DE19925394C2

DE19925394C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE19925394C2
Application number: DE1999125394
Authority: DE
Inventors: Joachim Baumann; Gabriel Daalmans; Klaus Einzmann; Detlef Gerhard; Ernst Gogl; Bernd Granz; Alexander Von Jena; Gerd Maussner; Rainer Meier; Manfred Muellenbruck; Franz Murawa; Detlef Rieger; Juergen Schneider
Original assignee: IntelligeNDT Systems and Services GmbH and Co KG
Current assignee: INTELLIGENDT SYSTEMS & SERVICES GMBH & CO KG, 9105
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: DE19925394A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs, wobei

a) während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs in ein Rad des Schienenfahrzeugs Ultraschall eingekoppelt wird,
b) während des betriebsmäßigen Fahrens ein aus dem Rad ausge koppelter Anteil des Ultraschalls detektiert wird und
c) dabei erzeugte Messsignale zur Überwachung des Radzustands ausgewertet werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, mit einem am Fahrgestell des Schienenfahrzeugs tragend befestigten Messkopf, der

a) einen ersten Ultraschallsender zum Einkoppeln von Ultra schall in ein Rad des Schienenfahrzeugs und
b) ein Mittel zur Detektion eines aus dem Rad ausgekoppelten Anteils des Ultraschalls aufweist.

Beim Betrieb eines Schienenfahrzeugs können aufgrund der Wechselwirkung zwischen Rädern, Schiene und Bremssystem an den Rädern oder Radsätzen, Veränderungen oder Zustände ein treten, die den sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs beein trächtigen können. Beispielsweise kann es durch Abrieb zu Veränderungen der Abmessungen, zu einer Veränderung des Werk stoffzustandes und/oder zu einer Verschlechterung der Ober flächenqualität kommen, insbesondere auf der Lauffläche oder am Spurkranz der Räder. Im ungünstigsten Fall können sicht bare oder verdeckte Risse entstehen, die die Betriebssicher heit der Räder oder Radsätze erheblich reduzieren und zu fol genschweren Unfällen führen können.

Zur Kontrolle des Zustands der Räder und Radsätze erfolgen bislang in regelmäßigen Abständen Inspektionen oder Überprü fungen in Instandsetzungswerken.

Hierzu ist es beispielsweise aus der deutschen Offenlegungs schrift DE 32 18 453 A1 bekannt, mittels Ultraschallprüfköp fen, die in den Schienen angeordnet sind, Ultraschall in ein Eisenbahnrad einzukoppeln.

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 können.

Aus der deutschen Veröffentlichung DE 195 80 682 T1 ist es zwar bekannt, einen Defekt zustand in einem Eisenbahnrad oder in einem Gleisweg mittels eines im Schienenfahrzeug angebrachten Bewegungssensors zu messen, wobei der Bewegungssensor insbesondere ein Beschleu nigungsmesser, ein Schwingungssensor oder ein Stoßsensor ist. Damit kann ein Defektzustand jedoch erst spät detektiert wer den, nämlich so spät, daß er sich bereits in meßbaren Fahr zeugschwingungen äußert. Insbesondere im Hochgeschwindig keitsschienenverkehr können sich Schäden am Eisenbahnrad re lativ schnell entwickeln, so daß die mit dem bekannten Ver fahren erzielbare Vorwarnzeit zu gering sein kann. Darüber hinaus ist eine zustandsorientierte Instandhaltung mit dem bekannten Verfahren nicht möglich, da - wie bereits erläutert - die Schäden erst zu spät erkannt werden.

Aus dem Siemens Technik Report - Beiträge zum Stand der Tech nik, vom April 1999, ist ein Ultraschallsystem zur Radreifen überwachung bekannt, das die Radreifenoberfläche mittels ei nes Ultraschall-Senders und eines Ultraschall-Empängers ab tastet. Der Ultraschall-Sender und der Ultraschall-Empfänger werden wie eine Reflexlichtschranke betrieben, so daß die Radreifenoberfläche auf Störungen der Homogenität hin abtast bar ist. Eine frühzeitige Detektion eines Defektzustandes an einem Rad eines Schienenfahrzeugs ist damit ebenfalls nicht möglich.

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

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung da durch gelöst, dass der Ultraschall sowohl eine sich schräg bezüglich der Radoberfläche ausbreitende Scherwelle als auch eine sich parallel zur Radoberfläche ausbreitende Oberflä chenwelle umfasst.

Mit diesem Verfahren ist es in vorteilhafter Weise möglich, Defektzustände auch im Inneren des Rads, beispielsweise einen dort entstehenden Riß oder eine dort entstehende Veränderung des Werkstoffgefüges, frühzeitig zu detektieren. Mit dem Ver fahren kann aber nicht nur ein Defektzustand im Inneren des Rads, sondern allgemein ein Parameter des Rads, beispiels weise auch eine Oberflächeneigenschaft, überwacht werden.

Die sich parallel zur Radoberfläche ausbreitende Oberflächen welle wird insbesondere als Kriechwelle oder als Rayleigh- Welle in das Rad eingekoppelt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Meßsignale kontinuierlich einer mobilen Auswerteeinheit im Schienenfahrzeug und/oder einer stationären Auswerteein heit in einem Leitstand zugeführt. Die Meßsignale werden also nicht nur "online" erfat, sondern auch "online" ausgewertet, so dass besonders frühzeitig ein sich bildender Defektzustand erfassbar ist.

Die Meßsignale werden der Auswerteeinheit insbesondere lei tungsgebunden oder durch Funk zugeführt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird das Rad während des betriebsmäßigen Fahrens mit einem wasserhaltigen Fluid, ins besondere mit Wasser, zur Verbesserung der Einkopplung und/oder der Auskopplung von Ultraschall benetzt (Kopplungs fluid). Dadurch ist eine besonders empfindliche Rißdetektion im Inneren des Rads durchführbar, da die Verluste beim Ein- und/oder Auskoppeln gering gehalten sind.

Zur Verminderung von Einkoppel- und/oder Auskoppelverlusten wird der Ultraschall auch bevorzugt durch ein am Rad anlie gendes oder von diesem in Rotation versetztes Kopplungsrad hindurch in das Rad eingekoppelt und/oder aus dem Rad ausgekoppelt. Dabei kann das Rad zusätzlich mit dem wasserhaltigen Fluid benetzt werden.

Bevorzugt wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenzge schwindigkeit des Schienenfahrzeugs die Benetzung des Rads mit dem wasserhaltigen Fluid unterbrochen, bzw. das Kopp lungsrad in Abstand zum Rad gebracht. Dadurch wird vermieden, daß bei sehr hohen Geschwindigkeiten, insbesondere bei Ge schwindigkeiten oberhalb von 50 km/h oder 100 km/h, durch die dann infolge von Verschleiß etc. stark auftretenden Fahrvi brationen und/oder Schallemissionen das Verfahren nach der Erfindung negativ beeinflußt oder gar eine zur Durchführung vorhandene Vorrichtung beschädigt wird.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird Ultraschall durch einen Spalt oder Luftspalt auf das Rad geschallt und/oder vom Rad kommend detektiert, dessen Spaltbreite grö ßer als die Unrundheit des Rads und kleiner als 10 mm ist. Unter einer Unrundheit wird in diesem Zusammenhang jede ra diale Schwankung des Radhalbmessers über dem Umfang des Rads verstanden.

Beispielsweise wird die Beschallung durch den Luftspalt mit dem selben Ultraschallmeßkopf durchgeführt, der auch zum Ein- und/oder Auskoppeln von Ultraschall mittels dem wasserhalti gen Fluid und/oder dem Kopplungsrad verwendet wird. Insbeson dere findet dann die Beschallung durch den Luftspalt oberhalb der genannten Grenzgeschwindigkeit oder oberhalb einer ande ren Grenzgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs statt, so daß während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs in Abhängigkeit von dessen Geschwindigkeit entweder mittels des Kopplungsfluids oder des Kopplungsrads in das Rad einge schallt oder das Rad durch den Luftspalt beschallt wird.

Da die Beschallung durch den Luftspalt unempfindlicher für eine Detektion eines Defektzustandes des Rads ist, wird mit aus der Beschallung durch den Luftspalt erhaltenen Meßsignalen insbesondere die Unrundheit des Rads oder dessen Verände rung in der Oberflächenmorphologie erfaßt und die Meßsignale werden in diesem Hinblick ausgewertet.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Ultraschall während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs in Ultraschall-Impulsen in das Rad des Schienenfahrzeugs eingekoppelt. Dadurch ist es in vorteilhaf ter Weise möglich, über die gemessene Laufzeit der Ultra schall-Impulse bei bekannter Schallgeschwindigkeit auf die räumliche Position des Defektzustands im Rad zu schließen.

Nach einer anderen Weiterbildung wird kontinuierlich ein die Radstellung wiedergebendes Radstellungs-Signal ermittelt, und ein Einkopplungszeitpunkt der Ultraschall-Impulse durch des Radstellungsignal gesteuert. Dadurch können die erzeugten Meßsignale vorteilhaft den während des betriebsmäßigen Fah rens des Schienenfahrzeugs auftretenden unterschiedlichen Radstellungen zugeordnet werden, und es ist insbesondere eine Synchronisation zwischen der Raddrehbewegung und der Einkopp lung der Ultraschall-Impulse möglich, so daß ein Einkopp lungszeitpunkt eindeutig einer Radstellung zugeordnet ist.

Vorzugsweise wird dann zur Überwachung des Radzustands ein Satz von Meßsignalen, die bei unterschiedlichen Radstellungen erhalten wurden, gebildet, und der Satz wird über mehrere Um drehungen des Rads gemittelt. Durch diese Art der Signalmit telung wird der besondere Vorteil erzielt, daß statistisch auftretende, insbesondere durch Fahrvibrationen erzeugte, Störungen unterdrückt und auf einen tatsächlichen Defektzu stand zurückgehende Meßsignale relativ verstärkt werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dadurch deutlich verbessert.

Beispielsweise enthält das Radstellungs-Signal Triggerim pulse, die bewirken, daß an bestimmten Radstellungen Ultra schall in das Rad eingekoppelt wird. Damit mit dem eingekop pelten Ultraschall das Rad nicht nur zu bestimmten Radstellungen sondern der gesamte Radumfang lückenlos abgetastet wird, wird bevorzugt eine Zeitverzögerung zwischen einem Triggerzeitpunkt im Radstellungssignal und dem Einkopplungs zeitpunkt variiert.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weisen die eingekoppelten Ultraschall-Impulse eine vorgege bene - insbesondere durch Amplituden- und/oder Frequenzmodu lation erzeugte - Codierung auf, und es wird ein ausgekoppel ter Anteil der Ultraschall-Impulse unter Verwendung der Co dierung selektiv detektiert. Durch diese Maßnahme wird das Signal-Rausch-Verhältnis der Ultraschallmessung weiter er höht, da nicht von der Ultraschalleinkopplung herrührende, beispielsweise von Fahrvibrationen erzeugte, Schallwellen bei der Detektion unterdrückt werden.

Hierzu genügt es, daß alle Ultraschall-Impulse die gleiche Codierung aufweisen. Vorzugsweise weisen aber nacheinander eingekoppelte Ultraschall-Impulse voneinander verschiedene Codierungen auf. Dadurch wird zusätzlich erreicht, daß bei der Detektion immer der gewünschte Ultraschallimpuls zur Aus wertung kommt und daß eine Überlagerung mehrerer, nacheinan der eingekoppelter Ultraschall-Impulse, die nach unterschied lichen Laufzeiten im Rad gleichzeitig zu einem Detektor ge langen, vermieden ist.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Rad des Schienenfahrzeugs während des betriebsmäßi gen Fahrens zusätzlich einer Messung mit Wirbelstrom unter zogen, und Wirbelstrom-Meßsignale werden zur Überwachung des Radzustands ausgewertet. Die Wirbelstromüberwachung kann so wohl simultan als auch zeitlich versetzt zur Ultraschallüber wachung durchgeführt werden.

Aus der gemeinsamen Auswertung von Ultraschallmeßsignalen, die vorzugsweise Informationen aus dem Inneren des Eisenbahn rads beinhalten, mit Wirbelstrom-Meßsignalen, deren Schwerpunkt auf dem oberflächennahen Radzustand liegt, läßt sich eine besonders umfassende und zuverlässige Überwachung des Schienenfahrzeugs durchführen. Dabei sind die unterschiedli chen Meßverfahren zum Teil redundant, so daß die Aussagekraft und Zuverlässigkeit der Meßsignale weiter erhöht wird.

Das Verfahren ist vorzugsweise auch dadurch weitergebildet, daß während des betriebsmäßigen Fahrens, Schwingungen des Schienenfahrzeugs, insbesondere in einer zur Fahrrichtung senkrechten Richtung, gemessen werden, und daß Schwingungs- Meßsignale zur Überwachung des Radzustands ausgewertet wer den. Dadurch wird, insbesondere in Verbindung mit der genann ten Wirbelstrommessung, eine besonders umfassende Beurteilung des Rads möglich, da die Schwingungsmessung auch Aussagen über den Zustand des Radlagers oder der Achse möglich macht.

Das Ein- und/oder Auskoppeln des Ultraschalls findet vorzugs weise durch die Lauffläche des Rads statt.

Mit der Scherwelle werden oberflächenferne und mit der Ober flächenwelle oberflächennahe Bereiche des Rads abgetastet, so daß insgesamt eine besonders zuverlässige Aussagekraft der Meßsignale erhalten wird.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung be zogen auf die eingangs genannte Vorrichtung dadurch gelöst, dass der erste Ultraschallsender zur Einkopplung einer sich parallel zur Radoberfläche ausbreitenden Oberflächenwelle ausgebildet ist und dass der Messkopf einen zweiten Ultra schallsender aufweist, der zur Einkopplung einer sich schräg bezüglich der Radoberfläche ausbreitenden Scherwelle in das Rad ausgebildet ist.

Die sich parallel zur Radoberfläche ausbreitende Oberflächen welle ist insbesondere eine Kriechwelle oder Rayleigh-Welle.

Das Mittel zur Detektion kann insbesondere ein von dem ersten Ultraschall-Sender gesondert vorhandener Ultraschall-Empfän ger sein. Der erste Ultraschall-Sender kann aber auch zur De tektion eines reflektierten Anteils des eingekoppelten Ultra schalls hergerichtet sein, so daß das Mittel zur Detektion mit dem ersten Ultraschall-Sender identisch ist. Insbesondere für eine oberflächennahe Detektion ist es vorteilhaft, einen vom ersten Ultraschall-Sender gesondert vorhandenen Ultra schall-Empfänger vorzusehen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet. Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile gelten bezüglich der Vorrichtung analog.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die mit dem Mittel zur Detektion in Verbindung steht und mit der bei der Detektion erzeugte Meßsignale zur Überwachung des Radzustands auswertbar sind.

Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Vorrich tung ist ein erster Ultraschallschwinger des ersten Ultra schall-Senders und gegebenenfalls ein zweiter Ultraschallschwinger des zweiten Ultraschall-Senders als Rollkörper ausgebildet, der an das Rad anlegbar und von diesem in Rotation versetzbar ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Rollkörper um einen ringförmig ausgebildeten piezoelektrischen Schwingkörper. Mit einem solchen Rollkörper läßt sich der Ultraschall beson ders effizient in das Rad des Eisenbahnzugs einkoppeln, so daß mit einer derart weitergebildeten Vorrichung Defektzu stände im Rad besonders sicher erkennbar sind.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine mit einem Radstel lungs-Sensor in Verbindung stehende und auf den ersten Ultra schall-Sender sowie gegebenenfalls auf den zweiten Ultraschall-Sender einwirkende Steuereinheit auf, mit der ein Einkopplungszeit punkt einzukoppelnder Ultraschall-Impulse in Abhängigkeit von der Radstellung steuerbar ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, daß der Meßkopf einen Wirbelstromsensor aufweist, wobei der Meßkopf derart am Fahrgestell des Schienenfahrzeugs befe stigt ist, daß in einem Rad des Schienenfahrzeugs Wirbel ströme induzierbar sind.

Weiterhin bevorzugt weist der Meßkopf einen Schwingungssensor auf, mit dem Schwingungen des Rads in einer Richtung senk recht zur Fahrtrichtung detektierbar sind. Die Schwingungen des Rads werden dabei über das Fahrgestell auf den Schwin gungssensor übertragen.

Nachfolgend wird die Vorrichtung nach der Erfindung anhand von fünf in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbei spielen näher erläutert. Die Fig. 1 bis 7 dienen auch der Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 die Steuerung von Einkopplungszeitpunkten von Ul traschall-Impulsen durch ein Radstellungsignal be zogen auf das erste Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 7 die Steuerung von Einkopplungszeitpunkten einzukop pelnder Ultraschall-Impulse bezogen auf das fünfte Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt ein Rad 1, das sich in einer Drehrichtung 2 dreht. Das Rad 1 gehört zu einem Schienenfahrzeug 3, das in Fahrtrichtung 4 bewegt wird. Das Rad 1 weist einen Spurkranz 5 und eine Lauffläche 7 auf, die den Radkranz bilden. Die zentrisch durch die Radnabe 9 verlaufende Radachse 8 steht senkrecht auf der Zeichenebene. Das Schienenfahrzeug 3 wird mit einer Fahrgeschwindigkeit bewegt.

Fig. 1 zeigt weiterhin eine Vorrichtung 11 nach der Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 11 umfaßt einen Meßkopf 13, der über einen Arm 15 mit dem Fahr gestell 17 des Schienenfahrzeugs 3 verbunden ist. Der Arm 15 ist über Gelenke 16 mit dem Meßkopf 13 und dem Fahrgestell 17 verbunden, so daß der Meßkopf 13 mittels eines nicht geson dert dargestellten Stellgliedes relativ zur Laufläche 7 der art bewegt werden kann, daß der Abstand S zur Lauffläche 7 veränderlich ist.

Der Meßkopf 13 umfaßt eine Ultraschall-Einheit 19, einen Wir belstromsensor 21 sowie einen Schwingungssensor 23.

Der Wirbelstromsensor 21 ist derart ausgestaltet und angeord net, daß mit seiner Hilfe im Rad 1 Wirbelströme induzierbar und aus dem Rad 1 empfangene Wirbelstrom-Meßsignale detek tierbar sind. Mit dem Wirbelstromsensor 21 ist insbesondere ein oberflächennaher Bereich I bezüglich der Lauffläche 7 ab tastbar. Mit dem Schwingungssensor 23, der nicht notwendiger weise am Meßkopf 13 angeordnet sein muß, sondern vielmehr auch direkt am Fahrgestell 17 montiert sein könnte, werden Schwingungen gemessen, die durch Unebenheiten des Fahrwegs und/oder Unrundheiten des Eisenbahnrads 1 ausgelöst werden, und sich über das Fahrgestell 17 auf den Schwingungssensor 23 übertragen.

Jedem Eisenbahnrad 1 des Schienenfahrzeugs 3 ist ein geson derter Meßkopf 13 zugeordnet. Der Meßkopf 13 steht mit einer mobilen Auswerteeinheit 31 im Schienenfahrzeug und/oder mit einer stationären Auswerteeinheit 33 in einem stationären Leitstand 35 in Verbindung. Die Verbindung kann sowohl durch Funk als auch durch Kabel 37 realisiert sein.

Mit der Ultraschall-Einheit 19 kann sowohl der oberflächen nahe Bereich I als auch ein oberflächenferner Bereich II des Rads 1 abgetastet werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 11 nach der Erfindung, mit dem gleichfalls die Ultraschall- Einheit 19 des ersten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 näher erläutert wird. Demzufolge weist der Meßkopf 13 einen ersten Ultraschall-Sender 41 auf, der über einen als Keil ausgebil deten ersten Kopplungskörper 43 an das sich in Drehrichtung 2 drehende Rad 1 angekoppelt ist. Vom ersten Ultraschall-Sender 41 wird eine oberflächennahe Oberflächenwelle 45, insbeson dere als Kriechwelle oder als Rayleigh-Welle, weitgehend par allel oder tangential zur Lauffläche 7 eingeschallt. Der er ste Ultraschall-Sender 41 wird in Reflexion betrieben, das heißt ein ausgekoppelter Anteil 47 der eingekoppelten Oberflächen welle 45 wird ebenfalls vom ersten Ultraschall-Sender 41, der auch als Detektormittel fungiert, empfangen. Von der Oberflä chenwelle 45 wird im wesentlichen der oberflächennahe Bereich I abgetastet.

Der Meßkopf 13 weist einen zweiten Ultraschall-Sender 51 auf, der über einen zweiten Kopplungskörper 53 eine Schwerwelle 55 mit im Vergleich zur Oberflächenwelle 45 kleinerem Einschall winkel von etwa 40° bis 60° in das Rad einkoppelt, so daß im wesentlichen der oberflächenferne Bereich II abgetastet wird. Auch der zweite Ultraschall-Sender 51 wird in Reflexion be trieben (Impuls-Echo-Modus).

Sowohl die Oberflächenwelle 45 als auch die Scherwelle 55 werden durch einen kleinen Luftspalt 57 in das Rad eingekop pelt, dessen Spaltbreite S kleiner als 5 mm, insbesondere kleiner als 3 mm ist.

Zur Verbesserung der Einkopplung sowohl der Oberflächen welle 45 als auch der Scherwelle 55 als auch zur Verbesserung der Auskopplung eines jeweils an einem Defekt im Rad 1 re flektierten Anteils kann in den Luftspalt 57 ein wasserhalti ges Fluid F, insbesondere Wasser, eingeführt werden. Hierzu weisen die Kopplungskörper 43, 53 Bohrungen 61 auf, die über Leitungen 65 mit einer Pumpe 67 in Verbindung stehen, die das wasserhaltige Fluid F aus einem Vorratsbehälter 69 fördert. Dem Fluid F kann ein Frostschutzmittel, insbesondere Glyze rin, zugesetzt sein, um ein Einfrieren des Fluids F während der Winterperiode zu vermeiden.

In Drehrichtung 2 vor den Ultraschall-Sendern 41, 51 ist an dem Meßkopf 13 außerdem eine Sprühdüse 63 angebracht, mit der die Lauffläche 7 zunächst feinstäubig benetzt wird, bevor eine im Vergleich dazu größere Menge an Fluid F durch die Bohrungen 61 auf die Lauffläche 7 in den Luftspalt 57 einge bracht wird. Durch die Kombination einer die Benetzung des Rads 1 einleitenden Sprühdüse 63 mit den der eigentlichen Zuführung des Fluids F dienenden Bohrungen 61 wird ein beson ders geringer Verbrauch von Fluid F erreicht.

Beispielsweise werden für einen kompletten Meßzyklus, der die Messung des gesamten Radumfangs umfaßt, etwa 200 ml bis 1000 ml an Fluid F benötigt.

Vorzugsweise finden Meßzyklen am Rad 1 nicht ständig oder kontinuierlich, sondern in festen oder variablen Zeitabstän den, beispielsweise alle 30 Minuten, statt. Vorzugsweise fin det die Einkopplung von Ultraschall und die Zufuhr von Fluid F bei einer Fahrgeschwindigkeit von weniger als 50 km/h statt. Bei größeren Fahrgeschwindigkeiten wird die Zufuhr von Fluid F unterbrochen und der Meßkopf 13 mittels der Ge lenke 16 (siehe Fig. 1) weiter als in Fig. 2 dargestellt vom Rad 1 weggeschwenkt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel, mit dem gleichzeitig eine mögliche Ausgestaltung der Ultra schall-Sender 41, 51 des vorgenannten Ausführungsbeispiels näher erläutert wird, ist ein - beispielsweise piezoelektri scher - Ultraschallschwinger 77 im Inneren eines Kopplungs reifens oder Kopplungsrads 75 angeordnet. Das Kopplungsrad 75 liegt am Rad 1 an und wird von diesem in eine Drehrichtung 78 in Rotation versetzt. Der Ultraschallschwinger 77 ist nahe des Rads 1 an der Innenoberfläche des Kopplungsrads 75 bezüg lich dem Kopplungsrad 75 feststehend angebracht. Hierzu vor handene Befestigungsmittel sind nicht explizit dargestellt. Das Kopplungsrad 75 ist im Inneren mit wasserhaltigem Fluid F als Ankopplungsmittel bis zu einem Wasserspiegel 80 gefüllt. Es ist an einem Lager 81 drehbar aufgehängt und steht über einen von dort ausgehenden Arm 15 mit dem Fahrgestell 17 in Verbindung, an dem der Arm 15 über ein Gelenk 16 in einer Schwenkrichtung 83 schwenkbar gelagert ist.

Das Kopplungsrad 75 besteht beispielsweise aus Gummi, Metall oder Keramik. Die Elektroden 79 des Ultraschallschwingers 77 sind über nicht näher dargestellte Leitungen kontaktiert, die beispielsweise zentrisch durch das Lager 81 aus dem Kopp lungsrad 75 oder mit Hilfe eines Schleifkontaktes aus diesem herausgeführt werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist nicht nur der Kopplungskörper als Kopplungsrad 75 sondern auch der Ultraschallschwinger als Ringschwinger 91 ausgebil det. Das Kopplungsrad 75 umfaßt den Ringschwinger 91 konzen trisch und liegt an diesem an. Die Elektroden 79 sind hierbei als Ringelektroden ausgeführt, die beispielsweise über Schleifringe mit einer Steuereinheit in Verbindung stehen. Das Kopplungsrad 75 ist wie beim vorgenannten Ausführungsbei spiel vorzugsweise aus Metall, Keramik oder Gummi gefertigt, der Ringschwinger 91 insbesondere aus piezoelektrischer Kera mik. Im Inneren des Ringschwingers 91 ist ein diesen Innen raum ausfüllender Dämfungskörper D, zum Beispiel aus Kork gefertigt, angeordnet.

Auch der Ringschwinger 91 mit dem ihn umgebenden Kopplungsrad 75 wird zur Einkopplung von Ultraschall 93 in das Rad 1, an das Rad 1 angelegt und von diesem in Drehrichtung 78 in Rota tion versetzt.

Im weiteren wird beschrieben, wie die Einkopplung von Ultra schall-Impulsen in das Rad 1 durch ein Radstellungs-Signal gesteuert wird. Hierzu wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Das dort dargestellte Eisenbahnrad 1 weist nämlich eine Mar kierung 101 auf, die bei Vorbeibewegung am Meßkopf 13 ein Radstellungs-Signal 115 (siehe Fig. 5) generiert. Die Markie rung 101 kann beispielsweise durch ein im Vergleich zum übri gen Material des Rads 1 unterschiedliches magnetisches Mate rial oder durch eine Fehlstelle gegeben sein, so daß das Radstellungs-Signal 115 vom Wirbelstromsensor 21 detektierbar ist. Die Markierung 101 kann aber auch derart ausgestaltet sein, daß von einem zusätzlich auf dem Meßkopf 13 angeordneten Lichtschrankendetektor auf optischem Wege das Radstel lungs-Signal 115 erzeugbar ist.

In jedem Fall wird das vom Meßkopf 13 generierte Radstel lungs-Signal 115 über das Kabel 37 oder per Funk einer Steu ereinheit 105 zugeleitet. Hierzu steht die (mobile) Auswerte einheit 31 über eine Triggerleitung 103 mit der Steuereinheit 105 in Verbindung. Über eine Meßleitung 107 wird außerdem ein der Fahrgeschwindigkeit proportionales Signal eines Ge schwindigkeitsmessers 109 der Steuereinheit 105 zugeführt, die ebenfalls mobil im Schienenfahrzeug 3 angeordnet ist.

Die Steuereinheit 105 steht über eine Steuerleitung 111 mit dem Meßkopf 13 in Verbindung, über die insbesondere die Ein kopplung von Ultraschall-Impulsen 117 (siehe Fig. 5) aus der Ultraschall-Einheit 19 in das Rad 1 gesteuert wird.

Dies ist in Fig. 5 schematisch näher dargestellt, die das Auf treten der unterschiedlichen Impulse auf einer Zeitskala t (die bei konstanter Fahrgeschwindigkeit dem Drehwinkel ϕ des Rads 1 proportional ist) aufzeigt. Das Radstellungssignal 115 ist durch einen zu einem Triggerzeitpunkt t₁ auftretenden Triggerimpuls gegeben. Diesem Triggerzeitpunkt t₁ ist eine Radstellung ϕ₁ zugeordnet. Um eine Zeitverzögerung Δt verzö gert wird dann über die Steuerleitung 111 gesteuert ein er ster Ultraschall-Impuls 117 zu einem Einkopplungszeitpunkt T₁ - entsprechend einer Radstellung γ₁ - in das Rad 1 eingekop pelt. Da von der Steuereinheit 105 auch die Fahrgeschwindig keit ausgewertet wird, ist es durch Variation der Zeitver zögerung Δt₁ zwischen dem Triggerzeitpunkt t₁ und dem Ein kopplungszeitpunkt T₁ möglich, nacheinander Ultraschall-Im pulse entlang des gesamten Radumfangs einzukoppeln und somit das Rad 1 während zahlreicher Radumdrehungen sukzessive ent lang des gesamten Umfangs abzutasten.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrich tung 11 nach der Erfindung, bei dem anstelle der in Fig. 1 dargestellten Markierung 101 am Rad 1 ersatzweise ein Radstellungs-Sensor 121 an der Achse 123 des Rads 1 ange bracht ist. Der Radstellungs-Sensor 121 generiert an den Radstellungen ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ Triggerimpulse, die das Radstel lungs-Signal 115 bilden (siehe Fig. 7). Der Radstellungs-Sen sor 121 steht über die Triggerleitung 103 mit der Steuerein heit 105 in Verbindung, die über die Steuerleitung 111 die Einkopplung der Ultraschall-Impulse 117 aus der Ultraschall- Einheit 19 in das Rad 1 zeitlich steuert. Bei dem in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine gesonderte Erfassung der Fahrgeschwindigkeit zur Auswertung in der Steuereinheit 105 nicht erforderlich, da vom Radstellungs- Sensor 121 ausreichend viele Triggerimpulse im Radstellungs signal 115 erzeugt werden, so daß der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Radstellungen ϕ₁, ϕ₂ etwa 5° oder weni ger beträgt.

Beispielsweise werden von dem Radstellungs-Sensor 121 360 oder 720 Impulse pro Radumdrehung erzeugt, so daß der Win kelabstand etwa 1° bzw. 0,5° beträgt. In diesem Fall kann auf eine zusätzliche Variation einer Zeitverzögerung Δt zwischen den Triggerzeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄ und den Einkopplungszeit punkten T₁, T₂, T₃, T₄ verzichtet werden, da bereits durch die Vielzahl der erzeugten Radstellungs-Impulse eine vollständige Abtastung des Radumfangs gewährleistet ist.

Bei größerem Winkelabstand ϕ₁, ϕ₂ ist es vorteilhaft, die ge nannte Zeitverzögerung Δt für eine vollständige Abdeckung des Radumfangs zu variieren, wie dies in Fig. 7 veranschau licht ist.

Sowohl bei der anhand der Fig. 1 und 5 als auch bei der anhand der Fig. 6 und 7 dargestellten Variante werden die bei unter schiedlichen Radstellung ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄; γ₁, γ₂, γ₃, γ₄ erhaltenen Meßsignale, über mehrere Umdrehungen des Rads 1 gemittelt, so daß ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird.

Zur weiteren Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit sind die nacheinander eingekoppelten Ultraschall-Impulse 117 (s. Fig. 7) mit einer unterschiedlichen Codierung versehen, die beispielsweise durch eine unterschiedliche Frequenzmodulation oder einen unterschiedlichen Chirp realisiert ist. Beispiels weise genügt es, falls insgesamt vier verschiedene Codierun gen verwendet werden, um eine ungewünschte Interferenz nach einander in das Rad eingekoppelter Ultraschall-Impulse 117 bei der Detektion zu vermeiden. Beispielsweise werden die nacheinander in das Rad 1 eingekoppelten Ultraschall-Impulse 117 abwechselnd positiv und negativ gechirpt. Die Information über diese unterschiedliche Codierung wird von der Steuerein heit 105 in Form einer Musterfunktion auch der Auswerteein heit 31 zur Verfügung gestellt (in Fig. 1 angedeutet durch den bidirektionalen Pfeil an der Triggerleitung 103), so daß eine codierungsselektive Auswertung der aus dem Rad 1 ausgekoppel ten Ultraschall-Impulse in der Auswerteeinheit 31 möglich ist.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs (3), wo bei

a) während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahrzeugs (3) in ein Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) Ultraschall eingekoppelt wird,
b) während des betriebsmäßigen Fahrens ein aus dem Rad (1) ausgekoppelter Anteil (47) des Ultraschalls detektiert wird, und
c) dabei erzeugte Meßsignale zur Überwachung des Radzustands ausgewertet werden,

dadurch gekennzeichnet, dass der Ult raschall sowohl eine sich schräg bezüglich der Radoberfläche ausbreitende Scherwelle (55) als auch eine sich parallel zur Radoberfläche ausbreitende Oberflächenwelle (45) umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsi gnale kontinuierlich einer mobilen Auswerteeinheit (31) im Schienenfahrzeug (3) und/oder einer stationären Auswerteein heit (33) in einem Leitstand (35) zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (1) während des betriebsmäßigen Fahrens mit einem wasserhaltigen Fluid (F) zur Verbesserung der Einkopplung und/oder der Aus kopplung von Ultraschall benetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra schall durch ein am Rad (1) anliegendes und von diesem in Ro tation versetztes Kopplungsrad (75) hindurch in das Rad (1) eingekoppelt und/oder aus dem Rad (1) ausgekoppelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über schreiten einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit des Schie nenfahrzeugs (3) die Benetzung des Rads (1) mit dem wasser haltigen Fluid (F) unterbrochen gegebenenfalls das Kopplungsrad (75) in Abstand zum Rad (1) gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall durch einen Spalt (57) auf das Rad (1) geschallt und/oder vom Rad (1) kommend detektiert wird, dessen Spaltbreite (S) größer als die Unrundheit des Rads (1) und kleiner als 10 mm ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra schall während des betriebsmäßigen Fahrens des Schienenfahr zeugs (3) in Ultraschall-Impulsen (117) in das Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) eingekoppelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß kontinuierlich ein die Radstellung (ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄) wieder gebendes Radstellungs-Signal (115) ermittelt wird, und
daß ein Einkopplungszeitpunkt (T₁, T₂, T₃, T₄) der Ultraschall- Impulse (117) durch das Radstellungs-Signal (115) gesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeit verzögerung (Δt) zwischen einem Triggerzeitpunkt (t₁, t₂, t₃, t₄) im Radstellungs-Signal (115) und dem Einkopplungszeitpunkt (T₁, T₂, T₃, T₄) variiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwa chung des Radzustands ein Satz von Meßsignalen, die bei un terschiedlichen Radstellungen (ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄; γ₁, γ₂, γ₃, γ₄) erhalten wurden, gebildet wird, und daß der Satz über mehrere Umdre hungen des Rads (1) gemittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einge koppelten Ultraschall-Impulse (117) eine vorgegebene - insbesondere durch Amplituden- und/oder Frequenzmodulation er zeugte - Codierung aufweisen, und daß ein ausgekoppelter An teil (47) der Ultraschall-Impulse (117) unter Verwendung der Codierung selektiv detektiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinan der eingekoppelte Ultraschall-Impulse (117) voneinander ver schiedene Codierungen aufweisen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des betriebsmäßigen Fahrens das Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) einer Messung mit Wirbelstrom unterzogen wird, und daß Wir belstrom-Meßsignale zur Überwachung des Radzustands ausgewer tet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während des betriebsmäßigen Fahrens Schwingungen des Schienenfahrzeugs (3), insbesondere in einer zur Fahrrichtung (4) senkrechten Richtung, gemessen werden, und daß Schwingungs-Meßsignale zur Überwachung des Radzustands ausgewertet werden.

15. Vorrichtung (11) zum Überwachen eines Schienenfahrzeugs (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem am Fahrgestell (17) des Schienenfahrzeugs (3) tragend befestigten Meßkopf (13), der

a) einen ersten Ultraschall-Sender (41) zum Einkoppeln von Ultraschall in ein Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) und
b) ein Mittel zur Detektion eines aus dem Rad (1) ausgekoppel ten Anteils (47) des Ultraschalls aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) der erste Ultraschall-Sender (41) zur Einkopplung einer sich parallel zur Radoberfläche ausbreitenden Oberflächen welle (45) ausgebildet ist, und
b) der Meßkopf (13) einen zweiten Ultraschall-Sender (51) aufweist, der zur Einkopplung einer sich schräg bezüglich der Radoberfläche ausbreitenden Scherwelle (55) in das Rad (1) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung (11) nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Auswerteein heit (31, 33), die mit dem Mittel zur Detektion in Verbindung steht und mit der bei der Detektion erzeugte Meßsignale zur Überwachung des Radzustands auswertbar sind.

17. Vorrichtung (11) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ultraschallschwinger (91) des ersten Ultraschall-Senders (41) und gegebenenfalls ein zweiter Ultraschallschwinger des zweiten Ultra schall-Senders (51) als Rollkörper ausbildet ist, der an das Rad (1) anlegbar und von diesem in Rotation versetzbar ist.

18. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch eine mit einem Radstellungs-Sensor (121) in Verbindung stehende und auf den ersten Ultraschall-Sender (41) sowie gegebenenfalls auf den zweiten Ul traschall-Sender (51) einwirkende Steuereinheit (105), mit der ein Einkopplungszeitpunkt (T₁, T₂, T₃, T₄) einzukoppelnder Ultraschall-Impulse (117) in Abhängigkeit von der Radstellung (ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄) steuerbar ist.

19. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (13) einen Wirbelstromsensor (21) aufweist, wobei der Meß kopf (13) derart am Fahrgestell (17) des Schienenfahrzeugs (3) befestigt ist, daß in einem Rad (1) des Schienenfahrzeugs (3) Wirbelströme induzierbar sind.

20. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf einen Schwingungssensor (23) aufweist, mit dem Schwingungen des Rads (1) in einer Richtung senkrecht zur Fahrtrichtung (4) detektierbar sind.