DE10307950B4 - Device for monitoring a rotating shaft and / or elements attached thereto - Google Patents
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Abstract
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
In
der
Die
Die
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
Die
Auch
die
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
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:
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
Das Überwachungsmodul
Die Überwachungseinrichtung
weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
auch ein Stromversorgungsmodul
Über ein
ebenfalls im Überwachungsmodul
Die
Nach
Entfernung des Gleichspannungsoffsets erfolgt eine Tiefpassfilterung
der Messdaten zur Bandbegrenzung des Eingangssignals sowie eine
Dezimation der Messdaten um den Faktor
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