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UMFELD DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Zustandsüberwachungssensoren, die in Fahrzeugen verwendet werden, um die Achsen oder Lagereinheiten zu überwachen, und ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands eines Lagers oder einer Achse. Insbesondere betrifft die Erfindung Überwachungssysteme für Zugachsen und/oder -lager. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Überwachung von einer Qualität einer Gleisanlage.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es ist bekannt, Zustandsüberwachungseinheiten an Zugachsen oder an Lager davon anzubringen, um Parameter wie bspw. Schwingung, Temperatur und akustische Emission zu überwachen.
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Innerhalb des Automobilsektors gibt es eine Fülle von verdrahteten Sensoren, wobei die meisten mit ECU-(Motorkontrolleinheit) und OBD-(On-Board-Diagnose)Systemen zusammenhängen. Diese Sensoren sind vollständig in die Fahrzeuginfrastruktur eingebunden, so dass sie während des Fahrzeugbetriebs eine kontinuierliche Stromversorgung haben. Datenkommunikationen werden durch einen CAN (Controller Area Network) Bus unterstützt. Diese Sensorsysteme arbeiten kontinuierlich, um ihre Zielparameter zu überwachen.
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Lokomotiven und Passagierwaggons haben auch eine Reihe von Sensorsystemen, die vollständig integriert sind, die sich aber üblicherweise auf sicherheitskritische Funktionalitäten beziehen.
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Momentan erhältliche Zustandsüberwachungslösungen mit permanenter Energiequelle sind dazu ausgelegt, die Daten kontinuierlich aufzunehmen. Dennoch beinhalten die aufgenommenen Daten jedoch eine große Menge von Artefakten und die gemessenen Kurven reflektieren die Kurvigkeit der Strecke, Mängel des Gleises und andere externe Einflüsse. Es ist deshalb notwendig, komplexe Algorithmen zu verwenden, um die Daten zu filtern, um Artefakte zu eliminieren und um wertvolle und zuverlässige Informationen über den Zustand des Lagers aus der großen Menge von Daten zu extrahieren.
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Um Energie zu sparen und um eine gute Datenqualität sicherzustellen, wurde vorgeschlagen, die Messungen auf spezielle Abschnitte des Schienenverlaufs zu begrenzen, bei dem geringe Hintergrundgeräusche und externe Faktoren zu erwarten sind. Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, vorbestimmte Wegpunkte festzusetzen, die, basierend auf GPS-Daten, eine Messung auslösen. Wenn ein bestimmter Wegpunkt entlang einer Strecke erreicht wird, löst die Steuereinheit ein Signal zum Starten der Zustandsüberwachungseinheiten aus, um die Betriebsparameter der Lager und anderer Komponenten, die überwacht werden, zu messen, und entsprechend wird die Überwachung gestoppt, wenn das Fahrzeug die Strecke verlässt.
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Um eine konsistente und zuverlässige Datenablesung sicherzustellen, sollte die Zustandsüberwachungseinheit Daten auf einem Streckenabschnitt mit bekanntermaßen guter Qualität aufnehmen. Vorzugsweise sollte die Strecke oder Route geradeaus und eben sein, und dem Zug erlauben, eine konstante Geschwindigkeit zu erreichen und beizubehalten. Zudem sind diese Wegpunkte Streckenauslösekoordinaten und funktionieren als Referenzpunkte für eine Datenhochrechnung, da alle Messungen deshalb auf die gleichen Punkte auf der Strecke oder Route referenziert werden.
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Der Energieverbrauch kann signifikant reduziert werden, indem für kurze Zeitdauern, wenn die korrekten Bedingungen erfüllt werden, Strom angeschaltet wird und Daten gesammelt werden. Das Auslösen von Messungen auf einem bekannten Stück einer Strecke reduziert Datensammelfehler oder Anomalien und optimiert die Energieverwendung. Der reduzierte Energieverbrauch kann ermöglichen, dass Generatoren oder Energiegewinnungsvorrichtungen mit geringerer zugemessener Energie eingesetzt werden oder, dass sich die Langlebigkeit von Batterien erhöht.
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Gemäß dem Stand der Technik werden diese GPS-Wegpunkte, die die Aktivierung oder Deaktivierung der Sensoreinheiten oder Zustandsüberwachungseinheiten auslösuen, manuell im Voraus festgelegt. Dies ist arbeitsintensiv und kompliziert und erfordert die Involvierung von versierten Ingenieuren, die sowohl Kenntnis der geografischen und technischen Details der Strecke als auch der zu überwachenden Technologie haben.
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In Anwendungen, bei denen keine Netzwerkstruktur existiert oder bei denen die Zustandsüberwachungseinheit an sich drehenden Komponenten angebracht werden muss, wurde vorgeschlagen, drahtlose Knoten zu verwenden. Eine Abwägung im Designs von drahtlosen Sensorsystemen ist die Zeit zwischen der Wartung, die oftmals durch die Lebensdauer ihrer Batterien diktiert wird. Folglich ist Energiemanagement ein wichtiger Faktor in dem Design von drahtlosen Sensorsystemen, da dieses einen unmittelbaren Einfluss auf die Wartungsintervalle hat.
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In neuesten Entwicklungen berichten drahtlose Sensoren, die an Achsenlagern angeordnet sind, zurück an ein On-Board-System, das ein lokales drahtloses Netzwerksystem benutzt, das verwendet wird, um Sensordaten zu sammeln und sie entfernt liegend zu übertragen. Die Installation von lokalen drahtlosen Netzwerksystemen an einem Zug kann kompliziert sein und die Systeme sind anfällig für einen Ausfall. Jedes dieser Systeme hat den Nachteil, dass es eine einzige Bruchstelle hat: das On-Board-System.
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Das Dokument
DE 20 2005 005 278 U1 offenbart eine Sensoreinheit zum Überwachen der Temperatur von Achslagern von Schienenfahrzeugen. Das Dokument
DE 10 2010 027 490 A1 offenbart ein weiteres Überwachungssystem für Schienenfahrzeuge mit einer mobilen Telekommunikationsvorrichtung, die auf dem GSM- oder UMTS-Standard basiert.
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Wenn drahtlose Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden, die Daten auf einer dauerhaften Basis austauschen, gibt es einen signifikanten permanenten Energieverbrauch, der die Batterielebensdauer reduziert. In Fällen, in denen die Sensoreinheit Energiegewinnungsschaltkreise aufweist, müssen diese derart dimensioniert sein, dass sie eine ausreichende Energie bereitstellen, auch in Intervallen, wenn der Zug stillsteht. Die letztgenannten Intervalle sind jedoch für den Hersteller derartiger Sensoreinheiten schwierig vorherzusagen und/oder zu steuern, und jede Begrenzungen dieser Intervalle würden zusätzliche Arbeitsbelastungen auf die Verwender des Schienenfahrzeugs aufbringen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung strebt danach, die oben genannten Probleme des Stands der Technik zu lösen, indem eine Eisenbahnüberwachungssensoreinheit, ein Eisenbahnachslager und ein Verfahren zum Überwachen eines Eisenbahnlagers mit reduziertem Energieverbrauch und dazu ausgelegt ist, in einer unkomplizierten Art eingebaut zu werden, bereitgestellt wird.
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Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnzustandsüberwachungssensoreinheit, die dazu ausgelegt ist, an einem Eisenbahnlager oder einem Schienenfahrzeug befestigt zu sein, die zumindest einen Schwingungssensor, eine Einheit zum Detektieren einer Bewegung des Schienenfahrzeugs, eine Steuereinheit und eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung zum Kommunizieren eines Befindlichkeitsparameters an einem Überwachungs- und Steuerserver umfasst.
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Die Steuereinheit ist durch Software und Hardware dazu ausgelegt, zumindest die Signale zu verarbeiten, die von dem Schwingungssensor erhalten werden, um einen Befindlichkeitsparameter, der den Befindlichkeitszustand des Lagers anzeigt, bereitzustellen. Weiterhin ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, Messungen basierend auf der zumindest einer vorbestimmten Kondition auszulösen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit weiterhin dazu ausgelegt ist, in einem energiesparenden Ruhezustand und zumindest einem aktivierten Zustand betrieben zu werden, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei Detektion, dass ein vorgegebener Satz von Bedingungen eintritt, von dem Ruhezustand in den aktivierten Zustand umzuschalten, wobei der vorgegebene Satz von Bedingungen die Bedingung umfasst, dass die Vorrichtung zum Detektieren der Bewegung detektiert, dass sich das Schienenfahrzeug bewegt.
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In dem Zusammenhang der Erfindung ist „befestigt an einem Eisenbahnlager” in einem breiten Sinn zu verstehen. Die Vorrichtung muss nicht direkt an dem Lager befestigt sein, aber in ausreichend direktem mechanischen und thermischen Kontakt, um eine zuverlässige Messung des Zustands des Lagers sicherzustellen, um Lagerdefekte, wie bspw. Defekte in einer der Laufflächen des Lagers, in einem der Wälzkörper der Lager oder in dem Lagerkäfig und/oder eine Überhitzung aufgrund ungenügender oder kontaminierter Schmierung, zu detektieren.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Komponenten der Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtung in einem einzelnen und kompakten Gehäuse angeordnet, das robust genug ist, um in der rauen Umgebung der Eisenbahnachsen betrieben zu werden. In dem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, an dem Achslager oder an einer Endplatte der Achse mit einem einzelnen Bolzen befestigt zu sein. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehr Module mit unterschiedlichen Komponenten der Vorrichtung zu verwenden, bspw. um die Anordnung der Kommunikationsvorrichtung in einem Modul zu ermöglichen, das geeignet angeordnet werden kann, um ein Abschirmen der Radiosignale zu verhindern.
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Das Lager kann ein Lager mit Wälzkörpern beliebiger Art sein, inklusive, insbesondere zylindrischer, konischer oder toroidaler Wälzkörper in ein oder zwei Reihen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die drahtlose Kommunikationsvorrichtung ein mobiles Telekommunikationsmodul. In dem Zusammenhang der Erfindung bedeutet „mobiles Telekommunikationsmodul”, dass das Modul mit terrestrischen oder satellitenbasierten Kommunikationsnetzwerkknoten kommuniziert und ein Modul gemäß jedem beliebigen Standard sein kann. Durch die Integration von mobiler Netzwerkkommunikationstechnologie (GPRS/EDGE/HSTA) und GNSS-Positionierungsfunktionalitäten in die Sensorvorrichtung gibt es keinen Bedarf für Drähte oder ein On-Board-System und ein Sensorausfall verhindert nicht die Funktionalität eines anderen Sensors. Dieses ermöglicht, dass das System schneller aufgebaut, getestet, installiert und gewartet wird. Es reduziert auch die Kosten des Systems signifikant, da die On-Board-Komponenten entfernt sind. Darüber hinaus können die Sensoren dazu ausgebildet sein, direkt an einen zentralen Steuerserver, oder an externe Systeme zu berichten, da die Daten mittels Standardprotokolle, wie bspw. dem Internetprotokoll, übertragen werden.
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Die Erfinder schlagen weiterhin vor, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Befindlichkeitsparameter zu klassifizieren, indem der Befindlichkeitsparameter mit zumindest einem Schwellenwert verglichen wird, und der Befindlichkeitsparameter nur dann unmittelbar an den Überwachungs- und Steuerserver kommuniziert wird, wenn der Befindlichkeitsparameter gleich oder größer als der zumindest eine Schwellenwert ist. Der Vorteil ist, dass die energieverbrauchenden Kommunikationsaktivitäten auf Fälle begrenzt werden, in denen relevante Informationen zu übertragen sind, das heißt, bei denen das Lager beschädigt ist oder sich zu verschlechtern beginnt. Im Ergebnis kann der Energieverbrauch weiter reduziert werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, den Befindlichkeitsparameter in zumindest drei Schwereklassen zu klassifizieren, indem der Befindlichkeitsparameter mit zumindest einem unteren und einem oberen Schwellenwert verglichen wird. In diesem Fall kann die Steuereinheit dazu ausgelegt sein, eine Klassifizierung der Rot-Gelb-Grün (RAG) Art durchzuführen, und in den Ruhezustand zu wechseln, wenn der Wert des Befindlichkeitsparameters gleich oder unterhalb des unteren Grenzwerts (grün) ist, fortzufahren, Daten zu sammeln und den Befindlichkeitsparameter festzustellen, wenn der Wert des Befindlichkeitsparameters zwischen dem unteren Schwellenwert und einem oberen Schwellenwert (gelb) ist, und unmittelbar den Befindlichkeitsparameter an den Überwachungs- und Steuerserver zu übermitteln, wenn der Befindlichkeitsparameter gleich oder größer als der obere Schwellenwert ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung zum Detektieren einer Bewegung des Schienenfahrzeugs ein 3-Achsenbeschleunigungsmesser. 3-Achsenbeschleunigungsmesser werden in Mobiltelefonen verwendet, und sind deshalb Massenprodukte, die in einer hohen Qualität und zu einem vernünftigen Preis auf dem Markt erhältlich sind. Die Beschleunigungsmesser können in einem Ruhezustand mit einem extrem niedrigen Energieverbrach betrieben werden.
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Alternativ ist die Vorrichtung zum Detektieren einer Bewegung des Schienenfahrzeugs ein Schwingungssensor, der verwendet wird, um einen Lagerzustand zu detektieren, bspw. einen Piezosensor oder ein faserbasierter Braggsensor, der in direktem und sehr nahem Kontakt zu dem Lagerring angebracht ist.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein GNSS-Modul für eine Detektion einer geografischen Stelle aufweist, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Befindlichkeitsparameter festzustellen, wenn die geografische Stelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist. Durch die Verwendung eines GNSS-Empfängers innerhalb des Sensors kann der Hauptprozessor Positionsinformationen erhalten und den Fahrzeugort und die Fahrzeuggeschwindigkeit feststellen, und wiederum die Geschwindigkeit des sich drehenden Lagers und Rads feststellen. Wenn die Geschwindigkeit konstant ist, kann eine Messung durchgeführt werden. Wenn die Sensorvorrichtung wach ist und ihre globale Position wissen muss, um festzustellen, ob sie Daten aufnehmen soll, kann sie ihren Speicher überprüfen, um zu sehen, ob ein Wegpunkt nahe ist und eine Messung bei Erreichen dessen auslösen. Das GNSS-Modul kann für eine begrenzte Zeit verwendet werden, um Energie zu sparen.
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Wenn keine Wegpunkte in einem Radius sind, kann der Sensor, die Geschwindigkeit von dem GNSS und die Ablesungen von dem 3-Achsenbeschleunigungsmesser verwenden, um auszulösen, wo er festlegt, dass er mit einer konstanten Geschwindigkeit fährt und das Hintergrundschwingungsrauschen innerhalb seiner Grenzen geeignet ist.
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Um die Chance, Daten mit minimalem externen Rauschen aufzunehmen, weiter zu erhöhen, schlagen die Erfinder vor, dass die Sensorvorrichtung mit einem nicht flüchtigen On-Board Speicher, wie bspw. einem FLASH ausgestattet ist, der vorprogrammierte Koordinaten oder „Wegpunkte” entlang eines geraden und glatten Streckenabschnitts speichert.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Eisenbahnachsenlager mit einer Zustandsüberwachungssensorvorrichtung wie oben beschrieben.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Eisenbahnzustandsüberwachungssystem mit zumindest einer Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtung wie oben beschrieben, und einem Überwachungs- und Steuerserver, der dazu ausgelegt ist, Mitteilungen zu empfangen und zu verarbeiten, die den Befindlichkeitszustand des Lagers umfassen, die von der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung empfangen werden, wobei der Überwachungs- und Steuerserver dazu ausgelegt ist, Wartungsinformationen zu erzeugen, die sich auf das Lager, basierend auf dem Befindlichkeitsparameter, beziehen.
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Schlussendlich schlagen die Erfinder ein Verfahren vor zum Überwachen des Zustands eines Eisenbahnlagers und/oder einer Eisenbahnstrecke, eine Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu verwenden, wobei die Steuereinheit in einem energiesparenden Ruhemodus und in zumindest einem aktivierten Modus betrieben wird, wobei die Steuereinheit von dem Ruhemodus in den aktivierten Modus wechselt, bei Detektion, dass ein vorgegebener Satz von Bedingungen eingetreten ist, wobei der vorgegebene Satz von Bedingungen die Bedingung umfasst, dass sich das Schienenfahrzeug bewegt.
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Die Erfindung löst Probleme, indem die Kosten und die Installationszeit der Lagerzustandsüberwachungssysteme eines Fuhrparks signifikant reduziert werden. In den meisten Entwicklungen erfordern Lagerzustandsüberwachungssysteme die Verkabelung mit Energiequellen und Kommunikationen mit einem On-Board-Datensammler und mit externen Sensoren. Die Installation eines solchen Systems bedarf einer signifikanten Zeitspanne.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden keine On-Board-Komponenten benötigt, das heißt keine Komponenten, die in einem Abstand zu dem Achslager befestigt sind, z. B. in einer Lokomotive des Zugs.
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Die o. g. Ausführungsbeispiele der Erfindung genauso wie die angehängten Ansprüche und Figuren zeigen verschiedene charakterisierende Eigenschaften der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Ein Fachmann wird leicht fähig sein, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Eigenschaften auszudenken, um die Erfindung, die in den Ansprüchen definiert ist, an seine spezifischen Bedürfnisse anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine schematische Darstellung eines Zugs, der mit einem modularen Zustandsüberwachungssystem ausgestattet ist;
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2 ist ein Blockdiagramm einer Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtung gemäß der Erfindung; und
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3 ist ein Flussdiagramm eines Zustandsüberwachungsverfahrens gemäß der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 ist eine schematische Darstellung eines Zugs, der mit einem modularen Zustandsüberwachungssystem für Lagereinheiten für Fahrzeuge gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Das System umfasst mehrere Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 – eine für jedes Rad des Zugs – zum Messen von zumindest einem Betriebsparameter der einen Lagereinheit eines Zugachsenlagers. Die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 sind als Sensorknoten ausgebildet, die an der Endplatte einer doppelreihigen Wälzlageranordnung der Radnabe (nicht gezeigt) oder an einem Gehäuse des Achslagers befestigt oder in diese eingebettet sind. Die gemessenen Betriebsparameter umfassen Schwingungen, akustische Emissionen und die Temperatur des Lagers bzw. die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtung 10 umfassen entsprechende Sensoren 12.
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Die Systemarchitektur der einzelnen Sensorvorrichtungen 10 ist in 2 dargestellt. Jede der Sensoreinheiten umfasst eine Steuereinheit 18 zum Betreiben der Peripherievorrichtungen, die in der Sensorvorrichtung 10, die betrachtet wird, eingebettet sind. Diese Peripherievorrichtungen umfassen insbesondere einen Schwingungssensor 12, der in engem mechanischem Kontakt mit einem der Lagerringe befestigt ist, ein mobiles Telekommunikationsmodul 17 zum Empfangen und Übertragen von Datenpaketen in einem terrestrischen mobilen Telekommunikationsnetzwerk als eine mobile Kommunikationsschnittstelle, die z. B. einen GSM-, GPRS-, UMTS- oder HSDPA-Standard verwendet, ein 3-Achsenbeschleunigungsmesser IC 19, wie bspw. den Beschleunigungsmesser, der von Freescale unter Namen MMA8451Q erhältlich ist, und eine externe Echtzeituhr IC 21, wie bspw. die NXP PCF2123. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Echtzeituhr vernachlässigt sein und andere Vorrichtungen zum Feststellen der Systemzeit können verwendet werden. Ein Beispiel wäre die Verwendung eines 32-Bits Zählers, um die Messungen zu terminieren. Jede dieser Vorrichtungen kann die Erzeugung eines Aufwecksignals für die Steuereinheit 18 ermöglichen.
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Das Telekommunikationsnetzwerk umfasst Basisstationen 32, die innerhalb des Bereichs der Eisenbahnstrecke sind. Das Telekommunikationsmodul 17 ermöglicht den Austausch von Daten mit einem entfernt angeordneten stationären Überwachungs- und Steuerserver 40 des Systems. Die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 umfassen weiterhin Batterien oder ein Energiegewinnungssystem, das die Sensoren 12, die Steuereinheit 18, das Telekommunikationsmodul 17 und die restlichen Peripherievorrichtungen, falls vorhanden, mit Strom versorgt.
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Ein Analog-zu-Digitalumwandler kann in den Sensoren 12 integriert sein oder zwischen den Sensoren 12 und der Steuereinheit 18 vorhanden sein.
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Nicht zuletzt umfasst die Steuereinheit 18 einen GPS-Empfänger 23 zum Empfangen von Positionssignalen von einem System von Satelliten 30 (1) als Vorrichtung zum Detektieren einer geografischen Position. Das System ist derart konfiguriert, dass die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 in einem Ruhezustand oder in einem aktiven Zustand betrieben werden können. Im Rahmen des aktiven Zustands können die Messung und die Datenaufnahme in Abhängigkeit von der detektierten geografischen Position aktiviert und/oder deaktiviert werden, wie weiterunten erklärt werden wird.
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Wenn sich das Fahrzeug bewegt und sich deshalb die Lager drehen, muss der Sensor entscheiden, wann er Messungen durchführt. Dieser Prozess ist kritisch, da es verständlich ist, dass Messungen, die auf rauen Abschnitten der Strecke, bei geringen Geschwindigkeiten, bei sehr hohen Geschwindigkeiten, bei runden Ecken oder wenn das Fahrzeug beschleunigt oder abbremst, durchgeführt werden, Rauschen erzeugen und es nicht möglich ist, den Lager- oder Radzustand festzustellen. Multiple Messungen durchzuführen und die mit dem geringsten Rauschen auszuwählen, ist eine Möglichkeit, die jedoch Energie verschwendet, da alle in ungeeigneten Zuständen aufgenommen sein können. Weiterhin diesbezüglich ist, um eine Zustandsüberwachung durchzuführen, eine akkurate Geschwindigkeit der Lager erforderlich. Da die Sensoren extern an dem Achslager angebracht sind, müssen sie die Geschwindigkeit von der globalen Position des Fahrzeugs erhalten.
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Die Steuereinheit 18 ist mit einem Speicher 20 ausgestattet, um Routendaten des Fahrzeugs genauso wie andere Daten inklusive der Sensordaten, die von den Sensoren 12 aufgenommen werden, zu speichern. In dem Ausführungsbeispiel, bei dem das Fahrzeug ein Zug ist, sind die Routendaten eine Karte eines Eisenbahnnetzes. In anderen Ausführungsbeispielen können die Routendaten eine Ansammlung oder eine Datenbank von Wegpunkten oder ein Netzwerk sein, das aus Knoten und Abzweigungen hergestellt ist. Das Eisenbahnnetz ist aus mehreren Abschnitten oder Abzweigungen zusammengesetzt, die in der Datenbank in dem Speicher 20 in Kombination mit Parametern, die die Eigenschaften der Abschnitte, wie bspw. eine Neigung, eine mittlere Krümmung und eine maximal erlaubte Reisegeschwindigkeit beschreiben, abgespeicherte sind. Die Datenbank in dem Speicher 20 umfasst mehrere mögliche Routenabschnitte entlang welcher das Fahrzeug reisen kann.
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Eine Wegpunktfestlegevorrichtung 22 der Steuereinheit 18 ist dazu ausgelegt, Wegpunkte festzulegen, um die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 mit den Sensoren 12 in geeigneten Abschnitten der Strecke zu aktivieren. Eine Deaktivierung der Wegpunkte kann durch die Wegpunktfestlegevorrichtung 22 genauso festgelegt werden.
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Die Wegpunktfestlegevorrichtung 22 kann Teil der Steuereinheit 18 oder des entfernten Servers sein, der die Wegpunkte an die Steuereinheit 18 sendet, indem er die mobile Kommunikationsschnittstelle verwendet.
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Jeder der Wegpunkte ist eine Datenstruktur, die nicht nur die GPS-Koordinaten aufweist, sondern ein weiteres optionales Feld aufweist, das die Reiserichtung des Zugs anzeigt, in der die Überwachung ausgelöst werden soll. Weiterhin kann die Datenstruktur Felder für obere oder untere Geschwindigkeitsgrenzen aufweisen und, in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, für einen Radius, das heißt einen minimalen Abstand zu den GPS-Koordinaten, die erforderlich sind, um den Wegpunktalarm auszulösen. Dementsprechend kann das System derart konfiguriert sein, dass der Alarm nicht jedes Mal, wenn der Zug den Wegpunkt passiert, ausgelöst wird, sondern nur, wenn der Zug in einer der zwei möglichen Richtungen auf einer Strecke vorbeifährt und wenn die Geschwindigkeit in einem gewünschten Bereich ist, der geeignet ist, um Messungen hoher Qualität zu erhalten.
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In dem Ausführungsbeispiel der Figuren ist die Wegpunktfestlegevorrichtung 22 eine Anwendung zum Planen der Datensammlungswegpunkte auf der Zugstrecke. Diese können insbesondere tatsächliche Co-Koordinaten auf einem geraden Stück umfassen, auf dem die Geschwindigkeit bekanntermaßen konstant ist. Die Wegpunktfestlegevorrichtung 22 in dem Ausführungsbeispiel stellt eine KML-(Keyhole Markup Language)Datei oder eine andere Art von Standard-Dateiformat (z. B. GML), das ein Standard für GIS-Daten ist, die von verschiedenen Kartenprovidern bereitgestellt sind, bereit. Diese generische Datei kann von einem Server des Zustandsüberwachungssystems verwendet werden, um die Wegpunkte herunterzuladen und zu verwenden, oder Wegpunkte, die in einer Wegpunktdatenbank in dem Speicher 20 gespeichert sind.
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Die Wegpunkte sind Kandidaten für Start- und Endpunkte von Routenabschnitten, die Teil eines Satzes von vorgegebenen Routenabschnitten sind, in denen die Datenaufnahme durch die Eisenbahnzustandsüberwachungssensorvorrichtungen 10 aktiviert werden sollte.
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Das Auslösen der Sensormessungen durch die Steuereinheit 18 ist in 3 illustriert. Die Messung wird nur gestartet, wenn ein erster Block von Zeit- und bewegungsbasierten Auslösebedingungen und ein zweiter Block von Wegpunktauslösern oder beschleunigungsmessungsbasierten Auslösebedingungen kumulativ eintreten.
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Beim Start wird die Steuereinheit in einem Niederenergieruhemodus betrieben, bei dem nur die Systemzeit, die durch die externe Echtzeituhr IC 21 bereitgestellt ist, überwacht wird. Wenn die Systemzeit feststellt, dass ein vorbestimmtes Zeitintervall vergangen ist, liest die Steuereinheit 18 die Signale des Beschleunigungsmessers 19 aus, um festzustellen, ob oder ob nicht sich der Zug bewegt. Die Bewegung wird festgestellt, indem ein Schwellenwert auf einem Peak-Hold-Umhüllungssignal des Beschleunigungssensors 19 angewandt wird. Also dient der Beschleunigungsmesser 19 als Vorrichtung zum Detektieren einer Bewegung des Schienenfahrzeugs.
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Die Systemzeit, die zum Auslesen des Beschleunigungssensors 19 festgelegt ist, muss nicht in regulären Intervallen sein, sondern kann anderweitig festgelegt sein, bspw. um zu einem täglichen Fahrplan des Zugs zu passen.
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Wenn die Steuereinheit 18 feststellt, dass der Zug fährt, schaltet sie in den aktiven Messmodus, indem sie ein Aufwachsignal an ihre Peripherievorrichtungen sendet und beginnt, die wegpunktbasierten Auslösebedingungen zu berechnen.
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Beim Empfangen des Aktivierungssignals empfängt und interpretiert der GPS-Empfänger 23 Nachrichten für Position, Geschwindigkeit und Richtung, die entsprechend den Standards, die von der Nationalen Marine-Elektronik-Vereinigung (NMEA) gesetzt sind, verschlüsselt sind. Dann wird die speicherinterne Wegpunktdatenbank mit einer Sammlung von Wegpunkten in dem Speicher 20 aktualisiert, indem die Daten, die von der Wegpunktfestlegevorrichtung 22 empfangen werden, verwendet werden. Basierend auf der Position bestimmt das GPS-System eine Wegpunktankunft für jeden der bereitgestellten Wegpunkte und informiert die Steuereinheit 18, wenn der Wegpunkt erreicht wird.
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Falls es irgendwelche Wegpunkte innerhalb des Suchradius gibt, wird die Richtungsvariable, die in Relation mit jedem von ihnen gespeichert ist, überprüft, ob sie zu der Richtung des Fahrzeugs passt. Wenn die Richtung passt, wird in einem nachfolgenden Schritt die Geschwindigkeit überprüft. Wenn die Geschwindigkeit größer als oder gleich zu einem vorgewählten Wert (Min-Geschwindigkeit) ist, wird die Messung ausgelöst.
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In Ausführungsbeispielen, bei denen ein wegpunktspezifischer Radius festgelegt ist, sollte Letzterer kleiner sein als der Suchradius und der Wegpunktalarm sollte nur dann ausgelöst werden, wenn der Abstand zu dem Wegpunkt sowohl innerhalb des Suchradius als auch des wegpunktspezifischen Radius ist. Sobald eine Messung ausgelöst wurde, wird der Wegpunkt in der Wegpunktdatenbank als ausgeführt markiert.
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Falls es keine Wegpunkte innerhalb des Suchradius gibt, wird das Rauschen in dem Signal des Beschleunigungsmessers 19 mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn das Rauschen niedrig genug ist, um hochqualitative Messungen zu erwarten, wird die Geschwindigkeit überprüft. Wenn die Geschwindigkeit größer als oder gleich zu einem vorgegebenen Wert ist, wird die Messung gleichermaßen ausgelöst.
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Ein alternatives Verfahren zum Auslösen der Messungen wird durch ein System erleichtert, bei dem eine genaue Netzwerkzeit für die Messungsanfangszeit spezifiziert ist. Die Systemanwendungssoftware überprüft die Positionsdaten, die kontinuierlich durch das GPS-Modul 23 bereitgestellt werden, und schätzt die Zeit, die es bis zum Erreichen des Wegpunktortes braucht, ab. Zu einem Zeitpunkt vor dem Erreichen des Wegpunkts, legt die Systemanwendungssoftware eine Systemzeit für eine Messung in der Zukunft fest. Wenn diese Zeit erreicht wird, wird das Verfahren der 3 durch das Auslesen des Beschleunigungsmessers, wie oben beschrieben, durchgeführt.
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Die Aktivierung und Deaktivierung kann weiterhin von anderen Parametern wie bspw. der Reisegeschwindigkeit, einer Außentemperatur oder einer vergangenen Zeit seit der letzten Aktivierung abhängig sein. Als eine optionale Eigenschaft können von dem GPS-Modul 23 Geschwindigkeitsänderungen konstant berichtet werden und wenn das Geschwindigkeitsänderungsereignis gehandhabt ist, kann die Datenbank entsprechend aktualisiert werden.
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Wie bereits erwähnt, umfasst die Zustandsüberwachungseinheit zur Verwendung in dem Zustandsüberwachungssystem, wie oben beschrieben, eine Steuereinheit 18, die dazu ausgelegt ist, in einem energiesparenden Ruhemodus und in einem aktiven Modus betrieben zu werden. Die Steuereinheit 18 ist dazu ausgelegt, die Zustandsüberwachungseinheit 10 von dem Ruhezustand in den aktiven Zustand zu versetzen und von dem aktiven Zustand in den Ruhezustand, basierend auf Signalen, die von der Steuereinheit 18 über den Transmitter 16 der Steuereinheit 18 empfangen werden. Genauer gesagt ist die Steuereinheit 18 dazu ausgelegt, die Zustandsüberwachungseinheit 10 bei Empfang eines Aufwecksignals von einer Steuereinheit 18 von dem Ruhemodus in den aktiven Modus zu versetzen, und die Zustandsüberwachungseinheit 10 von dem aktiven Modus in den Ruhezustand zu versetzen bei Empfang eines Ruhesignals von der Steuereinheit 18. Das Ruhesignal wird üblicherweise nach Vervollständigung der Messung erzeugt.
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In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Zustandsüberwachungssystem weiterhin ein INS (Inertial Navigation System) aufweisen.
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Sobald die Daten empfangen werden, kann die Steuereinheit 18 einen internen Algorithmus durchführen, um die Schwere des Lagerbeschädigungsbefindlichkeitsparameters des Lagers als einen Parameter, der den Zustand des Teils, den er überwacht, anzeigt, festzulegen. Wenn die Schwere als gering erachtet wird (Grün), kann die Sensoreinheit 10 zurück in den Ruhezustand gehen, wenn die Schwere mittel (Gelb) ist, kann entschieden werden, die Daten solange zu speichern, bis eine weitere Messung durchgeführt wird, oder den Zustand zu übermitteln. Wenn die Schwere ernsthaft ist (Rot), kann die Sensorvorrichtung 10 unmittelbar die Datenschwereparameter oder den Befindlichkeitsparameter übertragen, sofern eine Mobilfunkverbindung vorhanden ist. Indem diese Art der Datenabgabe verwendet wird, übermittelt die Sensoreinheit 10 Daten selten, was Energie und Datenkosten spart. Das Energiesparen kann das Kostensparen ausgleichen, da der Sensor sehr geringe Wartung erfordert und er kann von einer internen Batterieversorgung über einen Zeitraum von Jahren betrieben werden.
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Bei Empfang der von der Sensorvorrichtung gemessenen Daten über die drahtlose Kommunikationsvorrichtung, verarbeitet der Überwachungs- und Steuersensor 40 die Nachrichten mit dem Befindlichkeitsparameter des Lagers, und erzeugt oder adaptiert basierend auf dem Befindlichkeitsparameter Wartungsinformationen, wie bspw. einen Wartungsplan, der sich auf das Lager bezieht. Falls eine Beschädigung festgestellt ist, kann, je nach Schwere, der nächste Wartungsdienst früher geplant werden oder es kann festgestellt werden, dass das Lager bei dem Wartungsplan ersetzt werden muss. Die Datenpakete, die von dem Steuerserver 40 empfangen werden, umfassen zumindest eine Lageridentifizierung, einen Schwereparameter und eine geografische Information, die anzeigt, wo das Problem detektiert wurde.
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Die Kosten des Systems sind reduziert, indem Eigenschaften des On-Board-Systems in den Sensor eingebracht wurden, was es für zukünftige Verwender attraktiv macht.
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Die Herstellungszeit und Kosten sind reduziert, da das System, das aus Sensoren und kostenintensiven On-Board-Komponenten, wie bspw. Schnittstellen und PCs besteht, auf eine einzelne smarte Sensorvorrichtung 10 zusammengeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005005278 U1 [0012]
- DE 102010027490 A1 [0012]
