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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Wartungs-
und Verschleißzustandes der hydraulischen Systeme von gleisfahrbaren
Nebenfahrzeugen, insbesondere Gleisbaumaschinen.
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Nebenfahrzeuge
sind insbesondere gleisfahrbare Fahrzeuge, die für die
innerbetriebliche Verwendung vorgesehen sind und nach der Definition der
Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) – DS 300 – nicht
zu den Regelfahrzeugen und nach der Definition der Fahrdienstvorschrift – DS
408 – nicht zu den Kleingeräten gehören.
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Nebenfahrzeuge
werden eingeteilt in Nebenfahrzeuge mit Kraftantrieb und Nebenfahrzeuge ohne
Kraftantrieb. Die Nebenfahrzeuge mit Kraftantrieb werden eingeteilt
in gleisfahrbare Baumaschinen, Bahndiensttriebwagen, Gleiskraftfahrzeuge
und Zweiwegefahrzeuge. Gleisfahrbare Baumaschinen sind hierbei Nebenfahrzeuge,
die vorwiegend der Unterhaltung und Erneuerung des Oberbaus dienen, insbesondere
Stopfmaschinen und Schotterplaniermaschinen. Von der DB Netz Instandsetzung
Maschinenpool werden insbesondere folgende Großmaschinen
betrieben:
- – Gleisstopfmaschinen
- – Universalstopfmaschinen
- – Schotterplaniermaschinen
- – Einzelfehlerstopfmaschinen
- – Gleisumbauzug
- – Gleisvorbaukran
- – Bettungsreinigungsmaschinen
- – Materialförder- und Siloeinheiten
- – Gleisbaukräne
- – Weichentransportwagen
- – Schienenladeeinheiten
- – Messfahrzeuge (EM-SAT)
- – Gleisarbeitsfahrzeuge
- – Arbeitszuglokomotiven
- – Fahrzeuge zur Oberleitungsmontage
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Um
eine zukünftige Verbesserung des Fahrwegzustandes bei gleichen
oder knapper werdenden Finanzmitteln zu gewährleisten,
muss die Effizienz der Fahrweginstandhaltung gesteigert werden.
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Des
Weiteren werden an Nebenfahrzeuge künftig höhere
Anforderungen an die Verfügbarkeit gestellt. Daher erfolgt
die Ausrüstung hochwertiger Nebenfahrzeuge mit einem Betriebsdatenerfassungs-
und Diagnosesystem.
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Zur Übertragung
der großen mechanischen Leistungen bei gleisfahrbaren Nebenfahrzeugen werden
hydraulische Systeme eingesetzt, die somit im Rahmen der Betriebsdatendiagnose
auf ihre Funktionsfähigkeit, ihren Zustand und ihren Wartungsbedarf
hin überwacht werden müssen.
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Der
Verschleiß dieser hydraulischen Anlagen wird im Wesentlichen
durch die Reinheit des verwendeten Hydrauliköls bestimmt.
Hierbei ist zwischen der Verschmutzung mit Partikeln und der Verschmutzung
durch Feuchtigkeit zu unterscheiden. Je höher der Verschmutzungsanteil
im Hydrauliköl, desto größer ist die
Gefahr, dass das Öl seine Funktionalität verliert
und das System beschädigt wird. Im Standard ISO 4406 sind
unterschiedliche Verschmutzungsgrade definiert und klassifiziert.
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Die
Verschmutzung durch Partikel besteht hauptsächlich aus
Spänen, die durch den Abrieb der sich gegeneinander bewegenden
und mit dem Öl in Kontakt stehenden Komponenten des Systems
entstehen sowie aus Staub, der aufgrund der rauen Arbeitsumgebung
der Maschinen von außen in das System eingetragen wird.
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Mit
steigender Verschmutzung erhöht sich der mechanische Verschleiß,
vor allem an den hochwertigen servohydraulischen Komponenten der
Anlagen, wobei durch den Verschleiß vermehrt neue Schmutz-Partikel
entstehen, so dass die Verschmutzung und der Verschleiß exponentiell
zunehmen.
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Um
dies zu verhindern werden Filter eingesetzt. Diese werden in regelmäßigen,
festen Wartungsintervallen ohne Beachtung des tatsächlichen Verschmutzungs-
und Verschleißgrades der Anlage getauscht.
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Kommt
es zu einem verschleißbedingten Ausfall einer Komponente
der Anlage und in Folge dessen zu einer plötzlichen Erhöhung
der Partikelanzahl, so werden diese im gesamten System verteilt und
führen zu erheblichen Folgeschäden an allen anderen
Komponenten der Anlage.
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Um
den Schaden zu beheben, muss in einem solchem Fall nicht nur die
defekte Komponente ersetzt werden, sondern das gesamte System zerlegt,
alle Komponenten gereinigt und wieder montiert werden.
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Durch
einen zu hohen Wasseranteil im Hydrauliköl kommt es zu
Kavitationsschäden und chemischen Veränderungen
des Hydrauliköls. Dabei werden u. a. Öladditive
zersetzt, so dass sich die Eigenschaften des Öls ungünstig
verändern.
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Insbesondere
in Baufahrzeugen, bei denen aus Umweltschutzgründen biologisch
abbaubare Hydrauliköle eingesetzt werden müssen,
steigt – abhängig von den Einsatz- und Witterungsbedingungen – der
Wassergehalt an.
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Da
die Auswirkungen von emulgiertem Wasser wesentlich schädlicher
sind als von gelöstem Wasser, sollte der Wassergehalt immer
deutlich unterhalb des Sättigungspunktes liegen. Selbst
gelöstes Wasser kann jedoch Schäden verursachen.
Es sollten deshalb alle sinnvollen Maßnahmen unternommen
werden, um den Sättigungsgrad zu überwachen und
so niedrig wie möglich zu halten.
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Aus
WO 2007 121897 ist ein
Verfahren zur Bestimmung der Partikelzahl in einem Ölvolumen
bekannt, wobei man mittels einer optischen Messeinrichtung im Öl
eingeschlossene Partikel erfasst. Außerdem ist eine Sensorvorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
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Mittels
der Sensorvorrichtung ist es möglich, die Partikelanzahl
in einem Ölvolumen zu bestimmen und die Partikel anhand
einer oder mehrerer physikalischer Materialeigenschaften zu unterscheiden.
Dadurch ist es möglich, den Zustand des Öls genauer zu
kontrollieren.
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Aus
dem Stand der Technik (z. B. Fa. Hydac International, Datenblatt
zu „Aquasensor AS 1000") sind Wasser- und Temperatursensoren
zur kontinuierlichen Überwachung von Hydraulik- und Schmierfluiden
bekannt.
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Sie
erfassen online den Wassergehalt relativ zur Sättigungskonzentration
und geben diesen Sättigungsgrad als elektrisches Signal
aus.
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Der
zur Feuchtemessung verwendete kapazitive Sensor absorbiert Wassermoleküle
aus dem Fluid, was zu einer Änderung der Kapazität
des Sensorele ments führt. Der hieraus erhaltene Messwert stellt
den Sättigungsgrad des Fluids in Prozent dar.
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Ein
auf dem Sensor integriertes Thermoelement misst die Temperatur.
Diese wird wie der Sättigungsgrad als elektrisches Signal
ausgegeben.
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Aus
DE 10 2006 023 646
A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen
und Komponentenzuständen von Nebenfahrzeugen, insbesondere
Gleisbaumaschinen bekannt. Dabei erfassen Sensoren den Zustand verschiedener
Komponenten des Nebenfahrzeugs. Des Weiteren nimmt mindestens ein
Diagnosesystem das Ausgangssignal der Sensoren auf und übermittelt
mithilfe eines Datenübertragungssystems die in dem mindestens einen
Diagnosesystem abgelegten Daten an mindestens eine stationäre
Datenbank.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung
von Wartungs- und Verschleißzuständen der hydraulischen
Systeme eines gleisfahrbaren Nebenfahrzeugs bereitzustellen, mit der
einerseits eine Vermeidung von Ausfällen, Folgeschäden
und unnötig langen Stillstandszeiten durch Nichterkennung
kritischer Zustände sowie andererseits eine zielgerichtete
Planung und Vorbereitung von Instandsetzungsmaßnahmen gewährleistet
wird.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1
erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Die
Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch
1.
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Mit
der Erfindung sollen die bisherigen, starren Wartungsintervalle
durch zustandsbezogene, d. h. verschleißabhängige
Wartung ersetzt werden. Durch die verbesserte zustandsbezogene Wartung wird
ein auf Dauer verbesserter Gesamtzustand der Anlage erreicht.
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Dies
führt zu einer Verlängerung der gesamten Einsatzdauer
der hydraulischen Komponenten, einer erhöhten Zuverlässigkeit
der gesamten Anlage und einer Senkung der Instandhaltungskosten.
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Da
sich der Verschleißzustand von Hydraulikkomponenten direkt
nicht ermitteln lässt, ohne die Anlage zu zerlegen, erfolgt
die Ermittlung des Verschleißzustands indirekt durch eine
Oberwachung der Verschmutzung des Hydrauliköls mithilfe
von mindestens einem Sensor. Der Sensor übermittelt die
gemessenen Daten an ein übergeordnetes Oberwachungssystem,
das die Daten abspeichert und auswertet.
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Die
Vorrichtung liefert Aussagen zum Zustand der hydraulischen Baugruppen
des Fahrzeuges. Diese Daten werden von einem Diagnosesystem erfasst,
gespeichert und ausgewertet. Diagnoseereignisse werden durch kontinuierliche
oder zyklisch stattfindende Prüfläufe und Parameterüberwachungen
generiert. Des Weiteren generiert das Diagnosesystem beispielsweise
eine Staffelung des erreichten Bauteilverschleißes in einer
Ampelausleuchtung:
- – Zustand „grün" – überwachtes
Systemelement innerhalb zulässiger Grenzwerte, kein Handlungsbedarf
erforderlich,
- – Zustand „gelb" – überwachtes
Systemelement innerhalb zulässiger Grenzwerte, Messwerte
ansteigend, Handlungsbedarf einplanen, Wartung erforderlich,
- – Zustand „rot" – überwachtes
Systemelement außerhalb zulässiger Grenzwerte,
Maschinen-Ausfall ist zu erwarten, Maschine muss außer
Betrieb gesetzt und einer Reparatur zugeführt werden
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Im
Diagnoserechner können unter Verwendung der erfassten Prozesswerte
und Eingangsgrößen die projektierten Diagnoseereignisse
gebildet werden.
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Das
Ereignismanagement organisiert die weitere Behandlung der vorhandenen
Diagnosedaten, wie z. B.:
- – Auslösen
der vorgesehenen Anzeigen,
- – automatisches Auslösen der vorgesehenen
Datenfernübertragung (DFÜ),
- – automatisches Versenden einer SMS,
- – Organisation der Archivierung im Historienspeicher
des Diagnoserechners,
- – Zusammenstellung der Daten, die durch eine DFÜ übertragen
werden,
- – Aufbau und Überwachung der DFÜ-Verbindung zu
den stationären DV-Systemen. Kommt es während
einer DFÜ zu einem Verbindungsabbruch, so wird der Prozess
der DFÜ fahrzeugseitig sicher beendet und wiederholt. Durch
Prüfmechanismen wird sichergestellt, dass die Kommunikation
von und zum Fahrzeug ohne Datenverlust erfolgt.
- – Löschen von Alarmanzeigen durch manuelles Rücksetzen
des Fehlerspeichers.
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Im
Historienspeicher werden alle generierten Ereignisse in Form von
Datensätzen nichtflüchtig gespeichert.
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Das
Diagnosesystem kann außerdem betriebsrelevante Diagnoseereignisse,
sowie Prozesswerte und Betriebsdaten an ein stationäres
Anwendersystem generieren und versenden.
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Gemäß Anspruch
2 wird als Sensor in die hydraulische Anlage ein Partikelmonitor
eingebaut. Durch den Partikelmonitor wird der Verschmutzungsgrad
an das übergeordnete Diagnosesystem übermittelt,
das somit den Verschmutzungsgrad permanent überwacht. Der
Verschmutzungsgrad wird vorteilhaft auf Basis des bekannten Standards
ISO 4406 angegeben. Der Partikelmonitor erfasst u. a. Metallspäne
und Metallpartikel, Silikate, gelartige Rückstände,
Farb- oder Kunststoffpartikel.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn gemäß Anspruch 3 zusätzlich
zum Partikelmonitor noch ein Feuchtigkeitssensor den Wassergehalt
im Hydrauliköl misst und die Messdaten an das Diagnosesystem übermittelt.
Auch hier speichert das Diagnosesystem die Daten ab und wertet sie
aus.
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Gemäß Anspruch
4 generiert das Diagnosesystem aus den gewonnenen Daten zustandsbezogene
Maßnahmen zur Wartung und Instandsetzung des Nebenfahrzeugs.
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Durch
Auswertung der Änderungsverläufe der gewonnen
Daten kann gemäß Anspruch 5 auf den Verschleißzustand
der Hydraulikkomponenten geschlossen werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Diagnosesystem gemäß Anspruch
6 aufgrund einer Erhöhung der Anzahl der gemessenen Partikel
zwischen einem allmählichem Anstieg über einen
längeren Zeitraum oder einem kurzfristigem Anstieg aufgrund einer
unmittelbar bevorstehenden Havarie unterscheidet.
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In
jedem Fall können weitere Maßnamen eingeleitet
werden, bevor es zu einem Ausfall und/oder Folgeschäden
kommt.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und einer Figur
erläutert.
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Die 1 zeigt
den stark vereinfachten schematischen Aufbau eines hydraulischen
Systems einer Maschine. Es besteht aus Hydrauliktank 1, Saugfilter 2,
Feuchtigkeitssensor 3, Speisepumpe 4, Rückschlagventil 5,
Verstellpumpe 6, Verstellmotor 7, Leckölleitungen 8 und
Rücklauffilter 11. Für den Anschluss
des Partikelmonitors 10 bietet sich die Sammelleitung der
Leckölleitungen an, da hier im Falle eines sich anbahnenden
Schadens am ehesten mit einer messbaren Erhöhung der Partikelanzahl
zu rechnen ist. Dabei muss jedoch ein kontinu ierlicher Ölstrom
gewährleistet sein. Ist an dieser Stelle kein kontinuierlicher Ölstrom
gewährleistet, ist als Alternative der Partikelmonitor 9 an
den Speisedruck des Hydrauliksystems anzuschließen.
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Der
Partikelmonitor misst somit permanent den Verschmutzungsgrad des
Hydrauliköls und übermittelt diese Daten an ein übergeordnetes
Diagnosesystem. Das Diagnosesystem speichert die Daten und wertet
sie aus. Falls der Verschmutzungsgrad einen bestimmten Grenzwert
erreicht, löst das Diagnosesystem einen Alarm aus.
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Die
Festlegung des Grenzwertes erfolgt auf der Basis des bekannten Standards
ISO 4406.
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Der
Feuchtigkeitssensor misst kontinuierlich den relativen Wassergehalt
im Hydrauliköl in Bezug zur Öltemperatur und übermittelt
diese Daten an das übergeordnete Diagnosesystem. Das Diagnosesystem
speichert die Daten und berechnet daraus den absoluten Wasseranteil
im Hydrauliköl. Falls der absolute Wasseranteil einen bestimmten
Grenzwert erreicht, löst das Diagnosesystem einen Alarm
aus.
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Durch
Auswertung der Änderungsverläufe der gewonnen
Daten schließt das Diagnosesystem auf den Verschleißzustand
der Hydraulikkomponenten. Aus den gewonnen Daten generiert das Diagnosesystem
zustandsbezogene Maßnahmen zur Wartung- und Instandsetzung.
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Erhöht
sich die Anzahl der gemessenen Partikel innerhalb kurzer Zeit oder
steigt die Anzahl nach einer Wartung wieder sehr schnell an, so
erkennt das Diagnosesystem dies und warnt, dass von einem baldigen
Schaden ausgegangen werden kann.
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Ebenso
erkennt das Diagnosesystem einen allmählichen Anstieg über
einen längeren Zeitraum.
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In
jedem Fall werden weitere Maßnamen eingeleitet, bevor es
zu einem Ausfall und/oder zu Folgeschäden kommt.
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Des
Weiteren generiert das Diagnosesystem insbesondere eine Staffelung
des erreichten Bauteilverschleißes in einer Ampelausleuchtung:
- – Zustand „grün" – überwachtes
Systemelement innerhalb zulässiger Grenzwerte, kein Handlungsbedarf
erforderlich,
- – Zustand „gelb" – überwachtes
Systemelement innerhalb zulässiger Grenzwerte, Messwerte
ansteigend, Handlungsbedarf einplanen, Wartung erforderlich,
- – Zustand „rot" – überwachtes
Systemelement außerhalb zulässiger Grenzwerte,
Maschinen-Ausfall ist zu erwarten, Maschine muss außer
Betrieb gesetzt und einer Reparatur zugeführt werden.
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Das
Ereignismanagement organisiert die weitere Behandlung der vorhandenen
Diagnosedaten:
- – Auslösen
der vorgesehenen Anzeigen,
- – automatisches Auslösen der vorgesehenen
Datenfernübertragung (DFÜ),
- – automatisches Versenden einer SMS,
- – Organisation der Archivierung im Historienspeicher
des Diagnoserechners,
- – Zusammenstellung der Daten, die durch eine DFÜ übertragen
werden,
- – Aufbau und Überwachung der DFÜ-Verbindung zu
den stationären DV-Systemen. Kommt es während
einer DFÜ zu einem Verbindungsabbruch, so wird der Prozess
der DFÜ fahrzeugseitig sicher beendet und wiederholt. Durch
Prüfmechanismen wird sichergestellt, dass die Kommunikation
von und zum Fahrzeug ohne Datenverlust erfolgt.
- – Löschen von Alarmanzeigen durch manuelles Rücksetzen
des Fehlerspeichers.
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Im
Historienspeicher werden alle generierten Ereignisse in Form von
Datensätzen nichtflüchtig gespeichert.
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Das
Diagnosesystem generiert und versendet betriebsrelevante Diagnoseereignisse,
sowie Prozesswerte und Betriebsdaten an ein stationäres Anwendersystem.
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- 1
- Hydrauliktank
- 2
- Saugfilter
- 3
- Feuchtigkeitssensor
- 4
- Speisepumpe
- 5
- Rückschlagventil
- 6
- Verstellpumpe
- 7
- Verstellmotor
- 8
- Leckölleitungen
- 9
- Partikelzähler
mit Anschluss an die Speiseleitung
- 10
- Partikelzähler
mit Anschluss an die Leckölleitung
- 11
- Rücklauffilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007121897 [0016]
- - DE 102006023646 A1 [0022]