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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines Weichenantriebs einer Schienenweiche. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Weichenantriebssystem mit einem Messsystem zum Durchführen eines derartigen Verfahrens und mit einem Weichenantrieb zum Verstellen von Weichenzungen einer Schienenweiche.
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Zum Umstellen von Weichen werden manuell oder elektrisch betätigte Weichenantriebe als wichtigste Bahninfrastrukturelemente eingesetzt. Die erforderliche auf eine Stellstange wirkende Stellkraft wird mit Hilfe einer einstellbaren Stellkraftkupplung realisiert. Über die Lebensdauer des Weichenantriebs, welche bis zu 25 Jahre beträgt, kann sich die ab Werk eingestellte Stellkraft verändern. Die Stellkraft kann im Laufe der Lebensdauer des Weichenantriebs abnehmen. Da die Stellkraft sicherheitsrelevant für den Betrieb der Weiche und des Weichenantriebs ist, muss die Stellkraft kontrolliert bzw. durch Messungen überprüft werden.
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Bisher musste die Stellkraft von Weichenantrieben regelmäßig geprüft werden. Hierfür muss eine Wartung eines Weichenantriebs organisiert und durchgeführt werden. Eine Messung der Stellkraft erfolgt vor Ort mit einem Messgerät und einem Kraftmessbolzen. In Abhängigkeit von dem Messergebnis erfolgt ein Nachstellen der Stellkraftkupplung oder ein Austausch des gesamten Weichenantriebs.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Ermitteln einer Stellkraft eines Weichenantriebs vorzuschlagen, bei dem ein direkter Eingriff in einen Betrieb des Weichenantriebs vermieden wird.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Analysieren eines Weichenantriebs einer Schienenweiche bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Sensor zum Messen von Schallwellen vorgesehen. Der Sensor kann an einem Außengehäuse oder in dem Außengehäuse des Weichenantriebs angeordnet sein. Es werden anschließend Messsignale des mindestens einen Sensors während eines Stellbetriebs des Weichenantriebs aufgezeichnet. Die Messsignale können verstärkt werden. Basierend auf den aufgezeichneten Messsignalen des mindestens einen Sensors wird eine Stellkraft einer Stellkraftkupplung des Weichenantriebs ermittelt.
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Als ein Sensor kann beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor verwendet werden, welcher die bei einem Betrieb des Weichenantriebs erzeugten Schallwellen und Schwingungen messen kann. Insbesondere kann ein akustischer Oberflächenwellen-Sensor als der mindestens eine Sensor verwendet werden. Derartige Sensoren können preiswert und robust gegenüber äußeren Einflüssen ausgeführt sein, sodass sie für einen Einsatz im Bereich von Schienenfahrzeugen und Schienennetzen verwendet werden können. Die von den Komponenten des Weichenantriebs erzeugten Schwingungen und Schallwellen können sich über Befestigungselemente und das Außengehäuse ausbreiten und dort gemessen werden.
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Es können insbesondere die Schwingungen eines Weichenantriebsmotors, der mechanischen Stellwegelemente (z.B. Stellschieber, Kugelrollspindel), der Stellkraftkupplung und von Wellen und Lagern gemessen werden. Der mindestens eine Sensor kann basierend auf Messsignalen einer definierten Anzahl an Umstellvorgängen, welche im Weiteren auch als Stellbetriebe bezeichnet sind, kalibriert werden. Eine Kalibrierung kann vorzugsweise abhängig von einer definierten Soll-Stellkraft der Stellkraftkupplung und von verwendeten Komponenten im Weichenantrieb sein.
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Eine unzureichend gewartete Stellkraftkupplung ist schwergängiger als eine optimal funktionierende Stellkraft-kupplung. Folglich muss der Weichenantriebsmotor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um das notwendige Drehmoment für die schwergängige Stellkraftkupplung aufzubringen.
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Die vom Weichenantriebsmotor erzeugten Schwingungen sind, entsprechend einer bekannten Motorlaufkurve des Weichenantriebsmotors, von seiner Drehzahl abhängig. Basierend auf den ermittelten Messsignalen des mindestens einen Sensors kann ein Belastungsgrad des Weichenantriebsmotors und damit auch der Stellkraftkupplung bestimmt werden. Insbesondere können durch die ermittelten Messsignale des mindestens einen Sensors Abweichungen von einem üblichen Stellbetrieb frühzeitig detektiert werden.
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Durch das Verfahren kann eine kontaktlose Überprüfung einer aktuellen Stellkraft der Stellkraftkupplung des Weichenantriebs durchgeführt werden. Eine manuell durchgeführte Überprüfung der Stellkraftkupplung, welche auch einen direkten Eingriff in den Betrieb des Weichenantriebs darstellt, kann somit vermieden werden. Des Weiteren können durch das Verfahren Rückwirkungsabweichungen bei einer Ermittlung der Stellkraft der Stellkraftkupplung minimiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der mindestens eine Sensor an einer Außenseite des Außengehäuses des Weichenantriebs lösbar angeordnet. Durch eine äußere Befestigung des mindestens einen Sensors sind keine Änderungen an dem Außengehäuse und somit an bestehenden Sicherheitsnachweisen des Weichenantriebs erforderlich. Die Stellkraft kann somit ohne notwendige Designänderung des bestehenden Weichenantriebes gemessen werden. Somit können auch bereits in Betrieb genommene Weichenantriebe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren überprüft oder nachgerüstet werden.
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Durch eine technisch einfache Befestigung des mindestens einen Sensors am Außengehäuse des Weichenantriebs ist eine Implementierung für beliebige elektromechanische Weichenantriebsmotoren mit Stellkraftkupplungen möglich. Beispielsweise kann der mindestens eine Sensor über mindestens einen Magnet, einen das Außengehäuse umgreifenden Riemen bzw. Schelle oder über eine Klemmverbindung lösbar an dem Außengehäuse angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Sensor an das Außengehäuse temporär oder dauerhaft geklebt werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden gespeicherte Messsignale mehrerer Umstellvorgänge (Stellbetriebe) des Weichenantriebs zum Ermitteln eines Wartungsbedarfs der Stellkraftkupplung miteinander verglichen. Durch einen Vergleich mehrerer zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführten Messungen durch den mindestens einen Sensor kann eine Tendenz oder eine Abweichung in dem Stellbetrieb detektiert werden. Eine Abweichung in der Schwingungs- bzw. Schallcharakteristik des Stellbetriebs kann ein Indiz für einen technischen Defekt oder einen zukünftigen technischen Defekt sein. Es können somit Ursachen für eventuelle Defekte frühzeitig ermittelt und beseitigt werden, wodurch Kosten für einen Ausfall des Weichenantriebs oder einen Austausch mehrerer Komponenten vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Wartungsbedarf der Stellkraftkupplung bei einem Unterschreiten eines minimalen Sollwerts der ermittelten Stellkraft ermittelt. Es kann basierend auf den durch den mindestens einen Sensor ermittelten Messsignalen und einer entsprechenden Kalibrierung des mindestens einen Sensors eine Stellkraft der Stellkraftkupplung berechnet werden.
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Ein Wartungsbedarf kann signalisiert werden, wenn die berechnete Stellkraft einen definierten Sollwert überschreitet oder unterschreitet. Beispielsweise kann ein Wartungsbedarf signalisiert werden, wenn der Sollwert der Stellkraft um einen Faktor von 1,2 unterschritten wird.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden gespeicherte Messsignale mehrerer Stellbetriebe des Weichenantriebs zum Ermitteln eines Verschleißzustands der Stellkraftkupplung verwendet. Basierend auf mehreren überwachten bzw. überprüften Stellbetrieben des Weichenantriebs kann eine Tendenz bezüglich der Schwingungscharakteristik des Weichenantriebs gemessen werden. Hierdurch kann unabhängig von den Komponenten des Weichenantriebs eine ereignisbezogene optimierte Wartung realisiert werden. Es können somit Wartungskosten reduziert und eine Verfügbarkeit des Weichenantriebs erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden gespeicherte Messsignale mehrerer Umstellvorgänge (Stellbetriebe) des Weichenantriebs zum Erstellen einer Zustandsprognose der Stellkraftkupplung verwendet. Es können basierend auf den Messsignalen Modelle des Weichenantriebs und der Verschleißteile, wie beispielsweise der Stellkraftkupplung, erstellt werden. Hierdurch kann eine prädiktive Zustandsprognose erstellt werden, welche Aussagen über einen Wartungsaufwand oder einen geltenden Zustand gegenüber einem Kunden oder einem Dienstleister ermöglicht. Insbesondere kann hierdurch ein kontinuierliches Stellkraftmonitoring realisiert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird basierend auf der erstellten Zustandsprognose der Stellkraftkupplung ein zukünftiger Wartungszeitpunkt ermittelt. Anhand von zeitlich versetzten Messsignalen kann ein Trend bzw. eine Änderung der Stellkraft detektiert werden. Daraus kann ein Zeitpunkt abgeschätzt werden, wann eine Wartung des Weichenantriebs vorteilhaft oder notwendig sein kann. Es können somit bestehende Servicemodelle durch faktenbasierte Datenanalyse des überwachten Weichenantriebs überprüft oder angepasst werden.
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Insbesondere können die ermittelten Informationen über den überwachten Weichenantrieb mit weiteren Diagnosedaten, wie beispielsweise aus dem Programm Sidis W compact, kombiniert und zum Optimieren bestehender Diagnoseprogramme verwendet werden. Es kann somit eine genauere Risiko, Zustands -und Verfügbarkeitsbewertung der untersuchten Weichenantriebe erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Messsignale des mindestens einen akustischen Sensors kontinuierlich oder zeitlich diskret aufgezeichnet. Hierdurch kann eine Langzeitüberwachung von Weichenantrieben realisiert werden. Basierend auf den durch die Langzeitüberwachung ermittelten Daten bzw. Informationen können präzise Performancedaten von Stellkraftkupplungen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungseinflüssen und betrieblichen Nutzungsintensitäten gewonnen werden. Diese Daten können für eine Weiterentwicklung und für konstruktive Verbesserungen von Weichenantrieben genutzt werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Messsignale des mindestens einen Sensors auf einer externen Servereinheit gespeichert und bereitgestellt. Hierdurch können die ermittelten Messsignale bzw. die daraus berechneten Stellkräfte von unterschiedlichen Stellkraftkupplungen zentral gesammelt und ausgewertet werden.
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Insbesondere kann der mindestens eine Sensor mit einer Auswerteelektronik gekoppelt sein, welche die ermittelten Messsignale direkt auf die externe Servereinheit übertragen kann. Hierdurch kann eine örtlich unabhängige Auswertung der Messsignale des mindestens einen Sensors ermöglicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Weichenantriebssystem mit einem Messsystem zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und mit einem Weichenantrieb zum Verstellen von mindestens zwei Weichenzungen einer Schienenweiche bereitgestellt. Der Weichenantrieb weist einen Weichenantriebsmotor zum direkten oder indirekten Antreiben eines mit mindestens einer Weichenzunge wirkverbundenen Stellschiebers über eine Stellkraftkupplung auf. Des Weiteren weist der Weichenantrieb eine Antriebselektronik zum Ansteuern und Regeln des Weichenantriebmotors auf, dabei sind zumindest der Weichenantriebsmotor und die Stellkraftkupplung in einem Außengehäuse des Weichenantriebs angeordnet. Erfindungsgemäß ist an dem Außengehäuse mindestens ein Sensor zum Messen von Schallwellen anbringbar und von einer Messelektronik auswertbar, wobei anhand von Messsignalen des mindestens einen Sensors eine Stellkraft der Stellkraftkupplung während eines Stellbetriebs des Weichenantriebs messbar ist.
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Das Messsystem kann insbesondere mindestens einen Sensor aufweisen, welcher auf eine beliebige Oberfläche in oder am Weichenantrieb anbringbar ist. Der mindestens eine Sensor ist mit einer Messelektronik verbunden, wobei die Messelektronik die Messsignale des mindestens einen Sensors zumindest vorverstärken und aufzeichnen kann.
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Die Messelektronik kann mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verbunden sein, sodass die aufgezeichneten Messsignale des mindestens einen Sensors an eine externe Servereinheit übertragen werden können. Alternativ kann die Messelektronik die aufgezeichneten Messsignale des mindestens einen Sensors auf einem Speichermedium, wie beispielsweise eine Speicherkarte, Festplatte oder Cloud, ablegen.
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Das Messsystem kann als ein tragbares System zum gezielten Überprüfen definierter Weichenantriebe oder als eine Nachrüstlösung zum dauerhaften Integrieren in einen Weichenantrieb ausgeführt sein. Dabei kann das Messsystem mit der Antriebselektronik des Weichenantriebsmotors gekoppelt sein, sodass Messsignale gezielt nur während Stellbetrieben aufgezeichnet werden.
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Vorzugsweise kann der mindestens eine Sensor an dem Außengehäuse angeordnet werden. Der mindestens eine Sensor kann in einem Sensorgehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt ausgeführt sein, sodass auch eine Montage oder Anordnung des mindestens einen Sensors an einer Außenseite des Außengehäuses des Weichenantriebs möglich ist. Hierdurch muss das Außengehäuse zum Durchführen von Messungen weder geöffnet noch in seinem Stellbetrieb unterbrochen werden.
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Durch das Weichenantriebssystem kann somit ein Messsystem ohne einen direkten Eingriff in einen Stellbetrieb eines Weichenantriebs positioniert und betrieben werden.
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Die Messsignale können vorzugsweise zeitlich veränderliche Amplituden von Schwingungen und Schallwellen sein, welche über Befestigungen und Halterungen von Komponenten in dem Außengehäuse des Weichenantriebs bis zu dem mindestens einem Sensor wandern und dort registriert werden können.
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Nach einem Ausführungsbeispiel des Weichenantriebssystems ist der mindestens eine Sensor ein Oberflächenwellen-Sensor. Der mindestens eine Sensor kann vorzugsweise ein auf dem Piezo-Effekt basierender Sensor sein. Die an dem mindestens einem Sensor ankommenden Schwingungen und Schallwellen können ein piezoelektrisches Substrat des mindestens einen Sensors mechanisch anregen, wodurch der Anregung entsprechende Spannungsimpulse erzeugt und ausgewertet werden können. Insbesondere können die Schwingungen und Schallwellen akustische Oberflächenwellen sein, welche sich an Materialoberflächen ausbreiten können.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die Erläuterung der folgenden stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigen
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Weichenantriebssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Weichenantriebs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Weichenantriebssystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Weichenantriebssystem 1 besteht hier aus einem Weichenantrieb 2 und einem an dem Weichenantrieb 2 angeordneten Messsystem 4.
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Der Weichenantrieb 2 weist ein Außengehäuse 6 auf, welches zum Veranschaulichen der Komponenten geöffnet ist. Der Weichenantrieb 2 weist einen Weichenantriebsmotor 8 auf. Der Weichenantriebsmotor 8 ist ein Elektromotor und treibt einen mit einer Stellstange verbundenen Stellschieber 10 an.
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Der Weichenantriebsmotor 8 treibt den Stellschieber 10 indirekt über ein nicht dargestelltes Getriebe und über eine Stellkraftkupplung 12, welche auf einer Kugelrollspindel montiert ist, an.
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Durch die Stellkraftkupplung 12 kann eine definierte Stellkraft auf den Stellschieber 10 aufgebracht werden. Die Stellkraftkupplung 12 kann insbesondere Schäden an dem Weichenantriebsmotor 8 und dem Getriebe verhindern, wenn der mit der Stellstange verbundene Stellschieber 10 während eines Umstellvorganges blockiert wird.
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Der Weichenantriebsmotor 8 wird von einer Antriebselektronik 14 gesteuert, wenn ein Signal zum Durchführen eines Stellbetriebs, beispielsweise von einem Stellteil eines Stellwerks, eingeht.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Stellschieber 10 über die Stellstange mit einer Weichenzunge 16 wirkverbunden und kann die Weichenzunge 16 quer zu einer Schienenrichtung S der Schiene 18 auslenken (bewegen).
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Das Messsystem 4 besteht aus einem Sensor 20 und einer Messelektronik 22. Der Sensor 20 ist ein SAW(Surface Acoustic Wafes)-Sensor 20 und ist mithilfe eines nicht dargestellten Magneten an einer Außenfläche des Außengehäuses 6 des Weichenantriebs 2 positioniert.
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Der Sensor 20 ist mit der Messelektronik 22 gekoppelt, sodass die vom Sensor 20 ermittelten Messsignale von der Messelektronik 22 aufgezeichnet und verarbeitet werden können.
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In der 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 30 zum Analysieren eines Weichenantriebs 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt.
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In einem ersten Schritt 31 wird der Sensor 20 an oder in dem Außengehäuse 6 des Weichenantriebs 2 angeordnet.
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Anschließend wird der mindestens eine Sensor 20 mit der Messelektronik 22 verbunden 32.
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Die Messsignale des mindestens einen Sensors 20 werden von der Messelektronik 22 empfangen und nach einer Verstärkung und Filterung gespeichert 33.
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In einem weiteren Schritt wird basierend auf den aufgezeichneten Messsignalen eine Stellkraft der Stellkraftkupplung 12 ermittelt bzw. berechnet 34. Dies kann insbesondere durch zuvor eine durchgeführte Kalibrierung des mindestens einen Sensors 20 und der Messelektronik 22 realisiert werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Weichenantriebssystem
- 2
- Weichenantrieb
- 4
- Messsystem
- 6
- Außengehäuse
- 8
- Weichenantriebsmotor
- 10
- mit Stellstange verbundener Stellschieber
- 12
- Stellkraftkupplung
- 14
- Antriebselektronik
- 16
- Weichenzunge
- 18
- Schiene
- 20
- Sensor
- 22
- Messelektronik
- 30
- Verfahren
- 31
- Anordnen des mindestens einen Sensors
- 32
- Verbinden des mindestens einen Sensors mit einer Messelektronik
- 33
- Empfangen und Speichern von Messsignalen
- 34
- Ermitteln einer Stellkraft
- S
- Schienenrichtung
