Es ist allgemein bekannt, das Fahrverhalten
von Schienenfahrzeugen während
ihres bestimmungsgemässen
Einsatzes zu überwachen,
indem das Fahrverhalten repräsentierende
Betriebsparameter erfasst und ausgewertet werden. Hierbei hat es
sich als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels Beschleunigungsaufnehmern
einwirkende Schwingungen zu erfassen und die von den Beschleunigungsaufnehmern
daraus generierten Signale einer auf dem Schienenfahrzeug integrierten
Diagnose-Einrichtung zuzuführen.
Die
DE 196 11 775 A1 schlägt den Vergleich ortsabhängig ermittelter
Beschleunigungsspektren mit einem als Normal definierten „Rüttelprofil" einer vom Schienenfahrzeug
zu befahrenden Strecke vor. Hierbei werden jedoch nicht einzelne
Komponenten des Fahrzeuges überwacht,
sondern es wird lediglich das summarische Spektrum aller Komponenten
zusammen untersucht. Auch
DE
195 02 670 beschränkt
sich auf die Auswertung eines auf das gesamte Fahrwerk bezogenen
Beschleunigungssignales mit dem Ziel eine eventuelle Entgleisung
des Fahrwerkes zu erkennen.
Aus der
DE 101 45 433 A1 ist ein
Verfahren bekannt, bei dem das Beschleunigungsverhalten wenigstens
zweier, einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges zugeordneter
Schlingerdämpferkonsolen überwacht
wird, indem aus beiden Beschleunigungswerten ein Korrelationskoeffizient
gebildet, mit einem Sollwert verglichen und bei dessen Überschreiten
eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Das Verfahren nutzt die Dynamik
des Fahrwerkes in Bezug auf den Wagenkasten und setzt die hieraus
resultierenden Beschleunigungen an der rechten und linken wagenkastenseitigen
Schlingerdämpferkonsole
in geeigneter Weise in Beziehung zueinander. Aufgrund der unterschiedlichen
Dynamik von Fahrwerk und Radsatzführungsbuchse ist dieses Verfahren
(inklusive der Anbringungsorte der Sensoren) für eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen jedoch
nicht geeignet.
Die
DE 199 53 677 A1 lehrt die Verwendung eines
Verfahrens zur Erkennung einer Entgleisung eines Schienenfahrzeuges,
wobei eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt
in Kontakt stehenden Bauelementes des Schienenfahrzeuges vertikal
zu einer Fahrtrichtung ermittelt wird, die Beschleunigung mittels
Beschleunigungssensor gemessen, zweifach über die Zeit integriert und
schliesslich mit einem oberen und/oder unteren Grenzwert verglichen
wird. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren, bei dem aus einem
gemessenem Beschleunigungssignal und einer im Rahmen der Berechnung
durchzuführenden
Elimierung einer linearen Tendenz eine Wegdifferenz abgeschätzt wird.
Die auf diese Weise erzielbare Abschätzungsgenauigkeit des Wegsignales
ist jedoch in ihrer Diagnosequalität für eine Ankopplung an eine Fahrzeugsteuerung
unzureichend.
Die Führung der Radsätze gegenüber dem
Drehgestellrahmen des Schienenfahrzeuges stellt eine hochbeanspruchte
Systemkomponente dar, die mit diesen bisher bekannten Diagnosesystemen
noch nicht in der erforderlichen Qualität erfasst werden konnte. Bei
den aktuellen Baureihen für
Hochgeschwindigkeitszüge der
ICE-Familie erfolgt die präzise
Radsatzführung
entweder über
zwei am Drehgestellrahmen eingepresste Führungszapfen und hierauf montierte
Radsatzführungsbuchsen
oder über
Radsatzführungbuchsen
im Lager der Anlenkung des Schwingenarmes an den Drehgestellrahmen.
Unabhängig
von der jeweiligen konstruktiven Lösung werden für die Radsatzführungsbuchsen
Elastomerwerkstoffe eingesetzt, deren werkstoffliche Zusammensetzung
und Eigenschaften an den Einsatzzweck angepasst sind. Neben der
Erzielung eines ruhigen Fahrzeuglaufes steht auch das Ermöglichen
einer begrenzten radialen Einstellmöglichkeit der Radsätze während Bogenfahrten
im Vordergrund. Somit unterliegen die Radsatzführungsbuchsen im täglichen
Betriebseinsatz vielfältigen
verschleissausübenden
Einflüssen.
In vertikaler Richtung sind sie den Gewichtskräften des Fahrzeuges und dynamischen
Kräften
aus Fahrbahnunregelmässigkeiten
(z.B. Riffel auf der Schienenoberfläche) ausgesetzt, in horizontaler
Längsrichtung
wirken Brems- und Beschleunigungskräfte, in transversaler Richtung
greifen bei Kurvenfahrten Fliehkräfte an. Diesen Belastungen
kann zusätzlich
noch eine geringfügige Verdrehung
innerhalb der Buchse überlagert
sein.
Im Allgemeinen gestaltet sich bei
Elastomerteilen der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit
bzw. die Angabe einer (Rest-)Lebensdauer sehr schwierig, da hierfür kaum abgesicherte
Rechenverfahren existieren. Ebenso ist eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen
im eingebauten Zustand durch Kontrolle ihrer Abmessungen nahezu
unmöglich,
da sie aufgrund der Einbausituation im Drehgestell kaum zugänglich sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung
von Radsatzführungsvorrichtungen
an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zu entwickeln. Eine robuste und eisenbahnbetriebstaugliche
Konzeption sollen eine hohe Diagnosequalität und verlässliche Alarmraten sicherstellen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung
mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Zustand der Radsatzführungsbuchse
des Schienenfahrzeuges – insbesondere
das Spiel – durch
Auswertung eines im Bereich mindestens eines Radsatzlagers aktuell
gemessenen Beschleunigungssignals überwacht wird, indem aus diesem
Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils
erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignals vorgenommen
wird. Dieses abgeschätzte
Wegsignal w(t) repräsentiert
eine Zustandsgrösse,
die mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes
in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen
Bauteile des Drehgestells eindeutig beschreibt. Bei einem vergrössertem
Spiel der Radsatzführungsbuchse
oder aber auch bei unzulässigen
Steifigkeitsänderungen
ist im Betriebszustand eine gegenüber dem Gut-Zustand signifikante
Lageveränderung bezüglich dieser
Raumkoordinate zu erwarten. Eine Herleitung einer solchen Wegsignalabschätzung aus
den Ausgangssignalen von Beschleunigungssensoren mittels einer Doppelintegration
erscheint zunächst
jedoch unmöglich,
da weder die Anfangsposition noch die Anfangsgeschwindigkeit des
Messpunktes bekannt sind. Die erfindungsgemässe Leistung besteht darin,
ein Verfahren aufzuzeigen, das dennoch eine geeignete Abschätzung und Überwachung
der räumlichen
Lage der Radsatzführungsbuchsen
ermöglicht.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes wird aus den Wegsignalabschätzungen
w(t) mindestens zweier, einem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges
zugehörigen
Radsätzen die
Spannweite des Abstandes dieser Radsätze wS,A zueinander
bestimmt (Variante A). Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Signifikanz
des ermittelten Signales und des damit verbundenen hohen Fehlererkennungsgrades
besonders vorteilhaft. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass
bei der Ermittlung von wS,A das Ergebnis
um den konstruktiv vorgegebenen Abstand wAstatisch zwischen
den beiden Radsatzlagern bereinigt wird.
Eine vorteilhafte Modifikation des
Erfindungsgedankens sieht vor, dass aus der Wegsignalabschätzung w(t)
eines Radsatzes die Spannweite des Abstandes zwischen diesem Radsatz
und einem Fixpunkt auf dem zugehörigen
Drehgestellrahmen wS,B des Schienenfahrzeuges
analysiert wird (Variante B). Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform
kann nicht nur auf die von einer Unregelmässigkeit in der Radsatzführung betroffene
Seite eines Drehgestells geschlossen werden, sondern es wird eine
eindeutige Identifizierung des konkret geschädigten Radsatzführungsbuchsen-Paares
eines Radsatzes ermöglicht.
Auch in diesem Fall ist bei der Ermittlung von wB das
Er gebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand wstatisch zwischen
dem Radsatzlager und dem Fixpunkt am Drehgestellrahmen zu bereinigen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen
des erfindungsgemässen
Verfahrens ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
4 bis 10 genannten Merkmalen.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe ferner
durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 genannten Merkmalen
gelöst.
Dadurch, dass Mittel zur Erfassung des Beschleunigungsverhaltens
wenigstens einer Radsatzführungsbuchse
an mindestens einem Radsatzlagergehäuse des Schienenfahrzeuges
vorhanden sind, mittels denen ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal
erfassbar ist und die Spannweite wS eines
aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach
jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung abgeschätzten Wegsignals w(t) einer Überwachung
unterzogen werden kann, lässt
sich in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur Zustandsdiagnose
und Überwachung
von Radsatzführungsvorrichtungen
an Schienenfahrzeugen bereitstellen.
Insbesondere kann in bevorzugter
Ausgestaltungsweise vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinrichtung
zur Überwachung
des abgeschätzten
Wegsignales integraler Bestandteil einer auf dem Schienenfahrzeug
implementierten übergeordneten
Vorrichtung zur Überwachung
der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist. Dadurch wird ein
weiterer Schritt in Richtung eines leistungsfähigen, fahrzeugintegrierten On-board-Diagnosesystems unternommen.
Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend
in einem Ausführungsbeispiel
anhand der zugehörigen 1 näher erläutert.
1 zeigt
schematisch (Draufsicht) einen Drehgestellrahmen (1) sowie
zwei Radsätze
(2, 3), wobei sich der Drehgestellrahmen über ein
primäres
Federungssystem (hier zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt)
und jeweils zwei Radsatzlagern (4, 5; 6, 7)
auf den beiden Radsätzen
abstützt.
In unmittelbarer Umgebung eines Radsatzlagers befinden sich jeweils
zwei Radsatzführungsbuchsen.
Bei der ersten Lösungsvariante des erfinderischen
Gedankens wird die Spannweite wS,A des Abstandes
wA zwischen den beiden Radsätzen überwacht.
Für die
Abschätzung
von wA werden pro Drehgestellseite zwei
Beschleunigungssignale benötigt,
die von Sensoren stammen, die im Bereich der Radsatzführungsbuchsen
(4, 5; 6, 7) an mindestens zwei
Radsatzlagergehäusen
montiert sind und wenigstens eine parallel zur zu untersuchenden
Raumkoordinate verlaufende Detektionsrichtung aufweisen. Es gilt
also: wA(t) = w4(t) – w6(t) bzw. wA(t) =
w5(t) – w7(t)
Der Einfachheit halber wird im Folgenden
davon ausgegangen, dass die zu untersuchende Raumkoordinate mit
der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges übereinstimmt. Da also eine
feste Zuordnung zwischen Radsatzführungsbuchsen und Beschleunigungssensor
besteht, werden in 1 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
für beide
dieselben Bezugszeichen verwendet.
Bei der modifizierten Lösungsvariante
gemäss
Anspruch 3 wird die Spannweite des Abstandes wB zwischen
einem Radsatz (2) und einem Fixpunkt (8) auf dem
zugehörigen
Drehgestellrahmen (1) überwacht.
Das (nicht dargestellte) Schienenfahrzeug
umfasst eine Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung, die mit den
Beschleunigungssensoren verbunden ist. Die Auswerteinheit des Schienenfahrzeuges
steuert Warnanzeigen für
den Triebfahrzeugführer
und/oder Fehlermeldungen an die Betriebswerke und/oder Aktoren zum
Einwirken auf die Fahrzeugsteuerung an. Der Aufbau und die Wirkungsweise
derartiger Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtungen sind ebenso
wie diejenigen von Beschleunigungssensoren allgemein bekannt und in
diesem Zusammenhang nicht weiter erläutert.
Mittels der Beschleunigungssensoren
werden die Beschleunigung der Radsätze (2; 3)
in Fahrtrichtung erfasst. Aus den hierbei ermittelten Signalen soll
nun auf die räumliche
Lage der Radsätze
in den Radsatzführungsbuchsen
(4, 5; 6, 7) geschlossen werden.
Während
der Fahrt des Schienenfahrzeuges in Fahrtrichtung weisen die Radsätze zu beliebigen
Zeitpunkten jeweils unterschiedliche Abstände wA zueinander
auf. Da die zu untersuchende Raumkoordinate eines Radsatzes in der
Regel obere und untere Grenzwerte aufweist, ist davon auszugehen,
dass die zugehörigen
Weg-Messgrössen innerhalb
eines Intervalles um eine Ruhelage schwingen. Unter zusätzlicher
Berücksichtigung
des linearen Charakters einer integrierten Konstante und der quadratischen
Kurvenform einer integrierten Gerade folgt, dass bei Vorliegen einer
Reihe von Messdaten mit einem von Null abweichenden Mittelwert sowohl
die erste als auch die zweite Integrationskurve gegen unendlich
streben. Dies lässt
sich vermeiden, indem die Signale vor einer Integration vom Mittelwert
befreit werden.
Für
die Abschätzung
der Geschwindigkeits- und Wegsignale aus dem gemessenen Beschleunigungssignal
a gelten im Folgenden:
- (1) das dynamische Wegsignal
weist über
einen hinreichend langen Zeitraum einen Mittelwert nahe Null auf
- (2) der jeweils betrachtete Datenausschnitt enthält eine
hinreichende Anzahl von Perioden der nach der Fourierreihe zerlegten
Wegsignal-Komponenten mit der kleinsten nicht zu vernachlässigenden
Frequenz
Annahme (
1) ist in der Regel
zum einen durch die Konstruktion zwingend erfüllt und trifft häufig bei Maschinenschwingungen
zu, insbesondere wenn sich die Maschinen im stabilen Betriebszustand
befinden. Annahme (
2) gilt, wenn das interessierende Wegsignal
mit hoher Frequenz schwingt bzw. Anteile höherer Frequenz aufweist. Jedes
Wegsignal einer typischen Maschinenschwingung kann praktisch als
Summe von theoretisch unendlich vielen Sinus- und Kosinusfunktionen
dargestellt werden (Fourierreihe):
Da das abzuschätzende Wegsignal w(t) um eine
Ruhelage schwingt und einen Mittelwert von Null aufweist, ist der
Term
vernachlässigbar.
Ferner entstehen durch die Datenfensterung
noch Restfehler, die sich jedoch in der Gesamtbetrachtung über alle
Frequenzen kompensieren und statistisch betrachtet einen Mittelwert
von Null anstreben.
gilt folglich auch, dass
die durch (Doppel-) Differentiation des als Fourierreihe dargestellten
Wegsignales w(t) ermittelten Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungssignale
jeweils einen Mittelwert ungefähr
von Null aufweisen.
Das Geschwindigkeitssignal v(t) ergibt
sich für
ein gewähltes
Zeitfenster wie folgt aus der Beschleunigung:
wobei v = Geschwindigkeit,
v
0 = Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t
0,
a = Beschleunigung,
t = Zeit,
Δt = Dauer
zwischen zwei Abtastungen,
i = Index der Messpunkte
n
= Anzahl der Messpunkte des Datenausschnitts
Da der Mittelwert von v den Wert
Null annehmen muss, gilt:
Dies bedeutet, dass durch die Integration
und die anschliessende Mittelwertbefreiung v0 teilweise
kompensiert werden kann. Damit ist eine Bestimmung des Geschwindigkeitssignales
mit berechenbarer Fehlerschranke möglich.
In analoger Weise wird erfindungsgemäss das Wegsignal
aus dem Geschwindigkeitssignal bestimmt.
Abweichend hierzu ist bei Bestimmung
der Weggrösse
wB (Variante B) zu beachten, dass in diesem Fall,
d.h. der Betrachtung des Relativweges zwischen Radsatzlager und
Drehgestellrahmen, in erster Näherung
auf das als Referenz zu nutzende Beschleunigungssignal ad des Drehgestellrahmens verzichtet werden kann.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Differenzgrösse ar – ad wesentlich von ar abhängt, da
das Amplitudenverhältnis
ar/ad große Werte
annimmt (z.B. 50 und höher).
wobei:
ad = Beschleunigungssignal des Drehgestells
ar = Beschleunigungssignal des Radsatzes
Die Beschleunigungen am Drehgestellrahmen
sind wesentlich geringer und werden zusätzlich durch niederfrequente
Anteile dominiert. Dieses spezifische Schwingungsphänomen kann
nun dahingehend ausgenutzt werden, dass das Signal ar um
die lineare Tendenz und den Offset befreit wird und das resultierende
Signal – eine
hinreichend kurze Zeitdauer vorausgesetzt – als gute Näherung für die Differenzgrösse ar – ad herangezogen werden kann.
Der Ablauf der Signalverarbeitung
stellt sich wie folgt dar: die Sensoren im Bereich der Radsatzlagergehäuse ([4
und 5] bzw. [6 und 7]) liefern die benötigten Beschleunigungssignale
als Eingangsgrösse.
In bevorzugter Weise werden sämtliche
Datenverarbeitungsschritte auf eine Datenfensterlänge von
2 Sekunden angewendet. Bei der Variante A werden jeweils die beiden
Beschleunigungssignale einer Drehgestellseite nach erfolgter Mitttelwertbefreiung
eines jeden Einzelsignals zeitsynchron voneinander subtrahiert und
der Differenzwert dann weiteren Datenverarbeitungsschritten unterworfen:
Nach Filterung, erster Integration, erneuter Mittelwertbefreiung
und zweiter Integration wird anschliessend die gewünschte Spannweite
wS,
A des abgeschätzten Wegsignals
wA bestimmt und zwischengespeichert. Nach
Berechnung und Zwischenspeicherung einer ausreichenden Anzahl von
Spannweite-Werten wird hiervon der Mittelwert gebildet. Dieser wird
dann in der Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung des Schienenfahrzeuges
als Online-Überwachungsgrösse verwendet
und kontinuierlich gegen einen im Rahmen der Parametrierung bestimmten
festen Grenzwert verglichen. Im Rahmen der Versuchsdurchführungen
hat es sich als zielführend
erwiesen, einen gleitenden Mittelwert über die 30 aktuellsten Spannweite-Werte
zu verwenden. Dabei wird der jeweils älteste Spannweiten-Wert durch
den mit jedem Ablauf eines Datenfensters neu ermittelten jüngsten Spannweite-Wert
ersetzt. Dadurch erfolgt eine Glättung
der Überwachungsgrösse über die
Zeit und die Fehlalarmrate kann durch eine signifikantere Grenzwertfestlegung
minimiert werden. Die bei Variante A erzielbare Diagnosetiefe beschränkt sich
auf die Drehgestellseite (in Fahrtrichtung links bzw. rechts), die
Zuordnung eines Schadens zu einem Rad kann hierbei nicht erfolgen.
Im Unterschied hierzu entfällt
bei der Variante B – bedingt
durch die Verarbeitung bzw. Nutzung jeweils nur eines Beschleunigungssignales – die Subtraktion
zweier Beschleunigungssignale. Die Diagnosetiefe erstreckt sich
hierbei auf die Erkennung schadhafter Führungsbuchsen im Bereich eines
Rades.
Bei der Auswertung des Mittelwertes
ist ferner zu beachten, dass die Überwachungsgrösse auch
im fehlerfreien GUT-Zustand Schwankungen aufweist, die auf den Federweg
der Radsatzführungsbuchse
zurückzuführen ist.
Im DEFEKT-Zustand überlagert
sich das fehlerbedingt vergrösserte
Radsatzführungsspiel diesem
systembedingten Grund-Spiel. Es hat sich experimentell erwiesen,
dass erst oberhalb einer Minimalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges
diese Diskrepanz bzw. Überlagerung
in ausreichend signifikanter Weise nachgewiesen werden kann. So
war beispielsweise bei einem Federweg von 0,3 bis 0,5 mm eine Minimalgeschwindigkeit
von 120 km/h erforderlich.
Eine zweckmässige Weiterbildung der erfinderischen
Variante B gemäss
Anspruch 5 sieht vor, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion
z.B. mittels SVM (Support Vector Machine) eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl
zusätzlicher
Merkmale vorgenommen wird. Durch die Nutzung weiterer Merkmale kann
die geringere Signifikanz des überwachten
Merkmales wB – verursacht durch die Verwendung
von Näherungslösungen bei
Differenzbildung und bei Doppelintegration – kompensiert werden. In zahlreichen
Versuchsreihen hat sich jedoch gezeigt, dass das Ergebnis der automatisierten
Merkmalsauswahl in hohem Masse vom betrachteten Fahrgeschwindigkeitsbereich
sowie von der Mittelungsdauer abhängt. Somit hat es sich als
empfehlenswert herausgestellt, in abgestuften Geschwindigkeitsbereichen
mit jeweils spezifischen zusätzlichen Merkmalen
zu arbeiten. Die Fehlererkennbarkeitsrate wird hierbei mit Tendenz
zu längeren
Mittelungsdauern und engeren Geschwindigkeitsbereichen erhöht.
