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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerdiagnose an Exzenterwellen
von Stopfmaschinen mittels Schwingungsaufnehmern.
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Stopfmaschinen
sind Nebenfahrzeuge, also 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 Stopfmaschinen betrieben:
- – Gleisstopfmaschinen
- – Universalstopfmaschinen
- – Einzelfehlerstopfmaschinen
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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 Stopfmaschinen künftig höhere Anforderungen an die Verfügbarkeit gestellt.
Daher erfolgt die Ausrüstung
hochwertiger Stopfmaschinen mit einem Betriebsdatenerfassungs- und
Diagnosesystem.
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Die
Stopfaggregate sind die am stärksten
beanspruchten Bauteile einer Stopfmaschine.
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Die
Betriebssicherheit der Stopfaggregate ist daher ein wesentlicher
Faktor für
die uneingeschränkte
Einsatzfähigkeit
einer Stopfmaschine.
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Um
den Schotter bei der Gleislageerneuerung einer Schienenfahrbahn
unter den Schwellen zu verdichten, tauchen die Stopfpickel einer
Gleisstopfmaschine bis zu einer definierten, von der Schwellenbauform
abhängigen
Tiefe in das Schotterbett ein und schieben dann durch eine hydraulisch
erzwungene Beistellbewegung den Schotter unter die Schwelle.
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Zur
Optimierung dieses Vorganges werden die Stopfpickel in eine definierte
Vibrationsbewegung versetzt, welche das „Fliessen" des Schotters und die Verdichtung unter
den Schwellen verbessert.
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Diese
Vibrationsbewegung wird in der Regel durch hydraulisch angetriebene,
exzentrisch drehende Wellenantriebe erzeugt.
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Aufgrund
der bewusst aufgebrachten exzentrischen Bewegung der Stopfpickelantriebe
sind die Lagerungen derselben einem starken Verschleiß ausgesetzt.
Im Rahmen der Betriebsdatendiagnose müssen die Exzenterwellenlagerungen
der Stopfpickelantriebe deshalb auf ihre Funktionsfähigkeit,
ihren Zustand und ihren Wartungsbedarf hin überwacht werden.
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Zur Überwachung
des Lagerzustandes der Exzenterwellenlagerungen der Stopfpickelantriebe wird – je nach
Ausführung
des Stopfaggregates als Ein- oder
Mehrschwellenaggregat oder als teilbares Weichenstopfaggregat – je Exzenterwellenantrieb ein
Schwingungsaufnehmer am Lagerbock des Antriebes platziert.
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Das
zentrale Problem bei der Lagerdiagnose der Exzenterwellen besteht
darin, sämtliche,
die eigentliche Schwingungsmessung überlagernden Schwingungen des
Stopfaggregates auszublenden.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Lagerdiagnose
an Exzenterwellen von Stopfmaschinen mittels Schwingungsaufnehmern 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
eine 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 Komponenten, einer erhöhten Zuverlässigkeit
der gesamten Anlage und einer Senkung der Instandhaltungskosten.
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Da
sich der Verschleißzustand
der Exzenterwellenlager direkt nicht ermitteln lässt, ohne die Anlage zu zerlegen,
erfolgt die Ermittlung des Verschleißzustands indirekt durch eine Überwachung
der Schwingungen des Systems mithilfe von mindestens einem Schwingungssensor.
Der Sensor übermittelt die
gemessenen Daten an ein übergeordnetes Überwachungssystem,
das die Daten abspeichert und auswertet.
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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, Handlungsbedarf einplanen und ggf. ausführen,
- – Zustand „rot" – überwachtes Systemelement außerhalb
zulässiger
Grenzwerte, Handlungsbedarf erforderlich.
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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),
- – 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 wieder holt. 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
generieren und an ein stationäres
Anwendersystem versenden.
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Um
sämtliche,
die eigentliche Schwingungsmessung überlagernden Schwingungen des
Stopfaggregates auszublenden, verfügt die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 über
geeignete Triggerbedingungen für
die Durchführung
der Messungen des v_rms Wertes der Schwinggeschwindigkeit und des a_rms-Wertes
der Schwingbeschleunigung.
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Grundvoraussetzung
zur Durchführung
der Schwingungsmessung sind außerhalb
des Schotterbettes befindliche Stopfpickel und der eingeschaltete Vibrationsantrieb
des entsprechenden Exzenterwellenantriebs. Dementsprechend werden
die Betriebszustände „Vibration
Exzenterwellenantrieb ein" und „Stopfkasten
Position oben" aus
der Steuerung der Maschine abgegriffen und der Schwingungsmesseinheit über ein
Verknüpfungsmodul
als Trigger-Signal (Freigabe A_2) für den Start der Schwingungsmessung
zur Verfügung
gestellt.
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Die
Messung kann von da an solange erfolgen, wie die Freigabebedingung
erfüllt
ist, das heißt, solange,
wie die Betriebszustände „Vibration
Exzenterwellenantrieb ein" und „Stopfkasten
Position oben" gültig bleiben.
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Je
nach Betriebsbedingungen der Gleisstopfmaschine variiert die zeitliche
Dauer der Freigabebedingung. Beim kontinuierlichen Durcharbeiten des
Gleises liegt sie nur im Bereich von Zehntelsekunden an, beim diskontinuierlichen
Durcharbeiten z. B. von Weichen kann sie über einen Zeitraum von mehreren
Sekunden anstehen. Dementsprechend ist die Zeit, die für eine vollständige Schwingungsmessung
benötigt
wird, diesen Rahmenbedingungen angepasst. Sobald die Freigabebedingung
nicht mehr erfüllt
ist, wird der Messprozess abgebrochen und bei der nächsten anstehenden
Freigabebedingung wieder gestartet.
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Bei
Vorliegen der Freigabedingung (Freigabe A_2) wird der RMS-Wert der
Schwinggeschwindigkeit (v_rms) gemessen. Für die Messung des RMS-Werts der
Schwingbeschleunigung (a_rms) ist als Freigabesignal die Bedingung
Arbeitsbetrieb ein (Freigabe A_1) definiert.
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Gemäß Anspruch
2 misst die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei Vorliegen der Freigabebedingung „Vibration Exzenterwellenantrieb
ein" und „Stopfkasten
Position oben" (Freigabe
A_2) folgende Spektren einmal täglich
und/oder bei Überschreiten der
variabel einstellbaren Alarmschwellen für v_rms und/oder a_rms.
- – Spektrum
der Schwinggeschwindigkeit, v,
- – Spektrum
der Schwingbeschleunigung, a,
- – Hüllkurvenspektrum,
HK.
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Der
Diagnoserechner nimmt diese Spektren auf und speichert sie ab.
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Gemäß Anspruch
3 ermöglicht
der Diagnoserechner aus den gewonnenen Daten die Ableitung zustandsbezogener
Maßnahmen
zur Wartung und Instandsetzung der Stopfmaschine.
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Durch
Auswertung der Änderungsverläufe der
gewonnenen Daten kann gemäß Anspruch
4 auf den Verschleißzustand
der Exzenterwellenlager geschlossen werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Diagnosesystem gemäß Anspruch 5 aufgrund eines
sehr schnellen Anstiegs des Verschleißes erkennt, dass ein Schaden
unmittelbar bevorstehen kann. In diesem Fall können weitere Maßnahmen
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
schematisch eine Stopfmaschine mit Stopfpickeln, Antrieb, Exzenterwelle
und Exzenterwellenlager, sowie der Lagerdiagnosevorrichtung bestehend
aus der Schwingungsmessvorrichtung mit Schwingungsaufnehmern, Verbindungsmodul,
Schwingungsmesseinheit und Diagnoserechner.
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Im
Beispielfall ist je Exzenterwellenantrieb ein Schwingungsaufnehmer
am Lagerbock des Antriebes platziert. Von dem an dem Schwingungsaufnehmer
angeschlossenen Messsystem wird der v_rms Wert der Schwinggeschwindigkeit
sowie der a_rms Wert der Schwingbeschleunigung aufgezeichnet.
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Um
sämtliche,
die eigentliche Schwingungsmessung überlagernden Schwingungen des
Stopfaggregates auszublenden, werden die Betriebszustände „Vibration
Exzenterwellenantrieb ein" und „Stopfkasten
Position oben" von
einem Verknüpfungsmodul
in Form von Spannungswerten aus der Steuerung der Maschine abgegriffen
und dem Schwingungsmesssystem als Trigger-Signal (Freigabe A_2)
für den
Start der Messung v_rms zur Verfügung
gestellt.
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Die
Messung erfolgt von da an solange, wie die Freigabebedingung erfüllt ist,
das heißt,
solange, wie die Betriebszustände „Vibration
Exzenterwellenantrieb ein" und „Stopfkasten
Position oben" gültig bleiben.
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Je
nach Betriebsbedingungen der Gleisstopfmaschine variiert die zeitliche
Dauer der Freigabebedingung. Beim kontinuierlichen Durcharbeiten des
Gleises liegt sie nur im Bereich von Zehntelsekunden an, beim diskontinuierlichen
Durcharbeiten z. B. von Weichen kann sie über einen Zeitraum von mehreren
Sekunden anstehen. Dementsprechend ist die Zeit, die für eine vollständige Schwingungsmessung
benötigt
wird, diesen Rahmenbedingungen angepasst. Sobald die Freigabebedingung
nicht mehr erfüllt
ist, sendet das Verknüpfungsmodul
einen Triggerpuls zum Beenden der Messung. Der Messprozess wird
abgebrochen und erst wieder bei der nächsten anstehenden Freigabebedingung
gestartet.
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Die
Messung des a_rms Wertes wird nach Vorliegen der Freigabebedingung „Arbeitsbetrieb
ein" (Freigabe A_1)
gestartet und solange kontinuierlich wiederholt bis die Freigabe
A_1 nicht mehr ansteht.
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Die
Schwingungsmesseinheit übermittelt
die Messdaten an einen übergeordneten
Diagnoserechner. Der Diagnoserechner speichert die Daten und wertet
sie aus.
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Außerdem nimmt
der Diagnoserechner einmal täglich
bei Vorliegen der Freigabebedingung (Freigabe A_2) „Vibration
Exzenterwellenantrieb ein" und „Stopfkasten
Position oben" folgende
Spektren auf:
- – Spektrum der Schwinggeschwindigkeit,
v – 1 kHz,
- – Spektrum
der Schwingbeschleunigung, a – 10 kHz,
- – Hüllkurvenspektrum,
HK – 1
kHz.
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Der
Diagnoserechner nimmt diese Spektren auf, speichert sie ab und stellt
sie in grafischer Form für
die Auswertung bereit. Die Spektren werden darüber hin aus auch dann aufgenommen,
wenn eine Überschreitung
der eingestellten Grenzwerte v_rms und/oder a_rms (z. B.: v_rms
= 45 mm/s, a_rms = 60m/s2) vorliegt.
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Aus
den gewonnenen Daten ermöglicht
der Diagnoserechner Rückschlüsse auf
den Verschleiß der
Exzenterwellenlager und die Ableitung zustandsbezogener Maßnahmen
zur Wartung und zur Instandsetzung zu generieren. Falls der Verschleiß einen
bestimmten Grenzwert erreicht, meldet der Diagnoserechner einen
entsprechenden Wartungsbedarf.
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Nach Überschreiten
des Grenzwertes kann durch Auswertung der aufgenommenen Spektren eine
Tiefendiagnose des Lagerzustandes (Zustand des Innen- bzw. Außenringes
bzw. der Wälzkörper) durchgeführt werden.
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Durch
Auswertung der Änderungsverläufe der
gewonnenen Daten kann auf den Verschleißzustand der Exzenterwellenlager
geschlossen werden.
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Des
Weiteren generiert der Diagnoserechner 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, Handlungsbedarf einplanen und ggf. ausführen,
- – Zustand „rot" – überwachtes Systemelement außerhalb
zulässiger
Grenzwerte, Handlungsbedarf erforderlich.
-
Das
Ereignismanagement organisiert die weitere Behandlung der vorhandenen
Diagnosedaten:
- – Auslösen der vorgesehenen Anzeigen,
- – automatisches
Auslösen
der vorgesehenen Datenfernübertragung
(DFÜ),
- – 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.
-
Im
Historienspeicher werden alle generierten Ereignisse in Form von
Datensätzen
gespeichert.
-
Der
Diagnoserechner generiert und versendet betriebsrelevante Diagnoseereignisse,
sowie Prozesswerte und Betriebsdaten an ein stationäres Anwendersystem,
in welchem die Datensätze
nichtflüchtig
gespeichert werden.
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- 1
- Diagnosesystem
GSM/GPS-Antenne
- 2
- Diagnosesystem
GPS-Verstärker
- 3
- Diagnosesystem
Kompass
- 4
- Kühler Diesel
HM
- 5
- Pneumatik
System
- 6
- Lichtmaschinen
- 7
- Kühler Lastschaltgetriebe
- 8
- Diagnoserechner
- 9
- Verknüpfungsmodul
- 10
- Steuersignale „Stopfkasten
oben", „Vibrationsantrieb
ein", „Arbeitsbetrieb
ein"
- 11
- Radsatzgetriebe 1
- 12
- Fahrerkabine
HM
- 13
- Diagnosesystem
Schaltschrank
- 14
- Radsatzgetriebe 2
- 15
- Reservetank
- 16
- Diagnosesystem
Spannungsversorgung
- 17
- Diagnosesystem
Trennverstärker
- 18
- Dieselmotor
HM
- 19
- Batterie
HM
- 20
- Lastschaltgetriebe
- 21
- Hydrauliktank
- 22
- Stopfkasten-Exzenterwellenlager
mit Schwingungssensoren
- 23
- Arbeitsplatz
Stopfer
- 24
- Hauptschaltschränke