DE202010001070U1 - Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Materialfehlern bei sich drehenden Fahrzeugkomponenten von Schienenfahrzeugen (speziell Güterwagons) während des regulären Fahrbetriebs - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen Prüfung von Materialfehlern bei sich drehenden Fahrzeugkomponenten von Schienenfahrzeugen (speziell Güterwagons) während des regulären Fahrbetriebs Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Materialprüfung von sich drehenden Fahrzeugkomponenten bei Schienenfahrzeugen, speziell Güterwagon, während des regulären Fahrbetriebs, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen von den zu untersuchenden Komponenten direkt mittels Raumschall zu der Vorrichtung bzw. deren Sensor übertragen werden, so dass die Untersuchung berührungslos ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur mobilen oder stationären, berührungslosen und vorbeugenden Prüfung von vorhandenen und sich anbahnenden Materialfehlern bei sich drehenden Fahrzeugkomponenten von Schienenfahrzeugen, speziell Güterwagons aber auch Eisenbahntrieb- und Personenwagen während des regulären Fahrbetriebes nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
  • Immer wieder kommt es vor, dass schwere Zugunglücke nicht nur durch menschliches, sondern auch durch technisches Versagen verursacht werden. Der Mensch wird nie fehlerfrei sein, das Auftreten von technischen Fehlern ist aber weiterhin zu minimieren bzw. auszuschließen.
  • Besonders kritisch sind beim Zugverkehr dabei all jene Fehler an Fahrzeugkomponenten, die die Verbindung zwischen dem Fahrzeug und den Schienen darstellen und bei deren Beschädigung es dann leicht zum Entgleisen eines oder mehrerer Wagons kommen kann, also z. B. Räder, Achsen und damit verbunden Bremsscheiben und Radlager. All dies sind Komponenten, die sich schnell drehen, stark beansprucht werden und folglich auch einer gewissen Materialermüdung und Verschleiß unterliegen.
  • Aus diesem Grunde ist es notwendig, speziell diese Komponenten der Schienenfahrzeuge regelmäßig – am besten ständig – einer Prüfung zu unterziehen. Aus Kostengründen wird dies nur bei Triebwägen oder solchen zur Personenbeförderung gemacht (da zahlenmäßig weniger als Güterwagons) und der höchsten „Sicherheitsstufe” angehörend. Sie verfügen auch über die entsprechende elektrische Verkabelung, um Fehlermeldungen von den Fahrzeugkomponenten in die Steuer- und Leitzentralen, meist ins Führerhaus, zu übertragen.
  • Anders sieht es bei den normalen Transport- und Güterwagons aus. Hier sind keine ständigen Überwachungen vorgesehen, denn zum einen werden keine Personen transportiert und es besteht somit keine unmittelbare Gefahr für sie – die „Sicherheitsstufe” ist also geringer – und zum anderen gibt es eine so große Anzahl in so vielen Varianten davon, dass eine Aus- oder Nachrüstung mit entsprechender Sensorik und Datenübertragung einfach nicht zu finanzieren ist.
  • Dennoch kann auch ein Wagon, der nicht primär Menschen transportiert, bei einem Unglück zu einer riesigen Gefahr für Leben und Umwelt werden, denn schließlich kann bei einem Defekt der komplette Zug entgleisen. Eigentlich müssten auch diese eine höhere Sicherheitsstufe im Sinne von spezieller Wartung haben, sie unterliegen aber „nur” den normalen Wartungsintervallen zwischen 500.000 und 1.000.000 km/Jahr.
  • Für die Überprüfung müssen alle Wagons in eine speziell dafür ausgerüstete Wartungshalle. Das verursacht Kosten: teure Prüfgeräte, das Fachpersonal kostet Geld und die Wagons sind unproduktiv in dieser Zeit, da sie nicht unterwegs und damit auch kein Geld verdienen können.
  • Stand der Technik:
  • Man findet in der einschlägigen Fachliteratur mittlerweile eine Menge an bewährten Verfahren, die mittels Körperschall bzw. Vibration durch Überwachung der entstehenden Frequenzen ständig quasi Auskunft über den (Verschleiß-)Zustand eines Bauteils geben. So kann z. B. heute schon exakt bestimmt werden, ob bei Elektromotoren Risse in der Welle oder kleinste Unwuchten vorliegen. Um aber den Körperschall erfassen zu können, müssen die Sensoren direkt am zu untersuchenden Gegenstand anliegen. Diese Untersuchungen sind somit nicht berührungslos, können zwar und sollen während des normalen Betriebs stattfinden, sind aber aufgrund der aufwändigen Installation teuer und nicht für Massenuntersuchungen geeignet.
  • Natürlich gibt es auch eine Menge an anderen bekannten und bestens funktionierenden berührungslosen Materialprüfverfahren, wie z. B. Magnetresonanz- oder Farbeindringverfahren, das Röntgen von Bauteilen oder die Untersuchung mit Ultraschall Sie sind nur zum Teil mobil, da empfindliche und umfangreiche Gerätschaften benötigt werden und die Diagnose somit nur stationär bzw. bei simulierter Bewegung auf einem Prüfstand in einer Wartungshalle möglich ist und folglich nicht während des normalen Fahrbetriebs durchgeführt werden kann. Die Kosten dafür sind ebenfalls sehr hoch und auch hier kommt eine schnelle Untersuchung einer großen Anzahl an Wagons nicht in Frage.
  • Schon eher geeignet dafür sind so genannte Heißläuferzähler oder Heißläuferortungsanlagen, die mittels einer Infrarotabtastung quasi „hot spots” an den Fahrgestellen diagnostizieren, immer darin, wenn etwas heiß gelaufen ist. Meistens handelt es sich dabei um defekte Radlager, es können aber auch heiße Bremsscheiben oder Räder festgestellt werden. Heißläuferzähler sind in großer Anzahl fest installiert und melden, welche Achsen in welchem Zug heiß gelaufen sind. Das Problem dabei ist, dass sie nur heiß oder kalt unterscheiden und nicht einen Fehler an sich identifizieren können. Auch ist die Quote der Falschmeldungen relativ hoch, da es bei neu eingebauten Radsätzen z. B. immer wieder zu Erwärmungen kommt, die durchaus typisch sind und nicht auf einem Fehler beruhen.
  • Auftretende Probleme:
  • Wie oben beschrieben wurde, hat jedes Verfahren seine Vor- und Nachteile, keines kann aber sämtliche Anforderungen in sich vereinen. Es sollte überall und auch mobil einsetzbar sein, während des regulären Fahrbetriebs und damit auch geeignet für eine schnelle und massenhafte Untersuchung von Wagons. Dies ist, für den einzelnen Wagon gesehen, dann natürlich nur mit einer vergleichsweise sehr kostengünstigen Lösung möglich. Durch diese Untersuchung soll die allgemeine Sicherheit signifikant erhöht werden und sie sollte die Möglichkeit bieten, vielleicht sogar von der teureren und (weil Fehler zwischen den Intervallen nicht schnell genug erkannt werden) „relativ unsichereren” Intervallwartung bei gleicher oder höherer Sicherheit auf die günstigere Bedarfswartung zu wechseln oder diese zumindest sinnvoll so zu ergänzen, daß sich wenigstens Teile davon erübrigen.
  • Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit deren Hilfe die generelle Aufgabe gelöst und die beschriebenen Probleme vermieden werden können.
  • Eine von mehreren möglichen Ausführungsarten wird nun auch anhand von (schematischen, handgezeichneten und nicht maßstabsgerechten) Darstellungen im folgenden näher erläutert:
  • In 1 sehen wir die schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs auf einem Gleis. Auf den Bahnschwellen (1) sind üblicherweise zwei Schienen (2) befestigt. Auf diesen liegen die Räder (6) des Schienenfahrzeugs auf. Sie sind mit einer massiven oder hohlen Achse (3) fest verbunden. Auf der Achse (3) befinden sich, ebenfalls fest verbunden, gegebenenfalls die Bremsscheiben (4) mit einem Bremssattel (20) und die Achslager (5). Alternativ kann das Rad (6) selbst quasi die Bremsscheibe sein, der dazugehörige Bremssattel wird hier nicht gezeigt. Weiterhin ist es möglich, daß es seitlich über einen Bremsbacken (21) verzögert wird. Über die Lager (5) ist der Fahrzeugkörper (7) mit der Achse verbunden, auf ihnen lastet somit das komplette Gewicht des gesamten Fahrzeugaufbaus (7). Die Lager (5b) könnten auch zwischen den Rädern (6) liegen.
  • 3 (F) zeigt ein typisches Belastungsbeispiel einer Fahrzeugachse (3) mit äußeren Radlagern (5), auf die, verursacht durch das Gewicht des Aufbaus (7) und dessen Ladung, die Kräfte (15) wirken. Dadurch biegt sich die Achse (3) auf der innen liegenden Seite ständig leicht nach oben und ist deshalb während und durch ihre eigene Rotation kontinuierlich so genannten Walkkräften ausgesetzt, die genau in ihrer Mitte an der Stelle (16) am größten sind. Deshalb wäre bzgl. der Achse (3) genau dieser Stelle (16) die größte Überprüfungsaufmerksamkeit zu widmen.
  • Würden die inneren Lager (5b) belastet werden, würde die ständige Biegung nach unten verlaufen. In der Praxis kommen, bis auf vielleicht ganz wenige Ausnahmen, nur der eine ODER der andere Fall der inneren/äußeren Lagerung vor, die kritische Stelle (16) bleibt jedoch immer am selben Ort mittig bestehen, solange es eben überhaupt eine Biegung gibt.
  • Eine Lösung wäre die gleichzeitig innere und äußere Lagerung, sie kommt nur, wie bereits erwähnt, in der Praxis – wahrscheinlich aus Kostengründen – zumindest im Güterwagonbereich so gut wie nie vor.
  • Oben genannte Aufgabe wird also erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst,
    da die angeführte Vorrichtung (18) den von den sich drehenden Teilen – Achse (3), Bremsscheiben (4), Achslager (5) und Rädern (6) – erzeugten Raumschall (17) aufnimmt und auswertet. Die Vorrichtung (18) besteht aus einem Sensor (8) und einem Datenaufzeichnungs- bzw. -verarbeitungsgerät (10), hier kurz „Rechner” genannt. Verbunden sind diese durch z. B. ein Kabel (19). Des weiteren sind noch ein Modul zur kabellosen Datenübertragung (11), alternativ ein Datenkabel (22), das zu einem Leitstand führt und ein Energiemodul (23) vorhanden, das mit dem Rechner per Kabel verbunden ist. Der Sensor (8) ist auf einem Standbein (19) montiert. Er befindet sich im Abstand (14) vom zu untersuchenden Schienenfahrzeug entfernt und somit ist die Untersuchung berührungslos.
  • Gemäß einer Weiterbildung nach Schutzanspruchs 1 ergibt sich in Schutzanspruch 2, dass keine weiteren (Körperschall-)Sensoren irgendwelcher Art direkt an den sich drehenden Teilen Achse (3), Bremsscheiben (4), Achslager (5) und Rädern (6) befestigt werden müssen.
  • Vorzugsweise besteht der Sensor (8) gemäß einer Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 aus einem (Richt-)Mikrofon oder ähnlichem Messgerät, das in der Lage ist, Raumschall in allen benötigten Frequenzbereichen zu erfassen und die Richtung aus der er kommt, weitgehend einzugrenzen, quasi zu „fokussieren”.
  • Gemäß einer Weiterbildung im 4. Schutzanspruch funktioniert die Vorrichtung mit Signalen, die von den Achsen (3), Bremsscheiben (4), Achslagern (5) und Rädern (6) selbst erzeugt werden, dargestellt in 2. Dies ist auf die ständige Drehung dieser Teile zurückzuführen, wobei durch Reibung mit sich selbst, anderen Teilen oder auch der Umgebungsluft an verschiedenen Stellen Vibrationen entstehen, die sich in verschiedenen Frequenzen (= verschiedene Wellenlängen) dann auch auf die umgebende Luft (sie dient als weiterleitendes Medium) übertragen und somit den Raumschall (17) erzeugen. Dabei ist es charakteristisch, dass verschiedene Teile auch verschiedene Frequenzen erzeugen, die für diese Teile auch typisch sind. Ebenso erzeugen verschiedene Schadensarten verschiedene, typische Frequenzen bzw. meßbare Töne. Somit ist eine eindeutige Identifizierung möglich. Umgangssprachlich gesagt, hört sich ein kaputtes Radlager eindeutig anders an als z. B. ein Rad mit Unwucht.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im nächsten Schutzanspruch 5 gegeben, denn es mag durchaus sinnvoll sein, die zu überwachenden kritischen Teile wie Achsen (3), Bremsscheiben (4), Achslagern (5) bzw. (5b) und Räder (6) mit speziellen Verschleißanzeigern zu versehen, die ab einem zu definierenden Abnutzungsgrad selbständig „Töne” von sich geben. Als Beispiel mögen hier Bremsbeläge für Kfz dienen. Solange noch weicher Belag vorhanden ist, gibt dieser auf der harten Bremsscheibe keinen Ton von sich. Ist der Belag verschlissen, treten eingearbeitete Metallteile zum Vorschein, die dann auf der Bremsscheibe durch gegenseitiges Aneinanderreiben beim Bremsen ein Geräusch verursachen. Dieses kann dann akustisch aufgenommen werden.
  • Die Ausprägung der Erfindung gestattet es weiterhin gemäß dem nächsten Schutzanspruch 6, dass Messungen während der regulären Fahrbetriebs durchgeführt werden kennen. Der Zug muß nicht stehen, im Gegenteil, die Bewegung des Zuges ist notwendig, um überhaupt Geräusche erzeugen zu können. Unterschiedliche Geschwindigkeiten können durch die Vorrichtung (18) erfasst und berücksichtigt werden.
  • Die Ausprägung der Erfindung gestattet es weiterhin gemäß dem nächsten Schutzanspruch 7, dass sich ein Zug nicht in/auf einer speziellen Wartungshalle/-strecke befinden muß. Die Vorrichtung (18) kann im Prinzip an jedem beliebigen Streckenabschnitt installiert werden. Von Vorteil ist natürlich, wenn dieser Punkt von so viel Schienenfahrzeugen als möglich passiert wird, denn es sollen ja möglichst alle überhaupt eingesetzten Fahrzeuge untersucht werden. Wie die Untersuchung oder Aufstellung der Vorrichtung (18) genau erfolgen muß, wird bei den Erklärungen der später folgenden Schutzansprüche erläutert.
  • Die im Schutzanspruch 8 beschriebene Weiterbildung, nämlich der modulare Aufbau, ist vor allem für die Integrations-/Kooperationsfähigkeit mit bereits vorhandenen Diagnoseanlagen und bei Service und Reparatur von enormer Bedeutung. Auch ökonomische Aspekte spielen dabei eine große Rolle, die Vorrichtung soll ja günstig produziert und kostengünstig arbeiten können. Ohne in Kombination mit anderen, vorhandenen Diagnosegeräten bzw. Nutzung einiger ihrer Teile/Infrastruktur, wird die Gesamtvorrichtung aus 7 Modulen bestehen:
    • a. der Zugerkennung. Sie ist nötig, damit die diagnostizierten Fehler auch sicher dem richtigen Zug und auch dem betroffenen Wagon zugeordnet werden können. Dieser sollte dann bei der nächsten Gelegenheit ausgesondert und in einem nahegelegenen Ausbesserungswerk einer genaueren Untersuchung/Reparatur unterzogen werden. Zur Zugerkennung sind z. B. bei der Deutschen Bahn Systeme im Einsatz, bei denen die Züge (z. B. bei den Heißläuferzählern) kabellos per Transponder ihre Identität mitteilen. Es wäre auch eine optische Abtastung denkbar ähnlich einem Barcode-Leser. Das Zugerkennungsmodul der Vorrichtung soll diesen entsprechen bzw. mit diesen Systemen kompatibel sein.
    • b. der Geschwindigkeitsmessung. Die Berücksichtigung der Geschwindigkeit des zu prüfenden Schienenfahrzeugs ist natürlich ebenfalls von Bedeutung, da sich dadurch die zu messenden Töne (Frequenzen) verändern. Entweder wird sie direkt, z. B. durch ein Lichtschranken- oder Radarsystem erfasst, oder indirekt errechnet. Dies geschieht entweder über die Taktrate der aufgezeichneten „Geräusche” (die Abrollgeräusche der Räder ein und desselben Wagons haben bei höherer Geschwindigkeit naturgemäß einen kürzeren Takt, da sie die gleiche Strecke in kürzerer Zeit zurücklegen bzw. einen fixen Bezugspunkt, den Messpunkt, dann eben schneller passieren) oder über die Veränderung der Frequenzen an sich, wenn z. B. durch vorherige Vergleichsmessungen bekannt ist, wie sie sich bei den verschiedenen Geschwindigkeiten verändern.
    • c. der Datenerfassung, sprich die Erfassung der unterschiedlichen Schallfrequenzen. Sie erfolgt über den eigentlichen Sensor (8), dessen Ausprägung im weitesten Sinne als Richtmikrofon zu beschreiben ist.
    • d. der Datenverarbeitung, die im Rechner (10) stattfindet. An dieser Stelle werden die Meßergebnisse aufgezeichnet, verarbeitet und gespeichert. Dort befindet sich auch, wenn nötig, eine Datenbank mit Vergleichsfrequenzen von bekannten Schadensmustern aller gefährdeten und zu untersuchenden Teile. Die verschiedenen Arten der Schadensfeststellung sind bei der Beschreibung des Schutzanspruchs 10 erläutert.
    • e. der Datenübertragung, die entweder per Hand – durch Austausch eines Speichermediums –, per Kabel (22) oder per „Funk” bzw. anderweitiger, kabelloser Übertragungstechnik (11) durchgeführt werden kann. Auch hier gibt es z. B. bei der Deutschen Bahn bereits gut funktionierende Systeme, mit denen die Vorrichtung (18) kompatibel sein soll. Es ist zwar nicht zwingend notwendig, aber äußerst sinnvoll, diese Systeme mit zu nutzen, denn auch die bereits erwähnten Heißläuferzähler müssen schließlich ihre Daten an eine entsprechende Leit-/Sammelstelle weiterleiten, die dann bei erkannten Fehlern geeignete Maßnahmen veranlasst. Wenn schon der Empfänger der Daten der selbe ist, bietet sich auch die Nutzung der selben Datenübertragungswege an.
    • f. der Transport-/Standvorrichtung. Hier sind 3 Varianten möglich: a. wie in 2 zu sehen, eine mobile, tragbare Vorrichtung (18), die neben den Gleisen positioniert ist und deren Sensoren (8) gemäß einer Kombination aus A, B, und C (2b) entweder auf Standbeinen (9) oder direkt im Gleisbett installiert sind (siehe C). Ausgeführt dergestalt, dass keine Beeinträchtigungen durch z. B. vom zu untersuchenden Schienenfahrzeug bei der Durchfahrt verdrängte Luftmassen entstehen. b. eine Vorrichtung (18), deren Sensoren (8) in gleichen Kombinationen wie bei a. installiert sind, nur stationär, d. h. stetig und fest mit dem Boden verbunden. Beide Male ist entsprechender Wetterschutz ratsam. c. eine mobile, fahrbare Vorrichtung (18), deren Sensoren gemäß 3 (D) oder (E) auf z. B. einem anderen Schienenfahrzeug installiert sind, das dann auf einem parallelen Gleis stehen kann, an dem die zu untersuchenden Schienenfahrzeuge vorbeifahren.
    • g. der Energiezuführung. Sie sollte genauso wie die Kommunikationseinrichtung vorzugsweise (wenn über weite Strecken) „kabellos” sein, muß aber nicht und wird an späterer Stelle beschrieben. An dieser Stelle ist noch anzumerken, dass für ein Funktionieren der Vorrichtung (18) nicht unbedingt alle Module vorhanden sein müssen, mindestens jedoch ein Sensor (8), ein Rechner (10) und Energie (23).
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im 9. Schutzanspruch gegeben, denn zum einen ist es technisch sinnvoll, bereits bestehende Diagnoseanlagen wie die Heißläuferzähler zu ergänzen und dadurch die Sicherheit auf den Schienen signifikant zu erhöhen. Zum anderen ist es auch wirtschaftlich sinnvoll z. B. deren Zugerkennung, Datenübertragungstechnik oder Energieversorgung mit zu nutzen, um dadurch die möglichen Einsparungspotentiale voll auszuschöpfen und die Kosten für Überprüfungen somit so gering als möglich zu halten.
  • Erfindungsgemäß sind im Schutzanspruch 10 zwei Möglichkeiten genannt, wie an den zu untersuchenden Schienenfahrzeugen bzw. deren kritischen Komponenten „vorbeugend” nach sich anbahnenden oder bereits vorhandenen Schaden gefahndet werden kann.
  • Zuerst ist einmal festzuhalten, dass sich während des Betriebs ein beschädigtes Bauteil generell anders „anhört” als ein unbeschädigtes, auch wenn für das bloße menschliche Ohr ohne Zuhilfenahme von technischen Hilfsmitteln eventuell keine Unterschiede bestehen. Aber genau dafür gibt es ja spezielle Messgeräte wie (Richt-)Mikrofone, die in allen möglichen Frequenzbereichen die kleinsten Veränderungen erfassen können. Zum Beispiel ist ein kaputtes Radlager, einfach gesagt, schon deutlich lauter als ein unbeschädigtes.
  • Als zweites ist festzuhalten, dass beim gleichen Bauteil ein typischer Schaden auch ein typisches Geräusch erzeugt, das eindeutig und als zugehörig zu identifizieren ist. Zum Beispiel hört sich jedes kaputte Radlager immer ähnlich an aber deutlich anders als ein Rad mit Unwucht oder eine Achse mit Haarriß.
  • Ziel der Erfindung ist es primär nicht (obwohl möglich), einen Schaden an exakt einem bestimmten Bauteil zu benennen, sondern generell festzustellen, dass z. B. an einer kompletten Achse irgendein Schaden vorhanden ist, der zumindest so bald als möglich mit genaueren Methoden in einer Wartungshalle näher untersucht und genauer lokalisiert werden muß.
  • Die Frage lautet nun. ist ein aufgezeichnetes Geräusch mm ein konkreter Schaden, eine Anomalie, normal oder aus dem Hintergrund ? Es bieten sich 2 Methoden an, um einen signifikanten Sicherheitsvorteil zu erzielen:
    • 1. direkt. Dazu muß eine Datenbank erstellt werden. Darin enthalten sein müssen bekannte, exakt definierte Fehler je Bauteil, vorzugsweise bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Wagentypen und Belastungen. Deren Geräusche sind z. B. auf einer Teststrecke aufzuzeichnen und zu speichern. Und genau nach diesen auffälligen „Fehlermustern” wird dann gesucht. Eventuelle Veränderungen durch andere Geschwindigkeiten werden hochgerechnet, Hintergrundgeräusche ausgeblendet. Als Ergebnis erhält man die Aussage, bei welchem Zug, welchem Wagon, welcher Achse, welches Bauteil zumindest auffällig ist und defekt sein könnte.
    • 2. indirekt. Auch hier sollte vorzugsweise eine Datenbank erstellt werden. Darin enthalten sind Aufnahmen von Geräuschen von nachgewiesenermaßen intakten Bauteilen aller relevanten Arten bei unterschiedlichen Lasten und Wagontypen während des Betriebs z. B. ebenfalls wieder auf einer Teststrecke bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Gesucht wird dann nach „Frequenzmustern”, die nicht der durchschnittlichen Normalität entsprechen. Als Ergebnis erhält man hier die Aussage, dass bei einem bestimmten Wagon eines Zuges an einer bestimmten Achse generell eine auffällige Anomalie vorhanden ist, die man dann weiter untersuchen müsste. Den Grad der „Auffälligkeit” kann man definieren und nachjustieren, so dass mit der Zeit die Häufigkeit von Falschmeldungen minimiert werden kann. Beide Methoden sind demnach lernfähig, d. h. je mehr Messungen, um so besser die Ergebnisse, da auch immer wiederkehrende Anomalien, die keine Fehler im Material als Ursache haben, erkannt und quasi ausgeblendet werden können.
  • Bei beiden Methoden ist es von Vorteil, eine „Erstkalibrierung” am Ort des Einsatzes vorzunehmen, um von vorne herein ständig dort vorhandene Nebengeräusche eliminieren zu können.
  • Beide Methoden sind auch miteinander kombinierbar, dadurch wird die Trefferquote nochmals deutlich erhöht.
  • Da die Vorrichtung mehr (auch nicht heiß werdende) Bauteile untersucht, als ein Heißläuferzähler und deshalb nicht nur mehr unterschiedliche, sonder auch absolut mehr Fehler erkennen kann, erhöht die Kombination mit ihm nur die Qualität der Treffer, nicht die Anzahl, die die Vorrichtung sowieso entdeckt hätte. Denn ein Heißläuferzähler kann einen „Treffer” der Vorrichtung nur bestätigen, die Vorrichtung jedoch kann den Treffer eines Heißläuferzählers bestätigen/relativieren oder sogar näher spezifizieren., wobei aus Sicherheitsgründen schon ein Treffer allein als Grund für eine Nachuntersuchung ausreichend sein sollte.
  • Eine Weiterbildung nach Schutzanspruch 11 beschreibt in 2, wie eine Messung mit einem Sensor (8) von verschiedenen Seiten durchgeführt werden kann. Die für eine schnelle und unkomplizierte Anbringung/Aufstellung einfachste Variante ist in (A) dargestellt, sie erfolgt auf beiden Seiten der Schienenstrecke. Speziell wenn die Radlager außen liegen, können sie dort gut erfasst werden, innen liegende Teile jedoch eher weniger.
  • Besser ist dies in Variante (B) möglich, da durch die „Kreuzmessung” eben auch die innen liegenden Teile mit erfasst werden können.
  • Als beste Variante gilt (C) 2b, da die Verteilung der Sensoren (8) dergestalt gewählt ist, daß alle relevanten, zu untersuchenden Teile wie Achsen (3) mit Stelle (16), Bremsscheiben (4), Achslager (5)/(5b) und Räder (6) direkt den Raumschall (17) nach unten an die Sensoren (8) abgeben können, ohne dass etwas Störendes dazwischen liegen würde. Eine Ergänzung durch (A) oder (B) ist möglich.
  • Sollte die Vorrichtung auf ein Schienenfahrzeug montiert werden, ist (C) nicht möglich.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im 12. Schutzanspruch beschrieben, denn die Vorrichtung kann nicht nur Fehler erkennen. Ihr Rechner (10) und der Sensor (8) zählt und misst ohne weitere Zusatzmodule die Zeitabstände zwischen dem Passieren der einzelnen Achsen und erhält durch seine Berechnungen neben der Achszahl auch die Anzahl der einzelnen Wagons, die Geschwindigkeit des Zuges und die Fahrgestelltypen.
  • Sind externe Zusatzmodule (siehe auch Schutzanspruch 8) vorhanden, die die selben Daten liefern und auf die der Rechner (10) dann zugreifen könnte, wäre dies nicht mehr nötig.
  • Nur die genaue Identifikation des gesamten Zuges kann nicht durch bloße „Rechenarbeit” bewerkstelligt werden, evtl. über Uhrzeit und Ort. Um jede Verwechslung auszuschließen, ist ein geeignetes Zusatzmodul zu verwenden.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 13 gegeben (siehe dazu auch die Beschreibung des Schutzanspruchs 8, Punkt f), denn gerade für den mobilen Einsatz ist es wichtig, dass der Transport der Vorrichtung geschützt, schnell und unkompliziert erfolgen kann und der Stand der Vorrichtung sicher ist. Dies ist bei der Montage auf einem Schienenfahrzeug gemäß 3 gegeben, die Sensoren (8) sind z. B. mit Trägern (12) und (13) in den Positionen (D) und (E) am Aufbau (7) befestigt. Es kann zum Einsatz bequem auf einem Parallelgleis zu der Strecke, auf der die zu untersuchenden Züge fahren, abgestellt werden, wo sich dann die Sensoren (8) im Abstand (14) zum zu überprüfenden Wagon befinden.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 14 gegeben, denn die benötigte Energie kann über das Energiemodul (23) aus verschiedenen Quellen zugeführt werden (siehe dazu auch die Beschreibung des Schutzanspruchs 8 Punkt g).
  • Zum einen kann das Modul (23) selbst eine Batterie sein. Zum anderen könnte es z. B. mit Strom direkt über Kabel aus der „Steckdose” (bzw. einem festen Anschluß) oder von Solarzellen gespeist werden.
  • Eine weitere Möglichkeit ist, Strom von einer piezoelektrischen Anlage oder einer „Induktionsschleife” zu beziehen, bei denen erst durch die allgemein bekannten Wirkprinzipien die Vorbei- bzw. Überfahrt eines Schienenfahrzeugs den Strom erzeugt.
  • Die Zwischenspeicherung und die Nutzung vorhandener Anlagen sind natürlich möglich und sinnvoll. Batterie, Solar, Piezo und Induktion werden als kabellose Energieübertragung bezeichnet, da in diesem Fall nicht über hunderte von Metern Kabel verlegt werden müssen. Verwendet man Energie, die nicht von öffentlichen Netzen stammt, ist dies oft kostengünstiger, man bleibt unabhängig und ist auch für Notfälle gerüstet.
  • Die Ausprägung der Erfindung gestattet es weiterhin gemäß dem nächsten Schutzanspruch 15, dass man durch optimierte Tourenplanung und Verteilung der Vorrichtungen über das gesamte Schienennetz auf die meist frequentierten Strecken quasi über ein Frühwarnsystem verfügt, das es ermöglicht, von der bisher praktizierten Intervallwartung auf die wesentlich günstigere Bedarfswartung bzw. eine Kombination daraus, umzustellen.
  • So kann es vielleicht praktikabel sein, jeden Güterwagon z. B. mindestens einmal im Monat während des Betriebs zu untersuchen. Die Gefahr, dass zwischen diesem Zeitraum Gravierendes passiert, ist relativ gering und auf alle Fälle geringer als bei den Zeiträumen (gefahrenen Kilometern) der Intervallwartung, die wesentlich höher liegen.
  • Die weniger sicherheitsrelevanten, nicht drehenden Teile können nach wie vor durch Sichtprüfung bei den Beladevorgängen überwacht werden. Natürlich muß auch weiterhin eine regelmäßige Prüfung und Wartung in der Halle erfolgen, nur eben zu einem späteren „Zeitpunkt”. Würde sich dieser bei gleicher Sicherheit z. B. von alle 500.000 km auf alle 750.000 km verschieben, wären dies umgerechnet immense Kosteneinsparungen.
  • Schlecht ausgelastete Wartungsanlagen könnten geschlossen und der Neubau unnötiger Kapazitäten verhindert werden. Dabei soll die Sicherheit des Schienenverkehrs natürlich immer im Vordergrund stehen. Dies bedeutet: gleiche Sicherheit bei deutlich reduziertem Aufwand oder deutlich höhere Sicherheit bei gleichem Aufwand.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 16 gegeben, denn die Untersuchung kann, wie in 2 zu sehen, nicht nur z. B. in Position (A) punktuell an einer bestimmten Stelle (X), sondern über einen gesamten Bereich/Strecke (Y) erfolgen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll und wichtig, wenn die zu untersuchenden Bauteile während eines kompletten Belastungszyklus geprüft werden sollen, sprich während einer kompletten Umdrehung. Als ein Beispiel mag hier ein so genannter Bremsplatten bei einem Rad dienen, der ja nicht immer Kontakt mit der Schiene hat und in dieser Zeit folglich „unhörbar” ist. Der auf den Schienen zurück gelegte Weg einer kompletten Umdrehung richtet sich nach dem Radius/Durchmesser der Räder und dürfte bei einer angenommenen Radhöhe von ca. 0,8 m bei ca. 2,5 m liegen. Dies entspricht dann der zu überwachenden Strecke (Y).

Claims (16)

  1. Eine Vorrichtung zur berührungslosen Materialprüfung von sich drehenden Fahrzeugkomponenten bei Schienenfahrzeugen, speziell Güterwagon, während des regulären Fahrbetriebs, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen von den zu untersuchenden Komponenten direkt mittels Raumschall zu der Vorrichtung bzw. deren Sensor übertragen werden, so dass die Untersuchung berührungslos ist.
  2. Eine Vorrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Raumschallübertragung von Informationen auf spezielle Körperschall-Sensoren verzichtet werden kann, die ansonsten direkt an den zu überwachenden Fahrzeugkomponenten oder in deren Nähe befestigt werden müssten.
  3. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entscheidende Sensor der Vorrichtung ein Raumschall-Meßgerät, d. h. im weitesten Sinne ein Mikrofon ist
  4. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale für eine Diagnose von sich anbahnenden oder bereits vorhandenen Schaden von den zu untersuchenden Fahrzeugkomponenten in charakteristischer Art und Weise und selbst erzeugt werden
  5. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Signale auch von speziellen Verschleißanzeigern stammen können
  6. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Materialprüfung mit ihr während des regulären Fahrbetriebs der Schienenfahrzeuge durchgeführt werden kann
  7. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie stationär oder mobil und somit an allen beliebigen Strecken und Orten eingesetzt werden kann
  8. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie modular aufgebaut ist
  9. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit bereits vorhandenen Diagnose- und Kommunikation-Anlagen kommunizieren und somit kombiniert werden kann
  10. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Schadensdiagnose bei den empfangenen Signalen generell nach Ausreißern bzw. Anomalien und/oder speziell nach vorgegebenen „Schadenmustern” sucht
  11. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mit der Vorrichtung von verschiedenen Seiten aus erfolgen können.
  12. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Geschwindigkeit des Zuges, die Anzahl der Achsen, die Fahrgestelltypen und den Zug selbst erkennen kann.
  13. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung bei mobiler Verwendung auch auf einem Schienenfahrzeug montiert sein kann.
  14. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Vorrichtung durch ein Energiemodul erfolgt, das seinerseits die Energie von verschiedenen Quellen beziehen kann.
  15. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie es bei konsequenter und sinnvoller Anwendung ermöglicht, zumindest im Güterverkehr bei gleicher Sicherheit von der herkömmlichen Intervallwartung auf die wesentlich günstigere Bedarfswartung zu wechseln.
  16. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Meß- bzw. Prüfbereich punktuell sein oder sich über einen größeren Bereich erstrecken kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102011101044A1 (de) * 2011-05-09 2012-11-15 CAE Engineering und Service GmbH Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Schallemissionspegels
DE102014222386A1 (de) 2014-11-03 2016-05-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Diagnose- und Prüfungsverfahren von Krafteinleitungspunkten an Faserverbundbauteilen
DE102020127311A1 (de) 2020-10-16 2022-04-21 BEN-INNOVA Systemtechnik GmbH Vorrichtung zur Festbrems- und/oder Heißläuferortung bei Schienenfahrzeugen und System mit einer Vorrichtung zur Festbrems- und/oder Heißläuferortung und zumindest einer Schwelle zur Auflage von Schienen

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