DE10307950B4

DE10307950B4 - Device for monitoring a rotating shaft and / or elements attached thereto

Info

Publication number: DE10307950B4
Application number: DE10307950A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr. Pridöhl; Bernd Dipl.-Ing. Frankenstein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: EP1597128B1; EP1597128A1; DE50303626D1; ATE327933T1; WO2004076257A1; DE10307950A1

Abstract

The invention relates to a device and a method for monitoring a rotating shaft (1) and/or elements applied thereto, whereby a set of sensors (3) for detecting vibrations and/or structure-borne noise is arranged on the shaft (1) and connected to a signal processing unit (4) which processes measuring signals generated by the set of sensors (3), in order to provide output data for transmitting to a receiving unit (10) in a non-rotating reference system. The inventive device and method are characterised in that the set of sensors (3) is arranged together with the signal processing unit (4) in a hollow chamber (2) of the shaft (1). Said device and associated method provide a monitoring device for rotating shafts or elements arranged thereon, said monitoring device offering good protection against external influences, and thus increased reliability.

Description

Technisches Anwendungsgebiettechnical field of use

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung einer rotierenden Hohlwelle und/oder daran angebrachter Elemente eines Fahrwerks bei der eine Sensorik für die Erfassung von Schwingungen und/oder Körperschall an der Hohlwelle angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die von der Sensorik erhaltene Messsignale verarbeitet, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen.The The present invention relates to a device for monitoring a rotating hollow shaft and / or attached thereto elements a chassis with a sensor for the detection of vibrations and / or structure-borne noise arranged on the hollow shaft and with a signal processing unit connected, which processes received from the sensor signals, to output data for the transmission to a receiving unit in a non-rotating frame of reference provide.

Die Überwachung von Wellen oder mit ihnen fest verbundenen Teilen während des Einsatzes der wellen spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle, um rechtzeitig Störungen, Beschädigungen oder Materialermüdung erkennen zu können. Dies betrifft insbesondere sich anbahnende Schäden, wie z. B. Risse, Ausbröckelungen oder Ähnliches, die mit einer derartigen Überwachung im Frühstadium erkannt werden sollen. Die Überwachung bezieht sich nicht nur auf die Welle selbst sondern vor allem auch auf daran befestigte Anbauten wie mitlaufende Räder, Bremsscheiben und andere Elemente. Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet stellt hierbei die Überwachung der Fahrwerke und Radsätze von Schienenfahrzeugen dar.The supervision of waves or parts fixed to them during the Use of the waves plays a role in many technical areas important role to timely disruptions, damage or material fatigue to be able to recognize. This applies in particular to imminent damage, such. As cracks, crumbling or similar, those with such monitoring in the early stages to be recognized. The supervision refers not only to the wave itself but above all attached attachments such as idler wheels, brake discs and others Elements. An exemplary application here is the monitoring the landing gear and wheelsets of rail vehicles.

Die DE 695 25 629 T2 befasst sich mit der Detektion von Schäden am Rotorsystem bei Fluggeräten, wie beispielsweise Helikoptern. Bei dieser Über wachungseinrichtung ist am Ende einer Vertikalachse des Rotors ein Kupplungsstück befestigt, an dessen Außenseite eine Sensorik zur Schwingungsdetektion angebracht ist.The DE 695 25 629 T2 deals with the detection of damage to the rotor system in aircraft, such as helicopters. In this monitoring device over a coupling piece is attached to the end of a vertical axis of the rotor, on the outside of which a sensor for vibration detection is mounted.

In der DD 116087 wird ein Geber zur Messung von Vibrationsparametern beschrieben, dessen Gehäuse in Form eines abgestumpften Kegels ausgeführt ist. Der Geber soll Beschleunigungskomponenten im Bereich der Befestigungsstellen rotierender Teile zu bestimmen.In the DD 116087 a transmitter for measuring vibration parameters is described, the housing is designed in the form of a truncated cone. The encoder is to determine acceleration components in the area of attachment points of rotating parts.

Die DE 197 51 672 A1 beschreibt eine Anordnung zur Überwachung der Bewegung eines Objektes unter Einsatz eines Gyroskops, welches an der Außenseite anderer Gegenstände befestigt wird.The DE 197 51 672 A1 describes an arrangement for monitoring the movement of an object using a gyroscope, which is attached to the outside of other objects.

Die DE 44 25 702 A1 befasst sich mit der Detektion von Oberflächenschwingungen welche von Körperschall herrühren. Hierbei werden ruhende Teile nach dem Prinzip des Kraftmessdübels untersucht, wobei ein Sensor in eine Bohrung des zu untersuchenden Körpers eingesetzt wird. Die Auswerteeinheit befindet sich außerhalb und ist über ein Anschlusskabel mit dem Sensor verbunden.The DE 44 25 702 A1 deals with the detection of surface vibrations resulting from structure-borne sound. This dormant parts are examined according to the principle of the force-measuring plug, wherein a sensor is inserted into a bore of the body to be examined. The evaluation unit is located outside and is connected to the sensor via a connection cable.

Bei bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Überwachung von Fahrwerken von Schienenfahrzeugen wird eine Körperschall- oder Schwingungssensorik eingesetzt, um aus den während des Betriebes der Schienenfahrzeuge über die Sensorik erhaltenen Messdaten frühzeitig Abweichungen vom normalen Schwingungsverhalten der überwachten Komponenten erkennen zu können.at known methods and devices for monitoring trolleys of Rail vehicles will receive a structure-borne sound or vibration sensor used to get out of during the Operation of rail vehicles over The sensor data obtained early deviations from the normal Vibration behavior of the monitored To recognize components.

So ist beispielsweise aus der DE 198 37 554 A1 eine elektronische Fahrwerk-Überwachungsanlage für Züge bekannt, bei der im Wesentlichen an jedem Drehgestell jedes Waggons und eventuell auch des Triebkopfes ein oder mehrere Schwingungssensoren angeordnet sind, die die im Drehgestell erzeugten Schwingungen aufnehmen und über eine lokal angeordnete Signalverarbeitungsanlage dem Bordcomputer des Triebwagens zuführen. Die Schwingungssensoren sind hierbei am Drehgestell, auf der Radachse oder im Bereich der Abstützmittel zur Federung des Drehgestells angebracht.For example, from the DE 198 37 554 A1 an electronic suspension monitoring system for trains known, in which essentially one or more vibration sensors are arranged on each bogie of each car and possibly also of the power head, record the vibrations generated in the bogie and fed via a locally arranged signal processing system to the on-board computer of the railcar. The vibration sensors are in this case mounted on the bogie, on the wheel axle or in the region of the support means for suspension of the bogie.

Die DE 100 62 602 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen. Bei diesem Verfahren werden Beschleunigungssignale von Fahrzeugkomponenten während der Fahrt mit Sensoren erfasst und in besonderer Weise ausgewertet, um ein für das Fahrverhalten charakteristisches Signal zu erhalten. Die Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in den Radsatzlagern des Schienenfahrzeuges angebracht.The DE 100 62 602 A1 describes another method and apparatus for monitoring the handling of rail vehicles. In this method, acceleration signals of vehicle components while driving with sensors are detected and evaluated in a special way in order to obtain a characteristic of the driving behavior signal. The acceleration sensors are mounted, for example, in the wheelset bearings of the rail vehicle.

DE 199 25 394 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Rädern eines Schienenfahrzeugs mit einem außerhalb des Rades angeordneten Messkopf zur Detektion von Ultraschallwellen, die mit einer außerhalb des Rades angeordenten Ultraschalleinheit eingekoppelt werden. DE 199 25 394 C2 describes a method and an apparatus for monitoring wheels of a rail vehicle with an arranged outside the wheel measuring head for the detection of ultrasonic waves, which are coupled to an outside of the wheel angeordente ultrasound unit.

Auch die DE 198 27 271 A1 beschreibt ein sensorgestütztes Online-Erfassungssystem für rad- und gleisbezogene Daten von Schienenfahrzeugen. Die Auswertung der Daten erfolgt bei dieser Druckschrift mit Hilfe einer zeitlichen und geometrischen Korrelationsanalyse. Als Sensoren werden in erster Linie Abstandssensoren und Drehzahlsensoren eingesetzt, die gegebenenfalls durch Körperschallsensoren ergänzt werden.Also the DE 198 27 271 A1 describes a sensor-based online detection system for rad- and Track-related data of rail vehicles. The evaluation of the data takes place in this publication by means of a temporal and geometric correlation analysis. As sensors, distance sensors and speed sensors are primarily used, which are optionally supplemented by structure-borne sound sensors.

Ein Nachteil der bisher bekannten Lösungen besteht jedoch darin, dass die eingesetzte Sensorik und die erforderliche Verkabelung für die Verarbeitung der Messdaten dem rauhen Fahrbetrieb im Gleisbettbereich, also beispielsweise Steinschlag, Schnee und Eis, ausgesetzt sind, so dass ein erhöhtes Risiko eines Ausfalls des Überwachungssystems aufgrund äußerer Einflüsse besteht.One Disadvantage of the previously known solutions However, it consists in that the sensors used and the required Wiring for the processing of the measured data the rough driving in the track bed area, ie For example, stone chipping, snow and ice are exposed, so that an elevated Risk of failure of the monitoring system due to external influences.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Einrichtung zur Überwachung einer rotierenden Hohlwelle und/oder daran angebrachter Elemente anzugeben, die einen verbesserten Schutz gegenüber äußeren Einflüssen bietet.outgoing from this prior art, the object of the present Invention therein, a device for monitoring a rotating Hollow shaft and / or attached elements indicate that a offers improved protection against external influences.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The The object is achieved with the device according to claim 1. advantageous Embodiments of the device are the subject of the dependent claims or can be understood from the following description and the embodiments remove.

Bei der vorliegenden Einrichtung zur Überwachung einer rotierenden Hohlwelle und/oder daran angebrachter Elemente, bei der eine Sensorik für die Erfassung von Schwingungen und/oder Körperschall an der Hohlwelle angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die von der Sensorik erhaltene Messsignale verarbeitet, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen, ist die Sensorik zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit im Hohlraum der Hohlwelle angeordnet. Bei dieser Sensorik handelt es sich in der bevorzugten Ausgestaltung um eine akustische Sensorik, d.h. um ein oder mehrere Sensoren, die Körperschall der Welle erfassen. Je nach Anwendung können hierbei Sensoren für die Erfassung von Schwingungen im hörbaren Akustikbereich, im Infraschallbereich oder im Ultraschallbereich eingesetzt werden. Die Signalverarbeitungseinheit übernimmt die Verarbeitung der von der Sensorik gelieferten Signale, um zumindest die Datenmenge, die zur Übermittlung an die Empfangseinheit bereitgestellt wird, gegenüber der von den Sensoren gelieferten Datenmenge zu reduzieren. Die Signalverarbeitungseinheit kann hierbei je nach Ausgestaltung auch bereits eine zumindest nahezu vollständige Auswertung der Daten nach vorgebbaren Kriterien vornehmen.at the present device for monitoring a rotating Hollow shaft and / or attached thereto elements in which a sensor for the Detection of vibrations and / or structure-borne noise at the hollow shaft arranged and connected to a signal processing unit, processes the measurement signals received from the sensor to output data for the transmission to a receiving unit in a non-rotating frame of reference to provide the sensors together with the signal processing unit arranged in the cavity of the hollow shaft. In this sensor is in the preferred embodiment, it is an acoustic sensor system, i.e. to detect one or more sensors, the structure-borne sound of the wave. Depending on the application can here sensors for the detection of vibrations in the audible acoustic range, in the infrasound range or used in the ultrasonic range. The signal processing unit takes over the processing of the signals supplied by the sensor, at least the amount of data required for transmission the receiving unit is provided opposite to that supplied by the sensors To reduce the amount of data. The signal processing unit can hereby depending on the design already at least a nearly complete evaluation make the data according to specifiable criteria.

Die vorliegende Überwachungseinrichtung umfasst auch eine Datenübertragungseinrichtung für die Übertragung der Ausgangsdaten an die Empfangseinheit. Die Datenübertragungseinrichtung besteht aus einem mit der Signalverarbeitungseinheit verbundenen Telemetriemodul und einer aus dem Hohlraum der Hohlwelle herausragenden oder außerhalb des Hohlraums an der Hohlwelle angeordneten Antenne. Das Telemetriemodul ist vorzugsweise in das Überwachungsmodul integriert. Die Ausgangsdaten werden mit dieser Datenübertragungseinrichtung auf dem Funkweg an die Empfangseinheit, beispielsweise einem Bordcomputer am Triebkopf eines zu überwachenden Zuges, übermittelt. Der Bordcomputer muss hierfür selbstverständlich eine entsprechende Empfangsantenne mit einem zugehörigen Empfangsmodul aufweisen.The present monitoring device also includes a data transmission device for the transmission the output data to the receiving unit. The data transmission device consists of a connected to the signal processing unit Telemetry module and one protruding from the cavity of the hollow shaft or outside of the cavity arranged on the hollow shaft antenna. The telemetry module is preferably in the monitoring module integrated. The output data are with this data transmission device on the radio path to the receiving unit, for example an on-board computer on Power car of a monitored Train, transmitted. The on-board computer has to do this of course one have corresponding receiving antenna with an associated receiving module.

Bei der vorliegenden Einrichtung sind somit die Sensorik sowie die Signalverarbeitungselektronik integraler Bestandteil der Maschinenbau-Komponente Hohlwelle, im Folgenden vereinfacht als Welle bezeichnet. Sie werden vorzugsweise bereits beim Hersteller der Welle installiert und verbleiben in der Welle bis zum Betrieb und der Außerbetriebnahme beim Anwender. Sie sind während der Montage der Welle in einer Anlage vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Während des Betriebes der Anlage sind die Sensorik sowie die Signalverarbeitungselektronik aufgrund ihrer Anordnung im Hohlraum der Welle vor betriebsbedingten mechanischen und klimatischen Einflüssen sicher. Außerdem bietet diese Anordnung einen Schutz gegen mutwillige Beschädigung oder Vandalismus, der gerade bei sicherheitsrelevanten Überwachungssystemen von besonderer Bedeutung ist. Die Inspektionsintervalle für die Welle und die an ihr montierten Elemente bzw. Komponenten können bei Einsatz der vorliegenden Einrichtung deutlich verlängert werden. Liefert die vorliegende Einrichtung Ausgangsdaten, die auf einen sich anbahnenden Primärschaden hinweisen, so können die Inspektionsintervalle rechtzeitig verkürzt werden.at the present device are thus the sensors and the signal processing electronics integral part of the machine component hollow shaft, in The following simplified referred to as wave. They are preferably already installed at the manufacturer of the shaft and remain in the wave to operation and decommissioning at the user. They are during the assembly of the shaft in a system against mechanical damage protected. While the operation of the system are the sensors and the signal processing electronics due to their arrangement in the cavity of the shaft before operational mechanical and climatic influences safely. Also offers this arrangement provides protection against willful damage or Vandalism, especially with security-related surveillance systems is of particular importance. The inspection intervals for the shaft and the elements or components mounted on it may include Use of the present facility will be significantly extended. Does the present facility provide output data that is based on a starting primary damage point out, so can the inspection intervals are shortened in due time.

In der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung sind zumindest die Sensorik und die Signalverarbeitungseinheit in einem vorzugsweise einstückigen Modul integriert, beispielsweise eingegossen, das im Hohlraum der Welle fixiert ist. Dieses Überwachungsmodul kann bei der Herstellung der Welle beispielsweise in den Hohlraum der Welle eingepresst werden. Selbstverständlich sind auch andere Techniken der Fixierung in der Welle möglich.In the preferred embodiment of the present device, at least the sensor system and the signal processing unit are integrated in a preferably one-piece module, for example encapsulated, which is fixed in the cavity of the shaft. This monitoring module can assist in the production of the shaft For example, be pressed into the cavity of the shaft. Of course, other techniques of fixation in the shaft are possible.

Die Signalverarbeitungseinheit umfasst vorzugsweise einen Signalverarbeitungsprozessor, der für die zumindest teilweise Auswertung der Messsignale nach vorgebbaren Kriterien ausgebildet ist, um die Datenmenge an Ausgangsdaten gegenüber der Datenmenge aus den Messsignalen zu reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass die Datenverarbeitung vorzugsweise in digitaler Form erfolgt, wobei die von den Sensoren erhaltenen Messsignale mit zumindest einem A/D-Wandler vorher in digitale Messdaten umgewandelt werden. Der A/D-Wandler kann Bestandteil der Sensorik oder auch der Signalverarbeitungseinheit sein und ist in der bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls in das Überwachungsmodul integriert.The Signal processing unit preferably comprises a signal processing processor, the for the at least partial evaluation of the measurement signals according to specifiable Criteria is designed to reduce the amount of data to output data compared to the To reduce the amount of data from the measurement signals. It goes without saying that the data processing preferably takes place in digital form, wherein the measurement signals obtained from the sensors with at least An A / D converter previously converted into digital measurement data. Of the A / D converter can be part of the sensor system or the signal processing unit and in the preferred embodiment is also in the monitoring module integrated.

In einer besonderen Ausgestaltung der Datenübertragungseinrichtung wird eine bidirektionale Datenübertragung zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Empfangseinheit ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich die vorliegende Einrichtung auch über die Empfangseinheit steuern. Weiterhin ist es möglich, die Datenübertragungseinheit so auszugestalten, dass sie die drahtlose Energieversorgung der vorliegenden Einrichtung ermöglicht. Dem Fachmann sind entsprechende drahtlose Energieübertragungstechniken bekannt.In a particular embodiment of the data transmission device is a bidirectional data transmission between the signal processing unit and the receiving unit allows. That way The present device can also be controlled via the receiving unit. Furthermore, it is possible the data transmission unit to design the wireless power supply of the facility available. The person skilled in the relevant wireless energy transmission techniques known.

Alternativ zur drahtlosen Energieübertragung kann auch ein separates Energie- oder Stromversorgungsmodul an, vorzugsweise in der Welle, befestigt werden. Dieses Modul kann die Rotation der Welle nutzen, um den erforderlichen Strom zu erzeugen. In diesem Falle ist es als elektrischer Generator aufgebaut.alternative for wireless energy transfer can also have a separate power or power module, preferably in the shaft. This module can be the Use rotation of the shaft to generate the required current. In this case, it is constructed as an electric generator.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Überwachungseinrichtung ist die Signalverarbeitungseinheit mit einem im Hohlraum der Welle angeordneten Triggermodul verbunden, das in Synchronisation mit den Umdrehungen der Welle Triggersignale liefert, um eine drehsynchrone Signalerfassung und Signalverarbeitung zu ermöglichen. Selbstverständlich können auch weitere elektronische Komponenten, die für die Signalerfassung und -verarbeitung von Vorteil sind, im Hohlraum der Welle, vorzugsweise als integraler Bestandteil des Überwachungsmoduls, eingesetzt werden. Beispiele für derartige Komponenten sind Signalverstärker und Filter. Die gesamte im Hohlraum der Welle angeordnete Elektronik ist in der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Überwachungseinrichtung in das Überwachungsmodul integriert, so dass die Montage der Einrichtung in der Welle stark vereinfacht wird.In a further advantageous embodiment of the present monitoring device is the signal processing unit with a in the cavity of the shaft arranged trigger module connected in synchronization with provides the revolutions of the shaft trigger signals to a rotationally synchronous Enable signal acquisition and signal processing. Of course you can too other electronic components used for signal acquisition and processing are beneficial, in the cavity of the shaft, preferably as an integral Part of the monitoring module, be used. examples for Such components are signal amplifiers and filters. The whole Arranged in the cavity of the shaft electronics is in the preferred embodiment the present monitoring device into the monitoring module integrated, so that the assembly of the device in the shaft strong is simplified.

Die Auswertung der von der Sensorik gelieferten Messsignale kann, je nach Anwendung, in unterschiedlicher Art und Weise erfolgen. Vorzugsweise erfolgt zumindest ein großer Teil der Auswertung bereits in der Signalverarbeitungseinheit der Welle, wobei die Messsignale im Zeit- und/oder Frequenzbereich ausgewertet werden. Auch eine Abspeicherung von Vergleichsdaten in der Signalverarbeitungseinheit ist bei Anordnung eines entsprechenden Speichers möglich.The Evaluation of the measurement signals supplied by the sensor can, depending after application, done in different ways. Preferably at least one big one takes place Part of the evaluation already in the signal processing unit of Wave, the measurement signals in the time and / or frequency domain evaluated become. Also a storage of comparison data in the signal processing unit is possible when arranging a corresponding memory.

Beispiele für die Auswertung von mit Schwingungssensoren erhaltenen Messdaten können beispielsweise der in der Beschreibungseinleitung genannten DE 100 62 602 A1 , der DE 198 37 554 A1 oder dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel entnommen werden. Es versteht sich von selbst, dass bei der vorliegenden Einrichtung die unterschiedlichsten Auswertealgorithmen eingesetzt werden können, da diese unabhängig von der vorliegenden Lösung durch entsprechende Ausgestaltung des Signalprozessors bzw. des darin geladenen Software-Programmes realisierbar sind.Examples of the evaluation of measured data obtained with vibration sensors can be, for example, those mentioned in the introduction to the description DE 100 62 602 A1 , of the DE 198 37 554 A1 or the following embodiment. It goes without saying that in the present device, the most diverse evaluation algorithms can be used, since they can be implemented independently of the present solution by appropriate design of the signal processor or the software program loaded therein.

Mit der vorliegenden Überwachungseinrichtung lassen sich im beispielhaften Einsatz an Schienenfahrzeugen Schäden an Rädern, wie beispielsweise Risse, Flachstellen, Ausbröckelungen Polygon- und Riffelbildung oder dgl., sowie an den Radlagern, wie beispielsweise Außenring- oder Innenringschäden, aber auch Käfig- oder Kugelschäden, ebenso während des Laufes erkennen wie Risse in der Welle. Durch derartige Schäden werden Schallwellen oder Schwingungen generiert, was bei geeigneter Auswertung der Messsignale erkannt werden kann.With the present monitoring device can be in exemplary use on rail vehicles damage to wheels, such as For example, cracks, flat spots, chipping polygonal and riffling or the like, as well as on the wheel bearings, such as outer ring or inner ring damage, but also cage or ball damage, as well during of the barrel like cracks in the shaft. By such damages Sound waves or vibrations generated, which with suitable evaluation the measuring signals can be detected.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.Short description of Drawings.

Die vorliegende Einrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The The present device will now be described with reference to an embodiment briefly explained in connection with the drawings. in this connection demonstrate:

1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung an einer Hohlwelle eines Schienenfahrzeuges; und 1 an example of an embodiment of the present device on a hollow shaft of a rail vehicle; and

2 ein Beispiel für die digitale Signalverarbeitung in einer Einrichtung wie die der 1. 2 an example of digital signal processing in a facility like the 1 ,

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird der Einsatz der vorliegenden Überwachungseinrichtung am Beispiel der Überwachung des Radsatzes eines Schienenfahrzeuges nochmals kurz erläutert. Hierbei erfolgt die Installation der akustischen Sensorik innerhalb der Hohlwelle des Radsatzes. In unmittelbarer Nähe zur Sensorik werden die ebenfalls in der Hohlwelle mitrotierende Elektronik, bestehend aus Primärelektronik, Signalverarbeitungsprozessor, Triggermodul, Sende-/Empfangstelemetrie und Stromversorgung, installiert. Eine mitrotierende Sende-/Empfangsantenne wird so nach außen geführt, dass die Sendesignale den Empfänger im nichtrotierenden System, im vorliegenden Beispiel im Triebwagen, erreichen.in the following embodiment the use of the present monitoring device is exemplified the surveillance the wheelset of a rail vehicle briefly explained again. in this connection the installation of the acoustic sensors takes place within the Hollow shaft of the wheelset. In the immediate vicinity of the sensors are the likewise in the hollow shaft co-rotating electronics, consisting of Primary electronics, signal processing processor, Trigger module, transmit / receive telemetry and power supply installed. A co-rotating transmitting / receiving antenna is guided to the outside, that the transmission signals the receiver in the non-rotating system, in this example in the railcar, to reach.

Die beispielhaft dargestellte Einrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel das einstückige Überwachungsmodul 5, das sämtliche Komponenten der vorliegenden Überwachungseinrichtung – mit Ausnahme der Antenne, die aus der Hohlwelle herausragen muss – enthält. In der 1 ist ein äußerer Abschnitt der rotierenden Hohlwelle 1 mit dem darin vorliegenden Hohlraum 2 zu erkennen, an der ein Laufrad 11 des Schienenfahrzeuges befestigt ist. Die Hohlwelle 1 ist über das Lager 12 mit dem nichtrotierenden Drehgestell des Schienenfahrzeuges verbunden. Lager 12 und Bohrung bzw. Hohlraum 2 der Hohlwelle 1 werden durch einen nicht mitrotierenden Deckel 13 verschlossen. Auf der Innenseite des Deckels 13 ist ein radialer Reflexionsstreifen 14 befestigt.The exemplified device comprises in the present example, the one-piece monitoring module 5 which contains all the components of the present monitoring equipment, with the exception of the antenna, which must protrude from the hollow shaft. In the 1 is an outer portion of the rotating hollow shaft 1 with the cavity therein 2 to recognize, at the an impeller 11 of the rail vehicle is attached. The hollow shaft 1 is about the camp 12 connected to the non-rotating bogie of the rail vehicle. camp 12 and bore or cavity 2 the hollow shaft 1 be through a non-co-rotating lid 13 locked. On the inside of the lid 13 is a radial reflection strip 14 attached.

Das Überwachungsmodul 5 wird bei der Herstellung der Hohlwelle 1 in den Hohlraum 2 der Hohlwelle 1 gepresst, so dass es dort fixiert ist. Das Überwachungsmodul 5 rotiert daher während des Betriebes mit der Hohlwelle 1. In dem Überwachungsmodul 5 sind im vorliegenden Beispiel ein oder mehrere akustische Sensoren 15 integriert, die die Sensorik 3 bilden und an der Innenfläche des Hohlraums 2 der Hohlwelle 1 anliegen. Die Sensoren 15 sind – in der Figur nicht erkennbar – mit der Signalverarbeitungseinheit 4 verbunden, die einen digitalen Signalprozessor enthält. Die von den Sensoren 15 kontinuierlich oder gepulst erhaltenen Messsignale werden nach einer Verstärkung und gegebenenfalls Filterung mit einem nicht dargestellten A/D-Wandler in digitale Messdaten umgewandelt, die von der Signalverarbeitungseinheit 4 mit dem darin enthaltenen Auswerteprogramm verarbeitet werden. Die von der Signalverarbeitungseinheit 4 hierbei erzeugten Ausgangssignale bzw. Ausgangsdaten, die in der Datenmenge reduzierte Messdaten oder bereits geeignete Kenngrößen für das Schwingungsverhalten und/oder den Körperschall der Hohlwelle umfassen können, werden telemetrisch aus der rotierenden Hohlwelle 1 an einen Empfänger 10 im Triebwagen oder Waggon übertragen. Hierfür ist die Signalverarbeitungseinheit 4 mit einem Telemetriemodul 6 verbunden, das die Ausgangsdaten über eine Sende-/Empfangsantenne 7 sendet. Die Antenne 7 ist im vorliegenden Beispiel am Überwachungsmodul 5 befestigt und ragt in Achsrichtung der Hohlwelle 1 aus dieser durch eine Öffnung des Deckels 13 heraus, wie dies in der 1 schematisch angedeutet ist. Über das Telemetriemodul 6 mit der mitrotierenden Antenne 7 werden von der Signalverarbeitungseinheit 4 Signale gesendet und gegebenenfalls auch Steuersignale empfangen. Die Signalverarbeitungseinheit 4 kommuniziert so mit einem im nichtrotierenden System Waggon oder Triebwagen installierten Rechner 16 als Empfangseinheit 10, der einerseits Steuerbefehle an das Überwachungsmodul 5 senden und von letzterer vorverdichtete bzw. vorverarbeitete Daten empfangen kann. Der Rechner 16 ist hierfür mit einer entsprechenden Sende-/Empfangsantenne 17 verbunden. Auf diese Weise kann der Rechner auch Steuersignale für den Verstärker und den oder die Filter vom nichtrotierenden Bezugssystem an die rotierende Elektronik in der Hohlwelle 1 übertragen.The monitoring module 5 is used in the manufacture of the hollow shaft 1 in the cavity 2 the hollow shaft 1 pressed so that it is fixed there. The monitoring module 5 therefore rotates during operation with the hollow shaft 1 , In the monitoring module 5 are in the present example one or more acoustic sensors 15 integrated the sensors 3 form and on the inner surface of the cavity 2 the hollow shaft 1 issue. The sensors 15 are - not visible in the figure - with the signal processing unit 4 connected, which contains a digital signal processor. The ones from the sensors 15 continuously or pulsed received measurement signals are converted after amplification and optionally filtering with an unillustrated A / D converter into digital measurement data received from the signal processing unit 4 be processed with the evaluation program contained therein. The from the signal processing unit 4 In this case generated output signals or output data, which may include reduced data or already suitable parameters for the vibration behavior and / or the structure-borne sound of the hollow shaft in the amount of data are telemetrically from the rotating hollow shaft 1 to a receiver 10 transferred in railcar or wagon. This is the signal processing unit 4 with a telemetry module 6 connected to the output data via a transmit / receive antenna 7 sends. The antenna 7 is in the present example on the monitoring module 5 attached and protrudes in the axial direction of the hollow shaft 1 from this through an opening in the lid 13 out, like this in the 1 is indicated schematically. About the telemetry module 6 with the co-rotating antenna 7 be from the signal processing unit 4 Sent signals and possibly also receive control signals. The signal processing unit 4 communicates with a computer installed in the non-rotating system of the wagon or railcar 16 as a receiving unit 10 , on the one hand, commands to the monitoring module 5 can send and received from the latter pre-compressed or preprocessed data. The computer 16 is this with a corresponding transmit / receive antenna 17 connected. In this way, the computer can also control signals for the amplifier and the filter or filters from the non-rotating reference frame to the rotating electronics in the hollow shaft 1 transfer.

Die Überwachungseinrichtung weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch ein Stromversorgungsmodul 8 auf, das ebenfalls in dem einstückigen Überwachungsmodul 5 integriert ist. Dieses Stromversorgungsmodul 8 kann in Form eines elektrischen Generators ausgestaltet sein, um die Stromversorgung der in der Hohlwelle 1 integrierten elektronischen Komponenten zu gewährleisten.The monitoring device also has a power supply module in the present embodiment 8th also in the one-piece monitoring module 5 is integrated. This power supply module 8th may be configured in the form of an electric generator to the power supply in the hollow shaft 1 to ensure integrated electronic components.

Über ein ebenfalls im Überwachungsmodul 5 integriertes Triggermodul 9, das als optische Reflexionslichtschranke in Verbindung mit dem radialen Reflexionsstreifen 14 im Deckel 13 ausgeführt ist und bei jeder Radumdrehung einen Impuls an die Signalverarbeitungseinheit 4 leitet, lässt sich eine drehsynchrone Signalerfassung und -verarbeitung realisieren. Ein Beispiel für die Signalverarbeitung ist in der 2 schematisch dargestellt.About also in the monitoring module 5 integrated trigger module 9 , which acts as an optical reflection light barrier in conjunction with the radial reflection strip 14 in the lid 13 is executed and with each Radumdrehung a pulse to the signal processing unit 4 leads, can realize a synchronous signal acquisition and processing. An example of the signal processing is in the 2 shown schematically.

Die 2 zeigt hierbei einzelne Verarbeitungsschritte der von der Sensorik 3 während des Betriebes kontinuierlich gelieferten Messsignale. Die konditionierten Messsignale werden mit dem A/D-Wandler digitalisiert, wobei in der Regel eine Überabtastung der analogen Signale erfolgt. Die Datenerfassung durch den Triggerimpuls des Triggermoduls 9 wird so gesteuert, dass jeweils ein Messdatenfeld für eine Radumdrehung vorliegt. Zur Beschränkung der Datenfeldlänge bei sehr niedrigen Drehzahlen erfolgt eine Grenzwertüberwachung. Eine Datenerfassung erfolgt dabei nur ab einer definierten Drehzahl, d.h. oberhalb einer minimalen Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges.The 2 shows individual processing steps of the sensor technology 3 continuously supplied measuring signals during operation. The conditioned measurement signals are digitized with the A / D converter, whereby an oversampling of the analog signals usually takes place. The data acquisition by the trigger pulse of the trigger module 9 is controlled in such a way that in each case one measurement data field is provided for one wheel revolution lies. To limit the data field length at very low speeds is a limit value monitoring. A data acquisition takes place only from a defined speed, ie above a minimum travel speed of the rail vehicle.

Nach Entfernung des Gleichspannungsoffsets erfolgt eine Tiefpassfilterung der Messdaten zur Bandbegrenzung des Eingangssignals sowie eine Dezimation der Messdaten um den Faktor 2. Digitale Hoch- und Tiefpassfilter schneiden aus dem durch die Messdaten repräsentierten Messsignal n charakteristische Frequenzbänder aus, deren Bewertung eine Rissdetektion ermöglicht. Der eingesetzte Bewertungsalgorithmus basiert auf der Bildung der Einhüllenden des Signals. Dies erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Betragsbildung und nachfolgende Tiefpassfilterung. Diese Tiefpassfilterung dient gleichzeitig als Bandbegrenzung zur Einhaltung des Abtasttheorems für die nachfolgende Dezimation des Signals. Durch die Überabtastung mit anschließender Filterung und Dezimation wird ein deutlich besseres Signal/Rausch-Verhältnis erreicht. Die Dezimation erfolgt mit einem variablen Dezimationsfaktor, so dass eine erfindungsgemäße Reduktion der Datensätze auf m × 360 Abtastwerte pro Radumdrehung erfolgt. Die Zahl m wird in Abhängigkeit vom Überwachungsobjekt festgelegt. Im Ergebnis entsteht eine Bewertungsmatrix aus n Zeilen, die jeweils Datenfelder mit einer Länge von m × 360 Abtastwerten enthalten. Der Inhalt dieser Datenfelder charakterisiert die Energie der akustischen Signale an jedem der vorzugsweise äquidistant über den Innenumfang der Hohlwelle verteilten Messpunkte. Fehlerinduzierte kleine Signalanteile werden durch die drehsynchrone Mittelung verstärkt, während der Anteil relativ großer stochastischer Signalanteile durch diese Mittelungsart stark verringert wird. Die Bemittelte Bewertungsmatrix wird über das Telemetriemodul 6 an den Rechner 16 übermittelt, der die Daten weiter auswertet, um bei Erkennen einer gefährlichen Situation, beispielsweise eines sich anbahnenden Schadens, ein Warnsignal auszulösen.After removal of the DC offset, a low-pass filtering of the measured data for limiting the band of the input signal as well as a decimation of the measured data takes place by the factor 2 , Digital high and low pass filters cut from the measured signal n represented by the measurement data characteristic frequency bands whose evaluation allows a crack detection. The evaluation algorithm used is based on the formation of the envelope of the signal. This takes place in the present embodiment by amount formation and subsequent low-pass filtering. This low-pass filtering also serves as a band limit for compliance with the sampling theorem for the subsequent decimation of the signal. Oversampling with subsequent filtering and decimation achieves a significantly better signal-to-noise ratio. The decimation takes place with a variable decimation factor, so that a reduction of the data records according to the invention to m × 360 samples per wheel revolution takes place. The number m is determined depending on the monitored object. The result is an evaluation matrix of n lines, each containing data fields with a length of m × 360 samples. The content of these data fields characterizes the energy of the acoustic signals at each of the measuring points distributed preferably equidistantly over the inner circumference of the hollow shaft. Error-induced small signal components are amplified by the rotationally synchronous averaging, while the proportion of relatively large stochastic signal components is greatly reduced by this averaging method. The averaged evaluation matrix is transmitted via the telemetry module 6 to the computer 16 which further evaluates the data in order to trigger a warning signal when detecting a dangerous situation, such as an impending damage.

BEZUGSZEICHENLISTE

LIST OF REFERENCE NUMBERS

Claims

Device for monitoring a rotating hollow shaft and / or elements of a running gear mounted thereon, in which a sensor system ( 3 ) for the detection of vibrations and / or structure-borne noise on the hollow shaft ( 1 ) and with a signal processing unit ( 4 ) connected by the sensor system ( 3 ) he processed measurement signals to output data for transmission to a receiving unit ( 10 ) in a non-rotating reference system, characterized in that the sensors ( 3 ) together with the signal processing unit ( 4 ) in the cavity ( 2 ) of the hollow shaft ( 1 ) and the signal processing unit ( 4 ) with a on the hollow shaft ( 1 ) arranged data transmission device ( 6 . 7 ), one in the cavity ( 2 ) arranged telemetry module ( 6 ) with one from the cavity ( 2 ) protruding or outside the cavity ( 2 ) arranged antenna ( 7 ) for non-contact data transmission and via which the output data to the receiving unit ( 10 ) can be transmitted.

Device according to claim 1, characterized in that at least the sensor system ( 3 ) and the signal processing unit ( 4 ) in a monitoring module ( 5 ) integrated in the cavity ( 2 ) is fixed.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the signal processing unit ( 4 ) comprises a signal processing processor, which is designed for the at least partial evaluation of the measurement signals according to specifiable criteria in order to reduce the amount of data to output data compared to the amount of data from the measurement signals.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the data transmission device ( 6 . 7 ) is designed so that it allows bidirectional data transmission.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the data transmission device ( 6 . 7 ) is also designed for the power supply.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a power supply unit ( 8th ) on or in the hollow shaft ( 1 ) is arranged.

Device according to claim 6, characterized in that the power supply unit ( 8th ) is an electrical generator, the rotation of the hollow shaft ( 1 ) is used for power generation.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the signal processing unit ( 4 ) with a trigger module ( 9 ) connected in synchronization with revolutions of the hollow shaft ( 1 ) Provides trigger signals to enable rotationally synchronous signal acquisition and processing.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sensors ( 3 ) one or more vibration and / or structure-borne sound sensors ( 15 ) in direct mechanical contact with the hollow shaft ( 1 ) stand.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sensors ( 3 ) and the signal processing unit ( 4 ) together with the power supply unit ( 8th ) and / or the trigger module ( 9 ) and / or at least one part ( 6 ) of the data transmission device ( 6 . 7 ) in a monitoring module ( 5 ) integrated in the cavity ( 2 ) is fixed.