DE19909640C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Bereichs technischer Rollkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Bereichs technischer Rollkörper, insbesondere deren Unterlagen wie Schienen eines Rad-Schienen- Systems oder Lager, bei welchem an den technischen Rollkörpern, insbesondere an deren Unterlagen, angeordnete Wandler durch die dort auftretenden Kräfte elektrische Energie erzeugen, um dadurch Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, im Bereich der technischen Rollkörper zu detektieren und von dort an eine elektrische Kontroll- und Auswertestation zu signalisieren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierzu gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Ein solches Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie im Bereich bewegter technischer Rollkörper ist aus der DE 43 35 776 A1 bekannt, wobei die die Rollreibung verursachenden anelastischen Deformationen und die hierbei auftretenden Kräfte im Bereich der Lager- bzw. Abwälzpunkte der Rollkörper periodisch auf elektromechanische Wandler übertragen und hierdurch zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden. Es werden die durch Abrollen der Rollkörper in deren Bereich eingeleiteten Impulse mit dort angeordneten Sensoren erfaßt, um damit elektrische Energie zu erzeugen und allgemein Zustandsänderungen zu detektieren. Ebenso dient die Vor­ richtung zum Überwachen technischer Rollkörper mittels einer Kontroll- und Auswerteeineinrichtung für technische Geräte, wobei aus der elektrischen Energie die Abrolleigenschaften der technischen Rollkörper abgeleitet werden, so daß bei auftretenden Abweichungen dieser elektrischen Energie entspre­ chende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden können. Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie an rollenden technischen Körpern, wobei diese mittels einer Kontrolleinrichtung permanent überwachbar sind, sind in den Wirkungsbereichen der periodisch wechselnden Rollreibungskräfte von techni­ schen Rollkörpern und/oder deren Unterlagen elektromechanische Wandler angeordnet. Die Kräfte werden auf Wandler übertragen und hierbei in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Abrolleigenschaften technischer Rollkörper aus dieser elektrischen Energie, zusätzlich oder für sich, abzuleiten sind und hierdurch an einer entsprechenden Einrichtung kontrolliert werden können.

Durch die DE 35 36 474 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Reibmomentes eines Meßlagers bekanntgeworden, bei dem man einen Lagerring des Meßlagers mit konstanter Drehzahl dreht, während man den anderen Lagerring über einen Meßkopf mit einer als Kraftaufnehmer wirkender Feder verbindet, wobei der Kraftaufnehmer ein Signal als Maß für das Reibmoment des Meßlagers erzeugt und die Bewegung des Meßkopf-Kraftaufnehmersystems möglichst wenig dämpft. Zur Kalibrierung der gesamten Meßeinrichtung wird das Meßlager durch ein Luftlager ersetzt, wobei man bei dieser Luftlageranordnung ein der Feder­ verformung proportionales Signal und ein der Meßkopfbeschleunigung proportio­ nales Signal erzeugt und daraus ein weiteres Signal ableitet. Bei der Reibmoment­ messung des Meßlagers werden anschließend die gewonnenen Signale summiert, wobei das Ergebnis ein Maß für das auftretende Reibmoment ist.

Durch die US 3,137,162 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Material­ prüfung von Gegenständen zwecks Rißerkennung durch Ultraschall bekannt geworden, wobei ein Übertrager von Ultraschallwellen, vornehmlich ein Piezo- Element, in eine feste, kraftschlüssige Verbindung zu einem stationär zu überprüfenden, im Ruhezustand befindlichen Körper gebracht wird. Die Meßkörper werden ausschließlich an solchen Stellen eingesetzt, an welchen bereits standardmäßig vergleichbare mechanische, hier einschraubbare Konstrukte, am zu überprüfenden Körper vorhanden sind. Aufgrund der Reflexionen der vorübergehend eingebrachten Meßkörper sollen Rückschlüsse auf den Materialzustand des Körpers gezogen werden. Das Verfahren stellt ein stationäres Meßverfahren dar; zur Durchführung der Messungen ist keinerlei Bewegung im zu bemessenen System vorgesehen. Dabei können allerdings Aussagen über den bemessenen Körper nur dann getroffen werden, wenn die Messungen in einer Zeitreihe miteinander verglichen werden, um dann erst Rückschlüsse auf Veränderungen des Körper seit der letzten Messung bei erneuter Messung ziehen zu können.

Durch die US 5,386,727 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen und zerstörungsfreien Messung von longitudinalen Spannungen in einem endlos verlegten Schienenstrang mittels Ultraschall bekannt geworden unter Zugrundelegung eines Idealzustandes im Vergleich mit dem aktuellen Zustand. Eine Signalfolge wird in den Meßkörper eingespielt, welche sich unter bestimmten Voraussetzungen in bekannter Weise verhält. Mit Feststellung von Veränderungen dieser Signalfolge nach dem Durchdringen einer definieren Strecke innerhalb des Prüfkörpers werden Rückschlüsse auf die Veränderungen des Körpers gezogen, welche charakteristisch ursächlich für Änderungen an der Signalfolge sind. Durch Kategorisierung der Ursachen in Form einer Datenbank sowie durch Soll-Ist-Vergleich kann entschieden werden, ob die festgestellten Signalveränderungen auf einen für die Funktionalität des Körper kritische Veränderung desselben hinweisen, so dass geeignete Maßnahmen zur Vermeidung von Folgeschäden eingeleitet werden können. Das System muß sich allerdings einer Fülle von Hilfssystemen in einer Hilfsumgebung bedienen um sicher zu stellen, daß die Einflußfaktoren der Hilfskonstruktion auf die Veränderungen der eingebrachten Testsignalfolge zu jedem Zeitpunkt der Messung konstant bleiben.

Des Weiteren ist durch die DE 40 13 978 A1 ein Verfahren bekannt geworden, wie mit frequenzmodulierten Ultraschallschwingungen Informationen über mecha­ nisch sich bewegende Baugruppen und Lager als serielle Daten übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein solches Verfahren und eine Vor­ richtung weiterzuentwickeln, dass im Bereich der technischen Rollkörper auf­ tretende Zustandsänderungen mit Sensoren detektiert werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In vorteilhafter Weise kann somit der Bereich der technischen Rollkörper, ins­ besondere die Unterlage, beispielsweise eine Schiene, auf Zustandsänderungen überwacht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, daß zumindest einer der im Bereich der technischen Rollkörper als Wandler arbeitenden Sensoren mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und dabei in dessen Unterlage auswertbare Impulse als Aktorsensor einleitet, so daß mit den im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten weiteren Sensoren auswertbare elektrische Impulse erfaßt werden können, aus deren Auswertung Zustands­ änderungen abgelesen werden können und dadurch dieser Bereich zu überwachen ist. Die Versorgung des Aktorsensors mit elektrischer Energie kann dabei vermittels einer beliebigen Energiequelle, die beispielsweise von einer Kontroll- und Auswertestation aktiviert wird, erfolgen.

Das Einleiten der Impulse in den Bereich technischer Rollkörper wird dadurch erzielt, daß der mit elektrischer Energie angeregte Aktor des als Impulssender arbeitenden Wandlers auswertbare Impulse, z. B. mechanische Wellen, in dessen Unterlage, zum Beispiel eine Schiene, einleitet und dadurch mit den im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten Wandlern die Impulse zu erfassen sind. Somit lassen sich mit den Sensoren im Bereich technischer Rollkörper Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, detektieren und signalisieren.

Dabei werden als Aktorsensoren elektromechanische Wandler eingesetzt, die an deren Unterlage Impulse erfassen und die mit elektrischer Energie beaufschlagt als Aktorsensoren, bzw. Generatoren, entsprechende Impulse, beispielsweise elastische Wellen, an der Unterlage zu erzeugen, bzw. solche Impulse komplementär von dort zu signalisieren in der Lage sind. Die Abstände und die Leistungen der als Aktoren arbeitenden, bzw. als Wandler arbeitenden Sensoren sind von den zu überwindenden Strecken, bzw. den notwendigen Intensitäten zur Übertragung der Impulse an/in deren Unterlagen abhängig und können vorab ermittelt werden.

Prinzipiell lassen sich baugleiche oder unterschiedliche Wandler sowohl als Impulsempfänger, als auch als Impulssender im Bereich der technischen Roll­ körper beabstandet betreiben und dadurch mechanische, bzw. elektromag­ netische Wellen in die Unterlage der Aktorsensoren einleiten. Sämtliche Wirkleistungen, bzw. Übermittlungen der notwendigen Ein-, Ausgangs- und Prüfsignale von bzw. zu den Aktorsensoren, bzw. den Wandler können in herkömmlicher Art, z. B. vermittels galvanischer Elemente - wie Kabel etc. -, und/oder, zumindest teilweise, drahtlos durchgeführt werden, dabei kann auf die Montage herkömmlicher Übertragungselemente verzichtet werden. Als Wand­ lersensoren werden dazu beispielsweise Piezosensoren vorgeschlagen, deren schwingungsbewegten Teile als Aktoren bei der jeweiligen Hubumkehr die Unterlage technischer Rollkörper berühren bzw. einen Impulshammer betreiben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Unterlagen techni­ scher Rollkörper, wie Schienen eines Rad-Schienen-Systems oder Lager, mit Wandlern, die an der Unterlage angeordnet sind und in derselben auftretende Kräfte erfassen, um elektrische Energie zu erzeugen und elektrische Impulse an eine elektrische Kontroll- und Auswertestation zu signalisieren, mittels derselben Zustandsänderungen des überwachten Bereichs, wie Material- und Trennschäden, detektiert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der an der Unterlage oder am technischen Rollkörper angeordneten Wandler mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist und dabei der Wandler als Impulssender Impulse in die Unterlage einleitet, die von den als Impulsempfänger arbeitenden Wandlern an der Unterlage als auswertbare Impulse erfassbar und von dort als elektrische Impulse an die Kontroll- und Auswertestation signalisierbar sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren zuverlässig und kostengünstig der Bereich tech­ nischer Rollkörper auf Material- und Trennschäden überwacht werden können, im Besonderen Fahrzeugschienen für Hochgeschwindigkeitsbahnen. Die mit den als Impulssender arbeitenden Aktorsensoren eingeleiteten Impulse können auf einen bekannten, zum Beispiel durch Messung, vorab ermittelten Sollwert ausgelegt sein. Bei einer Abweichung des ankommenden Ist-Werts der Impulse an den als Impulsempfänger arbeitenden Sensoren von dem bekannten Wert können dadurch Rückschlüsse auf das Ausmaß der im Bereich der Unterlage technischer Rollkörper eingetretenen bzw. dort beginnenden Schäden gezogen werden, und zwar bei einer Kontrollmessung vor Auswirkungen von Schäden und unabhängig von der Bewegung des Rollkörpers.

Die Auswertung mechanischer, bzw. elektromagnetischer Impulse von solchen Aktorsensoren (Wandlersysteme) hin zu einer Kontroll- und Auswertestation, welche stationär, bzw. mobil als solche arbeiten kann, erfolgt vermittels dazu geeigneter Vorrichtungen und kann funkgesteuert, vermittels Oszilloskop, bzw. rechnergesteuert erfolgen. Bekannt ist es, dass insbesondere piezoelektrische Sensoren reziprok als Aktor und Sensor arbeiten können, weshalb darauf hier nicht näher eingegangen ist. Unter Aktorsensoren sind sämtliche Wandler systeme zu verstehen deren schwingungsbewegten Teile als Aktor, z. B. als Impulshammer, arbeiten können bzw. die einen solchen Impulshammer unmit­ telbar antreiben können und die zusätzlich, oder für sich auswertbare Impulse (Kräfte) an deren Unterlage erfassen, bzw. signalisieren können oder durch Impulsecho zu arbeiten in der Lage sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 die gestreckte Unterlage als Bereich eines technischen Rollkörpers in Aufsicht, mit einem an der Unterlage angeordneten Sensor

Fig. 2 die gestreckte Unterlage als Bereich eines technischen Rollkörper in Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Modul arbeitenden Aktorsensor und

Fig. 3 eine weitere gestreckte Unterlage in Seitenansicht, auf der sich ein technischer Rollkörper 7 bewegt.

Fig. 1 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schiene 1, als Bereich eines (nicht gezeigten) technischen Rollkörpers in Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Aktor arbeitenden Sensor 2, wie Impulsgeber-Impulsempfänger 2 bzw. Wandler 2, der von einer Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5a beaufschlagt wird. Dadurch leitet der Wandler 2 physikalisch auswertbare Impulse 5b in die Unterlage 1 ein, die von einem ebenfalls als Wandler arbeitenden Sensor 3, wie Prüfsignalempfänger 3 oder Impulsgeber- Impulsempfänger 3, an bzw. in dieser Unterlage 1 erfaßt und von dort als elektrische Signale 5c an eine Kontroll- und Auswertestation signalisiert werden, beispielsweise galvanisch gekoppelt oder mittels einer Funkstrecke. Die empfangende Kontroll- und Auswertestation kann mit der Kontroll- und Aus­ wertestation 6 identisch sein kann. Wandler 2 und Wandler 3 können ebenfalls gleich aufgebaut sein.

Fig. 2 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schiene 1, als Bereich eines (nicht gezeigten) technischen Rollkörpers in Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Modul arbeitenden Aktorsensor 4 oder Wandler 4, der von einer Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5a beaufschlagt als Sender Impulse 5b in die Unterlage 1 einleitet und gleichzeitig als Empfänger sämtliche an der Unterlage 1 abnehmbaren Impulse 5b erfaßt und diese als elektrische Signale 5c an eine Kontroll- und Auswertestation übermittelt, wobei die empfangende Kontroll- und Auswertestation wiederum mit der sendenden Kontroll- und Auswertestation 6 identisch sein kann.

Fig. 3 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schienenstrecke 1, auf der sich ein technischer Rollkörper 7, wie Fahrzeugrad 7, bewegt in Seitenansicht, an dem Impulssender 8, wie Prüfsignalsensoren 8, vorzugsweise peripher, angeordnet sind. Von einer Kontroll- und Auswertestation 6, die mit dem Rollkörper 7 in Zusammenhang steht und beispielsweise von diesem getragen wird, kann elektrische Energie in Form von Impulsen 5a einen an bzw. in der Unterlage 1 befindlichen Impulsgeber-Impulsempfänger 2 bzw. Wandler 2 aufgegeben werden, der seinerseits Impulse 5b in die Unterlage 1 einleitet, die an einen weiteren an bzw. in der Unterlage 1 befindlichen Wandler 3 geleitet, von diesem aufgenommen und als elektrische Signale 5c an die Kontroll- und Auswertestation 6 übertragen werden. Wandler 2 und Wandler 3 können wiederum gleich aufgebaut sein.

Gleichermaßen ist es möglich, dass Signale von der Kontroll- und Auswertestation 6 den Prüfsignalsensoren 8 innerhalb des Rollkörpers 7 aufgegeben werden; zum Beispiel leitet die Kontroll- und Auswertestation 6 elektrische Energie in die Prüfsignalsensoren 8, die ihrerseits auswertbare Impulse 5a' in den Wandler 2 einleiten, der wiederum Signale 5b aussendet, die sich in der Unterlage 1 ausbreiten und vom Wandler 3 aufgenommen und entweder als Signal 5c direkt an die Kontroll- und Auswertestation 6 oder als Signal 5c' an die Prüfsignalsensoren 8 geleitet werden, die ihrerseits die Signale an die Kontroll- und Auswertestation 6 weiterleiten bzw. übermitteln. Die Impulse können dabei von bzw. zu der Kontroll- und Auswertestation 6 drahtlos übertragen werden, wobei die stationäre Kontroll- und Auswertestation 6, bzw. auch eine mobile Kontroll- und Auswertestation zumindest teilweise eine durch Funktechnik betriebene sein kann.

Prinzipiell werden die Impulse des Wandlers 2, die von diesem nach seiner Erregung in die Unterlage 1 eingeleitet werden, vom Wandler 3 nach dem Durchlaufen der Impulse über eine bestimmte Strecke an bzw. in der Unterlage 1 detektiert und von dort bzw. vom Wandler 3 an eine stationäre bzw. mobile Kontroll- und Auswertestation 6 signalisiert.

Gleichermaßen kann der von der Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5 beaufschlagte Impulssender 8 Impulse an der Unterlage 1 erzeugen, die von den Wandlern 2, 3 übertragen und ausgewertet werden können und die wiederum auch von den Impulssendern 8 empfangen und zur Kontroll- und Auswertestation 6 weitergeleitet werden können.

Die Erfindung ist insbesondere im Bereich technische Rollkörper, beispielsweise Lager, Walzen etc., im Besonderen an deren Unterlagen und hier im Besonderen an den gestreckten Unterlagen von Rad-Schienensystemen gewerblich anwendbar, wobei das Radfahrzeug selbst die Kontroll- und Auswertestation sein kann. Ebenso ist die Erfindung auch an nicht direkt erdgebundenen Schienensystemen anwendbar, z. B. zum Überwachen von Schienen für Hochbaubahnen, beispiels­ weise Schwebebahnen entsprechend.

Claims (7)

1. Verfahren zum Überwachen eines Bereichs technischer Rollkörper (7), insbe­ sondere deren Unterlagen (1) wie Schienen eines Rad-Schienen-Systems oder Lager, bei welchem an den technischen Rollkörpern (7), insbesondere an deren Unterlagen (1), angeordnete Wandler (2, 3, 4) durch die dort auftretenden Kräfte elektrische Energie erzeugen, um dadurch Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, im Bereich der technischen Rollkörper zu detektieren und von dort an eine elektrische Kontroll- und Auswertestation (6) zu signalisieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der im überwachten Bereich der technischen Rollkörper (7) angeordneten Wandler (2, 3, 4) aktiv mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und dabei der Wandler (2, 3, 4) als Impulssender auswertbare Impulse in seine Unterlage (1, 7) einleitet, wobei von den im Bereich der technischen Rollkörper (7), insbesondere von den im Bereich der Unterlage (1), angeordneten Wandlern (2, 3, 4) auswertbare Impulse erfaßt und an die Kontroll- und Auswerte­ einrichtung (6) übermittelt werden und dadurch der Bereich der technischen Rollkörper auf Zustandsänderungen überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (2, 3, 4) zumindest teilweise mit der Kontroll- und Auswer­ testation (6) drahtlos korrespondiert, zum Beispiel funktechnisch, wobei die Wandler solche sind, die entweder mechanische oder elektromagnetische Wellen in die Unterlage (1) einleiten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Impulssender arbeitenden Wandler (2, 3, 4) von der elektrischen Kontroll- und Auswertestation (6) mit elektrischer Energie versorgt werden.

4. Vorrichtung zum Überwachen eines Bereichs technischer Rollkörper (7), insbe­ sondere deren Unterlagen (1) wie Schienen eines Rad-Schienen-Systems oder Lager, bei welchem an den technischer Rollkörpern (7), insbesondere an deren Unterlagen (1), Wandler (2, 3, 4) angeordnet sind, welche durch dort auftretenden Kräfte elektrische Energie erzeugen, um dadurch Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, im Bereich der technischen Rollkörper zu detektieren und von dort an eine elektrische Kontroll- und Auswertestation (6) zu signalisieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der im überwachten Bereich der technischen Rollkörper (7) angeordneten Wandler (2, 3, 4) aktiv mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist und dabei der Wandler (2, 3, 4) als Impulssender auswertbare Impulse in seine Unterlage (1, 7) einleitet, die von den als Impulsempfänger (2) arbeitenden, an den technischen Rollkörpern (7), insbesondere an der Unterlage (1), angeordneten Wandlern (2, 3, 4) als auswertbare Impulse erfassbar und von dort als elektrische Impulse an die Kontroll- und Auswertestation (6) signalisierbar sind und dadurch der Bereich der technischen Rollkörper auf Zustands­ änderungen überwachbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem der Wandler (2, 3, 4) eine Funkeinrichtung zugeordnet ist, welche drahtlos mit der Kontroll- und Auswertestation (6) korrespondiert, wobei die Wandler solche sind, die entweder mechanische oder elektromagnetische Wellen in die Unterlage (1) einzuleiten imstande sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontroll- und Auswertestation (6) die als Impulssender arbeitenden Wandler (2, 3, 4) mit elektrischer Energie versorgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage eine Schiene und der technische Rollkörper ein Fahrzeugrad sind, wobei sowohl am Fahrzeugrad als auch an der Schiene Wandler als Impulssender und/oder Impulsempfänger angeordnet sind und die Kontroll- und Auswertestation (6) vom Fahrzeugrad getragen ist.