DE19913127C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs, wobei ein Rad des Schienenfahrzeugs wäh­ rend des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs einer Messung mit Wirbelstrom unterzogen wird und wobei Wirbel­ strommesssignale zur Überwachung des Radzustandes ausgewertet werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs mit einem Wirbelstrommesskopf, umfas­ send einen ersten Wirbelstromsensor, der derart am Fahrge­ stell des Schienenfahrzeugs angebracht ist, dass in einer Verschleißzone eines Rades des Schienenfahrzeugs Wirbelströme induzierbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Rad eines Schienenfahrzeugs, an dem insbesondere ein solches Verfahren durchführbar ist.

Beim Betrieb eines Schienenfahrzeugs können aufgrund der Wechselwirkung zwischen Rädern, Schiene und Bremssystem an den Rädern oder Radsätzen Veränderungen oder Zustände eintre­ ten, die den sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs beein­ trächtigen können. Beispielsweise kann es durch Abrieb zu Veränderungen der Abmessungen, zu einer Veränderung des Werk­ stoffzustands und/oder zu einer Verschlechterung der Oberflä­ chenqualität, insbesondere auf der Lauffläche oder am Spur­ kranz der Räder, kommen. Im ungünstigsten Fall können sicht­ bare oder verdeckte Risse entstehen, die die Betriebssicher­ heit der Räder oder Radsätze erheblich reduzieren.

Zur Kontrolle des Zustands der Räder und Radsätze erfolgen in regelmäßigen Abständen Inspektionen oder Überprüfungen in In­ standsetzungswerken.

Hierzu ist es beispielsweise aus der DD 253 677 A1 bekannt, einen thermischen Schädigungszustand eines Eisenbahnrads mit­ tels magnetinduktiver Wirbelstromprüfung nach dem Tastspul­ verfahren festzustellen. Dieses Verfahren erlaubt die Über­ prüfung der Eisenbahnräder sowohl im montierten als auch im demontierten Zustand.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß trotz der genannten re­ gelmäßigen Inspektionen Radbrüche, Radscheibenbrüche oder Ausbrüche am Rad auftreten können, die zu großen Sach- und Personenschäden führen.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren anzugeben, mit dem die Sicherheit des schienengebunde­ nen Verkehrs erhöht wird. Hierzu soll auch eine Vorrichtung und ein Rad angegeben werden.

Die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, wird gemäß der Erfin­ dung dadurch gelöst, dass die Radstellung kontinuierlich er­ mittelt wird und zur Überwachung des Radzustands ein Satz von Wirbelstrommesssignalen, die bei unterschiedlichen Radstel­ lungen erhalten wurden, gebildet wird und dass der Satz über mehrere Umdrehungen des Rades gemittelt wird.

Als Radstellung bezeichnet man die Winkelstellung oder den Drehwinkel des Rades ausgehend von einer Ausgangsposition des Rades und bezüglich der Achse des zugehörigen Radsatzes. Durch die Ermittlung der Radstellung ist es möglich, einen bei der Auswertung der Wirbelstrommesssignale detektierten Störungszustand einer azimutalen Position am Rad zuzuordnen.

Die während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs ermittelten Wirbelstrommesssignale sind zum Beispiel durch Unregelmä­ ßigkeiten des Rades und der Schiene oder durch stochastische Einflüsse verrauscht. Dieses statistische Rauschen wird durch die Mittelwertbildung unterdrückt, wogegen sich periodisch wiederholende Signale vorteilhaft hervorgehoben werden.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung findet also eine Messung mit Wirbelstrom während des alltäglichen Fahrens des Schie­ nenfahrzeugs im Güter- und/oder Personenverkehr statt. Die Überprüfung des Schienenfahrzeugs ist also nicht mehr nur auf die stationäre Inspektion in einem Instandhaltungswerk be­ schränkt. Es kann vielmehr eine ständige Überprüfung des Rads stattfinden, so daß Schäden sehr frühzeitig erkennbar sind. Dies ist insbesondere im Bereich des Eisenbahn-Hochgeschwin­ digkeitsverkehrs von Bedeutung, bei dem Rad und Schiene sehr hohen Belastungen unterliegen.

Die Messung mit Wirbelstrom ist einfach durchführbar und mit robusten Geräten aufbaubar, so daß diese Art der Radüberwa­ chung mit besonderem Vorteil für die Überwachung während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs geeignet ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Wirbelstrom-Meßsignale kontinuierlich, beispielsweise un­ mittelbar nach ihrer Erfassung, einer ersten Auswerteeinheit im Schienenfahrzeug und/oder einer zweiten Auswerteeinheit in einem stationären Leitstand zugeführt. Es findet also zum Beispiel nicht nur die Meßdatenerfassung "online" während des be­ triebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs statt, sondern auch "online" deren Auswertung. Dadurch ergibt sich der Vor­ teil, daß das Zeitintervall zwischen zwei stationären Inspek­ tionen besonders lang gemacht werden kann und im Grenzfall auf in festen Zeitintervallen stattfindende, stationäre In­ spektionen nahezu ganz verzichtet werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß kontinuierlich quanti­ fizierbare Informationen über den Verschleißzustand von Rä­ dern und Radsätzen des Schienenfahrzeugs gewonnen werden kön­ nen, so daß eine optimierte, zustandsorientierte Instandset­ zung erfolgen kann. Die Nutzungsdauer von Rädern und Radsät­ zen kann dadurch in vorteilhafter Weise optimiert werden.

Von Vorteil ist außerdem, daß bei einer Instandsetzung des Schienenfahrzeugs keine Zeit mehr für die Ermittlung der Rad­ zustände verloren geht, da die diesbezügliche Information be­ reits während des Betriebs des Schienenfahrzeugs gesammelt wurde.

Die Ermittlung der Radstellung kann beispielsweise mittels einer optischen Abtastung des Rads, insbesondere mittels der Abtastung einer Markierung am Rad, erfolgen.

Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Radstellung Wirbel­ strom-Meßsignale ausgewertet. Dadurch, daß zur Überwachung des Radzustands einerseits und zur Ermittlung der Radstellung andererseits das gleiche Meßprinzip verwendet wird, ist das Verfahren in dieser Ausgestaltung mit besonders geringem Auf­ wand durchführbar.

Besonders bevorzugt wird zur Ermittlung der Radstellung eine am Rad angebrachte Markierung mit Wirbelstrom beaufschlagt. Die Markierung ist insbesondere eine solche Markierung, die ausschließlich der Ermittlung der Radstellung dient.

Beispielsweise weist die Markierung wenigstens eine Ausneh­ mung oder Anformung am Rad auf. Die Ausnehmung oder Anformung ist beispielsweise nicht entlang einer vollständigen Umfangs­ linie um das Rad ausgedehnt, oder aber es sind mehrere, von­ einander beabstandete Ausnehmungen oder Anformungen am Rad vorhanden, so daß eine Information über eine Drehbewegung des Rads mit Hilfe der genannten Markierung ermittelbar ist.

Nach einer anderen Ausgestaltung weist die Markierung wenig­ stens eine Stelle mit einem Material auf, dessen magnetische Permeabilität sich von der des Rads unterscheidet. Beispiels­ weise ist das Material in die Ausnehmung oder in wenigstens eine der Ausnehmungen eingebettet.

Vorzugsweise wird die Messung mit Wirbelstrom bei Überschrei­ ten einer oberen und/oder bei Unterschreiten einer unteren Grenzgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs unterbrochen.

Beispielsweise während eines Stillstands des Zuges in einem Bahnhof oder dergleichen fallen nämlich nicht ausreichend Da­ ten an, so daß es zweckmäßig ist, die Messung zu unterbre­ chen. Andererseits zeigt sich bei sehr großen Geschwindigkei­ ten ein stark überhand nehmendes Rauschen. Außerdem gibt es eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit, bis zu der sub-milli­ meter große Störungen (< 1 mm) am Rad noch einwandfrei aufge­ löst werden können, so daß es auch aus diesem Grund sinnvoll ist, die Messung bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu unter­ brechen.

Mit dem Verfahren sind unterschiedliche, den Radzustand be­ einflussende Parameter überwachbar.

Gemäß einer ersten diesbezüglichen Ausgestaltung des Verfah­ rens werden die Wirbelstrom-Meßsignale zur Ermittlung einer lokalen Störung am Rad, insbesondere eines Risses, eines Aus­ bruchs oder einer Veränderung des Werkstoffgefüges, ausgewer­ tet.

Bei einer zweiten Ausgestaltung werden die Wirbelstrom-Meß­ signale zur Ermittlung des Rundlaufs des Rads ausgewertet. Beispielsweise wird eine nicht tolerierbare Unrundheit (Ab­ weichung von Kreisform) des Rads ermittelt.

Weiterhin bevorzugt ist es, die Wirbelstrom-Meßsignale zur Ermittlung eines Außenprofils, insbesondere eines Laufflä­ chenprofils, des Rads auszuwerten. Unter dem Außenprofil wird der Verlauf der Außenkontur oder Oberfläche des Rads in einer zu seiner Rad(-dreh-)achse parallelen Richtung verstanden. Beispielsweise wird ein nicht tolerierbares Laufflächenprofil ermittelt.

Die Auswertung zur Ermittlung einer lokalen Störung wird be­ vorzugt während einer Langsamfahrt des Schienenfahrzeugs, zum Beispiel bei einer Geschwindigkeit unter 40 km/h, insbesondere beim Ein- und Ausfahren aus einem Bahnhof, durchgeführt. Da­ bei ist insbesondere ein geringer Abstand eines Wirbelstrom- Meßkopfs bezüglich der Radoberfläche eingestellt oder der Wirbelstrom-Meßkopf liegt auf der Radoberfläche auf.

Die Auswertung zur Ermittlung des Außenprofils oder des Rund­ laufs oder die Auswertung zur Ermittlung eines Abriebs wird bevorzugt während einer Schnellfahrt des Schienenfahrzeugs durchgeführt, vorzugsweise bei einer Fahrt mit konstanter Ge­ schwindigkeit, zum Beispiel bei einer Geschwindigkeit über 100 km/h. Dabei wird insbesondere ein im Vergleich zur Langsamfahrt größerer Abstand des Wirbelstrom-Meßkopfs bezüglich der Rad­ oberfläche eingestellt.

Mit Hilfe der genannten Auswertungen ist eine zustandsorien­ tierte Instandhaltung und Instandsetzung des Rads besonders vorteilhaft möglich.

Falls bei der Auswertung der Wirbelstrom-Meßsignale ein Zu­ stand erkannt wird, der den sicheren Betrieb des Schienen­ fahrzeugs beeinträchtigt, wird vorzugsweise die Bewegung des Schienenfahrzeugs beeinflußt, insbesondere verlangsamt.

Insbesondere wird bei dem Verfahren Wirbelstrom mit mehreren voneinander verschiedenen Frequenzen im Rad erzeugt. Die mit verschiedenen Frequenzen erhaltenen Meßsignale können mitein­ ander verknüpft werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Erkennung von Fehlern, von Störungen oder allgemein von Ver­ änderungen des Radzustandes erhöht. Insbesondere ist damit eine Veränderung im Meßsignal spezifisch einer bestimmten Veränderung des Radzustands zuordnenbar.

Beispielsweise wird neben den Auswertungen bezüglich der ge­ nannten Radzustände auch eine Auswertung bezüglich der Temperatur des Rads, insbesondere bezüglich der Temperatur von dessen Lauffläche, vorgenommen. Dadurch ist in vorteilhafter Weise auch ein sogenannter "Heißläufer" infolge einer fest­ sitzenden Bremse feststellbar.

Die Aufgabe eine geeignete Vorrichtung anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Wirbelstrommesskopf einen weiteren Wirbelstromsensor zur Ermittlung der Radstel­ lung aufweist.

Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des Verfah­ rens nach der Erfindung geeignet. Das bezüglich der Vorteile des Verfahrens Gesagte gilt für die Vorrichtung analog.

Mit der Wirbelstrom-Meßmethode ist in an sich bekannter Weise der Abstand zwischen einem Sensor und einer metallischen Werkstoffoberfläche meßbar, so daß aus den Wirbelstrom-Meßsi­ gnalen auf eine Unrundheit des - sich drehenden - Rads und/­ oder auf ein schlechtes Laufflächenprofil und/oder auf einen starken Abrieb geschlossen werden kann.

Vorzugsweise ist jedem Rad ein, insbesondere genau ein, Wir­ belstrom-Meßkopf zugeordnet. Beispielsweise weist ein Drehge­ stell insgesamt vier Wirbelstrom-Meßköpfe auf.

Vorzugsweise weist der Wirbelstrom-Meßkopf mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Detektorspule auf. Dadurch ist eine empfindliche Messung möglich. Alternativ können Spu­ len in Differenzschaltung (Brückenschaltung) verwendet wer­ den.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Wirbelstrom-Meßkopf der Vorrichtung

• a) einen ersten Wirbelstromsensor zur Überwachung einer er­ sten Verschleißzone auf der Lauffläche des Rads und
• b) einen zweiten Wirbelstromsensor zur Überwachung einer zweiten Verschleißzone, insbesondere auf der Lauffläche in der Nähe des Spurkranzes oder auf dem Spurkranz des Rads, auf.

Den beiden Wirbelstromsensoren kann zum Beispiel eine gemeinsame Er­ regerspule zugeordnet sein.

Zum Beispiel ist der Wirbelstrom-Meßkopf bei einer Erreger­ frequenz aus dem Bereich von 0,2 bis 2 MHz (Megahertz) be­ treibbar.

Dadurch sind sub-millimeter große Störungen am Rad auch bei einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs von bis zu 250 km/h noch sicher aufspürbar.

Vorzugsweise weist der Wirbelstrom-Meßkopf wenigstens zwei Sensorelemente zur Überwachung der Lauffläche auf, die in ei­ ner zur Radachse im wesentlichen parallelen Richtung neben­ einander angeordnet sind. Ein derartiger Wirbelstrom-Meßkopf ist besonders zur Ermittlung eines Laufflächenprofils des Rads geeignet.

Bevorzugt ist der Wirbelstrom-Meßkopf wenigstens 2 mm, insbe­ sondere wenigstens 5 mm, von der Radoberfläche beabstandet.

Sein Abstand ist vorzugsweise veränderlich. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, daß besonders empfindliche Mes­ sungen am Rad mit sehr geringem Abstand bis hin zum direkten Aufliegen auf der Radoberfläche bei langsamem Rollen des Schienenfahrzeugs durchführbar sind. Bei hohen Geschwindig­ keiten wird der Abstand dann beispielsweise vergrößert.

Die auf ein Rad eines Schienenfahrzeugs bezogene Aufgabe wird nach der Erfindung durch mindestens eine Markierung zur Er­ mittlung der Radstellung mittels Wirbelstrom-Meßsignalen ge­ löst, wobei die Markierung wenigstens eine unbefüllte Ausnehmung oder wenigstens eine Anformung aufweist. Ein Rad mit einer solchen Markierung ist insbesondere zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung sowie mehrere Ausführungsbeispiele eines Rads nach der Erfin­ dung werden anhand der Fig. 1 bis 7 beschrieben. Diese dienen auch der Erläuterung des Verfahrens nach der Erfin­ dung. Es zeigen, zum Teil in stark schematisierter Form

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Vorrich­ tung nach der Erfindung in einer Seitenansicht,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit der Vorrichtung der Fig. 1 und einem Rad nach der Erfindung in ei­ ner Querschnittsdarstellung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem Rad nach der Erfindung in einer Querschnittsdarstellung,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem Rad nach der Erfindung in einer Querschnittsdarstellung,

Fig. 5 die Räder der Fig. 2 bis 4 in einer Seitenan­ sicht,

Fig. 6 ein erster Wirbelstromsensor zur Überwachung der Lauffläche des Rads in einer Detaildarstellung und

Fig. 7 den ersten Wirbelstromsensor in einer anderen Aus­ gestaltung zur Messung eines Laufflächenprofils.

Fig. 1 zeigt ein Rad 1 eines Schienenfahrzeugs 3 mit einem Spurkranz 5 und einer Lauffläche 7. Der Spurkranz 5 und die Lauffläche 7 bilden den Radkranz. Die Radachse 8 (Fig. 2) steht senkrecht auf der Zeichenebene.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Halbseite des Rads 1 der Fig. 1 entlang der Linie II-II der Fig. 1, und zwar vom Spurkranz 5 zur Nabe 9.

Eine Vorrichtung 19 (Fig. 1) zum Überwachen des Schienen­ fahrzeugs 3 weist eine erste Auswerteeinheit 21 im Schienen­ fahrzeug 3, beispielsweise im Wagen eines Eisenbahnzugs, oder alternativ eine zweite Auswerteeinheit 23 in einem stationä­ ren Leitstand 25 auf. Die Vorrichtung 19 kann mit den Auswer­ teeinheiten 21, 23 kabelgebunden und/oder per Funk in Ver­ bindung stehen.

Die Vorrichtung 19 umfaßt ferner einen Wirbelstrom-Meß­ kopf 30, der über einen Arm 32 an einem Fahrgestell 34, zum Beispiel am Wagenkasten oder an einem Drehgestell, befestigt ist. Für jedes Rad des Eisenbahnzugs 3 ist ein gesonderter Wirbel­ strom-Meßkopf vorhanden. Zur Vermeidung von Eigenschwingungen des Wirbelstrom-Meßkopfs 30, die das Meßergebnis ungünstig beeinflussen würden, sind - nicht explizit dargestellte - Dämpfungselemente vorgesehen.

Der Wirbelstrom-Meßkopf 30 umfaßt - gemäß Fig. 2 - einen er­ sten Wirbelstromsensor 36 sowie einen zweiten Wirbelstromsen­ sor 38. Der erste Wirbelstromsensor 36 ist im Bereich einer Hauptverschleißzone auf der Lauffläche 7 positioniert und weist bezüglich der Lauffläche 7 einen Abstand d₂ von etwa 2 bis 8 mm auf. Der Arm 32 ist über ein Gelenk 40 am Fahrge­ stell 34 befestigt (Fig. 1), so daß der Wirbelstrom-Meß­ kopf 30 entlang einer Schwenkrichtung 42 schwenkbar und der Abstand d₂ veränderbar ist. Der zweite Wirbelstromsensor 38 ist auf die Flanke des Spurkranzes 5 gerichtet und weist ge­ genüber diesem einen Abstand d₁ von wenigstens 5 mm auf. Auch dieser Abstand d₁ ist variierbar.

Mit Hilfe des ersten Wirbelstromsensors 36 ist beispielsweise ein Riß 39 in der Lauffläche 7 detektierbar.

Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, weist das Rad 1 eine Markierung 50 auf zur Messung der Radstellung 51 (Fig. 1). Diese Markierung 50 besteht aus mehreren entlang des Rad­ umfangs angeordneten (siehe Fig. 5) Ausnehmungen 52, in die ein weichmagnetisches, hartmagnetisches oder unmagnetisches Material M eingelagert ist. Die Ausnehmungen 52 sind von ei­ nem dritten Wirbelstromsensor 53 des Wirbelstrom-Meßkopfs 30 derart beabstandet, daß ein Vorbeidrehen des Materials M am dritten Wirbelstromsensor noch von diesem detektierbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Rad 1, bei dem anstelle von Ausnehmungen 52 Anformungen 54 als Markierung 50 vorhanden sind.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Rads 1 ist die Markierung 50 wie in Fig. 2 ebenfalls durch Ausnehmungen 52 gebildet, diese sind jedoch nicht mit einem Material M gefüllt und stattdessen als Fehlstelle ausgebil­ det.

Fig. 5 zeigt das Rad 1 der Fig. 2 bis 4 in einer Seiten­ ansicht. Hieraus ist ersichtlich, wie die Ausnehmungen 52 bzw. die Anformungen 54 um einen konstanten Winkel ϕ beab­ standet und in regelmäßiger Reihenfolge am Radumfang angeord­ net sind. Der Winkel ϕ beträgt im gezeichneten Beispiel etwa 30°. Es genügt, wenn anstelle der gezeichneten zwölf Ausneh­ mungen 52 bzw. Anformungen 54 nur eine Ausnehmung oder Anfor­ mung am Rad 1 vorhanden ist, insbesondere dann, falls das Schienenfahrzeug 3 mit weitgehend konstanter Geschwindigkeit fährt. Mit Hilfe der von der Markierung 50 im Wirbelstrom- Meßkopf 30 erzeugten Wirbelstrom-Meßsignale wird eine Überwa­ chung des Radzustands entlang des Radumfangs, also als Funk­ tion der Radstellung, durchgeführt. Bei einer Umdrehung von 360° wird ein Satz von Wirbelstrom-Meßdaten aufgenommen und dieser über mehrere Umdrehungen zeitlich gemittelt. Dabei wird jedes Meßdatum des Satzes mit den entsprechenden Meßda­ ten anderer Sätze gemittelt. Dadurch werden besonders genaue Meßergebnisse erzielt. Zusätzlich kann eine elektrische, zum Beispiel frequenzselektive, Signalfilterung vorhanden sein.

In Fig. 6 ist der erste Wirbelstromsensor 36 näher darge­ stellt. Er weist eine Erregerspule 60 und hiervon gesondert eine Detektorspule 62 mit einem weichmagnetischen Kern 62A und Wicklungen 62B auf. Der Kern 62A hat einen Durchmesser D von wenigstens 5 mm. Dadurch können mit hinreichender Genau­ igkeit Wirbelstrom-Meßsignale empfangen und über Anschlußlei­ tungen 66 zu einer Auswerteeinheit 21, 23 weitergeleitet wer­ den. Der Erregerspule 60 wird über Anschlußleitungen 64 ein elektrischer Strom mit einer Erregerfrequenz f von 0,5 MHz zugeführt.

Der zweite Wirbelstromsensor 38 kann wie der erste Wirbel­ stromsensor 36 aufgebaut sein. Er kann gemäß einer bevorzug­ ten Ausgestaltung keine gesonderte Erregerspule aufweisen, so daß die Erregerspule 60 des ersten Wirbelstromsensors 36 zu­ gleich dem zweiten Wirbelstromsensor 38 zugeordnet ist.

Jeder der Wirbelstromsensoren 36, 38 kann auch derart ausge­ bildet sein, daß jeweils eine seiner Spulen sowohl als Erre­ gerspule als auch als Detektorspule fungiert (nicht explizit dargestellt).

In der ersten Auswerteeinheit 21 und/oder in der zweiten Auswerteeinheit 23 werden die Wirbelstrom-Meßsignale zur Er­ mittlung eines sicherheitsbeeinträchtigenden Radzustandes ausgewertet.

Dabei wird eine auftretende lokale Störung am Rad 1, insbe­ sondere ein Riß 39, ein Ausbruch oder eine Veränderung des Werkstoffgefüges, ermittelt. Diese Auswertung beruht darauf, daß sich die lokale elektrische Leitfähigkeit im Rad 1 bei Auftreten der lokalen Störung verändert, was sich entspre­ chend auf die Wirbelstrom-Meßsignale auswirkt, zum Beispiel als Ver­ minderung des in der Detektorspule 62 induzierten Stroms.

Weiterhin wird aus den Wirbelstrom-Meßsignalen eine ggf. auf­ tretende Unrundheit des Rads 1 ermittelt, und falls diese nicht mehr tolerierbar ist, eine sicherheitsrelevante Maß­ nahme für das Schienenfahrzeug 3 eingeleitet, zum Beispiel eine Ab­ bremsung oder/und ein Austausch des Rads 1. Diese Auswertung beruht darauf, daß die Messung mit Wirbelstrom durch den Ab­ stand des Wirbelstrom-Meßkopfs 30 von einer elektrisch leit­ fähigen Oberfläche, hier von der Lauffläche 7, beeinflußt ist. Mittels der während der Messung mit Wirbelstrom statt­ findenden Messung der Radstellung 51 wird der Abstand als Funktion des Radumfangs ausgewertet und daraus auf eine Un­ rundheit geschlossen, die sich zum Beispiel als Abweichung von einem entlang des Radumfangs konstanten Abstand nieder­ schlägt.

Mittels der beschriebenen Auswertung kann nicht nur eine Un­ rundheit ermittelt werden, sondern auch der Abrieb des Rades 1, der sich im Laufe seiner Betriebsdauer naturgemäß entlang des gesamten Radumfangs einstellt. Als Maß für den Abrieb kann zum Beispiel der Mittelwert der entlang des Radumfangs gemesse­ nen absoluten Abstände eines der Wirbelstromsensoren 36, 38 bezüglich der Radoberfläche dienen.

Außerdem wird aus den Wirbelstrom-Meßsignalen ein Außenprofil des Rads ermittelt oder abgetastet. Unter einem Außenprofil wird der Verlauf der Radoberfläche verstanden, wie er sich in einer senkrecht zur Radachse 8 verlaufenden Schnittebene dar­ stellt (siehe Fig. 2). Mit dem in Fig. 2 gezeigten Wirbel­ strom-Meßkopf 30 wird ein spezielles Außenprofil ermittelt, nämlich die Außenkontur, die vom Spurkranz 5 und von der Lauffläche 7 gebildet ist. Bei einem ggf. auftretenden nicht mehr tolerierbaren Außenprofil wird eine sicherheitsfördernde Maßnahme für das Schienenfahrzeug 3 eingeleitet. Zur Ermitt­ lung des Außenprofils werden die Meßsignale des ersten Wir­ belstromsensors 36 und des zweiten Wirbelstromsensors 38, die in Richtung der Radachse 8 beabstandet sind, gemeinsam ausge­ wertet. Falls eine relative Veränderung der Meßsignale des ersten Wirbelstromsensors 36 bezüglich der des zweiten Wir­ belstromsensors 38 festgestellt wird, kann auf eine Verände­ rung des Außenprofils geschlossen werden.

Zur Ermittlung oder Abtastung eines anderen speziellen Außen­ profils des Rads 1, nämlich eines Laufflächenprofils, also der Außenkontur der Lauffläche 7, kommt ein in Fig. 7 darge­ stellter Wirbelstrom-Meßkopf 30 zum Einsatz. Bei diesem weist der an der Lauffläche 7 positionierte erste Wirbelstromsen­ sor 36 drei parallel zur Radachse 8 aufgereihte Sensorele­ mente 71, 72, 73 auf. Jedes dieser Sensorelemente 71, 72, 73 ist zur Messung seines lokalen Abstandes a1, a2, bzw. a3 von der Lauffläche 7 hergerichtet, so daß der Verlauf des Ab­ stands als Funktion der Position entlang einer zur Radachse 8 im wesentlichen parallelen Achse ermittelt wird. Dieser Ver­ lauf gibt ein Laufflächenprofil wieder.

Der Wirbelstrom-Meßkopf 30 der Fig. 1 bis 7 ist auch der­ art ausgestaltet, daß er bei mehreren Erregerfrequenzen f be­ treibbar ist. Bei der Auswertung werden die zu unterschiedli­ chen Erregerfrequenzen f gehörigen Meßsignale - linear oder nichtlinear - verknüpft und es wird daraus zum Beispiel eine Zielfunk­ tion ermittelt. Damit ist ein Rückschluß von den Wirbelstrom- Meßsignalen auf die einzelnen möglichen Veränderungen des Radzustandes (Riß, Ausbruch, Rundlauf, Laufflächenprofil etc.) besonders sicher möglich.

Damit ist außerdem erreicht, daß eine Analyse bezüglich wei­ terer Parameter, die den Radzustand beschreiben, möglich ist. Mit dem Wirbelstrom-Meßkopf 30 ist deshalb auch die Tempera­ tur der Lauffläche 7 meßbar. Die Temperatur des Rads schlägt sich in den Wirbelstrom-Meßsignalen nieder, da physikalische Eigenschaften des Rads 1, insbesondere die elektrische Leit­ fähigkeit und die magnetische Permeabilität, temperaturabhän­ gig sind.

Zur besonders empfindlichen Überprüfung auf Ausbrückelungen, Werkstoffveränderungen oder Risse im Rad 1 wird der Wirbel­ strom-Meßkopf 30 näher an die Radoberfläche gebracht, das heißt die Abstände d₁, d₂ werden vermindert. Dies wird vorzugsweise dann durchgeführt, falls das Schienenfahrzeug 3 mit langsamer Geschwindigkeit fährt, zum Beispiel beim Ein- oder Ausfahren in bzw. aus einem Bahnhof. Bei ganz langsamer Geschwindigkeit kann der Wirbelstrom-Meßkopf 30 auch direkt auf die Radoberfläche aufgesetzt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs (3), wobei ein Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) während des be­ triebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs (3) einer Messung mit Wirbelstrom unterzogen wird, und daß Wirbelstrom-Meß­ signale zur Überwachung des Radzustandes ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Radstellung (51) kontinuierlich ermittelt wird, und
• b) zur Überwachung des Radzustands ein Satz von Wirbelstrom- Meßsignalen, die bei unterschiedlichen Radstellungen (51) er­ halten wurden, gebildet wird, und daß der Satz über mehrere Umdrehungen des Rads (1) gemittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ strom-Meßsignale kontinuierlich einer ersten Auswerteeinheit (21) im Schienenfahrzeug (3) und/oder einer zweiten Auswer­ teeinheit (23) in einem stationären Leitstand (25) zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelstrom- Meßsignale zur Ermittlung der Radstellung (51) ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermitt­ lung der Radstellung (51) eine am Rad (1) angebrachte Markie­ rung (50) mit Wirbelstrom beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Markie­ rung (50) wenigstens eine Ausnehmung (52) oder Anformung (54) am Rad (1) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Markie­ rung (50) wenigstens eine Stelle mit einem Material (M) auf­ weist, dessen magnetische Permeabilität sich von der des Rads (1) unterscheidet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit Wirbelstrom bei Überschreiten einer oberen und/oder bei Unterschreiten einer unteren Grenzgeschwindigkeit des Schie­ nenfahrzeugs (3) unterbrochen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ strom-Meßsignale zur Ermittlung einer lokalen Störung am Rad (1), insbesondere eines Risses (39), eines Ausbruchs oder ei­ ner Veränderung des Werkstoffgefüges, ausgewertet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ strom-Meßsignale zur Ermittlung des Rundlaufs des Rads (1) ausgewertet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ strom-Meßsignale zur Ermittlung eines Außenprofils, insbeson­ dere eines Laufflächenprofils, des Rads (1) ausgewertet wer­ den.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Schienenfahrzeugs (3) beeinflußt, insbesondere verlang­ samt, wird, falls bei der Auswertung der Wirbelstrom-Meßsi­ gnale ein Zustand erkannt wird, der den sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs (3) beeinträchtigt.

12. Vorrichtung (19) zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Wirbelstrom-Meßkopf (30), umfassend einen ersten Wirbelstromsensor (36), der derart am Fahrgestell (34) des Schienenfahrzeugs (3) angebracht ist, daß in einer Verschleißzone eines Rads (1) des Schienenfahr­ zeugs (3) Wirbelströme induzierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wir­ belstrom-Meßkopf (30) einen weiteren Wirbelstromsensor (53) zur Ermittlung der Radstellung (51) aufweist.

13. Vorrichtung (19) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel­ strom-Meßkopf (30) mindestens eine Erregerspule (60) und min­ destens eine Detektorspule (62) aufweist.

14. Vorrichtung (19) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der erste Wirbelstromsensor (36) zur Überwachung einer ersten Verschleißzone auf der Lauffläche (7) des Rads (1) hergerichtet ist, und dadurch, dass
• b) der Wirbelstrom-Meßkopf (30) einen zweiten Wirbelstromsen­ sor (38) zur Überwachung einer zweiten Verschleißzone, insbesondere auf der Lauffläche (7) in der Nähe des Spur­ kranzes (5) oder auf dem Spurkranz (5) des Rads (1), auf­ weist.

15. Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel­ strom-Meßkopf (30) wenigstens zwei Sensorelemente (71, 72, 73) zur Überwachung der Lauffläche (7) aufweist, die in einer zur Radachse (8) im wesentlichen parallelen Richtung neben­ einander angeordnet sind.

16. Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel­ strom-Meßkopf (30) wenigstens 2 mm von der Radoberfläche be­ abstandet ist.

17. Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d₁, d₂) des Wirbelstrom-Meßkopfs (30) von der Radoberfläche veränderlich ist.

18. Rad (1) eines Schienenfahrzeugs (3) an dem insbesondere das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführbar ist, gekennzeichnet durch mindestens eine Mar­ kierung (50) zur Ermittlung der Radstellung (51) mittels Wir­ belstrom-Meßsignalen, wobei die Markierung (50) wenigstens eine unbefüllte Ausnehmung (52) oder wenigstens eine Anfor­ mung (54) aufweist.