DE10352168B4 - Verfahren zur Ermittlung einer Abweichung eines drehsymmetrischen Körpers von einer vorgegebenen Form aus Messwerten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Untersuchung eines drehsymmetrischen Körpers und Ermittlung einer Abweichung von einer vorgegebenen Form aus Messwerten (DW), die durch eine Messanlage durch Abtastung des drehsymmetrischen Körpers in Form einer diskreten oder kontinuierlichen Reihe von Messsignalen bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
• ein Mittelwert (MW) der Messwerte (DW) gebildet wird und
• die Messwerte (DW), die als elektrische Spannungen bzw. Ströme oder als digitale Wandlerwerte vorliegen, jeweils auf Längenwerte (LW) skaliert werden und
• die Längenwerte (LW) mit Hilfe einer Fourierreihe fouriertransformiert werden, wodurch sich eine Fourierfunktion (FF) ergibt, deren linearer Fourierkoeffizient durch den Mittelwert (MW) ersetzt wird, und damit für jeden Längenwert (LW) ein Fourierwert (FW) berechnet wird und
• von jedem Längenwert (LW) der entsprechende Fourierwert (FW) abgezogen und damit ein korrigierter Längenwert (KL) berechnet wird und
• mit einer Phasenverschiebung die korrigierten Längenwerte (KL) bezogen auf den Umfang des Körpers so innerhalb eines...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Abweichung eines drehsymmetrischen Körpers von einer vorgegebenen Form aus Messwerten, die durch eine Messanlage durch Abtastung des drehsymmetrischen Körpers in Form einer diskreten und/oder kontinuierlichen Reihe von Messsignalen bereitgestellt werden.
• Die Erfindung wird insbesondere zur Untersuchung der Lauffläche von Eisenbahnrädern von Güterzügen angewendet, die aufgrund des einfachen Aufbaus der Bremsanlage bevorzugt mit Beschädigungen der Oberfläche von Laufflächen behaftet sind, insbesondere Materialaufschweißungen, -ausbröckelungen oder Unrundheiten in Form von Flachstellen.
• Desweiteren wird die Erfindung auch zur Untersuchung der Lauffläche von Kugel- oder Wälzlagern insbesondere im KFZ- oder weiterführenden Industriebereich angewendet.
• Die Lauffläche von Eisenbahnrädern weicht im Laufe des Betriebs von der Kreisform ab und wird unrund. Weiterhin treten noch andere Verschleissformen auf, insbesondere Flachstellen (Abflachungen der Lauffläche an einer Stelle), Ausbröckelungen und Aufschweißungen auf der Lauffläche. Durch die Unrundheiten des Rades entstehen, in Zusammenwirkung mit hohen Achslasten und hohen Fahrgeschwindigkeiten, grosse dynamische Belastungen. Diese wirken unmittelbar auf das Radsatzlager und in weiterer Folge auf den Wagenkasten. Zur Herabsetzung dieser Belastung ist es notwendig, die betroffenen Radsätze auszutauschen. Alternativ kann eine beschädigte Lauffläche eines Schienenfahrzeugrades wieder in ihre Sollform mit Hilfe einer Niederflurdrehbank gebracht werden, ohne den betroffenen Radsatz austauschen zu müssen.
• Eine Entscheidung, ob ein Radsatz aufgrund einer beschädigten Lauffläche ausgetauscht oder die Lauffläche abgedreht werden muss, wird mit Hilfe von Messverfahren getroffen, mit denen die Läuffläche von Schienenfahrzeugrädern mindestens teilweise automatisch überprüft werden können.
• Aus DE 38 27 696 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Welligkeitskurve einer Messdatenkurve aufgezeichnet wird. Die Messdatenkurve ist eine polygonale Kurve zwischen den Messdaten eines beispielsweise mittels eines Tasters gemessenen Oberflächenprofils. Die Messdatenkurve weist an manchen Stellen Fehlstellen, hier Ausreißer genannt, auf. Ein digitales Filter, in das die Messdatenkurve eingespeist wird, ergibt ausgangsseitig die Welligkeit des Oberflächenprofils wieder. Die Fehlstellen werden dadurch erfasst, dass sie außerhalb eines Toleranzbandes liegen, wobei sie dann durch Punkte innerhalb des Toleranzbandes ersetzt werden.
• Bei dieser Vorrichtung wird somit eine Fehlstelle qualitativ und nicht quantitativ angegeben. Eine Aussage über Umfang und Höhe der Fehlstelle ist nicht möglich.
• Aus DE 100 62 254 C2 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Charakterisierung einer Reifenseitenwand von Kfz-Reifen bekannt. Hauptbestandteile dieses Verfahrens zur Ermittlung einer Formanomalie sind eine Distanzmessung für Erzeugung eines 3D-Höhenbildes, eine Erzeugung eines Referenzhöhenbildes, eine Erfassung potentieller Fehlergebiete sowie eine Berechnung von Maximalwerten. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass vor der Charakterisierung der Reifenseitenwand eine Eliminierung der örtlich begrenzten Unebenheiten aus der ermittelten Höhenlinie durchgeführt werden muss.
• Aus WO 00/25088 A1 ist ein Verfahren zur Vermessung einer gewölbten Oberfläche einer Reifenseitenwand mit Bandpassfilterung bekannt. Hauptbestandteile dieses Verfahrens ist eine Einrichtung zum Erzeugen einer 3D-Darstellung, eine Einrichtung zum Extrahieren der Wölbung und zur Kantenglättung, eine Einrichtung zum Schwellwertvergleich sowie ein 2D-Medianfilter zur Eliminierung von singulären Artefakten.
• Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Auswerteverfahren bereitzustellen, mit dem eine einfache und zuverlässige quantitative Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit von drehsymmetrischen Körpern, insbesondere der Unrundheit von Eisenbahnrädern, aus Messungen gewährleistet wird.
• Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Aus Messwerten DW, die durch eine Messanlage durch Abtastung des drehsymmetrischen Körpers in Form einer diskreten und/oder kontinuierlichen Reihe von Messsignalen bereitgestellt werden, wird zunächst ein Mittelwert MW der Messwerte DW gebildet. Daraufhin werden die Messwerte DW, die als elektrische Spannungen bzw. Ströme oder als digitale Wandlerwerte vorliegen, jeweils auf Längenwerte LW skaliert.
• Über den Messdaten liegt in der Regel eine Sinusfunktion, die insbesondere durch Ungenauigkeiten des Radlagers hervorgerufen wird. Um dies zu kompensieren, werden die Längenwerte LW mit Hilfe einer Fourierreihe fouriertransformiert. Hierdurch ergibt sich eine Fourierfunktion FF mit einem linearen Fourierkoeffizient, um den infolge die Messwerte stochastisch angeordnet sind. Da durch mögliche Fehlstellen über den Radumfang der lineare Fourierkoeffizient eine Unsymmetrie im Rauschband zur Folge haben kann, wird er durch den vorher berechneten Mittelwert MW ersetzt. Für jeden Längenwert LW wird ein Fourierwert FW berechnet, von jedem Längenwert LW der entsprechende Fourierwert FW abgezogen und damit ein korrigierter Längenwert KL berechnet.
• Liegt am Beginn einer Messung eine Fehlstelle erfolgt eine Fehlinterpretation. Um dies zu verhindern, werden mit einer Phasenverschiebung die korrigierten Längenwerte KL bezogen auf den Umfang des Körpers so innerhalb eines Messwertspeichers verschoben, dass eine nachfolgende Analyse mit einem Messwert beginnt, der nahe dem Mittelwert MW liegt und damit verschobene Längenwerte VL berechnet werden.
• Schließlich wird eine Standardabweichung SW der verschobenen Längenwerte VL berechnet.
• Abgesehen von den Fehlstellen befinden sich nun alle verschobenen Längenwerte VL in einem Rauschband mit der Breite eines n-fachen (n größer oder gleich 1) der Standardabweichung SW um den errechneten Mittelwert MW. Sobald ein verschobener Längenwert VL das Rauschband nach oben oder unten verlässt, beginnt an dieser Stelle eine Fehlstelle, die solange anhält bis ein folgender Wert wieder innerhalb des Rauschbandes liegt. Im Ergebnis werden verschiedene Fehlstellen erkannt, von denen die maximalen und/oder minimalen zur Anzeige gebracht werden. Eine Ausnahme ist jedoch, wenn die Standardabweichung kleiner als der Messfehler ist. In diesem Fall erfolgt keine Fehlstellenanalyse (sehr gutes Rad), d. h. es wird keine Fehlstelle ausgewiesen.
• Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere, dass Einflüsse auf die Messwerte, die durch insbesondere durch Ungenauigkeiten des Radlagers hervorgerufen werden, kompensiert werden.
• Ansprüche 2 bis 4 beinhalten vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch 1.
• Nach Anspruch 2 wird eine Unrundheit und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit eines Schienenfahrzeugrades in Abhängigkeit von Materialaufschweißungen, -ausbröckelungen oder Flachstellen des Profils ermittelt.
• Nach Anspruch 3 wird das Rauschband als ein 1,5-faches der Standardabweichung (SW) berechnet.
• Nach Anspruch 4 wird nicht die Fehlstelle mit der maximalen und/oder minimalen Höhe, sondern die Fehlstelle mit der nächst geringeren maximalen und/oder minimalen Höhe als Unrundheit angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung mit einer Figur näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
• 1 Messwerte einer Untersuchung von Laufflächen zweier Räder eines Radsatzes eines Eisenbahnwagens, skalierter Längenwert in mm als Funktion des Radumfangs in Messschritten.
• Im Ausführungsbeispiel werden die Laufflächen von zwei Rädern eines Radsatzes eines Eisenbahnwagens mit Hilfe einer Messanlage untersucht, die die Lauffläche mit einem Lasertriangulationsverfahren optisch abtastet. Die Messanlage stellt entsprechende Messwerte für das linke Rad 4 sowie für das rechte Rad 5 Form einer diskreten Reihe von Messsignalen in 560 Schritten bereit. 1 zeigt die skalierten Längenwerte LW.
• Auf der Lauffläche beider Räder befindet sich jeweils eine Fehlstelle, insbesondere in Form einer Einkerbung. Die Fehlstelle 1 des linken Rades weist eine Tiefe von etwa 0,2 mm sowie die Fehlstelle 2 des rechten Rades eine Tiefe von etwa 1 mm auf.
• Den Messwerten ist eine Sinusfunktion 3 überlagert, die insbesondere durch Ungenauigkeiten des Radlagers hervorgerufen wird.

1

Fehlstelle linkes Rad

2

Fehlstelle rechtes Rad

3

überlagerte Sinusfunktion

4

Messwerte linkes Rad

5

Messwerte rechtes Rad

DW

Messwert

MW

Mittelwert

LW

Längenwert

FF

Fourierfunktion

FW

Fourierwert

KL

korrigierter Längenwert

VL

verschobener Längenwert

SW

Standardabweichung

FS

Fehlstelle

Claims (4)

1. Verfahren zur Untersuchung eines drehsymmetrischen Körpers und Ermittlung einer Abweichung von einer vorgegebenen Form aus Messwerten (DW), die durch eine Messanlage durch Abtastung des drehsymmetrischen Körpers in Form einer diskreten oder kontinuierlichen Reihe von Messsignalen bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Mittelwert (MW) der Messwerte (DW) gebildet wird und • die Messwerte (DW), die als elektrische Spannungen bzw. Ströme oder als digitale Wandlerwerte vorliegen, jeweils auf Längenwerte (LW) skaliert werden und • die Längenwerte (LW) mit Hilfe einer Fourierreihe fouriertransformiert werden, wodurch sich eine Fourierfunktion (FF) ergibt, deren linearer Fourierkoeffizient durch den Mittelwert (MW) ersetzt wird, und damit für jeden Längenwert (LW) ein Fourierwert (FW) berechnet wird und • von jedem Längenwert (LW) der entsprechende Fourierwert (FW) abgezogen und damit ein korrigierter Längenwert (KL) berechnet wird und • mit einer Phasenverschiebung die korrigierten Längenwerte (KL) bezogen auf den Umfang des Körpers so innerhalb eines Messwertspeichers verschoben werden, dass eine nachfolgende Analyse mit einem Messwert beginnt, der nahe dem Mittelwert (MW) liegt und damit verschobene Längenwerte (VL) berechnet werden und • eine Standardabweichung (SW) der verschobenen Längenwerte (VL) berechnet wird und • eine Fehlstellenanalyse durchgeführt wird, indem alle verschobenen Längenwerte (VL), die ober- oder unterhalb eines Rauschbandes liegen, das als ein Vielfaches der Standardabweichung (SW) berechnet wird, als Fehlstelle definiert werden und • jeweils eine Fehlstelle mit der maximalen und/oder minimalen Höhe als Unrundheit angegeben wird.
2. Verfahren zur Untersuchung eines drehsymmetrischen Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unrundheit und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit eines Schienenfahrzeugrades in Abhängigkeit von Materialaufschweißungen, -ausbröckelungen oder Flachstellen und/oder des Profils ermittelt wird.
3. Verfahren zur Untersuchung eines drehsymmetrischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rauschband als ein 1,5-faches der Standardabweichung (SW) berechnet wird.
4. Verfahren zur Untersuchung eines drehsymmetrischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nicht die Fehlstelle mit der maximalen und/oder minimalen Höhe sondern die Fehlstelle mit der nächst geringeren maximalen und/oder minimalen Höhe als Unrundheit angegeben wird.