DE10320342B3

DE10320342B3 - Verfahren zum Überwachen gegebenenfalls auch Vermessen der Unrundheit eines im Betrieb befindlichen, längs eines Schienenstranges abrollenden Rades, das am Drehgestell eines schienengebundenen Fahrzeuges angebracht ist

Info

Publication number: DE10320342B3
Application number: DE2003120342
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Frankenstein; Klaus-Jochen Dipl.-Ing. Fröhlich; Dieter Dr.-Ing. Hentschel; Peter Prof. Dr. rer.nat. Liewers; Manuel Dipl.-Ing. Trepte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: DE10320342B8

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Überwachen eines im Betrieb befindlichen, sich längs eines Schienenstrangs abrollenden Rades eines schienengebundenen Fahrzeuges, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors Beschleunigungssignale gewonnen werden, die vertikal zum Schienenstrang an einem Drehgestell des schienengebundenen Fahrzeuges auftretende Beschleunigungskomponenten umfassen. Zusätzlich wird wenigstens ein Drehwinkelgeber benötigt, der pro Radumdrehung an einer festen Winkelposition einen Impuls liefert. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch Drehwinkel-orientierte Mittelfunktionsbildung die mit dem Drehwinkel korrelierten Signalanteile aus den Beschleunigungssignalen extrahiert und diese zur Beurteilung der Unrundheit der Räder hinsichtlich der Notwendigkeit einer Instandhaltung herangezogen werden. Durch Ereignis-orientierte Mittelfunktionsbildung wird zudem aus den Beschleunigungssignalen die Reaktion des Drehgestells auf stoßförmige Anregungen von den Schienen ermittelt und zur Beurteilung der Funktion des Feder-Dämpfer-Systems des Drehgestells hinsichtlich der Notwendigkeit einer Instandhaltung verwendet. Durch einfache korrelierte Überwachung von Pegelüberschreitungen in den Beschleunigungssignalen, ihren Hüllkurven und in den durch Transformation aus ihnen berechneten Wegsignalen erfolgt eine Früherkennung von Havariesituationen am Drehgestell.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen gegebenenfalls auch Vermessen der Unrundheit eines im Betrieb befindlichen, längs eines Schienenstranges abrollenden Rades, das am Drehgestell eines schienengebundenen Fahrzeuges angebracht ist, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors Beschleunigungssignale gewonnen werden, die vertikal zum Schienenstrang auf das Drehgestellt des schienengebundenen Fahrzeuges einwirkende Beschleunigungskomponente betreffen.
Auf der Grundlage der gewonnenen Beschleunigungssignale werden sowohl Aussagen über die Unrundheit der Räder als auch über die Funktion des Feder-Dämpfer-Systems des Drehgestells im Sinne einer zustandsbedingten Instandhaltung getroffen. Darüber hinaus wird durch Überwachung geeigneter Kennwerte der Beschleunigunqssignale eine Früherkennung von sich anbahnenden Havariesituationen, wie zum Beispiel starke Beschädigung eines Rades, Entgleisen eines Radsatzes oder Achsbruch, realisiert.
Durch die vorgefallenen katastrophalen Unfälle im Schienenfahrzeugbereich besteht der Wunsch nach wirtschaftlich arbeitenden Diagnosesystemen zur Überwachung von sicherheitsrelevanten Schienenfahrzeugkomponenten hinsichtlich sowohl der Früherkennung einer aktuellen Gefahrensituation als auch einer zustandsbedingten Instandhaltung. Vielfältige Überlegungen werden daher angestellt, in welcher Form Schienenfahrzeuge on-line, das heißt während der Fahrt, in dieser Hinsicht überwacht werden können. Zur Zeit ist kein Gerät bekannt, das diese Überwachungsaufgabe zufriedenstellend durchführen kann.

In einem Beitrag von Dr. H.-W. Kessler im Tagungsband zur 4. Schienenfahrzeugtagung vom 18.–20. Oktober 2000, Dresden Rad Schiene 2000, Tetzlaff Verlag, S. 13–15 , wird in allgemeiner Form über Körperschallmessungen während Testfahrten mit einem europäischen Hochgeschwindigkeitszug berichtet. Als Ergebnis wird festgestellt, dass eindeutige Aussagen zum Zustand des Systems Rad-Schiene über Körperschall möglich sind, dass stochastische Stöße, wie sie beim Überfahren von Weichen und Schienenstößen auftreten, ebenfalls eindeutig identifiziert werden können und dass mechanische Schädigungen, wie sie bei Lagerdefekten oder Unwuchten auftreten, eindeutig diagnostizierbar sind. Über ein mögliches Diagnosesystem werden keinerlei Angaben gemacht.

In einem Beitrag von Dr. Säglitz et. al., erschienen im gleichen Tagungsband, wie vorstehend zitiert, auf den Seiten 121 – 122, wird vorgeschlagen, eine Online-Diagnose des Systems Rad-Schiene mittels Körperschall zu realisieren, wobei das Schwingungsverhalten des Drehgestells eines Schienenfahrzeuges mittels geeignet platzierter Beschleunigungssensoren erfasst und entsprechend ausgewertet wird. Durch die Auswertung der mit Hilfe der Beschleunigungssensoren erfassbaren Schwingungen des Drehgestells sollen bestimmte instandhaltungsrelevante Ereignisse zu einem frühestmöglichen Zeitpunkt erkannt und eine zustandsbedingte Instandhaltung ermöglicht werden. Daneben wird auch eine globale Überwachungsfunktion angestrebt. Das System ist speziell den Bedingungen des ICE angepasst und soll in die vorhandene Zugleittechnik eingebunden werden. Der vorgesehene Aufwand von 6-8 Sensoren/Drehgestell ist relativ hoch. Das grundsätzliche Verfahren besteht in einem Soll/Ist-Vergleich in Form einer Mustererkennung in Auto- und Kohärenzfunktionen der Sensorsignale. Die damit verbundenen Kosten sind für normale Schienenfahrzeuge kaum zu rechtfertigen.

Darüber hinaus gibt es mehrere Patentanmeldungen, die unmittelbar nach dem Eschede-Unfall erfolgten und daher kaum auf Vorversuchen basieren können. In teilweise überschneidenden Ansprüchen wird die Aufgabe einer Drehgestell-Überwachung mit unterschiedlichsten Methoden beschrieben. Einige (z. B. DE 198 25 580 A1 , DE 198 36 081 A1 ) entsprechen im wesentlichen der oben geschilderten Arbeit von Dr. Säglitz et al., andere sind sehr allgemein und umfassend gehalten ( DE 198 27 271 A1 , DE 198 37 476 A1 , DE 198 37 554 A1 , DE 198 37 485 A 1) oder verwenden eine völlig andere Technik, wie DE 198 37 486 A1 und DE 198 26 437 A1 Praktisch allen Arbeiten ist gemeinsam, dass sie entweder die mechanischen Schwingungen des Drehgestells über geeignete Schwingungs- oder Beschleunigungsaufnehmer oder die Fahrgeräusche über Mikrofone für die Diagnose ausnutzen wollen. Auch die Unterscheidung zwischen den beiden grundsätzlichen Quellen für die Schwingungsanregung, das heißt zwischen den internen vom Drehgestell – in erster Linie von den Ungänzen bzw. Unrundheiten der Räder – und den externen von den Ungänzen der Gleise, ist in fast allen Literaturstellen zu finden. Dies ist auch nicht verwunderlich, da das Drehgestell als schwingungsfähiges System diese Vorgehensweise nahe legt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einem möglichst geringen messtechnischen Aufwand den aktuellen Zustand eines Rades eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Radunrundheiten sowie das Feder-Dämpfer- Verhalten des Drehgetsells im Sinne einer zustandsbedingten Instandhaltung zu erfassen sowie das aktuelle Schwingungsverhalten des Drehgestells für eine Früherkennung einer möglicherweise bevorstehenden Havariesituation zu überwachen. Das Verfahren soll eine möglichst einfache Nachrüstung an vorhandenen Drehgestellen ermöglichen. Hierzu soll ein Verfahren zur Überwachung eines längs eines Schienenstranges abrollenden Rades eines schienengebundenen Fahrzeuges angegeben werden, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors Beschleunigungssignale gewonnen werden, die die vertikal zum Schienenstrang am Drehgestell auftretenden Beschleunigungskomponenten betreffen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 20 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Tatsache zugrunde, dass das Schwingungsverhalten eines Drehgestells eines Schienenfahrzeuges während der Fahrt als ein aussagekräftiges Indiz für die Einschätzung des aktuellen Systemzustandes einerseits und der Betriebssicherheit des Schienenfahrzeuges andererseits genutzt werden kann.

Das Drehgestell besitzt typischerweise zwei Radachsen mit jeweils zwei Rädern, die über das primäre Feder-Dämpfer-System den Drehgestellrahmen tragen. Das sekundäre Feder-Dämpfer-System sorgt für eine möglichst schwingungsarme Lagerung eines auf dem Drehgestellrahmen aufsitzenden Wagenkastens des Schienenfahrzeuges.

Grundsätzlich lassen sich die auf das Drehgestell einwirkenden schwingungsauslösenden Ereignisse in zwei Kategorien unterteilen, nämlich jene, die systemimanent sind, das heißt von den Drehgestellkomponenten selbst herrühren, und jene andere, die von außen auf das Drehgestell einwirken.

Die zuerst genannte Kategorie von schwingungsauslösenden Ereignissen geht in erster Linie auf Radunrundheiten und Fehlstellen auf der Lauffläche des Rades zurück, und kann mittels geeigneter Signalanalyse zur Gewinnung von Information über die Radunrundheiten und Fehlstellen am Rad genutzt werden. Die zweite Kategorie der genannten schwingungsauslösenden Ereignisse ist auf Unebenheiten längs des Schienenstranges zurückzuführen , die unter anderem zu den Schienen senkrechte Stöße auf das Drehgestell ausüben, die eine Schwingung des Drehgestells auslösen, die zur Beurteilung des Feder-Dämpfer-Systems des Drehgestells ausgenutzt werden kann.

Um den Aufwand an Sensoren und Signalanalyse möglichst klein zu halten und dennoch zuverlässige Aussagen zu den Radunrundheiten und/oder dem Feder-Dämpfer-System zu erhalten, wird eine Trennung zwischen den beiden Signalanteilen durchgeführt, die auf die beiden oben genannten Kategorien von auslösenden Ereignissen zurückzuführen sind.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschleunigungssignale in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Räder erfasst und über viele aufeinanderfolgende Radumdrehungen gemittelt werden (Drehwinkel-orientierte Mittelfunktionsbildung). Hierbei werden die mit dem Drehwinkel der Radumdrehung korrelierten Signalanteile aus den Beschleunigungssignalen extrahiert und zur Überwachung der Unrundheit der Räder herangezogen.

Um derartige, mit dem Drehwinkel des jeweiligen Rades korrelierte Signalanteile erfassen zu können, werden zum Beispiel mit einem Beschleunigungsaufnehmer am Radlager die Drehwinkel-abhängigen Beschleunigungssignale während einer Radumdrehung erfasst, wobei die Signalerfassung von einem Impuls eines Drehwinkelgebers gesteuert wird, der bei jeder Radumdrehung am gleichen Winkel einen Impuls abgibt. Die Signalerfassung erfolgt unter Zugrundelegung einer bestimmten Anzahl von Tastwerten pro Radumdrehung. Die Anzahl der Tastwerte, mit der die Beschleunigungssignale während einer Radumdrehung erfasst werden, wird unabhängig von der momentanen Drehfrequenz und somit der Geschwindigkeit des schienengebundenen Fahrzeuges gewählt. Dies sind zum Beispiel 360 Tastwerte, die einzeln über die Vielzahl von Radumdrehungen gemittelt werden. Zur Bildung der sogenannten Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion werden die Drehwinkelabhängigen Beschleunigungssignale über eine vorgebbare Vielzahl von Radumdrehungen entsprechend summiert und gemittelt. Die Form sowie Amplitude der sich aus den gemittelten Einzeltastwerten ergebenden Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion charakterisieren die Art und den Grad der Unrundheit des jeweiligen Rades, so dass bereits auf Basis der Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion des Beschleunigungssignals Aussagen über die Laufqualität der einzelnen Räder angestellt werden können.

Da die Amplitude der Beschleunigungssignale, die von den Radunrundheiten erzeugt werden, von der Drehfrequenz der Räder abhängt, sollte die Drehwinkel-orientierte Mittelfunktion nur während möglichst gleichmäßiger Fahrt (beispielsweise ±5% Geschwindigkeitsänderung) erfolgen. Zur Verbesserung der Aussagequalität über die Geometrie des jeweils vermessenen Rades kann eine zweifache Integration der Mittelfunktion angewendet werden, wodurch eine winkelaufgelöste Information über die absoluten Durchmesserschwankungen des jeweiligen Rades erhalten wird. Grundsätzlich wäre natürlich die zweifache Integration des Beschleunigungssignals vor der Mittelfunktionsbildung die beste Lösung. Sie ist aber aufwendig und für eine Überwachungsaufgabe nicht unbedingt notwendig.

Bereits auf der Grundlage der selektierten, mit dem Drehwinkel der Räder korrelierten Schwingungsinformationen ist es möglich, eine Einschätzung der aktuellen Unrundheit der jeweiligen Räder im Sinne der zustandsbedingten Instandhaltung zu geben. Darüber hinaus wird vorzugsweise, bei Extremen Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzgrenze ein Signal beispielsweise in Form eines Alarmsignales zur Früherkennung einer bevorstehenden Havariesituation für das schienengebundene Fahrzeug abgegeben.

Die Signalerfassung erfolgt in einer bevorzugten Verfahrensvariante für jedes Rad gesondert, das heißt für jedes Rad ist wenigstens ein Beschleunigungssensor vorgesehen, der die vertikal zum Schienenstrang auf das jeweilige Rad einwirkende Beschleunigungskomponente erfasst. Da an einer Achse des Drehgestells zwei Räder montiert sind, ist es für die Bestimmung der Drehfrequenz der über eine gemeinsame Achse verbundenen Räder ausreichend, einen einzigen Drehwinkelgeber pro Achse vorzusehen.

In konsequenter Weiterführung der Signalauswertung ist es im Wege der Dekorrelation möglich, die mit dem Drehwinkel der einzelnen Räder unkorrelierten Schwingungsanteile hervorzuheben. Dies erfolgt dadurch, indem eine parallel zur Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion berechnete normale, gleitende Mittelfunktion von dem mit dem Beschleunigungssensor gewonnenen Gesamtbeschleunigungssignal subtrahiert wird. Dadurch werden die korrelierten Signalanteile im verbleibenden subtrahierten Signal weitgehend unterdrückt, wobei der Grad der Unterdrückung von den Schwankungen der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist. Allerdings sind nach den bisher vorliegenden Erfahrungen die für die Auswertung des unkorrelierten Anteils genutzten impulsförmigen Ereignisse, auf die weiter unten näher eingegangen wird, so dominant im Gesamtbeschleunigungssignal, dass wahrscheinlich auf die Dekorrelation verzichtet werden kann.

Wie bereits erläutert, gestatten die korrelierten Signalanteile, die Unrundheit der einzelnen Radreifen zu charakterisieren, demgegenüber verhelfen die unkorrelierten Signalanteile zu Informationen über das Schwingungsverhalten des gesamten Drehgestells des Schienenfahrzeugs und damit über die Funktion des Feder-Dämpfer-Systems.

Zur genaueren Beurteilung der unkorrelierten Signalanteile wird eine sog. Ereignisorientierte Mittelfunktion gebildet, wobei charakteristische Signalereignisse, die auf senkrecht zur Gleisoberfläche gerichtete Stoßanregungen zurückzuführen sind, und die sich durch impulsförmige Ereignisse im unkorrelierten Signal abbilden, synchron gemittelt werden. In erster Linie erfolgt die Auswahl der einzelnen Ereignisse nach Vorzeichen, Amplitude und Form des Signals, die für die Mittelfunktionsbildung notwendige Synchronisation nach dem Zeitpunkt des Maximum bzw. Minimum des Signals. Eine Verschärfung der Auswahl wird durch Verwendung mehrerer Beschleunigungsaufnehmer möglich, indem Korrelationen zwischen den Signalen ausgenutzt werden können, wie das korrelierte Auftreten des Ereignisses in allen Signalen mit physikalisch vernünftigen Zeitabständen und Vorzeichen.

Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert wird, ist es möglich, aus der Form, das heißt im wesentlichen der Dämpfung und der aufgeprägten Frequenz, der Ereignis-orientierten Mittelfunktion Aussagen über das Feder-Dämpfer-System des Drehgestells anzustellen. Legt man für den Normalzustand des jeweiligen im Betrieb befindlichen Drehgestells eine repräsentative reignis-orientierte Mittelfunktion zugrunde, die aus Testfahrten mit „frischen", das heißt gerade aus der Instandhaltung kommenden Drehgestellen ermittelt wurde, so kann unter Zugrundelegung von Vertrauensgrenzen, die aus Messreihen an Drehgestellversuchsständen mit gezielten Änderungen des Feder-Dämpfer-Systems ermittelt wurden, aus der auf den aktuellen Messdaten basierenden Ereignis-orientierten Mittelfunktion mit Hilfe der Mustererkennung eine Einschätzung über den aktuellen Zustand des Feder-Dämpfer-Systems und der Notwendigkeit der Instandhaltung getroffen werden. Ein plötzliches, drastisches Überschreiten der vorgegebenen Vertrauensgrenzen signalisiert eine mögliche bevorstehende Havariesituation, die durch Fahrtverminderung oder vollständiges Abbremsen des Schienenfahrzeuges vermieden werden könnte.

Die vorstehend beschriebene Verfahrensvariante setzt pro Radreifen wenigstens einen Beschleunigungssensor voraus, der die senkrecht zum Schienenstrang auf das jeweilige Rad einwirkenden Beschleunigungen erfasst. Um den sensoriellen Aufwand zu reduzieren, sieht eine alternative Verfahrensvariante einen Beschleunigungsaufnehmer pro Achse, an der zwei Räder montiert sind, vor, wobei der Beschleunigungsaufnehmer vorzugsweise am Drehgestell oberhalb eines der beiden zu überwachenden Räder angebracht wird.

Der zur Einschätzung der Unrundheit der an einer Achse montierten Räder vorgesehene Beschleunigungsaufnehmer erfasst vorzugsweise die über die beiden Räder auf das Drehgestell übertragenen vertikalen Beschleunigungskomponenten, wobei nicht mehr zwischen den beiden Rädern unterschieden werden kann. Da die Aufgabe in einer Einschätzung bzw. Überwachung und nicht in einer exakten Vermessung besteht, ist dies auch nicht unbedingt notwendig. Die Einschätzung des Zustandes betrifft dann im wesentlichen das Rad mit der schlechteren Unrundheit.

Nur der guten Ordnung halber sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich auch möglich ist, nur einen einzigen Beschleunigungsaufnehmer geeignet am Drehgestell anzuordnen, durch den die sich überlagernden Beschleunigungen von allen vier Rädern erfassbar sind. Es müssten dann mit Hilfe der Drehwinkelgeber an den beiden Achsen zwei Drehwinkel-orientierte Mittelfunktionen gebildet werden. Jedoch reduziert sich in diesem Fall die Genauigkeit der Einschätzung der Unrundheiten der Räder. Hinzu kommt, dass durch die fehlende Korrelationsmöglichkeit auch die Bedingungen für die Einschätzung des Zustandes des Feder-Dämpfer-Systems erheblich verschlechtert würden.

Eine Variante der Einschätzung der Unrundheiten der Räder, die eine Vereinfachung hinsichtlich der Auswertungsalgorithmen mit sich bringt und auch nur einen Drehimpulsgeber bzw. ein Tachosignal benötigt, deren Aussagequalität aber geringer ist, ist die Bestimmung der Leistung des korrelierten Signalanteils des Beschleunigungssignals am Drehgestellrahmen bei der Drehfrequenz. Bei dominierendem korrelierten Anteil wäre dies näherungsweise die Autospektraldichte bei der Drehfrequenz. Da die Drehfrequenz aber nicht konstant ist und auch die unkorrelierten Signalanteile nicht vernachlässigt werden können, muss die Korrelation zwischen dem Signal des Drehimpulsgebers bzw. eines harmonischen Tachosignals genutzt werden. Eine Variante stellt die direkte Ermittlung des Fourierkoeffizienten des Beschleunigungssignals bei der Drehfrequenz dar. Durch Multiplikation des Beschleunigungssignales mit zwei, aus dem Drehimpulsgeber- bzw. Tachosignal erzeugten harmonischen Signalen mit 90° Phasenverschiebung untereinander [beispielsweise sin(w_Dt) und cos(w_Dt) , wobei w_D = 2Πf_D , mit f_D als momentane Drehfrequenz], Integration der sich ergebenden Signale über einen längeren Zeitraum mit nicht zu starken Geschwindigkeitsschwankungen, Quadrieren der beiden Integrationsergebnisse, Addition der Quadrate wird ein Parameter erhalten, der die Leistung im Beschleunigungssignal charakterisiert, die auf die Radunrundheiten zurückzuführen ist. Die Einschätzung bezüglich Radunrundheiten aller vier Räder, ob sie noch tolerierbar sind oder eine Instandhaltung notwendig ist, muss anhand von empirisch ermittelten Toleranzwerten erfolgen. Die Aussage kann natürlich nur alle vier Räder betreffen, eine Überschreitung kann durch unzulässige Unrundheiten eines oder mehrerer Räder verursacht werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen
1 Darstellung von Drehwinkel-orientierten Mittelfunktionen eines Beschleunigungsaufnehmers an einem Radachslager in vier Fahrtabschnitten mit annähernd gleicher, konstanter Fahrgeschwindigkeit,
2 Darstellung der zweifach integrierten Mittelfunktionen von 1,
3 Darstellung der Signale eines Beschleunigungsaufnehmers am Drehgestellrahmen bei impulsförmiger Anregung an einer Radachse und bei verschiedenen Zuständen des Drehgestells,
4 Darstellung der Autospektraldichte des Signals eines Beschleunigungsaufnehmers am Drehgestellrahmen bei einer Testfahrt mit annähernd konstanter Fahrgeschwindigkeit von 120 km/h (entspricht einer Drehfrequenz der Räder von 11,2 Hz,)
5 Darstellung der Autospektraldichte des Signals des gleichen Beschleunigungsaufnehmers wie in 4 bei annähernd konstanter Fahrgeschwindigkeit von 90 km/h (entspricht einer Drehfrequenz der Räder von 9,3 Hz),
6 Darstellung von Kohärenz und Phase zwischen den Signalen von Beschleunigungsaufnehmern an den Achslagern des linken Vorderrades und des linken Hinterrades eines Drehgestells entsprechend den Bedingungen gemäß 4 sowie
7 Darstellung von Kohärenz und Phase zwischen den Signalen von Beschleunigungssensoren an den Achslagern des linken Vorderrades und des linken Hinterrades eines Drehgestells entsprechend den Bedingungen gemäß 5.
Zur Einschätzung der Radunrundheit eines Rades eines Schienenfahrzeuges dient zur Signalaufnahme ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor, der am Drehgestell in unmittelbarer Nähe des zu untersuchenden Rades angebracht ist und die vertikal zum Schienenstrang auf den Radreifen auftretenden Beschleunigungskomponenten erfasst. Zusätzlich zum Beschleunigungssensor ist ein Drehwinkelgeber vorgesehen, der bei jeder Radumdrehung am gleichen Drehwinkel einen Impuls erzeugt, so dass eine Drehwinkel-abhängige Erfassung der Beschleunigungssignale möglich wird. Die Beschleunigungssignale werden nach, einer analogen Tiefpassfilterung von beispielsweise kHz mit bspw. 100kHz getastet, das heißt in ein digitales Signal gewandelt. Die zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen des Drehwinkelgebers auftretenden Tastwerte werden auf beispielsweise 720 äquidistante Tastwerte und damit auf Drehwinkel-äquidistante Abstände von 0,5° reduziert.
Durch Mittelung dieser Einzeltastwerte über eine Vielzahl von Radumdrehungen wird die Drehwinkel-orientierte Mittelfunktion erhalten, bei der bei hinreichend großer Zahl von Schätzungen die Signalanteile von den unkorrelierten Quellen weitgehend unterdrückt sind. Derartige Drehwinkel-orientierte Mittelfunktionen des Signals eines Beschleunigungssignals am Radlager sind für vier Fahrabschnitte mit annähernd gleicher, konstanter Fahrgeschwindigkeit in 1 dargestellt.
Das dargestellte Diagramm weist eine Abszisse auf, längs der die Drehwinkel eines Rades entsprechend einer vollen Umdrehung von 0–360° angetragen ist. Längs der Ordinate sind normierte Beschleunigungsamplituden aufgetragen. Die vier in 1 dargestellten Drehwinkel-orientierten Mittelfunktionen sind bei einer Testfahrt auf einem normalen Schienennetz zu unterschiedlichen Zeitabschnitten mit annähernd konstanter, etwa gleicher Fahrgeschwindigkeit gewonnen worden.
Auf der Grundlage der in 1 dargestellten Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion werden durch zweifache Integration die absoluten Raddurchmesserschwankungen erhalten, die in der Diagrammdarstellung gemäß 2 dargestellt sind. Längs der Ordinate im Diagramm gemäß 2 sind die jeweiligen Wegamplituden beispielsweise in Mikrometer aufgetragen. Auch in diesem Fall entsprechen sich die vier unterschiedlichen Funktionen der Darstellung der Raddurchmesserschwankungen. Beispielsweise zeigt sich aus dem Funktionsverlauf in 2, dass im Bereich von 180° eine steilflankige Wegänderung auftritt, die mit einer lokalen Ausplatzung am Radumfang verbunden werden könnte. Das gleiche trifft für den Bereich um 270° zu.
In 3 sind Messergebnisse dargestellt, die an einem Drehgestell-Versuchsstand gewonnen worden sind, bei dem an einer Radachse sprungförmige Störungen in senkrechter Richtung zur Schienenoberfläche eingebracht worden sind. Die Messwertaufnahme erfolgt mit Hilfe eines Beschleunigungsaufnehmers, der am Drehgestellrahmen montiert worden ist, und die auf das Drehgestell übertragenen Schwingungen erfasst. Die zeitlich gedämpften Schwingungen weisen in Abhängigkeit der jeweiligen Versuchsbedingungen unterschiedliche Schwingungsfrequenzen und unterschiedliches Dämpfungsverhalten auf.
Längs der Ordinate des Diagramms in 3 sind Beschleunigungsamplituden aufgetragen, die Abszisse entspricht der Zeitachse mit Millisekunden-Skalierung. Die vier Schwingungsdarstellungen in 3 entsprechen von oben nach unten folgenden Drehgestellzuständen: Normalzustand des primären und Blockade des sekundären Feder-Dämpfer-Systems, Ausbau der Stoßdämpfer des primären und Blockade des sekundären Feder-Dämpfer-Systems, Ausbau der Stoßdämpfer des primären und Normalzustand des sekundären Feder-Dämpfer-Systems, Normalzustand des primären und sekundären Feder-Dämpfer-Systems.
Die auf diese Weise erhaltenen experimentellen Schwingungskurven stellen erste Referenzdaten dar, die für einen Vergleich mit den Online ermittelten Messdaten bzw. Berechnungsergebnissen zur Beurteilung des Betriebszustandes eines Drehgestells während der Fahr geeignet sind. So lassen sich für die Mustererkennung aus den in 3 dargestellten Schwingungsverläufen Toleranz- bzw. Vertrauensgrenzen berechnen, innerhalb derer die ermittelten Ereignisorientierten Mittelfunktionen liegen sollen, um einen normalen Zustand des Drehgestells zu repräsentieren. Treten signifikante Abweichungen zwischen den ermittelten Ereignis-orientierten Mittelfunktionen und den Referenzschwingungszuständen auf, so sind dies Anzeichen für die Notwendigkeit einer Instandhaltung.
Im Unterschied zu den in 1 und 2 dargestellten Funktionsverläufen, in denen die Sensorsignale des jeweiligen Beschleunigungssensors im Zeitbereich ausgewertet werden, um eine Trennung zwischen korrelierten und unkorrelierten Signalanteilen zu erhalten, eignet sich auch die Signalauswertung im Frequenzbereich.
In diesem Zusammenhang sei auf die 4 und 5 verwiesen, in denen die während eines Fahrabschnittes mit annähernd konstanter Fahrtgeschwindigkeit aus dem Signal eines Beschleunigungsaufnehmers am Drehgestellrahmen berechnete Autospektraldichte dargestellt ist.
Die Abszissen der Diagramme stellen Frequenzachsen, die Ordinaten die Werte der Autospektraldichten dar.
Die Messsituation hierzu stellt sich zunächst folgendermaßen dar. Über einer Achse am Drehgestell ist ein Beschleunigungssensor montiert, der die vertikal zur Schienenoberfläche auf die an der Achse montierten Radreifefl-einwirkenden Beschleunigungsmomente erfasst. Zusätzlich liegt ein Tachosignal vor, das die Drehzahl und damit verbunden die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges repräsentiert. Betrachtet man in diesem Zusammenhang die 4, so ist die Autospektraldichte des Beschleunigungssignals dargestellt, wobei die Räder mit einer annähernd konstanten Drehfrequenz von 11,2 Hz rotieren, was einer Fahrgeschwindigkeit von 120 km/h entspricht. Der in 5 dargestellten Autospektraldichte bzw. Kreuzspektraldichte liegt der gleiche Messaufbau zugrunde, jedoch bewegt sich das Schienenfahrzeug in diesem Fall mit einer Fahrgeschwindigkeit von 90 km/h, was einer Drehfrequenz von 9,3 Hz entspricht. Es zeigt sich, dass bei der jeweiligen Drehfrequenz eine deutliche Resonanzüberhöhung in den Autospektraldichten auftritt. Die Fläche unter der Resonanz, das heißt oberhalb des allgemeinen Pegels in der Autospektraldichte in der Umgebung der Resonanz, kann als ein Maß für die Radunrundheit genutzt werden.
Wie dominierend sich die Radunrundheiten im Bereich der Drehfrequenz abbilden, zeigt sich auch in den 6 und 7, die jeweils die Kohärenzfunktion (jeweils oberer Graphikteil) und die Phasenfunktion (jeweils unterer Graphikteil) zeigen, die jeweils aus zwei Signalen ermittelt worden sind, die ihrerseits wiederum von jeweils einem Beschleunigungsaufnehmer, der am linken vorderen Radlager befestigt ist, und einem, der am linken hinteren Radlager eines Drehgestells angebracht ist, gewonnen worden sind.
Die Kohärenzfunktion zeigt bei der jeweiligen Drehfrequenz, mit der die Räder rotieren, einen deutlichen Einbruch (siehe 6 bei 11,2 Hz und 7 bei 9,3 Hz) der jeweils darauf hindeutet, dass in diesem Frequenzbereich Prozesse dominieren, die auf unterschiedliche, unkorrelierte Quellen, das heißt im Falle von Rädern zweier unterschiedlicher Achsen auf die spezifischen Radunrundheiten zurückzuführen sind.
Betrachtet man demgegenüber die in den 5 und 6 jeweils unteren Funktionsverläufe, die die Phase zwischen beiden Beschleunigungssignalen darstellen, so ist festzustellen, dass die lineare Frequenzabhängigkeit der Phase in den Bereichen außerhalb der Drehfrequenz auf eine typische Zeitverschiebung zwischen den beiden Signalen hindeutet, das heißt auf die Gleisunebenheiten als Anregungsquelle, die von den beiden Rädern jeweils nacheinander überfahren werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen gegebenenfalls auch Vermessen der Unrundheit eines im Betrieb befindlichen, längs eines Schienenstranges abrollenden Rades, das am Drehgestell eines schienengebundenen Fahrzeuges angebracht ist, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors Beschleunigungssignale gewonnen werden, die vertikal zum Schienenstrang auf das Drehgestellt des schienengebundenen Fahrzeuges einwirkende Beschleunigungskomponente betreffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssignale in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rades erfasst werden, dass unter Zugrundelegung der Drehwinkel-abhängigen Beschleunigungssignale mit dem Drehwinkel korrelierte Signalanteile aus den Beschleunigungssignalen extrahiert werden, und dass die mit dem Drehwinkel korrelierten Signalanteile zur Überwachung und/oder Vermessung des Radreifens herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfassung der Drehwinkel-abhängigen Beschleunigungssignale von einem Drehwinkelgeber stammende Impulse verwendet werden, die jeweils Beginn bzw. Ende einer Radumdrehung anzeigen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer vorgebbaren Tastfrequenz zeitlich äquidistant erfassten Beschleunigungssignale, für den Zeitabschnitt einer Radumdrehung auf eine festlegbare Anzahl von zeitlich äquidistanten Tastwerten reduziert werden, und dass für eine vorgebbare Vielzahl von Radumdrehungen diese Tastwerte zur Bildung einer Drehwinkel-orientierten Mittelfunktion gemittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel-orientierte Mittelfunktion des Beschleunigungssignals durch zweifache Integration über den Drehwinkel von 0° bis 360° in eine Funktion transformiert wird, die die absoluten Durchmesserschwankungen des Rades in Abhängigkeit vom Drehwinkel darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Entscheidung über die Notwendigkeit einer Instandhaltung des Rades die Drehwinkel-orientierte Mittelfunktion nach 2-facher Integration mit Referenzdaten verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel-orientierte Mittelfunktion nach 2-facher Integration mit Referenzdaten verglichen wird, und bei Überschreiten einer vorgebbaren Toleranzgrenze ein Signal erzeugt wird
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal als Alarmsignal zur Früherkennung einer bevorstehenden Havariesituation des schienengebundenen Fahrzeuges von Seiten des Rades dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes an einer gemeinsamen Achse des Drehgestells eines schienengebundenen Fahrzeugs montierten Rades ein Beschleunigungssensor zum Erfassen der vertikal zum Schienenstrang auf das Drehgestellt einwirkende Beschleunigungskomponenten verwendet wird, dass pro Achse ein Drehwinkelgeber, der pro Umdrehung der Räder an einer festen Winkelposition einen Impuls abgibt, eingesetzt wird, und dass die Drehwinkel-orientierten Mittelfunktionen bzw. die durch zweifache Integration aus ihnen berechneten Funktionen, die von den Beschleunigungssensoren gewonnen werden, zur Überwachung und/oder Vermessen der jeweiligen Räder herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den mit Hilfe des wenigstens einen Beschleunigungssensors gewonnenen Beschleunigungssignalen durch Dekorrelation die mit dem Drehwinkel korrelierten Signalanteile zum Erhalt von mit dem Drehwinkel unkorrelierten Signalanteilen unterdrückt werden, und dass die unkorrelierten Signalanteile zur Einschätzung des Zustandes der Feder-Dämpfer-Systeme des Drehgestells des schienengebundenen Fahrzeuges zugrundegelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die korrelierten Signalanteile der Beschleunigungssignale durch Subtraktion einer normalen, gleitende Mittelfunktion der der Beschleunigungssignalen weitgehend unterdrückt und damit die unkorrelierten Signalanteile aus den Beschleunigungssignalen extrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines nicht dominanten Drehwinkelabhängigen Signalanteils die Beschleunigungssignale unmittelbar als unkorrelierte Signalanteile betrachtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schienenstöße angeregte Schwingungen, die sich in den Beschleunigungssignalen der Beschleunigungsaufnehmern am Drehgestell in Form von abklingenden Schwingungen abbilden, für die Beurteilung des Zustandes des Feder-Dämpfersystems genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Schienenstöße angeregten Schwingungen im Beschleunigungssignal über einen Zeitabschnitt kurz vor dem Stoßereignis, bspw. 1 s vor dem Stoßereignis, bis zum Abklingen, beispielsweise 5 s nach dem Stoßereignis, erfasst und durch synchrone Mittelfunktionsbildung, das heißt sogenannte Ereignis-orientierte Mittelfunktionsbildung, aus dem allgemeinen Untergrund an Störungen herausgehoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Beschleunigungssensoren, die die senkrechte Beschleunigungskomponente erfassen, am Drehgestell vorgesehen und oberhalb der beiden Achsen auf unterschiedlichen Seiten des Drehgestells positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssignale der beiden Beschleunigungssensoren sowohl für eine verbesserte Ermittlung der Ereignisauswahl als auch für die Ereignis-orientierte Mittelfunktionsbildung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Ereignisauswahl die Beschleunigungssignale der beiden Beschleunigungssensoren miteinander korreliert werden, wobei untersucht wird, dass in beiden Beschleunigungssignalen mit einem von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen Zeitabstand ein Impuls in einer physikalisch korrekten Richtung auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wege der Ereignis-orientierten Mittelfunktionsbildung aus den unkorrelierten Signalanteilen gewonnene Funktionen mittels Mustererkennung analysiert, mit Referenzmustern verglichen und zur Beurteilung der Notwendigkeit einer Instandhaltung genutzt werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Beschleunigungssensoren, die die senkrechte Beschleunigungskomponente erfassen, am Drehgestellrahmen des schienengebundenen Fahrzeuges oberhalb der beiden Achsen auf unterschiedlichen Seiten des Drehgestells vorgesehen werden, dass an jeder Achse ein Drehimpulsgeber vorgesehen wird, und dass diese Anordnung einerseits für die zustandsbedingte Instandhaltung mittels Drehwinkel-orientierter Mittelfunktionsbildung und Ereignis-orientierter Mittelfunktionsbildung sowohl für die Überwachung der Radunrundheiten als auch der Funktion des Feder-Dämpfer-Systems und andererseits auch für das rechtzeitige Erkennen von Havariesituationen durch direkte Überwachung der Beschleunigungssignale hinsichtlich andauernder korrelierter Überschreitung vorgegebener Grenzwerte verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das schienengebundene Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit längs der Schiene fährt.
Verfahren zum vereinfachten Überwachen eines in Betrieb befindlichen, längs eines Schienenstrangs mit annähernd konstanter Geschwindigkeit abrollenden Rades, das an einem Drehgestellt eines schienengebundenen Fahrzeugs angebracht ist, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors Beschleunigungssignale gewonnen werden, die vertikal zum Schienenstrang auf das Drehgestell einwirkende Beschleunigungskomponenten betreffen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tachosignal zur Verfügung gestellt wird, das der Drehfrequenz der Räder entspricht, dass ein Fourier-Koeffizient des Beschleunigungssignals bei der Drehfrequenz mit Hilfe des Tachosignals ermittelt und für die Beurteilung der Unrundheit aller Räder verwendet wird, dass eine Ereignis-orientierte Mittelfunktion des Beschleunigungssignals für impulsförmige Anregungen ermittelt und für die Beurteilung des Feder-Dämpfer-Systems verwendet wird, und dass die Amplituden-Überwachung des tiefpassgefilterten Beschleunigungssignals, der Hüllkurve des hochpassgefilterten Beschleunigungssignals und des in den Wegbereich transformierten Beschleunigungssignals für die Früherkennung von Havariesituationen genutzt wird.