DE19919604B4

DE19919604B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von im Betrieb autretenden Fehlern an Rädern von Eisenbahnfahrzeugen

Info

Publication number: DE19919604B4
Application number: DE1999119604
Authority: DE
Inventors: Olaf Unbehaun; Bernd Haberecht; Aris Samaras; Bernhard Schaaf
Original assignee: DB Fernverkehr AG
Current assignee: SCHAAF, BERNHARD, 76316 MALSCH, DE; UNBEHAUN, OLAF, 66539 NEUNKIRCHEN, DE; DB Fernverkehr AG
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: DE19919604A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von im Betrieb auftretenden Fehlern an Rädern von Eisenbahnfahrzeugen, wobei die Fehler nach der Ermittlung registriert und analysiert werden und danach eine geeignete Reaktion für den weiteren Fahrbetrieb abgeleitet wird, wobei durch
a) eine Messeinheit
– eine Positionsbestimmung der Lage des Rades zur Schiene dergestalt durchgeführt wird, dass
der Kontakt am Schienenkopf als fallender Abstand gemessen wird, wobei bei einer Größe von 3 bis 7 cm dies als Fehlen des Radreifens interpretiert wird,
der Kontakt am Schienenkopf als steigender Abstand gemessen wird, wobei eine Größe von circa 2,5 cm als aufsteigender Radreifen interpretiert wird,
– eine Erschütterungsmessung am Radsatz dergestalt durchgeführt wird, dass
die Intensität und Dauerhaftigkeit der Erschütterungen gemessen werden,
langwellige mittelstarke Schläge alle circa 2,80 m als Flachstelle interpretiert werden,
kurzwellige leichte Schläge alle 2 bis 10 cm als fehlender Radreifen interpretiert werden sowie
sehr starke...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an Eisenbahnachsen, der Diagnose von Fehlerursachen und sich daraus ableitenden Aktionen zur frühestmöglichen Schadensminimierung.
Der Zweck des Systems besteht darin, im Betrieb dass heißt während des Fahrens, Fehler unterschiedlichster Ursache am rollenden Rad zu registrieren und zu analysieren, um Reaktionen sofort auszulösen.
Der Zweck – in der oben beschriebenen Form – wurde bislang im Eisenbahnverkehr weder erkannt noch realisiert. Alle vorhandenen Prüfungen beziehen sich auf Inspektions- und Wartungsarbeiten am ruhenden Rad und in Ausnahmefällen an punktuell örtlich eingebauten Messeinrichtungen im Gleis (zum Beispiel Heissläuferortungsanlagen).
Bekannt ist ein Sensorüberwachungssystem für mehrachsige Fahrzeuge mit dem indirekt und kontinuierlich während der Fahrt der Zustand der Räder, Achsen und Drehgestelle überprüft werden kann ( DE 298 10 998 U1 ). Dabei werden über einen Sensor auf jeder Achse und/oder Drehgestell Vibrationen erfasst und ausgewertet, sowie gegebenenfall ein Signal für einen Alarm ausgelöst.
Aus der DE 25 07 645 A1 ist eine Anordnung zur Erkennung von Heißläufern und Flachstellen bekannt, deren Signale ausgewertet und einer Zentralstelle mit optischen und akustischen Anzeigen auf der Lokomotive zugeführt werden. Diese Anordnung kann keine Entgleisungsdetektion durchführen.
Die DE 42 00 979 A1 beschreibt eine Einrichtung zur akustischen Erkennung von Flachstellen.
Am stehenden Fahrzeug sind Schäden nur schwer oder nur in Inspektionsintervallen erkennbar. Eine sich entwickelnde drohende Gefahr, beispielsweise eine Entgleisung wird weder erkannt noch kann zeitnahe darauf reagiert werden.
Die Aufgabe des der Erfindung besteht darin, an Eisenbahnfahrzeugen während des Betriebes in einem Prozess alle Merkmale einer drohenden Entgleisungsgefahr zu erkennen und wirksame Maßnahmen zu deren Vermeidung einzuleiten.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Anspruches 1 gelöst.
Anspruch 1 gibt ein Verfahren wieder, wobei durch

a) eine Messeinheit – eine Positionsbestimmung der Lage des Rades zur Schiene dergestalt durchgeführt wird, dass der Kontakt am Schienenkopf als fallender Abstand gemessen wird, wobei bei einer Größe von 3 bis 7 cm dies als Fehlen des Radreifens interpretiert wird, der Kontakt am Schienenkopf als steigender Abstand gemessen wird, wobei eine Größe von circa 2,5 cm als aufsteigender Radreifen interpretiert wird, – eine Erschütterungsmessung am Radsatz dergestalt durchgeführt wird, dass die Intensität und Dauerhaftigkeit der Erschütterungen gemessen werden, langwellige mittelstarke Schläge alle circa 2,80 m als Flachstelle interpretiert werden, kurzwellige leichte Schläge alle 2 bis 10 cm als fehlender Radreifen interpretiert werden sowie sehr starke unregelmäßige Schläge im Bereich von 0,60 bis 1,50 m als Entgleisung interpretiert werden und – eine Temperaturmessung am Achslagergehäuse durchgeführt, die gemessenen Daten
b) einer Auswerteeinheit zur – Positionsauswertung – Erschütterungsauswertung und – Temperaturauswertung zugeführt und
c) einer Steuerungseinheit zur Ableitung von Maßnahmen übermittelt wird.

Die Erfindung konzentriert sich zunächst nur auf Schäden an den Fahrzeugen, insbesondere an Einzelachsen bzw. Drehgestellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.
Im Besonderen

– auf Flachstelle, Umrundungen und Risse des Radreifens,
– auf blockierte Achsen (Heissläufer) und
– auf drohende bzw. bereits erfolgte Entgleisungen.

Theoretisch können auch Fehler am Fahrweg, im Besonderen an der Schiene analysiert und ausgewertet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht als Messfahrzeug für den Oberbau zu verstehen, sondern soll in erster Linie „Fahrtenschreiber" und „Rettungssystem" zugleich sein.
Die Aufgaben werden durch unterschiedliche – je nach Gefährdungspotential-, teilweise doppelt abgesicherte Messinstrumente, durch eine Auswerte- und Steuerungseinheit und durch einen Aktionsplan gelöst.
Die Messeinrichtungen (ME):
Die Positionsmessungen „P":
Gemessen wird die Lage des Rades zur Schiene. Als Messeinrichtung können sowohl optische als auch elektromagnetische Messverfahren zur Anwendung kommen. Gemessen wird am Radaufbau, unmittelbar vor und/oder hinter dem rollenden Rad der aber zwischen den Rädern von Drehgestellen über beiden Schienen.
Gemessen wird der Kontakt zum Schienenkopf in die Höhe und die Richtung:

P1: Fallender Abstand (zwischen 3 bis 7 cm – fehlender Radreifen),
P2: steigender Abstand (ungefähr 2,5 cm – Radreifen steigt auf),
P3: Richtungsänderung (als Winkelfunktion) oder Kontaktverlust (Entgleisung).

Hilfsweise können auch die Abstände zwischen dem Achslagergehäuse und der Achslagerleiste bzw. der Federfangplatte als Messung mit herangezogen werden.
Die Erschütterungsmessungen „E":
Gemessen werden außergewöhnliche Erschütterungen am Radsatz. Als Messeinrichtung kommen alle herkömmlichen Beschleunigungsmesser in Frage, vorzugsweise piezoelektische Messgeber. Die Messinstrumente werden vorzugsweise am Achslagergehäuse angeordnet. Dort sind die Erschütterungen besonders in vertikaler Richtung, am ausgeprägtesten.
Gemessen wird die Intensität und Dauerhaftigkeit der Erschütterungen:

E1: Langwellige mittelstarke Schläge (~ alle 2,80 m – Flachstelle),
E2: kurzwellige leichte Schläge (2 bis 10 cm – fehlender Radreifen),
E3: sehr starke unregelmäßige Schläge (~ 0,60 bis 1,50 m – Entgleisung).

Temperaturmessungen „T":
Gemessen werden die Temperaturen am Aschlagergehäuse, um blockierende Radachsen zu erkennen und drohende Achsschenkelbrücke zu verhindern. Messinstrumente sind herkömmliche bekannte Geräte, die wie die „E"-Messungen ebenfalls am Aschlagergehäuse angebracht sind.
Gemessen werden anormale Temperaturbereiche mit

T1: leichter Erhöhung der Temperatur (°) – (Warnung),
T2: starke Erhöhung (von ...° bis ...°-Langsamfahrt),
T3: sehr starke Überhitzung (über ...° – drohender Bruch).

Geschwindigkeitsmessungen „V":
Für die anschließende Auswertung ist die Weg-Zeit-Messung erforderlich. Die Messinstrumente sind einfachster Natur. Gemessen wird beispielsweise vom Achslagergehäuse die drehende Achse.
Auswertungs- und Steuerungseinheit (AS):
Die Signale der Messeinrichtungen kommen zunächst ungefiltert in die AS. Dort werden sie analysiert, weggefiltert, soweit sie nicht relevant sind oder führen gegebenenfalls zu weiteren Steuerimpulsen.
Die AS ist pro Fahrzeug einmal vorhanden. Die Steuerimpulse werden je nach Ausrüstung nur lokal (am Fahrzeug) oder aber an eine zentrale im Triebfahrzeugstand und an den Steuerungskopf übertragen.
Die AS ist mit einer Funktionskontrolle, einem Energiespeicher, einer Aufzeichnungs-(Speicher-)Möglichkeit und der Möglichkeit zur Rückstellung und/oder Überbrückung ausgerüstet.
Die Auswerteeinheit (AE):
Die AE empfängt die Signale der Messinstrumente, vergleicht sie mit parallel laufenden bzw. räumlich versetzten Messgebern unter Berücksichtigung der Weg-Zeit-Achse und überprüft gegebenenfalls das Ergebnis mit den relevanten Ergebnissen aller anderen Messungen.
Eine wichtige Aufgabe der AE ist es, nicht relevante Messungen auszufiltern um Fehlreaktionen zu vermeiden.
Signalauswertungen (SA):
Temperaturauswertung (SA-T)
Die Temperaturmessungen am Achslager werden nach drei Reaktionsbereichen analysiert:

SA-T1: Überhöhte Temperatur, bis ... Grad (mit dem Achtungssignal als Reaktion)
SA-T2: gefährdenter Temperaturbereich zwischen ... bis ... Grad (Aktion Langsamfahrt)
SA-T3: gefährlicher Temperaturbereich ≥ ... Grad (Einleitung einer Normalbremsung).

Positionsauswertungen (SA-P)
Höhemessungen, vorausgehen sollte ein Kalibrierung des Ist = Nullzustandes, um den aktuellen Radreifenverschleiß zu berücksichtigen.

SA-P1: Geringer werdender Abstand zwischen Messinstrument und Schienenkopf; Größenordnung ≥ 3 cm ≙ minimaler Radreifenstärke, das heist ein Radreifen ist verloren gegangen, eine Entgleisung steht unmittelbar bevor. Kontrolle über Wiederholungsmessungen, um die Lücke vor dem Herzstück als Ursache auszuschließen. Aktion: Einleitung einer Normalbremsung.
SA-P2: Größer werdender Abstand zum Messort, Größenordnung ≥ 2,5 cm (=28mm kleinste Spurkranzhöhe), das heißt der Spurkranz „klettert" auf den Schienenkopf auf, das heißt eine Entgleisung steht bevor. Kontrolle über Wiederholungsmessungen, um die Lücke vor dem Herzstück als Ursache auszuschließen. Aktion: Einleitung einer Notbremsung.
SA-P3: Der Kontakt zum Schienenkopf geht verloren (vorangegangene Winkelabweichung); es ist eine Entgleisung erfolgt. Aktion: Einleitung einer Notbremsung Anmerkung: die Positionsmessung allein wäre ausreichend, um eine bevorstehende oder bereits erfolgte Entgleisung zu erfassen und die erforderlichen Aktionen auszulösen.

Erschütterungsauswertungen (SA-E)
Ausgewertet werden außergewöhnliche Erschütterungen, wobei durch vergleichende Messungen „normale" Vorkommnisse wie zum Beispiel. Überfahren von Zungen, Stöße und Oberflächenfehler der Schiene weggefiltert werden müssen.

SA-E1: Langwellige mittelstarke Schläge: Ursachen sind Flachstellen oder Anrisse im Radreifen. Auszuschließen, das heißt weggefiltert werden Unregelmäßigkeiten an der Schiene durch vergleichende Wiederholungsmessungen, das heißt der Schienenbruch wirkt sich als Einmalschlag aus während die Flachstelle pro Radumdrehung auftritt. Keine unmittelbare Gefährdung aber ein hoher wirtschaftlicher Schaden, bei einem Radreifenanriss eine bevorstehende Gefahr. Aktion: Signalisation durch Aufzeichnung bzw. Kennzeichnung der betroffenen Achse.
SA-E2: Kurzwellige leichte Schläge „rumpeln": Ursache kann ein verlorengegangener Radreifen sein; ein Vergleich mit SA-P1 (fallende Höhe) ist erforderlich, weil relativ häufig vorkommende nicht sicherheitsrelevante Riffel oder Wellen auf der Schiene das gleiche Spektrum verursachen. Aktion: Es ist eine Normalbremsung einzuleiten.
SA-E3: Sehr starke Einzelschläge: die Achse entgleist. Ein Abgleich ist davor über mehrere Schläge zu verfolgen (mehr als drei) um Einzelereignisse an der Schiene als Verursachung auszuschließen. Aktion: Einleitung einer Notbremsung.

Steuereinheit (SE):
Entsprechend der Signalauswertung (SA) werden die unterschiedlichsten Aktionen durch die Steuereinheit (SE) ausgelöst.
Dabei wird zunächst auf die unterschiedliche Ausrüstung der Fahrzeuge in der Energieversorgung hingewiesen, das heißt alle Güterwagen haben in der Regel keine elektrische Versorgung. Diese müssten entweder nachgerüstet werden oder eine eingeschränkte Lösung pro Waggon gewählt werden.
Eine weitere grundsätzliche Überlegung ist die zentrale Erfassung im Führerstand, von der zunächst ausgegangen wird.
Schlielilich wird noch auf die Rückverfolgung, das heißt die Identifikation der schadhaften Achse hingewiesen. Der „Komfort" des Systems kann von der „Bedeutung" des Zugverbandes abhängig gemacht werden.

A: 0 Alle relevanten Informationen werden in die Führerstände übertragen und abgespeichert, der „Zugschreiber". Die Signale zum aktuellen Eingriff – unterschieden nach Gefahrenklassen – werden optisch und/oder akustisch angezeigt.
A: 1 Anzeige: Von (A) Flachstellen oder (B) möglichen Radreifenrissen. Weiterfahrt, beim nächsten Halt Überprüfung auf A oder B. Bei Flachstellen (A), Kennzeichnung für den Wagenmeister; bei Radreifenrissen Entscheidung, ob der Waggon ausrangiert werden muss oder bis zum Zielort durchlaufen kann.
A: 2 Warnung: Besondere Überwachungsfunktion, zum Beispiel der Temperatur
A: 3 Weiterfahrt mit reduzierter Geschwindigkeit
A: 4 Einleitung einer normalen Bremsung
A: 5 Auslösung einer Notbremsung
A0/A1/A2 sind Informationen an den Triebfahrzeugführer
A3/A4 beinhalten aktives Handeln des Triebfahrzeugführers,
A5 sollte bereits eine automatische Auslösung am betroffenen Waggon ausgelöst haben; als weitere Sicherheit der Eingriff des Triebfahrzeugführers.

Die Notbremsung wird ausgelöst, indem

(A) ein im aktiven Luftkreislauf speziell eingebautes Ventil – durch beispielsweise eine „Zündpille" – geöffnet wird oder
(B) der elektrische Stromkreis – beispielsweise durch eine Überspannung – unterbrochen wird.

Der Mechanismus der Notbremsung sollte für Notsituationen (beispielsweise Unfall im Tunnel) oder für Bergungsarbeiten (Weiterfahrt) überbrückt bzw. zurückgestellt werden können.
Für den Fall der „Nichtvernetzung" (Insellösung pro Fahrzeug) kommt nur A5 Notbremsung zum Tragen.
Ausführungsbeispiele:
Die 1, 2 und 3 zeigen die Anordnung der Messinstrumente an einer Einzelachse. Darstellt ist der Gleisrost (Schiene 1 und Schwelle 2) und der Radsatz mit dem Rad 3, der Radsatzachse 8, dem Achslagergehäuse 4 und den dazugehörigen Konstruktionen bis zum Waggonaufbau (Achslagerbock 5, Feder 6).
Die Erschütterungsmessung 10 und die Temperaturmessung erfolgt am Achslagergehäuse 4. Die Positionsmessung 12 erfolgt über dem Schienenkopf 1.
Die 4 zeigt ein Drehgestell in der Ansicht mit den wesentlichen Teilen, wie in den 1 bis 3 beschrieben.
Die 5 bis 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Positionsmessung. Dargestellt sind die Schienenquerschnitte 1 mit dem Radreifenprofil 3 und der Position der Messeinrichtung.
5 zeigt die normale Position „A" = Differenz Schienenkopf zur Messeinrichtung.
6 zeigt das Übersteigen des Spurkranzes über den Schienenkopf (Hebung auf der rechten Seite H1).
7 und 8 zeigen den Schienenbau mit einem verlorengegangenen Radreifen,
7 die geringere Höhe H2 auf der rechten Seite,
8 die geringere Höhe rechts, und das Aufsteigen links, Unterschied H3
9A zeigt das Gesamt-System, nämlich die Schiene 1, das Rad 2, die Positionsmessung 12 und die Temperatur- und Erschütterungsmessungen 10/11, die Auswerteeinheit 13 mit der Verbindung zur Notbremse 14 bzw. zum Triebfahrzeugführer 15.
9B zeigt die geöffnete Notbremse 14B und den abgeleiteten Bremsvorgang 16.
10 zeigt eine Systemskizze eines Luft-Sicherheitssystems.
Das Fahrzeug 17 weist dabei eine Luftleitung 21 und die entgleiste Achse 18 auf, wobei im Rahmen der Messung 20 über ein Ventil 19 auf die Luftleitung 21 zugegriffen wird.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von im Betrieb auftretenden Fehlern an Rädern von Eisenbahnfahrzeugen, wobei die Fehler nach der Ermittlung registriert und analysiert werden und danach eine geeignete Reaktion für den weiteren Fahrbetrieb abgeleitet wird, wobei durch a) eine Messeinheit – eine Positionsbestimmung der Lage des Rades zur Schiene dergestalt durchgeführt wird, dass der Kontakt am Schienenkopf als fallender Abstand gemessen wird, wobei bei einer Größe von 3 bis 7 cm dies als Fehlen des Radreifens interpretiert wird, der Kontakt am Schienenkopf als steigender Abstand gemessen wird, wobei eine Größe von circa 2,5 cm als aufsteigender Radreifen interpretiert wird, – eine Erschütterungsmessung am Radsatz dergestalt durchgeführt wird, dass die Intensität und Dauerhaftigkeit der Erschütterungen gemessen werden, langwellige mittelstarke Schläge alle circa 2,80 m als Flachstelle interpretiert werden, kurzwellige leichte Schläge alle 2 bis 10 cm als fehlender Radreifen interpretiert werden sowie sehr starke unregelmäßige Schläge im Bereich von 0,60 bis 1,50 m als Entgleisung interpretiert werden und – eine Temperaturmessung am Achslagergehäuse durchgeführt, die gemessenen Daten b) einer Auswerteeinheit zur – Positionsauswertung – Erschütterungsauswertung und – Temperaturauswertung zugeführt und c) einer Steuerungseinheit zur Ableitung von Maßnahmen übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Messung sowohl optische als auch elektromagnetische Messverfahren verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Messung am Radaufbau, unmittelbar vor und/oder hinter dem rollenden Rad oder zwischen den Rädern von Drehsgestellen über beiden Schienen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Richtungsänderung als Winkelfunktion und ein Kontaktverlust als Entgleisung interpretiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Abstände zwischen dem Achslagergehäuse und einer Achslagerleiste oder einer Federfangplatte gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Erschütterungsmessung Beschleunigungsmesser, vorzugsweise piezoelektrische Messgeber verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass im Rahmen der Temperaturmessung zur Vermeidung von blockierten Radachsen und/oder drohender Achsschenkelbrüche anormale Temperaturbereiche gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Signale der Messeinrichtungen in der Auswerteeinheit mit parallel laufenden und/oder räumlich versetzt laufenden Messergebnissen unter Berücksichtigung der Weg-Zeit-Achse verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass nicht relevante Messungen zur Vermeidung von Fehlreaktionen ausgefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuereinheit die vorliegenden Informationen aus der Auswerteeinheit bezieht und die Informationen auf den Führerstand des Zugverbandes übertragen und abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Informationen auf dem Führerstand optisch und/oder akustisch angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass durch die in der Steuereinheit vorliegenden Informationen bestimmte Handlungen, wie – Überprüfung beim nächsten Halt – Weiterfahrt mit reduzierter Geschwindigkeit – Einleitung einer normalen Bremsung – Einleitung einer Notbremsung eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass eine Notbremsung durch – Öffnung eines im aktiven Luftkreislauf eingebauten Ventils – Unterbrechung des elektrischen Stromkreises (beispielesweise durch eine Überspannung) herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 und 13, gekennzeichnet dadurch, dass die Einleitung einer Notbremsung in Tunneln oder für eine Bergungsfahrt überbrückt oder zurückgestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch dass, durch a) eine Messeinheit – eine Positionsbestimmung der Lage des Rades zur Schiene dergestalt realisiert ist, dass der Kontakt am Schienenkopf als fallender Abstand zu vermessen ist, wobei bei einer Größe von 3 bis 7 cm dies als Fehlen des Radreifens zu interpretieren ist, der Kontakt am Schienenkopf als steigender Abstand zu vermessen ist, wobei eine Größe von circa 2,5 cm als aufsteigender Radreifen zu interpretieren ist, – eine Erschütterungsmessung am Radsatz dergestalt realisiert ist, dass die Intensität und Dauerhaftigkeit der Erschütterungen zu messen ist, langwellige mittelstarke Schläge alle circa 2,80 m als Flachstelle zu interpretieren sind, kurzwellige leichte Schläge alle 2 bis 10 cm als fehlender Radreifen zu interpretieren sind sowie sehr starke unregelmäßige Schläge im Bereich von 0,60 bis 1,50 m als Entgleisung zu interpretieren sind und – eine Temperaturmessung am Achslagergehäuse durchzuführen, die gemessenen Daten b) einer Auswerteeinheit zur – Positionsauswertung – Erschütterungsauswertung und – Temperaturauswertung zuzuführen und c) einer Steuerungseinheit zur Ableitung von Maßnahmen zu übermitteln sind.