist, interagieren die Sensoren mit einer Auswerte- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuges, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens einen Durchmesser des mindestens einen Rades zu berechnen. Die Datenkontrolle erfolgt dann beispielsweise durch Senden der Daten an eine externe nicht zum Schienenfahrzeuges gehörende Empfangseinheit eines Telematiksystems. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass eine Beurteilung der ausgewerteten Daten am Ort der Empfangseinheit erfolgt, ohne das die Schienenfahrzeuge außer Betrieb genommen werden müssen, da die Daten an die Empfangseinheit versendet werden.
In einer dritten ebenfalls für beide Ausführungsformen geltenden Ausführungsvariante, interagieren die Sensoren mit einer Erfassungseinheit- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuge, die dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal zu erfassen und an eine externe nicht zum Schienenfahrzeug gehörende Empfangseinheit zu versenden, so dass eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder der mindestens eine Durchmesser des mindestens einen Rades nicht in der Erfassungs- und Sendeeinheit des Schienenfahrzeuges erfolgt, sondern in einer externen Empfangs- und Auswerteeinheit berechnet wird/werden. Der wesentliche Vorteil besteht auch hier darin, dass eine Auswertung und Beurteilung der Daten am Ort der Empfangs- und Auswerteeinheit erfolgt, ohne das die Schienenfahrzeuge außer Betrieb genommen werden müssen, da die Daten an die Empfangs- und Auswerteeinheit versendet werden. Darüber hinaus ist, die sich auf dem Schienenfahrzeug befindende Erfassungs- und Sendeeinheit einfacher aufgebaut, da die Auswertung in einer externen Empfangs- und Auswerteeinheit erfolgt.
Anordnung der Beschleunigungs-Sensoren in der ersten Ausführungsform:
In einer bevorzugten ersten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einer Radscheibe des jeweiligen Rades angeordnet.
In einer anderen zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einer dem jeweiligen Rad zugeordneten Radsatzwelle angeordnet.
In einer weiteren dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, sind die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslagergehäuse eines Radsatzlagers der Radsatzwelle angeordnet.
In einer vierten Ausgestaltung ist vorgeschlagen, die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslagerdeckel anzuordnen.
Schließlich wird in einer fünften Ausgestaltung vorgeschlagen, die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale an einem dem jeweiligen Rad zugeordneten Achslager anzuordnen.
An einem Schienenfahrzeug kann die Anordnung theoretisch unterschiedlich gewählt sein, das heißt einem Rad ist beispielsweise ein Beschleunigungs-Sensor zugeordnet, der direkt an der Radscheibe des Rades sitzt, während einem anderen Rad ein Beschleunigungs-Sensor zugeordnet ist, der beispielsweise an dem Achslagerdeckel angeordnet ist.
Zur Aufzeichnung der Beschleunigungssignale hat sich als praktikabel herausgestellt, beispielsweise dem Achslagerdeckel eines Rad einen Beschleunigungs-Sensor zuzuordnen und dem anderen Rad ebenfalls am Achslagerdeckel in vergleichbarer Position ebenfalls einen weiteren Beschleunigungs-Sensor anzuordnen.
Anordnung der Beschleunigungs-Sensoren in der zweiten Ausführungsform:
In der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschleunigungs-Sensoren zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale jeweils an einem Drehgestell angeordnet sind, so dass die Beschleunigungssignale von mindestens zwei Drehgestellen erfassbar sind, deren konstanter Abstand bekannt ist.
Anordnung eines Rotationsfrequenz-Sensors in der ersten und zweiten Ausführungsform:
Die bevorzugte Anordnung des mindestens einen Rotationsfrequenz-Sensors zur Erfassung des mindestens einen Rotationsfrequenzsignals erfolgt in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung an einer Radscheibe des Rades, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll.
In einer anderen bevorzugten zweiten Ausgestaltung wird der mindestens eine Rotationsfrequenz-Sensors an einer dem jeweiligen Rad zugeordneten Radsatzwelle, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll, angeordnet.
Ferner kann bevorzugt in einer dritten Ausgestaltung vorgesehen sein, den mindestens einen Rotationsfrequenz-Sensors an einem dem jeweiligen Rad, dessen Raddurchmesser ermittelt werden soll, zugeordneten rotierenden Innenring und/oder rotierenden Wälzkörpern des Radsatzlagers der Radsatzwelle anzuordnen. Zur Bestimmung der Rotationsfrequenz des Rades kommt in einer möglichen Ausführung der dritten Ausgestaltung des einem Radsatzlager zugeordneten Rades ein Wälzlager zum Einsatz, wobei das Wälzlager des Rades integrierte Sensoren zur Drehzahlbestimmung des Wälzlagers aufweist, woraus auf die Rotationsfrequenz des Rades geschlossen werden kann.
Mit Hilfe der Vorrichtung und dem Verfahren kann ein Telematiksystem ausgestattet werden, welches zur drahtlosen Fernüberwachung mindestens eines Durchmessers eines auf einer Schiene laufenden Rades und/oder der Geschwindigkeit eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges dient.
Das Telematiksystem zeichnet sich durch mindestens einen der Patentansprüche 1 bis 6 und/oder durch eine Vorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 7 bis 19 aus, wobei die mindestens eine Erfassungseinheit der Vorrichtung entweder eine Sendeeinrichtung umfasst, so dass mindestens zwei Beschleunigungssignale und mindestens ein Rotationsfrequenzsignal an eine Empfangs- und Auswerteeinheit des Telematiksystems aussendbar sind, oder eine Auswerte- und Sendeeinrichtung umfasst, so dass eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder mindestens ein Durchmesser mindestens einen Rades an eine Empfangseinheit des Telematiksystems aussendbar ist/sind.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1A ein bekanntes Verschleißverhalten anhand einer Radprofilmessung von Rädern eines Schienenfahrzeuges;
1B eine perspektivische Darstellung eines symbolhaft dargestellten Schienenfahrzeug mit zugeordneten kartesischen Koordinaten nach dem Stand der Technik;
2A eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines Rades des Schienenfahrzeuges in einer ersten Ausführungsform;
2B eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers eines Rades des Schienenfahrzeuges in einer zweiten Ausführungsform;
3 ein Diagramm zur Darstellung der Beschleunigungen eines ersten und eines zweiten Rades über der Zeit in einem Zeitfenster gemäß der ersten Ausführungsform nach 2A;
4 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 ein Histogramm zur Erläuterung der Vorgehensweise der statistischen Auswertung gemäß 5 anhand eines ersten Rades.
Die nachfolgende Beschreibung erfolgt stellvertretend für alle auf einer Schiene S fahrenden Fahrzeuge F, die nachfolgend als Schienenfahrzeuge F bezeichnet werden.
Für die Zwecke der Beschreibung soll die in Längsrichtung des Fahrzeuges liegende Richtung mit „x“ bezeichnet werden. Mit „y“ wird die Richtung in der Horizontalen des Fahrzeuges quer zur x-Richtung bezeichnet, und mit „z“ wird die Richtung in der Vertikalen des Fahrzeuges quer zur x-Richtung bezeichnet.
Die 2A zeigt, unter Zuhilfenahme der 1B in der die üblicherweise einem Schienenfahrzeug F zugeordneten kartesischen Koordinaten x, y, z zur eindeutigen Festlegung der nachfolgend verwendeten Richtungsangaben dargestellt sind, die Vorrichtung 10 zur laufenden Bestimmung eines Durchmessers d_n (n = 1, 2, 3 ...) mindestens eines Rades R_n des Schienenfahrzeuges F in einer ersten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform:
Mittels der in 2A dargestellten Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren, wird in der ersten Ausführungsform der Durchmesser mindestens eines Rades R₁ (n=1) ermittelt.
Zur Bestimmung des Durchmessers mindestens eines Rades R₁ (n=1) werden die Messpunkte zur Erfassung der Beschleunigungen a₁, a₂ des jeweiligen Rades R₁, R₂ und zur Erfassung der mindestens einen Rotationsfrequenz f₁ mindestens eines Rades R₁ wie folgt gewählt.
In der ersten Ausführungsform wird eine Vorrichtung 10 geschaffen, bei der zumindest an zwei in x-Richtung gesehen – hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1, Y2 gelagerte Räder R₁, R₂, deren Abstand s_R zwischen den Achsen Y1, Y2 bekannt ist, mindestens zwei Beschleunigungs-Sensoren Sa_n und mindestens ein Rotationsfrequenz-Sensor Sf_n angeordnet sind. In der 2A liegen die Räder R₁, R₂ gemäß dem Richtungspfeil x entsprechend nebeneinander.
Gemäß 2A ist vorgesehen, am Schienenfahrzeug F einem ersten Rad R₁ eindeutig zuordenbar einen ersten Sensor Sa₁ und einem zweiten Rades R₂ eindeutig zuordenbar einen zweiten Sensor Sa₂ zur Erfassung der Beschleunigung des ersten Rades R₁ und zweiten Rades R₂ anzubringen. Die Sensoren werden nachfolgend erster und zweiter Beschleunigungs-Sensor Sa₁, Sa₂ genannt.
Prinzipiell muss die Anordnung so erfolgen, dass die Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ in der Lage sind, die Beschleunigungssignale a₁, a₂ des jeweiligen Rades R₁, R₂ eindeutig zu ermitteln.
Dazu erfolgt eine eindeutige Zuordnung der Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ zu dem jeweiligen Rad R₁, R₂, entweder eine Anordnung an einer Radscheibe oder an einer Radsatzwelle oder an einem die Radsatzwelle aufnehmende Achslagergehäuse oder an einem Achslagerdeckel. In einer denkbaren Anordnungsvariante kann der Beschleunigungs-Sensor Sa_n auch oberhalb des jeweiligen Rades R_n angeordnet sein. Entscheidend ist, dass das jeweilige Beschleunigungssignal erfasst und eindeutig einem der mindestens zwei Räder R₁, R₂ zugeordnet werden kann.
Im Ausführungsbeispiel sind die Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ beispielsweise in einer der möglichen Ausgestaltungsvarianten beispielsweise an einem Achslagerdeckel des Achslagergehäuses angeordnet, der am ersten und zweiten Rad R₁, R₂ – in y-Richtung gesehen – in axialer Verlängerung einer Radsatzwelle angeordnet ist. Eine Anordnung am Achslagerdeckel vereinfacht die Messung gegenüber einer Anordnung an der rotierenden Radscheibe oder Radsatzwelle. Solche Anordnungen sind jedoch nicht ausgeschlossen und werden somit ausdrücklich von der Erfindung umfasst.
Die Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ werden, wie in 2A dargestellt, derart ausgerichtet, dass die vorwiegend in z-Richtung auswirkenden Unregelmäßigkeiten erfassbar sind. Der in 2A jeweils dargestellte Beschleunigungs-Sensor Sa₁, Sa₂ ist vorzugsweise in z-Richtung ausgerichtet. Die Erfindung umfasst auch Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₁ die nicht in z-Richtung ausgerichtet sind, da die Beschleunigung eines Rades R₁, R₂ auch mit Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ messbar ist, die in y-Richtung oder x-Richtung oder zwischen den kartesischen Hauptkoordinaten – schräg ausgerichtet – angeordnet sind.
Gemäß 2A ist ferner vorgesehen, an dem ersten Rad R₁ einen ersten Sensor Sf₁ zur Erfassung einer Rotationsfrequenz des ersten Rades R₁, nachfolgend erster Rotationsfrequenz-Sensor Sf₁ genannt und an dem zweiten Rad R₂ einen zweiten Sensor Sf₂ zur Erfassung der Rotationsfrequenz des zweiten Rades R₂, nachfolgend zweiter Rotationsfrequenz-Sensor Sf₂ genannt, anzuordnen.
Mit einer solchen Anordnung sind die Durchmesser d₁, d₂ beider Räder R₁und R₂ bestimmbar. Grundsätzlich reicht zur Ermittlung mindestens eines Durchmessers d_n eines einzigen Rades, beispielsweise des ersten Rades R₁ ein einziger Rotationsfrequenz-Sensor Sf₁ aus.
Das heißt, die Vorrichtung 10 umfasst mindestens zwei Räder R₁, R₂ und zwei Beschleunigungs-Sensoren Sa₁ und Sa₂, jedoch wird nur ein Rotationsfrequenz-Sensor Sf₁ benötigt um mindestens einen Durchmesser d_n, des ersten Rades R₁, oder des zweiten Rades R₂ zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Rotationsfrequenz-Sensoren Sf₁, Sf₂ direkt an jeweils einem Rad R₁, R₂ zweier in x-Richtung benachbarter Radsätze angeordnet.
Prinzipiell muss die Anordnung des mindestens einen die Rotationsfrequenz f₁, f₂ anzeigenden Rotationsfrequenz-Sensors Sf₁, Sf₂ an einem Ort erfolgen, die der Rotationsfrequenz f1, f2 des ersten Rades R₁und zweiten Rades R₂ eindeutig zugeordnet werden kann, insofern kann eine Anordnung direkt an der rotierenden Radscheibe des ersten und zweiten Rades R₁, R₂ oder auch an der rotierenden Radsatzwelle erfolgen.
Bei einem ein Drehgestell aufweisenden Güterwagens können die in x-Richtung gesehen – hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1, Y2 gelagerten Räder R₁, R₂ eines ersten und eines zweiten Radsatzes des Drehgestells mit den in 2A dargestellten Sensoren Sa₁, Sf₁; Sa₂, Sf₂ ausgestattet sein. Die beiden Räder R₁ eines ersten Radsatzes sind auf der ersten Y1-Achse und die beiden Räder R₂ eines zweiten Radsatzes sind auf der zweiten Y2-Achse gelagert. Bei dieser Ausgestaltung kann der erste Durchmesser d₁ des ersten Rades R1 des ersten Radsatzes und der zweite Durchmesser d₂ des zweiten Rades R₂ des zweiten Radsatzes bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Anordnung kann, da die Räder eines Radsatzes starr auf einer Radsatzwelle liegen auch auf den Verschleiß und den Durchmesser der in y-Richtung gegenüberliegenden Räder geschlussfolgert werden. Soll eine genaue Bestimmung der in y-Richtung gegenüberliegenden Räder eines Radsatzes vorgenommen werden, empfiehlt es sich alle vier Räder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeuges F mit Beschleunigungs-Sensoren und zwei auf der gleichen Seite des Drehgestells liegende Räder mit jeweils einem Rotationsfrequenz-Sensor auszustatten. Ein Drehgestell mit zwei Radsätzen weist dann vier Beschleunigungs-Sensoren und zwei Rotationsfrequenz-Sensoren auf.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung und das zugehörige Verfahren für Schienenfahrzeuge F ohne und mit Drehgestell anwendbar ist. Für die erste Ausführungsform entscheidend ist, dass in Fahrtrichtung gesehen hintereinander liegende Räder R₁, R₂ eines ersten und eines zweiten Radsatzes vorhanden sind, um mindestens einen Durchmesser d_n bestimmen zu können.
Zweite Ausführungsform:
Die Vorgehensweise innerhalb des Verfahrens und die Ausgestaltung der Vorrichtung 10 in der zweiten Ausführungsform erfolgt analog, jedoch wird eine andere Anordnung der Messpunkte gewählt, wobei der Abstand der Messpunkte ebenfalls bekannt ist, wie nachfolgend anhand der 2B erläutert wird.
Mittels der in 2B dargestellten Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren in der zweiten Ausführungsform kann der Durchmesser mindestens eines Rades R_n (n = 1, 2, 3 ...) ermittelt werden.
In der zweiten Ausführungsform wird eine Vorrichtung 10 geschaffen, bei der zumindest an zwei – in x-Richtung gesehen – hintereinander auf sich in y-Richtung erstreckenden Achsen Y1, Y2 gelagerte Drehgestelle DG₁, DG₂, deren Abstand s_DG zwischen den Achsen Y1, Y2 bekannt ist, mindestens zwei Beschleunigungs-Sensoren Sa_n und mindestens ein Rotationsfrequenz-Sensor Sf_n angeordnet sind. In der 2B liegen die Drehgestelle DG₁, DG₂ gemäß dem Richtungspfeil x entsprechend nebeneinander. Ein möglicher Abstand s_DG ist der Abstand von Drehzapfen zu Drehzapfen von zwei hintereinander liegenden Drehgestellen DG₁, DG₂, der als Drehzapfenabstand eines Schienenfahrzeuges F bezeichnet wird.
Gemäß 2B ist vorgesehen, am Schienenfahrzeug F einem ersten Drehgestell DG₁ eindeutig zuordenbar einen ersten Sensor Sa₁ und einem zweiten Drehgestell DG₂ eindeutig zuordenbar einen zweiten Sensor Sa₂ zur Erfassung der Beschleunigung des ersten Drehgestelles DG₁ und des zweiten Drehgestelles DG₂ anzubringen. Die Sensoren werden nachfolgend analog zur ersten Ausführungsform erster und zweiter Beschleunigungs-Sensor Sa₁, Sa₂ genannt.
Prinzipiell muss die Anordnung so erfolgen, dass die Beschleunigungs-Sensoren Sa₁, Sa₂ in der Lage sind, die Beschleunigungssignale a₁, a₂ des jeweiligen Drehgestells DG₁, DG₂ eindeutig zu ermitteln.
Die Anordnung der Rotationsfrequenz-Sensoren Sf_n erfolgt gemäß 2B analog zu 2A.
Mit dieser Anordnung in der zweiten Ausführungsform ist mindestens ein Durchmesser d_n einen Rades R_n, wobei zur Ermittlung des mindestens eines Durchmessers d_n eines einzigen Rades, ein einziger Rotationsfrequenz-Sensor Sf_n ausreicht.
Die nachfolgende Beschreibung erfolgt anhand der ersten Ausführungsform. Die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise zur Auswertung der erfassten Rohdaten (a_n, f_n) ist analog auf die zweite Ausführungsform übertragbar, wobei der in den Formeln einzusetzende Abstand s_R in der zweiten Ausführungsform, der Abstand s_DG zwischen den beiden Drehgestellen DG₁, DG₂ gemäß 2B ist.
In der zweiten Ausführungsform werden nicht die Beschleunigungssignale a₁, a₂ der Räder R₁, R₂, sondern die Beschleunigungssignale a₁, a₂ der Drehgestelle DG₁, DG₂ ermittelt. Daraus folgt, dass die Beschleunigungs-Kennlinien 3.1 und 3.2 in der zweiten Ausführungsform nicht am ersten und zweiten Rad R₁, R₂, sondern am ersten und zweiten Drehgestell DG₁, DG₂ aufgenommen werden.
Ermittlung des Raddurchmessers:
In 3 ist ein Kennlinienverlauf einer ersten und einer zweiten Beschleunigungs-Kennlinien 3.1 und 3.2 des ersten Rades R₁ und des zweiten Rades R₂ dargestellt.
Das zugehörige Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers d_n eines Rades R_n eines Schienenfahrzeuges F nutzt den Effekt aus, dass es durch das Überfahren von streckenseitigen Unregelmäßigkeiten zu bestimmten Beschleunigungssignalen a₁, a₂ an der ersten und zweiten Achse Y1, Y2 des Schienenfahrzeuges F kommt. Ein erstes Beschleunigungssignal a₁ wird gemäß Diagramm 3 und Verfahrensschema 4 über der Zeit t ermittelt, wobei das auf der ersten Achse Y1 liegende vorlaufende erste Rad R₁ – in Fahrtrichtung x gesehen – zuerst auf eine vorhandene Unregelmäßigkeiten auftrifft, wonach mit einem Zeitversatz Δt das auf der zweiten Achse Y2 nachlaufende zweite Rad R₂ auf die gleiche Unregelmäßigkeit trifft. Durch die Unregelmäßigkeiten entstehen an den beiden Rädern R₁, R₂ unterschiedliche Beschleunigungssignale, ein erstes Beschleunigungssignal a₁ und ein zweites Beschleunigungssignal a₂, wie durch die Ausschläge der Kennlinien 3.1 und 3.2 verdeutlicht wird.
Als Unregelmäßigkeiten, die von den Beschleunigungs-Sensoren S_a1, S_a2 erfasst werden, werden unter anderem Schienenstöße, Stöße die durch Weichenüberfahrten und sonstige Unregelmäßigkeiten angesehen.
Bei Schienenstößen und Stößen durch Weichenüberfahrten oder dergleichen, sind die in 3 dargestellten Maxima a_1max, a_2max der Beschleunigungssignale a₁, a₂ ermittelbar und können zur Auswertung herangezogen werden, wie nachfolgend erläutert wird.
Ausgehend von den Beschleunigungssignalen a₁, a₂ beziehungsweise der maximalen Beschleunigungswerte a_1max, a_2max, jeweils über der Zeit t, gemäß dem Diagramm der 3 erfolgt die Bestimmung der Laufzeitdifferenz Δt = t2 – t1 der erfassten Beschleunigungssignale a₁, a₂ beziehungsweise der Beschleunigungswerte a_1max, a_2max.
Es wird gemäß 3 vorgeschlagen, die Laufzeitdifferenz Δt zwischen den Beschleunigungssignale a₁, a₂ der Räder R₁, R₂ über der Zeit t unter Anwendung einer Kreuzkorrelationsfunktion zu ermitteln und/oder die Laufzeitdifferenz Δt der Maxima-Werte a_1max, a_2max der Beschleunigungssignale a₁, a₂ auszuwerten.
Die Bestimmung der Laufzeitdifferenz Δt erfolgt in einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante unter Auswertung der Beschleunigungssignale a₁, a₂ über der Zeit t mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) und/oder in einer zweiten Ausführungsvariante unter Auswertung von mindestens zwei maximalen Beschleunigungswerten a_1max, a_2max die jeweils in einem vorgebbaren Zeitbereich, in einem Zeitfenster t_Ges ermittelt werden.
Der Vorteil der Auswertung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz Δt der Beschleunigungswerte mittels der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) anhand der Beschleunigungssignale a₁, a₂ (erste Ausführungsvariante) besteht darin, dass diese Methode der Auswertung genauer ist, als die Auswertung der beiden maximalen Beschleunigungswerte a_1max, a_2max (zweite Ausführungsvariante), jedoch ist die Auswertung insgesamt aufwändiger, als die Bestimmung der Laufzeitdifferenz Δt = t2 – t1 anhand der Maxima a_1max, a_2max. Es versteht sich, dass die Auswertungen parallel ausgeführt werden können, wonach die Ergebnisse, insofern Abweichungen auftreten, statistisch ausgewertet werden können.
Dem Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers d₁, d₂ mindestens eines Rades R₁, R₂ liegt folgende Berechnung zugrunde:
Gemäß Formel (1) kann über die Laufzeitdifferenz Δt und dem bekannten Abstand s_R (erste Ausführungsform) eine Referenz-Geschwindigkeit νref a des Schienenfahrzeugs S bestimmt werden:
In der zweiten Ausführungsform wird in den Formeln (1) und (3.1 beziehungsweise 3.2) nicht der Abstand s_R der Räder R₁, R₂, sondern der bekannte Drehzapfenabstand s_DG zwischen zwei Drehgestellen DG₁, DG₂ eingesetzt.
Gemäß der Formel (2) ergibt sich ferner eine von der Drehzahl f₁, f₂ des jeweiligen Rades R₁, R₂ abhängige Referenzgeschwindigkeit vref f_n des ersten und/oder des zweiten Rades R₁, R₂: vreff₁ = f₁πd₁ (2.1) vreff₂ = f₂πd₂ (2.2)
Ein Gleichsetzen der Formel (1) mit der Formel (2.1) und/oder (2.2) ergibt, dass der Durchmesser d₁ des ersten Rades R₁ beziehungsweise der Durchmesser d₂ des zweiten Rades R₂ gemäß der Formeln (3.1) und (3.2) als Quotient des Abstandes s_R der ersten und zweiten Achse Y1, Y2 und der jeweiligen Rotationsfrequenz f₁, f₂ des ersten und zweiten Rades R₁, R₂ berechenbar ist.
Über diese Berechnung hinaus, ist es ferner vorgesehen, um nicht zu verhindernde Ungenauigkeiten der Beschleunigungs- und Rotationsfrequenzmessungen auszugleichen eine statistische Auswertung vorzunehmen, wie schematisch in dem Verfahrensschema der 4 dargestellt ist.
Es wird eine Ermittlung und Berechnung einer Vielzahl (n = 1, 2, 3 ...) von Raddurchmessern d_n eines Rades innerhalb mehrerer Zeitfenster tges_n (n = 1, 2, 3 ...) durchgeführt.
Anschließend werden statistische Ausreißer, der berechneten Raddurchmesser d₁, d₂, die außerhalb vorgebbarer Grenzen liegen, aussortiert.
Aus den verbleibenden Daten wird gemäß 5 in einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ein Histogramm erstellt.
Bei einer vorgebbaren, geeignet gewählten Intervallbreite d Int von beispielsweise 0,001 mm gemäß 5 die an einem Praxisbeispiel zur Verdeutlichung der histographischen Auswertung dient, wird beispielsweise einem Intervall 0,824 bis 0,825 die größte Anzahl A von ermittelten Raddurchmessern d₁, d₂ zugeordnet. Das Intervall mit der größten zugeordneten Anzahl A ist nach der statistischen Auswertung der gesuchte Raddurchmesser d₁ oder d₂, wie in dem in 5 dargestellten Praxisbeispiel nachfolgend noch erläutert wird.
Die aufgezeichneten Daten wurden in Testfahrten bestätigt. Die Ergebnisse einer Testfahrt sind in 5 in einem Diagramm dargestellt. Die Ergebnisse wurden wie beschrieben ausgewertet und wurden mit Werkstattprotokollen, welche direkt vor den Testfahrten erstellt worden sind, verglichen.
Dem Intervall 0,825 bis 0,826 m konnten die meisten ermittelten Raddurchmesser zugeordnet werden. Der berechnete Raddurchmesser d₁ eines ersten Rades R₁ beträgt hiernach 825–826 mm. Dieses Ergebnis stimmt mit einem in der Werkstatt gemessenen ersten Raddurchmesser d₁ des ersten Rades R₁ von 825 mm überein.
Für das zweite untersuchte Rad R₂ ergibt sich das gleiche Bild. Nach den Tests wird eine Genauigkeit des Verfahrens von ±1 mm erreicht. Da ein Hohllauf der Räder R₁, R₂ bis zu 20 mm auf den Durchmesser beobachtet wurde, ist mittels der Vorrichtung 10 und des Verfahrens bereits eine Verschlechterung des Rades von 5%, das heißt, es sind bereits 5% des maximal zu erwartenden Hohllaufes eines Rades R₁, R₂ detektierbar. Somit ist mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung 10 bereits eine geringe Profilveränderung sehr gut detektierbar. Der Vorteil dieser Vorrichtung 10 und dem zugehörigen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik ist die einfache Automatisierbarkeit und Integrationsfähigkeit in die sich zur Zeit in der Entwicklung befindenden Telematiksysteme zur Zustandsüberwachung von Schienenfahrzeugen.
Der Vorteil gegenüber dem aus der EP 1 197 419 A1 bekannten empfindlichen Verfahren besteht darin, dass das in dieser Patentanmeldung vorgestellte Verfahren von der Schwellenfachfrequenz unabhängig ist, die auf der Annahme eines konstanten Schwellenabstandes einer auf Schwellen gelagerten Schiene beruht. Der Schwellenabstand ist aber in der Praxis nicht konstant, sondern kann insbesondere zwischen verschiedenen Ländern variieren. Daher ist das bekannte Verfahren ungenau, insofern der Schwellenabstand als Konstante angesehen wird oder es muss zur Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens eine aufwändige messtechnische Erfassung des Schwellenabstandes erfolgen. Selbst bei einer messtechnischen Erfassung des Schwellenabstandes, so hat eine Fehlerbetrachtung ergeben, liefert das bekannte Verfahren gegenüber dem hier vorgeschlagenen Verfahren weniger genaue Werte. Grund dafür ist erstens, dass die messtechnische Erfassung schwierig ist, da die Schwellenfachfrequenz, die mittels einer Sekundärdurchbiegung der Schiene im Bereich der Schwelle zu einer periodischen Anregung des Radsatzes führt und über diese Sekundärdurchbiegung ermittelt wird, häufig nicht stark genug ausgeprägt ist. Die aus der Schwellenfachfrequenz abgeleiteten Beschleunigungssignale nach dem Stand der Technik führen bei der Auswertung der Beschleunigungssignale unter der Annahme gleicher Abtastraten zu einem größeren Fehler, als bei der erfindungsgemäßen Auswertung der Beschleunigungssignale, die durch Unregelmäßigkeiten der Schiene S mittels den Rädern zugeordneten Beschleunigungs-Sensoren auftreten. Hinzu kommt, dass in der Praxis die Schwellenformen variieren, so dass die Auswertung der Schwellenfachfrequenz zusätzlich kompliziert wird. Zusammengefasst weist die neue Vorrichtung und das neue Verfahren den Vorteil auf, dass eine Bestimmung des Durchmessers eines Rades ohne Kenntnis über den Schwellenabstand und die Form der verlegten Schwellen möglich ist, wobei zudem mit geringerem messtechnischen Aufwand eine höhere Genauigkeit erreicht wird.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
R_n: n-tes Rad
R₁: erstes Rad
R₂: zweites Rad
DG₁: erstes Drehgestell
DG₂: zweites Drehgestell
Y1: erste Achse
Y2: zweite Achse
F: Schienenfahrzeug
S: Schiene
H: Profilhöhe
B: Radbreite
a₁: erstes Beschleunigungssignal
a₂: zweites Beschleunigungssignal
a_1max: erster maximaler Beschleunigungswert
a_2max: zweiter maximaler Beschleunigungswert
Sa_n: n-ter Beschleunigungs-Sensor
Sa₁: erster Beschleunigungs-Sensor
Sa₂: zweiter Beschleunigungs-Sensor
f₁: erstes Rotationsfrequenzsignal
f₂: zweites Rotationsfrequenzsignal
Sf_n: n-ter Rotationsfrequenz-Sensor
Sf₁: erster Rotationsfrequenz-Sensor
Sf₂: zweiter Rotationsfrequenz-Sensor
d_n: n-ter Durchmesser
d₁: erster Durchmesser (erstes Rad R₁)
d₂: zweiter Durchmesser (zweites Rad R₂)
s_R: Abstand zwischen zwei Rädern
s_DG: Abstand zwischen zwei Drehgestellen
v: Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F
vref a: Referenz-Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges F
vref f₁: Referenz-Geschwindigkeit des ersten Rades R₁
vref f₂: Referenz-Geschwindigkeit des zweiten Rades R₂
t: Zeit
Δt: Laufzeitdifferenz
t Ges: Zeitfenster
d Int: Intervallbreite
1.1: erste Profilhöhen-Kennlinie ohne Hohllauf
1.2: zweite Profilhöhen-Kennlinie mit Hohllauf
3.1: erste Beschleunigungs-Kennlinie
3.2: zweite Beschleunigungs-Kennlinie
x: in Längsrichtung des Fahrzeuges liegende Richtung (Fahrtrichtung)
y: Horizontale des Fahrzeuges quer zur x-Richtung
z: Vertikale des Fahrzeuges quer zur x-Richtung.
A: Anzahl der Zuordnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2154509 A1 [0003]
DE 10102673 A1 [0004]
CN 100449259 C [0004]
US 4749870 [0004]
CH 688728 A5 [0005]
DE 3522809 C2 [0005]
US 4866642 [0006]
EP 1630518 A2 [0007]
DE 10305923 A1 [0008]
DE 3721127 A1 [0008]
EP 2199735 A2 [0009]
DE 29516461 U1 [0010]
EP 1197419 A1 [0011, 0101]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers (d_n) eines auf einer Schiene (S) laufenden Rades (R_n) und/oder der Geschwindigkeit (v) eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges (F) mit mindestens zwei den Rädern (R₁, R₂) oder Drehgestellen (DG₁, DG₂) des Schienenfahrzeuges (F) zugeordneten Achsen (Y1, Y2), die einen konstanten Abstand (s_R; s_DG) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf einer ersten Achse (Y1) liegenden ersten Messpunkt (R₁; DG₁) ein erstes Beschleunigungssignal (a₁) und an einem – in Fahrtrichtung (x) des Schienenfahrzeuges (F) gesehen – hinter dem ersten Messpunkt (R₁; DG₁) auf einer zweiten Achse (Y2) liegenden zweiten Messpunkt (R₂; DG₂) ein zweites Beschleunigungssignal (a₂) sowie an mindestens einem der Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen (a₁, a₂) liegende Laufzeitdifferenz (Δt) ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref f_n) mindestens eines Rades (R₁, R₂) und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeiten (vref a, vref f_n ) der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf der ersten Achse (Y1) liegenden ersten Messpunkt, an einem ersten Rad (R₁) ein erstes Beschleunigungssignal (a₁) und an einem – in Fahrtrichtung (x) des Schienenfahrzeuges (F) gesehen – hinter dem ersten Rad (R₁) auf der zweiten Achse (Y2) liegenden zweiten Messpunkt an einem zweiten Rad (R₂) ein zweites Beschleunigungssignal (a₂) sowie an mindestens einem der Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen (a₁, a₂) liegende Laufzeitdifferenz (Δt) ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref f_n) mindestens eines Rades (R₁, R₂) und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeiten (vref a, vref f_n ) der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überfahren von schienenseitigen Unregelmäßigkeiten an einem auf der ersten Achse (Y1) liegenden ersten Messpunkt, einem ersten Drehgestell (DG₁) ein erstes Beschleunigungssignal (a₁) und an einem – in Fahrtrichtung (x) des Schienenfahrzeuges (F) gesehen – hinter dem ersten Rad (R₁) auf der zweiten Achse (Y2) liegenden zweiten Messpunkt an einem zweiten Drehgestell (DG₂) ein zweites Beschleunigungssignal (a₂) sowie an mindestens einem der Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) gemessen wird, wonach die zwischen den Beschleunigungssignalen (a₁, a₂) liegende Laufzeitdifferenz (Δt) ermittelt wird, wodurch eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref f_n) mindestens eines Rades (R₁, R₂) und aus den beiden Referenz-Geschwindigkeiten (vref a, vref f_n ) der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Laufzeitdifferenz (Δt) unter Auswertung des ersten und zweiten Beschleunigungssignales (a₁, a₂) mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) und/oder unter Auswertung eines ersten und eines zweiten extremen Beschleunigungswertes (a_1max, a_2max), jeweils über der Zeit (t) in einem vorgebbaren Zeitfenster (tges) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) in vorgebbaren Zeitfenstern (tges) mehrmals ermittelt und statistisch ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur statistischen Auswertung ein Histogramm verwendet wird, in dem der mindestens eine erwartete, mehrfach ermittelte Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) vorgebbaren Intervallbreiten (d Int) zugeordnet wird, wobei diejenige Intervallbreite (d Int), der die größte Anzahl (A) des mindestens einen mehrfach ermittelten Durchmessers (d₁, d₂) zugeordnet worden ist, dem zu ermittelten mindestens einen Durchmesser (d₁, d₂) entspricht.
Vorrichtung (10) zur Bestimmung mindestens eines Durchmessers (d_n) eines auf einer Schiene (S) laufenden Rades (R_n) und/oder der Geschwindigkeit (v) eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges (F) mit mindestens zwei den Rädern (R₁, R₂) oder Drehgestellen (DG₁, DG₂) des Schienenfahrzeuges (F) zugeordneten Achsen (Y1, Y2), die einen konstanten Abstand (s_R; s_DG) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten Messpunkt (R₁; DG₁) auf einer ersten Achse (Y1) mindestens ein erster Beschleunigungs-Sensor (Sa₁) und einem zweiten Messpunkt (R₂; DG₂) auf einer zweiten Achse (Y2) mindestens ein zweiter Beschleunigungs-Sensor (Sa₂) zugeordnet ist, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zugeordnet ist, wobei die Sensoren (Sa₁, Sa₂, Sf₁, Sf₂) mit einer Erfassungseinheit interagieren, die zumindest dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) zu erfassen und auszugeben.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten Messpunkt an einem ersten Rad (R₁) auf der ersten Achse (Y1) mindestens ein erster Beschleunigungs-Sensor (Sa₁) und einem zweiten Messpunkt an einem zweiten Rad (R₂) auf der zweiten Achse (Y2) mindestens ein zweiter Beschleunigungs-Sensor (Sa₂) zugeordnet ist, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zugeordnet ist, wobei die Sensoren (Sa₁, Sa₂, Sf₁, Sf₂) mit einer Erfassungseinheit interagieren, die zumindest dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) zu erfassen und auszugeben.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten Messpunkt an einem ersten Drehgestell (DG₁) auf der ersten Achse (Y1) mindestens ein erster Beschleunigungs-Sensor (Sa₁) und einem zweiten Messpunkt an einem zweiten Drehgestell (DG2) auf der zweiten Achse (Y2) mindestens ein zweiter Beschleunigungs-Sensor (Sa₂) zugeordnet ist, und wenigstens einem der mindestens zwei Räder (R₁, R₂) ein Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zugeordnet ist, wobei die Sensoren (Sa₁, Sa₂, Sf₁, Sf₂) mit einer Erfassungseinheit interagieren, die zumindest dazu geeignet ist, mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) zu erfassen und auszugeben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit eine Auswerteeinheit umfasst, mittels der eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und/oder der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) berechnet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Erfassungseinheit oder die Erfassungs- und Auswerteeinheit eine Sendeeinheit umfasst, mittels der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) sowie mindestens ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) oder mindestens eine rotationsfrequenzabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref f_n) und/oder der mindestens eine Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) aussendbar sind/ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) an einer Radscheibe des jeweiligen Rades (R₁, R₂) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) an einer dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten Radsatzwelle angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) an einem dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten Achslagergehäuse eines Radsatzlagers der Radsatzwelle angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) an einem dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten Achslagerdeckel angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) an einem dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten Achslager angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zur Erfassung des mindestens einen Rotationsfrequenzsignals (f₁, f₂) an einer Radscheibe des jeweiligen Rades (R₁, R₂) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zur Erfassung des mindestens einen Rotationsfrequenzsignals (f₁, f₂) an einer dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten Radsatzwelle angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotationsfrequenz-Sensor (Sf₁, Sf₂) zur Erfassung des mindestens einen Rotationsfrequenzsignals (f₁, f₂) an einem dem jeweiligen Rad (R₁, R₂) zugeordneten rotierenden Innenring und/oder rotierenden Wälzkörpern des Radsatzlagers der Radsatzwelle angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungs-Sensoren (Sa₁, Sa₂) zur Erfassung der mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) jeweils an einem Drehgestell (DG₁, DG₂) angeordnet sind.
Telematiksystem zur Bestimmung und drahtlosen Fernüberwachung mindestens eines Durchmessers (d_n) eines auf einer Schiene (S) laufenden Rades (R_n) und/oder der Geschwindigkeit (v) eines sich in Fahrt befindenden Schienenfahrzeuges (F) mit mindestens zwei den Rädern (R₁, R₂) oder Drehgestellen (DG₁, DG₂) des Schienenfahrzeuges (F) zugeordneten Achsen (Y1, Y2), die einen konstanten Abstand (s_R; s_DG) aufweisen, gekennzeichnet durch ein Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 6 und/oder eine Vorrichtung (10) nach mindestens einem der Patentansprüche 7 bis 20, wobei die eine Erfassungseinheit der Vorrichtung (10) entweder – eine Sendeeinrichtung umfasst, so dass mindestens zwei Beschleunigungssignale (a₁, a₂) und mindestens ein Rotationsfrequenzsignal (f₁, f₂) an eine Empfangs- und Auswerteeinheit des Telematiksystems aussendbar sind, – oder eine Auswerte- und Sendeeinrichtung umfasst, so dass eine beschleunigungsabhängige Referenz-Geschwindigkeit (vref a) des Schienenfahrzeuges (F) und/oder mindestens ein Durchmesser (d₁, d₂) des mindestens einen Rades (R₁, R₂) an eine Empfangseinheit des Telematiksystems aussendbar ist/sind.