DE19852229A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufdeckung von Schäden an Schienenfahrzeugen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Aufdeckung von Schäden an SchienenfahrzeugenInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Aufdeckung von die Sicherheit des Fahrbetriebes beeinträchtigenden Schäden an Schienenfahrzeugen mit in Rahmen angeordneten Laufwerken, insbesondere an Hochgeschwindigkeitszügen mit Drehgestellen, wird zur sofortigen Erkennung von während des Fahrbetriebes auftretenden Schäden an den Laufwerken mittels Körperschallaufnehmer das Betriebsgeräusch in jedem Laufwerk permanent erfaßt und signaltechnisch auf signifikante Änderung überwacht. Dabei werden bevorzugt die Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer auf Periodizitäten geprüft, und bei Auftreten solcher Periodizitäten wird Schadenalarm ausgelöst.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Aufdeckung von die Sicherheit des Fahrbetriebes
beeinträchtigenden Schäden an Schienenfahrzeugen der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10 definierten Gattung.
Für die Sicherheit im Schienenverkehr ist es unerläßlich,
Schäden an Lokomotiven und Waggons, die zu erheblichen
Betriebsstörungen oder gar zu Unglücken mit Personengefährdung
führen können, rechtzeitig zu erkennen. Bislang führt man
hierzu Inspektionen, Wartungen und Kontrollen des Zugparks in
regelmäßigen Intervallen durch, wobei an sicherheitsrelevanten
Fahrzeugteilen, wie Laufwerken und Rädern, auch
Materialprüfungen vorgenommen werden, um Materialermüdungen,
Risse und dgl., die langfristig zu Schäden führen, rechtzeitig
zu entdecken. Trotz dieser regelmäßigen und intensiven
Kontrollen treten zwischen den Inspektionsintervallen Schäden
auf, die bis zur nächsten Inspektion unentdeckt bleiben und
eine erhebliche Gefahr für den Zugverkehr in sich bergen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem
bzw. der während des Fahrbetriebs an Schienenfahrzeugen
auftretende Schäden sofort erkannt werden, so daß der Fahrer
entsprechende Maßnahme, z. B. Zwangsbremsung, einleiten kann,
um eine Vergrößerung des Schadensausmaßes zu vermeiden.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale im Patentanspruch 1 bzw. 10
gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die
Laufwerke der Schienenfahrzeuge, insbesondere die Drehgestelle
von Höchstgeschwindigkeitszügen (das sind zwei- oder
dreiachsige, jeweils in einem Rahmen angeordnete Laufwerke,
die sich jeweils um einen im Fahrzeuguntergestell angebrachten
Drehzapfen drehen können) fortwährend und online überwacht
werden und dadurch an den Rädern oder Achslagern auftretende
Schäden sofort, d. h. unmittelbar mit Schadenseintritt,
auffällig werden, so daß entsprechende Konsequenzen vom Fahrer
des Zugs gezogen werden können. Durch die Messung des
Betriebsgeräusches mittels Körperschallaufnehmer, die
bevorzugt in den Rahmen der Laufwerke bzw. der Drehgestelle
angeordnet werden, werden Umwelteinflüsse, wie Regen, Schnee,
Vereisung, Fahrtwind u. dgl. weitgehend eliminiert. Als
Körperschallaufnehmer werden bevorzugt piezoelektrische oder
Quarzaufnehmer verwendet.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden zur Überwachung des Betriebsgeräusches auf
signifikante Änderungen die Ausgangssignale der
Körperschallaufnehmer fortlaufend auf Periodizitäten
abgeprüft, und bei Auftreten solcher Periodizitäten wird
Schadenalarm ausgelöst. Dieser Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß das Auftreten von mechanischen Unregelmäßigkeiten im
ansonsten gleichmäßigen Radlauf, z. B. Lagerschäden, Radbruch
oder Laufringbruch bei Rädern von Hochgeschwindigkeitszügen
(ICE), durch die Radrotation unmittelbar zu periodischen,
oberwellenhaltigen Schlaggeräuschen mit wesentlicher
Lautstärke führen, deren Grundfrequenzen je nach
Fahrgeschwindigkeit und Raddurchmesser etwa zwischen 1 und 38
Hz liegen. Solche Periodizitäten werden für jedes einzelne
Laufwerk bzw. Drehgestell separat erfaßt. Gemäß einer weiteren
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden hierzu
die Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer verstärkt,
tiefpaßgefiltert und in den Frequenzbereich transformiert.
Werden in den so erhaltenen Frequenzspektren ausgeprägte
Frequenzlinien detektiert, so wird Schadenalarm ausgelöst.
Alternativ oder zusätzlich zu der Abprüfung auf Periodizitäten
im Ausgangssignal der Körperschallaufnehmer wird auch der
Signalpegel der Ausgangssignale überwacht und bei
Überschreiten einer Pegelschwelle Schadenalarm ausgelöst. Auch
hiermit lassen sich mechanische Unregelmäßigkeiten im Laufwerk
erkennen; denn bei Auftreten der periodischen Schlaggeräusche
wird auch der Pegel des Körperschalls im Laufwerk erheblich
anwachsen.
Um die Falschalarmrate zu reduzieren, wird gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die
Auslösung des Schadenalarms erst bei Überschreiten einer
vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, z. B.
60 km/h, freigegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die signaltechnische Auswertung der
Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer in jedem Laufwerk
vorgenommen und nur der Schadenalarm über Signalleitungen in
den Fahrstand des Schienenfahrzeugs übertragen. Damit wird im
Fahrstand nicht nur grundsätzlich ein Schaden gemeldet,
sondern auch gleichzeitig das Laufwerk angezeigt, in dem der
Schaden auftritt. Zur Übertragung des Schadenalarms kann vom
Fahrstand zu jedem Laufwerk eine geeignete Zweidrahtleitung
verlegt werden. Kostensparender und für eine Nachrüstung von
Zügen geeigneter ist die Verwendung eines zum Fahrstand
verlegten Signalbusses, auf den alle an den Laufwerken
ausgelösten Schadenalarme laufwerkspezifisch aufmoduliert
werden.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Aufdeckung von die
Sicherheit des Fahrbetriebes beeinträchtigenden Schäden an
Schienenfahrzeugen mit in Rahmen angeordneten Laufwerken weist
mindestens einen im Rahmen eines jeden Laufwerks angeordnete
Körperschallaufnehmer auf, an dessen Ausgang ein Tiefpaß mit
Vorverstärkung und analoger Signalvorverarbeitung, ein Analog-
Digital-Wandler und ein FFT-Prozessor angeschlossen ist. Mit
dem FFT-Prozessor ist ein Frequenzliniendetektor mit
nachgeordneter Auswerteschaltung verbunden, die bei Detektion
mindestens einer Frequenzlinie ein Alarmsignal generiert.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Drehgestells eines
Schienenwaggons,
Fig. 2 ausschnittweise eine Draufsicht des
Drehgestells in Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines vergrößerten
Ausschnitts gemäß III in Fig. 1,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Aufdeckung von Schäden im Drehgestell gemäß
Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Drehgestell 10 eines Schienenwaggons in
Seitenansicht dargestellt. Das Drehgestell 10 hat ein in einem
Rahmen 11 angeordnetes, zweiachsiges Laufwerk und kann sich
um einen im hier nicht dargestellten Waggonuntergestell
angebrachten Drehzapfen drehen, der in einem Gleitlager 12 des
Rahmens 11 aufgenommen ist. Die beiden Radachsen 13 sind in
Achslagern 14 gelagert, die am Rahmen 11 über Achsfedern 15
und Achsdämpfer 16 abgestützt sind. Die mit den Radachsen 13
drehfest verbundenen insgesamt vier Räder sind mit 17
bezeichnet.
Wie die vergrößerte Schnittdarstellung gemäß Fig. 3 des
Ausschnitts III in Fig. 1 zeigt, ist am Rahmen 11 ein
Körperschallaufnehmer 20 angeordnet, der mittels seines
Gewindezapfens 201 in eine entsprechende Bohrung 18 im Rahmen
11 eingeschraubt ist. Das Vorsehen mehrerer
Körperschallaufnehmer pro Drehgestell ist möglich. Zum
Montieren des Körperschallaufnehmers 20 dient ein mit dem
Gewindezapfen 201 verbundener Sechskant 202 und zum
elektrischen Anschluß eine Ausgangsleitung 203. Der
Körperschallaufnehmer 20, der bevorzugt ein piezoelektrischer
Aufnehmer oder ein Quarzaufnehmer ist, erfaßt permanent das
Betriebsgeräusch im Drehgestell 10 während der Fahrt, indem er
die mechanischen Schwingungen an der Oberfläche des Rahmens 11
in analoge elektrische Signale umsetzt.
Mittels der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung wird nunmehr
das Betriebsgeräusch auf signifikante Änderungen überwacht,
indem die signifikanten Änderungen in den analogen
Ausgangssignalen des Körperschallaufnehmers 20 detektiert
werden. Im einzelnen weist hierzu die in Fig. 4 im
Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung einen Tiefpaß 21 mit
Vorverstärkung und analoger Vorverarbeitung, einen Analog-
Digital-Wandler 22 sowie einen FFT-Prozessor 23 auf, die in
der genannten Reihenfolge an der Ausgangsleitung 203 des
Körperschallaufnehmers 20 angeschlossen sind. Mit dem FFT-
Prozessor 23 ist ein Liniendetektor 24 mit nachgeordneter
Auswerteschaltung 25 verbunden. Das Ausgangssignal der
Auswerteschaltung 25 wird mittels eines Modulators 26 auf
einen Signalbus 27 aufmoduliert, der durch den ganzen Zug zu
dem Fahrstand 30 des Zugs verlegt und dort mit einem
Demodulator 31 verbunden ist. An dem Ausgang des Demodulators
31 ist der Steuereingang 321 eines elektronischen Schalters 32
gelegt, der im Stromkreis eines Alarmgebers, z. B. einer
Alarmlampe 33, angeordnet ist.
Mit dieser Vorrichtung werden die Sicherheit des Fahrbetriebs
beeinträchtigende Schäden am Drehgestell 10 nach folgendem
Verfahren detektiert:
Die vom Körperschallaufnehmer 20 gelieferten Ausgangssignale
werden permanent auf Periodizitäten abgeprüft und bei
Auftreten solcher Periodizitäten wird Schadenalarm ausgelöst,
indem ein Alarmsignal über den Bus 27 zu dem Fahrstand 30
übertragen wird, das dort die dem Drehgestell 10 zugeordnete
Alarmlampe 33 einschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann der
Schaden auch akustisch im Fahrstand 30 angezeigt bzw. hörbar
gemacht werden. Hierzu werden die Ausgangssignale des
Körperschallaufnehmers 20 verstärkt, tiefpaßgefiltert und nach
Analog-Digital-Wandlung im A/D-Wandler 22 im FFT-Prozessor 23
in den Frequenzbereich transformiert. Die von diesem
ausgegebenen Frequenzspektren werden mittels des
Liniendetektors 24 auf Vorhandensein von ausgeprägten
Frequenzlinien geprüft und bei Vorhandensein solcher
Frequenzlinien ein entsprechendes Signal an die
Auswerteschaltung 25 gegeben. Der Auswerteschaltung 25 wird
die momentane Fahrgeschwindigkeit u des Waggons zugeführt. Die
Auswerteschaltung 25 vergleicht diese Momentangeschwindigkeit
mit einem Vorgabewert, z. B. 60 km/h. Wird dieser Vorgabewert
überschritten, so generiert die Auswerteschaltung 25 aufgrund
des Detektionssignal des Liniendetektors 24 das Alarmsignal,
das von dem Modulator 26 mit einer für das Drehgestell 10
spezifischen Kennung auf den Bus 27 aufmoduliert wird. Das
Alarmsignal wird im Demodulator 31 demoduliert und führt zur
drehgestellspezifischen Einschaltung der Alarmlampe 33 im
Fahrstand 30.
Zusätzlich kann der breitbandige Signalpegel des
Ausgangssignales des Körperschallaufnehmers 20 überwacht
werden, da auch dieser Pegel Hinweise auf Schädigungen im
Drehgestell 10 liefert. Der Signalpegel wird dabei mit einer
recht hoch gelegten Pegelschwelle verglichen, und wird die
Pegelschwelle überschritten, so wird Schadenalarm ausgelöst.
Hierzu ist in der Vorrichtung der Ausgang des Tiefpasses 21 an
einem Schwellwertschalter 28 angeschlossen, dessen
Ausgangssignal ebenfalls dem Modulator 26 zugeführt ist, so
daß das von dem Schwellwertschalter 28 erzeugte Alarmsignal in
vergleichbarer Weise über den Bus 27 in den Fahrstand 30
gelangt und dort Alarm auslöst.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, das Drehgestellgeräusch
dem Fahrzeugführer im Fahrstand 30 akustisch hörbar zu machen,
damit dieser aufgrund seiner Erfahrung die Störung selbst
beurteilen kann. Hierzu werden die Ausgangssignale des
Tiefpasses 21 über den Modulator 26 auf den Bus 27 in
geeigneter Weise aufmoduliert, durch den Demodulator 31 vom
Bus 27 abgenommen und über ein Torglied 34 einem Lautsprecher
35 zugeführt. Um nur die Drehgestellgeräusche bei Auftreten
von Unregelmäßigkeiten hörbar zu machen, wird das Torglied 34
von dem von der Auswerteschaltung 25 oder dem
Schwellwertschalter 28 ausgegebenen Alarmsignal gesteuert,
d. h. bei Auftreten des Alarmsignals geöffnet. Hierzu ist der
Steuereingang 341 des Torglieds 34 in vergleichbarer Weise wie
der Steuereingang 321 des elektronischen Schalters 32 an den
Ausgang des Demodulators 31 angeschlossen. Jedem Drehgestell
10 eines Waggons ist der Teil der Vorrichtung zugeordnet, der
in Fig. 4 links dargestellt ist. Bei Zusammenstellung mehrerer
Waggons zu einem Zug erhalten alle Drehgestelle 10 des Zugs
eine solche Vorrichtung, die alle an einem zum Fahrstand 30
verlaufenden Bus 27 angeschlossen sind. Entsprechend der
Anzahl der im Zug vorhandenen Drehgestelle 10 ist im Fahrstand
30 eine gleiche Anzahl von Alarmlampen 33 und ein Lautsprecher
35 vorhanden, die alle an dem einen Demodulator 31
angeschlossen sind.
Claims (13)
1. Verfahren zur Aufdeckung von die Sicherheit des
Fahrbetriebes beeinträchtigenden Schäden an
Schienenfahrzeugen mit in Rahmen angeordneten Laufwerken,
insbesondere an Hochgeschwindigkeitszügen mit
Drehgestellen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels
Körperschallaufnehmer (20) das Betriebsgeräusch in jedem
Laufwerk (10) permanent erfaßt und signaltechnisch auf
signifikante Änderungen überwacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer (20) auf
Periodizitäten abgeprüft werden und bei Auftreten solcher
Periodizitäten Schadenalarm ausgelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer (20)
verstärkt, tiefpaßgefiltert und in den Frequenzbereich
transformiert werden, und daß bei Vorhandensein von
ausgeprägten Frequenzlinien in dem Frequenzspektren
Schadenalarm ausgelöst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Signalpegel der Ausgangssignale
überwacht und bei Überschreiten einer Pegelschwelle
Schadenalarm ausgelöst wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auslösung des Schadenalarms erst
bei Überschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs freigegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die signaltechnische Auswertung der
Ausgangssignale der Körperschallaufnehmer (20) in jedem
Laufwerk (10) vorgenommen und der Schadenalarm über
Signalleitungen in den Fahrstand (30) des Fahrzeugs
übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Signalleitungen Zweidrahtleitungen verwendet werden,
die von dem Fahrstand (30) zu jedem Laufwerk (10) verlegt
werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
als Signalleitungen ein zum Fahrstand (30) verlegter Bus
(27) verwendet wird, auf den alle an den Laufwerken (10)
ausgelösten Schadenalarme laufwerkspezifisch aufmoduliert
werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch
gekennzeichnet, daß mit Auslösen eines Schadenalarms die
Betriebsgeräusche des schadhaften Laufwerks (10) im
Fahrstand (30) zwangsweise hörbar gemacht werden.
10. Vorrichtung zur Aufdeckung von die Sicherheit des
Fahrbetriebes beeinträchtigenden Schäden an
Schienenfahrzeugen mit in Rahmen (11) angeordneten
Laufwerken (10), insbesondere an
Hochgeschwindigkeitszügen mit Drehgestellen, dadurch
gekennzeichnet, daß im Rahmen (11) eines jeden Laufwerks
(10) mindestens ein Körperschallaufnehmer (20) angeordnet
ist, daß dem Ausgang eines jeden Körperschallaufnehmers
(20) ein Tiefpaß (21) mit Vorverstärkung und analoger
Signalvorverarbeitung, ein Analog-/Digital-Wandler (22)
und ein FFT-Prozessor (23) nachgeschaltet ist und daß mit
dem FFT-Prozessor (23) ein Liniendetektor (24) mit
nachgeordneter Auswerteschaltung (25) verbunden ist, die
bei Detektion mindestens einer Frequenzlinie ein
Alarmsignal generiert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Tiefpaßausgang über ein Torglied (34) mit einem im
Fahrstand (30) des Fahrzeugs angeordneten Lautsprecher
(35) verbunden ist und daß das Torglied (34) von dem
Alarmsignal geöffnet wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß in jedem Laufwerk (10) ein Modulator
(26) eingangsseitig an dem Ausgang der Auswerteschaltung
(25) und ausgangsseitig an einem zum Fahrstand (30) des
Fahrzeugs verlaufenden Bus (27) angeschlossen ist und daß
am fahrstandseitigen Ende des Busses (27) ein Demodulator
(31) angeschlossen ist, der ausgangsseitig mit einem
einen Alarmgeber (33) schaltenden Steuerglied (32)
verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Eingang des Modulators (26)
zusätzlich an dem Ausgang des Tiefpasses (21)
angeschlossen ist und daß der Ausgang des Demodulators
(31) mit dem Signaleingang und dem Steuereingang (341)
des Torglieds (34) verbunden ist.
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