DE19580682B4

DE19580682B4 - Einrichtung und Verfahren zum Detektieren von Defektzuständen in Schienenfahrzeugrädern und Gleiswegen

Info

Publication number: DE19580682B4
Application number: DE19580682T
Authority: DE
Inventors: John-Erik Hershey; Kenneth Brakeley Welles Ii
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2015-05-06
Also published as: CA2163626A1; CA2163626C; JP3559286B2; US5433111A; WO1995030886A1; DE19580682T1; JPH09500452A

Abstract

Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, wobei die Einrichtung aufweist:
eine Rotationsmeßeinrichtung (80) zum Generieren von Daten, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen,
einen Bewegungssensor (56) zum Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer vertikalen Achse (28) relativ zu dem Gleisweg kennzeichnen, wobei der Bewegungssensor (56) einen Beschleunigungsmessersatz aufweist, der zum Messen von Beschleunigung entlang drei zueinander senkrechter Achsen angeordnet ist, wobei eine der drei zueinander senkrechten Achsen die vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist, und
einen Datenprozessor (70), der mit dem Bewegungssensor (56) und der Rotationsmeßeinrichtung (80) in Verbindung steht, um die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten zu empfangen, wobei der Datenprozessor (70) dazu eingerichtet ist, auf der Basis der empfangenen Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist, und wobei der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen in Schienenfahrzeugrädern und Gleiswegen und insbesondere auf eine Einrichtung, die einen Bewegungssensor verwendet, um derartige Defektzustände abzutasten.
Abnutzung auf den Laufflächen von Schienenfahrzeugrädern ist eine bekannte Erscheinung, die dazu führen kann, daß irgend ein gegebenes Rad einen betonten abgeflachten Abschnitt aufweist. Ein Defektzustand von einem Schienenfahrzeugrad, wie er durch ein Rad charakterisiert ist, das einen derartigen flachen bzw. abgeflachten Zustand aufweist, wird hier als ein "Flachrad"-Zustand bezeichnet. Das Auftreten eines derartigen "Flachrad"-Zustandes in einem Schienen- oder Zugfahrzeug ist ein unerwünschter Zustand aufgrund der Gefahr für eine Ladungsbeschädigung und auch für erhöhte Betriebskosten und verringerte Sicherheit, während das Schienenfahrzeug sich bewegt. Abnutzung auf Lagern, die die Schienenfahrzeugräder tragen, können ähnliche unerwünschte Resultate hervorrufen. Es ist wünschenswert, eine Technik zu schaffen, die eine Ermittlung des Zustandes derartiger Defekte in einer Weise gestattet, die relativ wenige Komponenten verwendet, um so die Betriebssicherheit zu erhöhen und den elektrischen Leistungsverbrauch und Gewichtserfordernisse zu minimieren. Weiterhin ist es wünschenswert, eine Technik zu schaffen, die die Detektion von Defektzuständen gestattet, die dem Gleisweg zugeordnet sind, auf der sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt. Diese Information ist insbesondere für diejenigen nützlich, die dafür verantwortlich sind, die Gleis- bzw. Schienenwege in der Nation in einem guten Betriebszustand zu halten. Außerdem ist es wünschenswert, eine Technik zu schaffen, die die Detektion von Zuständen, insbesondere Ü berladungszuständen, des Schienenwagens ermöglicht, die ebenfalls die Sicherheit des Schienenfahrzeugs berühren.

Aus der US-Patentschrift 4 696 446 ist ein System bekannt, das eine Rotationsmesseinrichtung zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Rades, einen Bewegungssensor zur Erfassung der Beschleunigung des Rades in vertikaler Richtung und einen Datenprozessor aufweist, der ausgehend von der gemessenen Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung einen flachen Abschnitt an einer Umfangsseite eines Schienenfahrzeugrades ermittelt. Weitere Zustände werden nicht erfasst.

Aus der US-Patentschrift 4 573 131 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Rauheit einer Oberfläche bekannt, die zur Erfassung von Wellenbildungen auf Schienen angewendet werden kann. Hierfür werden Nichtträgheitssensoren, bspw. Wirbelstromsensoren, sowie ein Sensor verwendet, der die Drehgeschwindigkeit der Fahrzeugräder erfasst.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren zu schaffen, die wenige Komponenten zur Ermittlung fehlerhafter Zustände verwenden, die die Sicherheit eines Schienenfahrzeugs beeinträchtigen können.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 und das Verfahren gemäß der Erfindung nach Anspruch 10 gelöst.

Allgemein gesprochen, löst die vorliegende Erfindung die vorgenannten Aufgaben, indem eine Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen geschaffen wird, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf denen sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt. Die Einrichtung enthält eine Rotationsmessungseinheit zum Generieren von Daten, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen; einen Bewegungssensor, wie beispielsweise einen Beschleunigungsmesser oder Schwingungssensor, zum Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer im allgemeinen vertikalen Achse relativ zu dem Gleisweg kennzeichnen, wobei der Bewegungssensor einen Beschleunigungsmessersatz aufweist, der zum Messen von Beschleunigung entlang drei zueinander senkrechter Achsen angeordnet ist, wobei eine der drei zueinander senkrechten Achsen die im wesentlichen vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist; und einen Datenprozessor, der mit dem Bewegungssensor und mit der Rotationsmessungseinheit gekoppelt sind, um die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten zu empfangen. Der Datenprozessor ist in geeigneter Weise ausgelegt, um, auf der Basis der empfangenen Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten, einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist. Der Datenprozessor ist ferner dazu eingerichtet, die von dem Beschleunigungsmessersatz gemessenen Beschleunigungsdaten zu verarbeiten, um den Beladungszustand des Schienenfahrzeuges zu ermitteln. Der Datenprozessor ist weiterhin dafür ausgelegt, um, auf der Basis der empfangenen Bewegungsdaten, einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist.

Ein Verfahren zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, enthält die Schritte, daß Daten generiert werden, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen; Daten generiert werden, die eine Bewegung wenigstens entlang einer im allgemeinen vertikalen Achse relativ zu dem Schienenweg kennzeichnen; die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten verarbei tet werden, um einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist; die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungsmessersatzes gemessen wird, der drei zueinander senkrechte Achsen aufweist, von denen eine die im wesentlichen vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist, und die von dem Beschleunigungsmesser gemessenen Beschleunigungsdaten verarbeitet werden, um den Beladungszustand des Fahrzeuges zu ermitteln. Ferner werden die Bewegungsdaten verarbeitet, um einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm von einem Fahrzeugnachführungssystem, das eine mobile Nachführungseinheit verwendet, die eine Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ist ein Blockdiagramm und stellt weitere Einzelheiten der Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen gemäß der Erfindung dar und zeigt als Beispiel eine Kombination mit der mobilen Nachführungseinheit, die in 1 gezeigt ist.
3A und 3B stellen ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der Erfindung dar, die zum Detektieren eines Defektzustandes verwendet ist, der einem Schienenfahrzeugrad bzw. einem Gleisweg zugeordnet ist.
4A bzw. 4B stellen als Beispiel ein Ausgangssignal von einem Beschleunigungsmesser in dem Zeitbereich und eine entsprechende Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich dar, wenn keine Defektzustände vorliegen.
5A bzw. 5B stellen als Beispiel ein Ausgangssignal von einem Beschleunigungsmesser in dem Zeitbereich und die entsprechende Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich dar, wenn ein "Flachrad"-Defektzustand vorliegt.
6A bzw. 6B stellen als Beispiel ein Ausgangssignal von einem Beschleunigungsmesser in dem Zeitbereich und eine entsprechende Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich dar, wenn sowohl ein "Flachrad"-Defektzustand als auch ein Gleisweg-Defektzustand vorliegen.
Die Erfindung schafft eine Einrichtung zum Detektieren entsprechender Defektzustände, die bei einem Satz von Schienenfahrzeugrädern auftreten, wie beispielsweise dem Zustand eines "flachen Rades" und/oder eines beschädigten Lagers und bei einem Gleis- bzw. Schienenweg, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt. Die Einrichtung kann auf zweckmäßige Weise mit einer mobilen Nachführungseinheit integriert oder kombiniert werden, die in einer leistungsarmen Umgebung arbeiten kann. Die mobilen Nachführungseinheiten können zweckmäßigerweise für ein Fahrzeugnachführungs- oder Überwachungssystem verwendet werden, das wenigstens Fahrzeuglageinformation schafft unter Verwendung von Navigationsdaten, die von einem existierenden Navigationssystem abgeleitet werden, wie beispielsweise der Global-Positionier-System (GPS von Global Positioning System)-Satellitenkonstellation, wodurch ein höchst genaues Realzeit-Fahrzeugnachführungsvermögen geschaffen wird. Derartige Nachführungseinheiten sind aber nicht auf die GPS Navigation beschränkt, denn auch Fahrzeugnachführungssysteme, die andere Navigationssysteme benutzen, wie beispielsweise Loran, Omega, Transit und ähnliche oder sogar Satellitenentfernungs-Meßtechniken (wie sie auf entsprechende Weise in dem US-Patent 4 161 730 und dem US-Patent 4 161 734, beide erteilt am 17. Juli 1979, beschrieben sind) können in vorteilhafter Weise Nutzen aus der Verwendung einer mobilen Nachführungseinheit ziehen, die eine Einrichtung verwendet zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt. Das Nachführungssystem ist insbesondere brauchbar im Flottenfahrzeugmanagement, der Schienenwagennachführung, der Ladungsortung oder ähnlichem. Für Beschreibungszwecke umfaßt der Begriff "Fahrzeug" an Board befindliche Transportbehälter und andere derartige Einrichtungen zum Tragen oder Transportieren von Gütern auf einem Zug oder einem Schienenfahrzeug.
1 zeigt als Beispiel mobile Nachführungseinheiten, die Navigationssignale von einer GPS Satellitenkonstellation verwenden, obwohl, wie oben bereits ausgeführt wurde, andere Navigationssysteme anstelle von GPS verwendet werden können. 1 zeigt einen Satz von mobilen Nachführungseinheiten 10A-10D, die in entsprechenden Fahrzeugen 12A-12D installiert sind, die verfolgt oder überwacht werden sollen. Es kann eine Vielfach-Kommunikationsverbindung 14, wie beispielsweise eine Satelliten-Kommunikationsverbindung unter Verwendung eines Kommunikations-Satelliten 16, zwischen jeder mobilen Nachführungseinheit (die nachfolgend gemeinsam mit 10 bezeichnet sind) und einer entfernten Steuerstation 18 vorgesehen sein, die mit einer oder mehreren Bedienungspersonen bemannt ist und geeignete Verarbeitungseinrichtungen und Displayvorrichtung und ähnliches enthält zur bildlichen Darstellung von Lage- und Statusinformation für jedes Fahrzeug, das mit einer entsprechenden mobilen Nachführungseinheit ausgerüstet ist. Eine Konstellation von GPS Satelliten, wie beispielsweise GPS Satelliten 20A und 20B, liefert höchst genaue Navigationssignale, die verwendet werden können, um die Fahrzeugposition und -geschwindigkeiten zu ermitteln, wenn sie durch einen geeigneten GPS Empfänger gewonnen werden. Kurz gesagt, wurde das GPS durch das US-Verteidigungsministerium entwickelt und während der 80er Jahre in Gebrauch genommen. Die GPS Satelliten senden konstant Radiosignale in L-Band-Frequenz, wobei ein breites Frequenzspektrum aufweisende Techniken verwendet werden. Die gesendeten Radiofrequenzen tragen Pseudo-zufällige Sequenzen, die es Benutzern gestatten, die Position relativ zur Erdoberfläche (innerhalb etwa 30m bzw. 100 Fuß), Geschwindigkeit (innerhalb etwa 0,1 Meile pro Stunde) und präzise Zeitinformation zu ermitteln. GPS ist ein besonders attraktives Navigationssystem für die Anwendung, da die entsprechenden Umlaufbahnen der GPS Satelliten so gewählt sind, daß sie für eine im wesentlichen weltweite Überdeckung sorgen, und da Radiosignale mit einer derartigen Genauigkeit kostenfrei für die Benutzer zur Verfügung stehen. Die Kommunikationsverbindung 14 kann auf zweckmäßige Weise benutzt werden zum Übertragen von Fahrzeugzuständen oder Ereignissen, die mit geeigneten Abtastelementen gemessen werden, wie es nachfolgend näher erläutert wird. Beispielsweise ist sie im Falle eines Schienenwagenfahrzeuges mit einem Radsatz 24 besonders brauchbar, um für das Abtastvermögen eines "flachen Rades" und/oder eines Zustandes mit beschädigtem Kugellager zu sorgen. In ähnlicher Weise ist sie im Falle eines Schienenwagenfahrzeuges auch brauchbar, um für ein Abtastvermögen von Defekten zu sorgen, die dem Gleisweg 26 zugeordnet sind, auf dem sich das Schienenfahrzeug bewegt.
2 zeigt in Blockdiagrammform ein Ausführungsbeispiel von einer Einrichtung 9 zum Detektieren entsprechender Defektzustände, die einem Satz von Schienenfahrzeu grädern und dem Gleisweg zugeordnet sind, auf denen sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Einrichtung 9 in 2 zwar als operativ kombiniert oder integriert mit der mobilen Nachführungseinheit 10 gezeigt ist, daß aber eine derartige Kombination oder Integration nur optional ist, da die Einrichtung 9 auf einfache Weise so aufgebaut sein kann, daß sie unabhängig von der mobilen Nachführungseinheit 10 funktioniert. Die Schlüsselvorteile der Erfindung werden erzielt durch Verwenden eines Bewegungssensors 56, wie beispielsweise einem Beschleunigungsmesser kleiner Leistung, eines Schwingungssensors, Stoßsensors oder eine Kombination davon, zum Erzeugen von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer im allgemeinen vertikalen Achse 28 (siehe 1 und 3) relativ zu dem Gleisweg angeben. Zum optionalen Verbessern der Vielseitigkeit der Anwendung kann ein Satz von drei Beschleunigungsmessern, die individuell mit einer geeigneten Signalkonditionierschaltung in einer entsprechenden einzigen monolithischen integrierten Schaltung integriert sind, wie beispielsweise dem Beschleunigungsmesser Modell ADXL50, das von Analog Devices, Norwood, MA, vertrieben wird, oder ähnliche Beschleunigungsmesser und Sensoren auf zweckmäßige Weise in dem Fahrzeug oder in der Nachführungseinheit angebracht sein, um für eine triaxiale Abtastung entlang drei zueinander senkrechten Achsen 28, 30 und 32 (siehe 1) zu sorgen, wobei eine der drei Achsen die im allgemeinen vertikale Achse 28 ist. Die vertikalen Bewegungsdaten und horizontalen Bewegungsdaten, die mit einem derartigen Beschleunigungsmesser- oder Bewegungssensorsatz gemessen sind, können auf einfache Weise für verschiedene andere Zwecke benutzt werden, wie zum Beispiel zum Verkleinern der elektrischen Leistung unter vorbestimmten Zuständen. Drehmeßdaten 72, die die Drehgeschwindigkeit ω des Radsatzes angeben, können auf zweckmäßige Weise ge neriert werden unter Verwendung von irgendeiner von verschiedenen Drehmeßtechniken. Beispielsweise können die Drehgeschwindigkeitsdaten mit einer geeigneten Rotationsmeßeinheit 80 (siehe 3A) erzeugt werden, wie beispielsweise einem Raddrehzähler, Radtachometer und ähnlichen Vorrichtungen. Alternativ können die Raddrehgeschwindigkeitsdaten generiert oder berechnet werden, indem einfach die Schienenwagengeschwindigkeit (die von dem Navigationssatz 50 erhältlich ist) durch den entsprechenden Umfang des Radsatzes dividiert wird. In jedem Fall werden die Drehgeschwindigkeitsdaten und die Bewegungssensordaten, die Bewegung wenigstens entlang der im allgemeinen vertikalen Achse angeben, einem Datenprozessor 70 oder einer geeignet aufgebauten Schaltungsanordnung zugeführt, die für einen Zugriff oder das Detektieren des Vorhandenseins der vorgenannten Defektzustände ausgelegt ist. Beispielsweise wird der das "flache Rad" und/oder beschädigte Lager angebende Zustand detektiert auf der Basis der Drehgeschwindigkeitsdaten und Bewegungsdaten, die dem Prozessor 70 zugeführt werden. Beispielsweise kann der den Gleisweg oder das Gleisbett betreffende Defektzustand einfach auf der Basis der Bewegungsdaten ermittelt werden, die von dem Datenprozessor 70 empfangen werden. Die Datenverarbeitung kann verschiedene Verarbeitungstechniken umfassen, wie beispielsweise Fourier-Analyse, angepaßte Filterung, Autokorrelation und Schwellenwerttechniken und ähnliche Verarbeitungstechniken. Eine zusätzliche Verarbeitung der Bewegungssensordaten kann auf einfache Weise zusätzliche Information liefern über den Schienenwagenstatus, wie beispielsweise den Beladungsstatus des Schienenwagens. Beispielsweise kann eine Messung der Frequenz der Wackelbewegung (d.h. Wackel- oder Rollbewegung um die Längsachse des Schienenfahrzeuges) und die vertikale Prellfrequenz des Schienenwagens recht genaue Information über den Beladungszustand des Schienenwagens liefern. Beispielsweise kann derartige Information nützlich sein zur Ermittlung, ob das Schienenfahrzeug über seine maximale Ladekapazität hinaus beladen ist.
2 zeigt ferner, daß die mobile Nachführungseinheit 10 einen Navigationssatz 50 enthält, der Daten generieren kann, die im wesentlichen der Fahrzeugposition entsprechen. Der Navigationssatz ist in Abhängigkeit von dem jeweiligen Navigationssystem gewählt, das zur Lieferung von Navigationssignalen an eine gegebene mobile Nachführungseinheit verwendet ist. Vorzugsweise ist der Navigationssatz ein GPS Empfänger, wie beispielsweise ein Vielkanal-Empfänger. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch andere Empfänger verwendet werden können, die zum Gewinnen von Signalen aus einem entsprechenden Navigationssystem aufgebaut sind. Beispielsweise kann der Navigationssatz, in Abhängigkeit von den Genauigkeitserfordernissen der Fahrzeugposition, als ein Loran-C-Empfänger oder einem anderen weniger genauen Navigationsempfänger als einem GPS Empfänger gewählt sein. Die mobile Nachführungseinheit 10 kann einen geeigneten elektromagnetischen Sender 52 enthalten, der funktional von dem Navigationssatz unabhängig ist. Der Sender 52 ist in der Lage, wenigstens die Fahrzeugpositionsdaten über die Kommunikationsverbindung 14 (siehe 1) an die Steuerstation zu senden. Wenn ein GPS Empfänger verwendet wird, können der GPS Empfänger und der Sender zweckmäßigerweise als eine einzige integrierte Einheit integriert sein, um die Effizienz von Installation und Betrieb zu maximieren. Ein Beispiel einer derartigen integrierten Einheit ist die kommerziell erhältliche Galaxy Inmarsat-C/GPS integrierte Einheit, die von Trimble Navigation, Sunnyvale, Kalifornien, erhältlich ist und die ausgelegt ist für eine Datenkommunikation und einen Positionsbericht zwischen der Steuerstation und der mobilen Nachfüh rungseinheit. Eine einzige Antenne 54 mit kleinem Profil kann auf einfache Weise verwendet werden sowohl für eine GPS Signalgewinnung als auch Satelliten-Kommunikation. Eine Steuereinrichtung 58 der Nachführungseinheit kann einen konventionellen digitalen Vielbit-Einzelchip-Mikrokontroller aufweisen, der in geeigneter Weise programmiert ist, um den Betrieb des Navigationssatzes 50, des Senders 52 und der Einrichtung 9 zu steuern. Ein Realzeit-Taktmodul 60 kann mit der Steuereinrichtung 58 der Nachführungseinheit verbunden sein, um so die Steuereinrichtung periodisch zu befähigen, den Betrieb wieder aufzunehmen, nachdem die Steuerung in einem "Schlaf-Modus" ist, der einem Betriebsmodus mit kleiner Leistung zugeordnet ist. Vorzugsweise enthält die Steuereinrichtung 58 der Nachführungseinheit genügend Speicher- und Durchsatzvermögen, um Daten zu verarbeiten, die von zusätzlichen Abtastelementen (nicht gezeigt) in dem Fahrzeug gewonnen werden. Es wird eine Leistungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie, verwendet, um einen Betrieb der mobilen Nachführungseinheit 10 zu ermöglichen. Wie in 2 gezeigt ist, kann die Batterie 62 eine wiederaufladbare Batterie, wie beispielsweise eine Nickel-Kadmium-Batterie oder eine ähnliche wiederaufladbare Batterie sein, die mit einer geeigneten Ladeschaltung 64 verbunden ist, die elektrische Leistung aus einer Array von Solarzellen 66 oder aus einem anderen elektrischen Leistungswandler empfängt. Die Ladeschaltung enthält typisch geeignete Laderegler und Spannungs- und Stromsensoren (nicht gezeigt), die von der Steuereinrichtung überwacht werden, um den Zustand der Batterie zu ermitteln. Es kann zweckmäßigerweise eine Unterstützungsbatterie (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um einen sicheren Betrieb der mobilen Nachführungseinheit zu verbessern. Alternativ kann die Batterie 62 eine nicht-wiederaufladbare Batterie sein, die in vorbestimmten Zeitintervallen ausgewechselt wird. Es wird deutlich, daß die Daten von dem Bewegungssensor und die Rotationsmeßdaten 72 auf verschiedenen Wegen gehandhabt werden können. Beispielsweise können rohe oder unverarbeitete Daten in einer Speichereinheit 74 gespeichert werden, um zu einer späteren Zeit abgefragt und verarbeitet zu werden. Umgekehrt können diese Rohdaten über die Steuereinrichtung 58 der Nachführungseinheit einem elektromagnetischen Sender 52 zugeführt werden, so daß diese Rohdaten durch einen geeigneten Datenprozessor an der entfernten Steuerstation 18 (siehe 1) verarbeitet werden, wodurch das Gewicht und der elektrische Leistungsverbrauch der mobilen Nachführungseinheit verkleinert werden. In jedem Falle liefert die Einrichtung gemäß der Erfindung, sei es nun einzeln oder in Kombination mit einer mobilen Nachführungseinheit, auf zweckmäßige Weise nutzbare Daten, die entsprechende Defektzustände angeben, die Schienenfahrzeugrädern und Schienenwegen zugeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle eines Navigationssatzes, wie beispielsweise einem GPS oder einem Loran Empfänger, andere alternative Techniken verwendet werden können, um beispielsweise die Lage bzw. Position von einem defekten Schienenweg zu ermitteln. Wenn beispielsweise die Zeit, zu der eine Detektion eines derartigen Defektzustandes auftritt, aufgezeichnet wird, dann gestattet die einfache Kenntnis des Bewegungsplanes (d.h. die Bewegungsvergangenheit des Schienenfahrzeuges als eine Funktion der Zeit), daß die Position des Schienenfahrzeuges abgeschätzt wird, als der defekte Gleisweg detektiert wurde (d.h. die Lage bzw. Position des defekten Schienenweges). Alternativ kann ein Rad-Tachometer oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet werden, um Radumdrehungen unter vorbestimmten Ereignissen zu zählen. Beispielsweise gestattet das Zählen der Anzahl von Umdrehungen, die von einer Detektion von einem beschädigten Gleisweg bis zu einem gegebenen Zielpunkt auftreten, eine Abschätzung der Entfernung von dem beschädigten Gleisweg bis zu diesem Zielpunkt (die Strecke wird berechnet durch Multiplizieren des Radumfanges mit dem Radrotations-Zählwert). In diesem Falle gestattet die einfache Kenntnis der zurückgelegten Route (und ohne Zeitinformation, d.h. Streckenplan) eine Ermittlung des Ortes des defekten Gleisweges. Somit wird deutlich, daß die Verwendung von einem Navigationssatz zur Ermittlung der Lage bzw. Position von einem Defektzustand, wie beispielsweise die Lage von einem schlechten Gleisweg, nur optional ist in Anbetracht der oben beschriebenen alternativen Techniken.
Aus 3A wird deutlich, daß, wenn das Rad einen defekten Bereich aufweist, wie beispielsweise einen im wesentlichen flachen Bereich 24A, dann tastet der Bewegungssensor 56 mechanische Energie in einem Frequenzbereich ab, der im wesentlichen der Raddrehfrequenz (d.h. Raddrehgeschwindigkeit ω) und Harmonischen H davon entspricht, wie sie in den Raddrehgeschwindigkeitsdaten 72 von der Rotationsmeßeinheit 80 gemessen werden. Der Datenprozessor kann auf einfache Weise so aufgebaut werden, daß er ein digitales Signalprozessormodul enthält, der beispielsweise einen diskreten Fourier-Prozessor 76 enthält, der die Raddrehgeschwindigkeitsdaten 72 und die Bewegungssensordaten verarbeitet, um so den Zustand zu ermitteln, der allgemein als "Flachrad"-Zustand bezeichnet wird, der wenigstens dem einen Rad des Radsatzes zugeordnet werden kann. Obwohl 3A speziell eine Verformung zeigt, die einem "Flachrad"-Zustand zugeordnet ist, kann 3A in einem allgemeineren Fall verwendet werden, um konzeptionell andere Verformungen zu erfassen, wie sie sich in den Lagern (nicht gezeigt) entwickeln können, die ein Rad 24 tragen, wobei diese Verformungen keinen flachen bzw. ebenen Bereich haben müssen. Bekanntlich weist ein entsprechender Radsatz beispielsweise zwei Räder auf, die für eine Rotation mit den gegenüberliegenden Enden von einer starren Achse durch geeignete Lager verbunden sind, die Kugeln oder Rollen aufweisen, die zwischen äußeren und inneren Laufringen eingeschlossen sind. Diese Lager weisen üblicherweise vorbestimmte mechanische Charakteristiken auf als eine Funktion der Raddrehgeschwindigkeit, d.h. eine im allgemeinen konstante Anzahl von Kugeln oder Rollen läuft über das Oberteil der Achse für jede Umdrehung, denn das Oberteil der Achse ist typisch der Bereich, wo die Kugeln oder Rollen eine maximale Belastung erfahren. Es kann gezeigt werden, daß, wenn entweder der äußere oder innere Laufring (oder die Kugeln oder Rollen) beschädigt sind, dann für eine gegebene Raddrehgeschwindigkeit die Erzeugung von entsprechenden Frequenzkomponenten oder Schwebungsfrequenzen auftritt, die in vorbestimmter Weise oberhalb und unterhalb der Raddrehfrequenz angeordnet sind. Der Prozessor 70 kann in einfacher Weise ausgelegt werden, um derartige Frequenzkomponenten in der gleichen Weise zu detektieren, wie ein derartiger Prozessor den "Flachrad"-Zustand detektiert. In jedem Fall kann der diskrete Fourier-Verarbeitungsmodul 76 in einen einzelnen IC Chip oder in einen Verarbeitungsmodul integriert werden, wie beispielsweise dem Verarbeitungsmodul TMS320, der von der Firma Texas Instruments erhältlich ist.
3B zeigt, daß, wenn das Schienenfahrzeug über einen Gleisweg 26 fährt, der einen Abschnitt 26A aufweist, der sich unter dem Gewicht des Schienenfahrzeuges wesentlich durchbiegt oder abfällt, dann der Bewegungssensor 56 mechanische Energie mit einer vorbestimmten Signatur abtastet, die diesen unerwünschten Schienenwegzustand charakterisiert. Es sei darauf hingewiesen, daß die Signatur der mechanischen Energie, die einem gegebenen defekten Schie nenzustand entspricht, im allgemeinen unabhängig ist von der Raddrehgeschwindigkeit, und dementsprechend sind für eine Ermittlung eines defekten Schienenzustandes Drehgeschwindigkeitsdaten 72 (siehe 3A) nicht erforderlich.
4A ist als Beispiel eine Simulationskurve von einem typischen Ausgangssignal von einem vertikalen Beschleunigungsmesser in dem Zeitbereich bei Fehlen von einem Defektzustand, d.h. die Schienenfahrzeugräder und/oder Lager sind im wesentlichen undeformiert und die Schiene weist keinen wesentlichen Abfall oder keine wesentliche Durchbiegung unter dem Gewicht des Schienenfahrzeuges auf. 4B ist die Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich für das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers entsprechend dem in 4A gezeigten Zustand.
5A ist als Beispiel eine Simulationskurve von einem typischen Ausgangssignal von einem vertikalen Beschleunigungsmesser in dem Zeitbereich, wenn ein "Flachrad"-Zustand abgetastet wird. Für den Fachmann wird deutlich, daß die Periodizität der impulsartigen Nadeln, die in 5A zu sehen sind, direkt der Raddrehgeschwindigkeit ω entsprechen. 5B zeigt die Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich für das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers entsprechend dem in 5A gezeigten Zustand. Es ist ersichtlich, daß die periodischen impulsähnlichen Nadeln in dem Frequenzbereich das Vorhandensein des "Flachrad"-Zustandes verdeutlichen. Dieses Beispiel einer Leistungsspektrumdichte wurde unter Verwendung einer üblichen Fourier-Transformationsverarbeitungstechnik ohne Fenster erhalten. Wie bereits ausgeführt wurde, können andere Verarbeitungstechniken anstelle einer Fourier-Transformation auf wirksame Weise verwendet werden, um das Vorhandensein eines "Flachrad"-Zustandes zu detektieren. 6A ist ein Beispiel von einer Simulationskurve von einem typischen Ausgangssignal von einem vertikalen Beschleunigungsmesser, wenn sowohl ein "Flachrad"-Zustand, der durch die impulsähnlichen Nadeln charakterisiert ist, als auch ein defekter Schienenzustand abgetastet werden, der durch die Ab-Auf-Kurvenform charakterisiert ist. 6B zeigt die Leistungsspektrumdichte in dem Frequenzbereich für das in 6A gezeigte Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers. Wiederum ist ersichtlich, daß die periodischen impulsähnlichen Nadeln in dem Frequenzbereich das Vorhandensein des "Flachrad"-Zustandes verdeutlichen. Ferner ist der Defektzustand des Gleisweges, d.h. das Absacken oder Durchbiegen der Schiene, in dem Frequenzbereich durch die dramatische relative Vergrößerung in den niederfrequenten Komponenten verdeutlicht.
Ein Verfahren zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, enthält die Schritte, daß Daten generiert werden, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes angeben; Daten generiert werden, die eine Bewegung wenigstens entlang einer im allgemeinen vertikalen Achse relativ zu dem Gleisweg angeben; die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten verarbeitet werden für eine Detektion von einem Defektzustand, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist; und die Bewegungsdaten verarbeitet werden für eine Detektion von einem Defektzustand, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist. Der zusätzliche Schritt des Generierens von Daten, die im wesentlichen einer entsprechenden Schienenfahrzeugposition entsprechen, gestattet auf zweckmäßige Weise, daß die Lage bzw. Position im wesentlichen ermittelt wird, an dem jeder entsprechende Defektzustand auftritt. Dies ist besonders nützlich im Falle der Ermittlung der Lage eines defekten Schienenabschnittes über einer bekannten Route. Ein einfacher Weg, um die Position eines derartigen Defektes zu ermitteln, ist das Zählen der Anzahl von Radumdrehungen nach der Detektion des defekten Schienenabschnittes; wobei dann die Strecke gemessen wird, die über die bekannte Route von einer jeweiligen Schienenfahrzeugposition zurückgelegt wurde (z.B. irgendein Ziel des Schienenfahrzeuges über die bekannte Route). Die Strecke, die über die bekannte Route nach Detektion des defekten Schienenabschnittes zurückgelegt wurde, wird auf einfache Weise berechnet, indem die Raddrehzahl mit dem Umfang des Radsatzes multipliziert wird. Dies gestattet auf zweckmäßige Weise, im wesentlichen und ökonomisch die Lage des defekten Schienenabschnittes über der bekannten Route wenigstens in bezug auf den gegenwärtigen Schienenfahrzeugort zu ermitteln.

Claims

Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, wobei die Einrichtung aufweist: eine Rotationsmeßeinrichtung (80) zum Generieren von Daten, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen, einen Bewegungssensor (56) zum Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer vertikalen Achse (28) relativ zu dem Gleisweg kennzeichnen, wobei der Bewegungssensor (56) einen Beschleunigungsmessersatz aufweist, der zum Messen von Beschleunigung entlang drei zueinander senkrechter Achsen angeordnet ist, wobei eine der drei zueinander senkrechten Achsen die vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist, und einen Datenprozessor (70), der mit dem Bewegungssensor (56) und der Rotationsmeßeinrichtung (80) in Verbindung steht, um die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten zu empfangen, wobei der Datenprozessor (70) dazu eingerichtet ist, auf der Basis der empfangenen Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist, und wobei der Datenprozessor (70) dazu eingerichtet ist, die von dem Beschleunigungsmessersatz gemessenen Beschleunigungsdaten zu verarbeiten, um den Beladungszustand des Schienenfahrzeuges zu ermitteln.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenprozessor (70) auf der Basis der empfangenen Bewegungsdaten einen Defektzustand detektiert, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor (56) wenigstens einen Sensor aufweist, der ein Beschleunigungsmesser, Schwingungssensor oder Stoßsensor ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenprozessor (70) einen diskreten Fourier-Prozessor aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsmeßeinrichtung (80) die Drehgeschwindigkeitsdaten auf der Basis der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und des Radumfanges generiert.
Einrichtung zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, wobei die Einrichtung aufweist: eine Rotationsmeßeinheit (80) zum Generieren von Daten, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen, einen Bewegungssensor (56) zum Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer vertikalen Achse relativ zu dem Gleisweg kennzeichnen, wobei der Bewegungssensor (56) einen Beschleunigungsmessersatz aufweist, der zum Messen von Beschleunigung entlang drei zueinander senkrechter Achsen angeordnet ist, wobei eine der drei zueinander senkrechten Achsen die vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist, und einen Datenprozessor (70), der mit dem Bewegungssensor (56) und der Rotationsmeßeinheit (80) in Verbindung steht, um die Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten zu empfangen, wobei der Datenprozessor (70) dazu eingerichtet ist, auf der Basis der empfangenen Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist, wobei der Datenprozessor (70) ferner dazu eingerichtet ist, auf der Basis der empfangenen Bewegungsdaten einen Defektzustand detektiert, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist, und wobei der Datenprozessor (70) außerdem dazu eingerichtet ist, die von dem Beschleunigungsmessersatz gemessene Beschleunigungsdaten zu verarbeiten, um den Beladungszustand des Schienenfahrzeuges zu ermitteln.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor (56) wenigstens einen Sensor aufweist, der ein Beschleunigungsmesser, Schwingungssensor oder Stoßsensor ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenprozessor (70) einen diskreten Fourier-Prozessor aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsmeßeinheit (80) die Drehgeschwindigkeitsdaten auf der Basis der Geschwindigkeit des Fahrzeuges und des Radumfanges generiert.
Verfahren zum Detektieren von Defektzuständen, die einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Gleisweg zugeordnet sind, auf dem sich ein gegebenes Schienenfahrzeug bewegt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Generieren von Daten, die die Drehgeschwindigkeit des Radsatzes kennzeichnen, Generieren von Daten, die eine Bewegung wenigstens entlang einer vertikalen Achse relativ zu dem Gleisweg angeben, Verarbeiten der Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten zum Detektieren eines Defektzustandes, der wenigstens einem Rad des Radsatzes zugeordnet ist, Messen der Beschleunigung mittels eines Beschleunigungsmessersatzes, der drei zueinander senkrechte Achsen aufweist, wobei eine der drei zueinander senkrechten Achsen die vertikale Achse relativ zu dem Gleisweg ist, und Verarbeiten der von dem Beschleunigungsmesser gemessenen Beschleunigung, um den Beladungszustand des Fahrzeuges zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsdaten verarbeitet werden, um einen Defektzustand zu detektieren, der wenigstens einem Teil des Gleisweges zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der detektierte Defektzustand, der dem Satz von Schienenfahrzeugrädern zugeordnet ist, einen "Flachrad"-Zustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der detektierte Defektzustand, der dem Satz von Schienenfahrzeugrädern zugeordnet ist, einen Zustand von einem defekten Kugellager aufweist.