-
WISSENSCHAFTLICHER BEREICH
-
Die vorliegende Erfindung ist im allgemeinen Bereich der integrierten Sensorik in mechanischen Baugruppen angesiedelt. So offenbart z. B. die
DE 10 2005 025 748 B4 einen Elektrolinearantrieb mit Endabschaltung, bei dem Positionsschalter sowie Mitnehmer wechselwirkend Steuersignale bereitstellen. In ähnlicher Weise sieht die
EP 2 256 032 B1 eine Sensoreinheit für einen Spindeltrieb vor, welche eine Relativbewegung erfasst; analog schlägt die
EP 1 832 851 A2 einen Positionsgeber vor, welcher über Magnete und Magnetsensoren eine Position bestimmbar macht. Allgemeine Baugruppen und Maßnahmen für den Bereich der Drehmomente und Steuer- sowie Regel-Kreise könne schließlich noch der
DE 20 2006 005 695 U1 oder der
EP 0 784 174 A2 entnommen werden. Den vorbeschriebenen, allgemeinen Lehren ist gemein, dass diese keine konkreten Aspekte berücksichtigen, wie sie im Eisenbahnbereich, hier insbesondere im Gleisbett und an einer Gleis-Weiche, zu berücksichtigen wären.
-
ALLGEMEINER HINTERGRUND
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindelbaugruppe im Eisenbahnbereich mit integriertem Sensor gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Spindeltriebe sind hier zum Beispiel als Teil von Gleisrichtmaschinen bekannt, wie z. B. die
EP 0 784 174 A2 veranschaulicht.
-
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
-
Gattungsgemäße Spindeln umfassen eine integrale, endocorporale Sensoreinheit, wie sie die Anmelderin z. B. In der
DE 20 2020 103 194 U1 vorschlägt. Die Offenbarung dieses Dokuments wird für die vorliegende Erfindung vollumfänglich in Anspruch genommen. Durch die endocorporale Anordnung sind Sensor-Baugruppen vor direkter Bewitterung geschützt und können zuverlässiger und langfristiger Messwerte für Steuer- sowie Regel-Systeme bereitstellen. Überraschender Weise finden sich im Markt der Spindeltriebe im Eisenbahnbereich keine Produkte, welche Sensorik wie vorbeschrieben als innovative und nützliche Baugruppe - insbesondere für Gleis-Systeme - vorschlagen oder erläutern. Die Erfinder gehen davon aus, dass die erheblich höheren Anforderungen im ÖPNV- und TransportBereich der Schiene bezüglich Qualität und Lebenserwartung dies begründen: Legierungen, welche in Kraft-belasteter Mechanik eine Lebenserwartung von 25 bis 50 Jahre aufweisen und Steuer- sowie Regel-Baugruppen, welche gleichsinnig ausgebildet im Freien ähnliche Leistungsmerkmale bieten, sind hier nicht als Kombination etabliert. Gerade Steuer- und Regel-Baugruppen für digitale Prozessführung werden hier abweichend in etablierter Weise in eigenen Gehäusen angeordnet und Steuer- und Regel-Kreise werden dadurch komplex und kostspielig. Der Anmelderin sind Legierungen und Mechanik passender Qualität geläufig, aber das Anordnen von Steuer- und Regel-Baugruppen in solchen mechanischen Komponenten ist im Eisenbahnbereich bis jetzt nicht erkennbar Gegenstand von Diskussionen gewesen. Vor diesem Hintergrund ist die vorliegende Innovation in der Grundidee auf diesen Bereich allgemein ausgerichtet.
-
Die Lösung der Aufgabe, Spindelbaugruppen im Eisenbahnbereich mit neuen, langlebigen Sensoren für Steuer- und Regel-Kreise auszurüsten, welche einem zunehmendem Bedarf an digitaler Prozessführung Rechnung tragen, erfolgt gemäß der Merkmale der unabhängigen Schutzansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die Erfinder erklären sich den langjährig ungedeckten Bedarf nach digitaler Mess- und Regel-Technik im Gleisbereich wie folgt: Grundsätzlich ist der Bereich des Schienenverkehrs neben der direkten Bewitterung starken und belastenden Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt. Bekannte Mess- und Regel-Technik versagte daher häufig oder war zu teuer, um breit Anwendung zu finden. Fortschritte im industriellen Qualitätsmanagment haben dann allmählich zu deutlich gleichmäßigeren und einheitlichen Qualitäten von Legierungsbestandteilen geführt. Weiterhin hat die Weiterentwicklung der Steuer- und Regel-Baugruppen für Stelltriebe zu gleichmäßigeren und besser kontrollierten Antriebskräften geführt. Das Zusammenspiel dieser beiden Faktoren kann erklären, warum eine üblicher Weise als Vollkörper gefertigte industrielle Spindel für das Ausbringen von Zug- oder Druck-Kräften im Kilo- bis Tonnen-Bereich überraschend mit einem innenliegenden Hohlraum versehen und über diesen mit zusätzlicher Mess- und Regel-Technik, umfassend Kraftsensoren für Druck- sowie Scher-Kräfte, ausgerüstet werden kann, ohne dass Lebenserwartung oder Performance beeinträchtigt werden. Mithin wird vorliegend erstmals eine überraschend einfache und vorteilhafte Lösung vorgeschlagen, mit der diesem langjährigen Bedarf in diesem speziellen Bereich entgegen den etablierten Vorurteilen, dass solche Bauteile nicht dauerhaft funktionieren werden, begegnet werden kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Erfindungsgemäß weist in einer Spindelbaugruppe im Eisenbahnbereich mit mindestens einem integriertem Sensor der Sensor eine integrale und endocorporale Sensorbaugruppe auf, welche somit in die Spindelbaugruppe integriert ist. Wesentlich ist, dass die Sensorbaugruppe gemäß der Lehre der
DE 20 2020 103 194 U1 in dem im Betrieb geschlossenen Innenvolumen einer mechanischen Komponente einer Spindelbaugruppe integriert ist; die nach außen dicht umschließende Komponente ist in der Legierung auf durchgehende, langlebige Funktion, bevorzugt auf eine Funktion von 25 bis 50 Jahren, ausgelegt und bietet dadurch einer innenseitig angeordneten Sensorbaugruppe direkt und ohne weitere Gehäuse den notwendigen, qualitativ hochwertigen Schutz.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER MERKMALE
-
In der erfindungsgemäßen Spindelbaugruppe im Eisenbahnbereich mit mindestens einem integriertem Sensor, ist der Sensor über eine integrale und endocorporale Sensorbaugruppe in die Spindelbaugruppe integriert. Dadurch wird es erstmals möglich, über Messdaten wie z. B. Leitfähigkeiten, Spannungen, Kräfte, Drehmomente oder auch Datengruppen wie frequenzabhängige Leitfähigkeit, frequenzabhängige Ultraschall-Resonanz, frequenzabhängige Durchlässigkeit oder Resonanz für Radiowellen oder Gruppenleitfähigkeit ganzer, mechanischer Baugruppen wie z. B. einer Gleisweiche, Aussagen zu verschiedenen Zuständen eines bahntechnischen, im Freien befindlichen Systems mit überraschender Genauigkeit abzuleiten. Bevorzugt gekoppelt mit ergänzenden Daten wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur oder auch Temperaturgradienten können Betriebszustände in der notwendigen Qualität und Dauerhaftigkeit quantitativ bewertet und zu Steuer- sowie Regel-Aufgaben herangezogen werden.
-
Bevorzugt ist die Spindelbaugruppe im Gleisbettbereich angeordnet. Der Gleisbettbereich ist regelmäßig hohen Belastungen ausgesetzt, welche sowohl direkte Bewitterung als auch Vibrationen und freigesetzte Betriebsmittel durch die Züge umfasst. Hinzu kommen natürliche Belastungen durch Pflanzenbewuchs, Nagetierpopulationen sowie Setzbewegungen im Untergrund. Gleichmäßige und Kraft aufnehmende Verbindung von Schwellen, Gleisen und Gleisbett sind zu kontrollieren. Spannungen in den Gleisen, atypische Vibrationen in der Nutzung und auch elastische Deformationen und damit einhergehende Änderungen der Klangcharakterisitk und Leitfähigkeit indizieren hier unzulässige Abweichungen von einem Soll-Zustand. Bevorzugt werden die mit dem vorliegend beanspruchten Gegenstand zugänglichen Messdaten an ein System zur Zustandsüberwachung übergeben; ein System zur Zustandsüberwachung korrelliert Messwerte während und außerhalb der Nutzungszeiten und kann erste Abweichungen der IST-Werte von SOLL-Werten mit möglichen Fehlerursachen korellieren und diese vorteilhaft über weitere Messwerterfassungen korrellieren und/oder bestätigen oder widerlegen; eine Betriebszustands-Überwachung wird so zugänglich, welche vorteilhaft den Eisanbahnoberbau als Ganzes umfassen und Wartungen, Reparaturen und Betriebs-Sicherheit vorteilhaft verbessern kann.
-
Bevorzugt ist die Spindelbaugruppe Teil einer Weichen-Mechanik. In einer Weichen-Mechanik kommen zu den allgemeinen Belastungen im Gleisbett noch mögliche Blockaden, Deformationen oder Korrosionen der für die Funktion notwendig beweglichen, aneinander angelenkten Komponenten hinzu; weiterhin können die bewegten Komponenten durch Fremdkörper, Vereisung, Deformation oder Korrosion gehemmt oder in ihrer Funktion komplett beeinträchtigt sein. Unstete Kraft- oder Drehmoment-Änderung, Geräusche im Betrieb, unstete Änderungen in Gleitreibung und/oder Haftreibung, unstet ansteigende Verfahrkräfte, starke Änderungen von Gruppenleitfähigkeiten sowie atypische Betriebsgeräusche indizieren Betriebszustände, welche vorteilhaft mit vorbeugenden Eingriff vor Ort einen Systemausfall und Standzeiten sowie die damit verbundenen Kosten verhindern können.
-
Bevorzugt umfasst die Spindel einen zumindest anteilig in das Gewinde eingelegten Draht, welcher als Antenne, bevorzugt als Daten-Antenne und/oder Lade-Antenne, verwendbar ist; das drahtlose Laden und/oder Kommunizieren ermöglicht zeitsparend das Auswerten sowie Aufladen über etablierte Nahbereichs-Sender und Empfänger, ohne dass ein Ausbau oder der Anschluss an eine Auswerteinheit notwendig wird. Besonders bevorzugt dient mindestens ein Kondensator mit hoher Kapazität , auch als Ultracap bezeichnet, als Energiespeicher; Kondensatoren bieten im Vergleich zu etablierten Batterien sehr viel mehr Lade- und Entlade-Zyklen und eine bessere Stromfestigkeit bei schnellem Aufladen in kurzer Zeit.
-
Besonders bevorzugt werden Verfahrkräfte sowie Verfahrwege erfasst und zur digitalen Regelung der Verfahrgeschwindigkeit und/oder der Verfahrkraft herangezogen; Anschlags- sowie End-Punkte während des Verfahrens von mechanischen Komponenten von einer Stellung in die andere können iterativ oder auch entsprechend einer digital hinterlegten, durch Berechnung, Fourier-Transformation oder Approximation ermittelten Steuerzeichenkette geregelt werden; vorteilhaft können so digital weiche und schonende Start-, Verfahr- und Brems-Geschwindigkeiten und/oder -Kräfte geregelt und/oder gesteuert werden. Das digitale Nachbilden von etablierten, hydraulischen oder pneumatischen Komponenten wie z. B. Brems-, Puffer- oder Hemm-Zylindern wird so erstmals zugänglich.
-
Bevorzugt ist die Spindelbaugruppe mit elektrisch messbarem Kontakt zu mindestens einem Teil des Gleisbetts angeordnet. Durch Verwendung elektrisch zumindest ableitend eingestellter Werkstoffe und Schmiermittel kann ein Stromsignal gezielt über sämtliche, mechanisch miteinander gekoppelte Komponenten in die Erde eingespeist werden; bevorzugt erlaubt Analyse des über die Erde abfließenden Restsignals, Abgleich mit hinterlegten Datensätzen und Korrellation mit bekannten Änderungen für Erdfeuchte, Luftfeuchtigkeit und Temperatur die Überprüfung einer gesamten Baugruppe auf ein Mal. Vorteilhaft kann durch sukzessives Vorspannen des Spindeltriebs in Ein- oder Ausfahr-Stellung mit eingestelltem Drehmoment abwechselnd die für Einfuhr sowie Ausfuhr notwendige Gleitfläche separat geprüft und eine exaktere Prüfung der Spindeltrieb-Komponenten durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ermöglicht eine Analyse von Messwerten eine Zuordnung einer Abweichung; durch Korrelation von Werten während des Btriebs und außerhalb des Betriebs wird vorteilhaft eine Schlussfolgerung möglich, ob der Grund für die Abweichung der Mechanik der Baugruppe oder dem Aufbau und Zustand des umgebenden Gleisbetts und Bahnoberbaus oder beidem zuzuordnen ist; die notwendige Wartung oder Reparatur kann so vorteilhaft direkt z. B. auf Gleisbett, Gleiskörper, Antrieb oder Spindelbaugruppe einzeln oder in Kombination ausgerichtet werden. Das Warten und Instandhalten des gesamten Bahnoberbaus kann dadurch effizienter, schneller und günstiger geregelt werden.
-
Bevorzugt umfasst der Sensor eine Wechselstromsignal-Emitterbaugruppe. Ein Wechselstromsignal mit voreingestellter Frequenz wird kapazitive Widerstände, welche sich bei der Frequenz kaum aufladen, nicht wahrnehmen. Mithin erlaubt ein Wechselstromsignal konstanter Frequenz eine selektive Überprüfung charakteristischer Wechselstromwiderstände von Baugruppenteilen bei ermittelten, vorgegebenen Frequenzen.
-
Bevorzugt umfasst der Sensor eine Wechselstromsignal-Detektorbaugruppe, besonders bevorzugt eine Impedanz-Analyse-Baugruppe. Frequenz-aufgelöste Analyse einer Wechselstromleitfähigkeit ergibt für Volumenleitfähigkeiten, Korngrenzleitfähigkeiten und Oberflächenleitfähigkeiten sowie kapazitive und induktive Baugruppen oder Anteile häufig separierbare Anteile; mithin kann vorteilhaft mit variierter Frequenz und nachfolgender Analyse der Impedanz eine komplette, leitfähig miteinander verbundene Baugruppe auf Gleichmäßigkeit und Konstanz der Korngrenzen, Volumina und Oberflächen geprüft werden. Korrosion, Mikrorisse, Risse, Fremdbeiträge durch Eis, Rost oder eingeklemmte Fremdkörper können vorteilhaft verbessert erkannt, konkreteren Abschnitten zugeordnet und in Steuer- sowie Regel-Kreisen berücksichtigt werden.
-
Bevorzugt umfasst der Sensor eine Baugruppe zur drahtlosen Datenkommunikation; eine Funkverbindung, besonders bevorzugt eine Funkverbindung über die jeweiligen WLAN-Netze vorbeifahrender Züge, erlaubt das direkte Austauschen von Messdaten. Abfragen und Regelkreisbefehlen.
-
Bevorzugt umfasst der Sensor eine Multiplex-Baugruppe, über welche Datenpakete einem Versorgungsstrom weiterer Baugruppen modulierend überlagert ausgebbar, bevorzugt bidirektional erzeugbar, sind. Vorteilhaft kann eine Stromversorgungsleitung durch Modulation und parasitäre Signal-Überlagerung des darin verfügbaren Stroms parallel als Daten-Anbindung genutzt werden; vorteilhaft ermöglicht dies einen Datenaustausch ohne zusätzliche, physische Datenleitungen.
-
Bevorzugt erfolgt der Datenaustausch verschlüsselt; vorteilhaft erschwert dies den Eingriff oder das Mitlesen durch unbefugte Dritte.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Die vorbeschriebenen Merkmale und Vorteile und nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind - sofern nicht epxlizit als solche beschrieben - nicht als abschließende Merkmalskombinationen aufzufassen. Zusätzliche, vorteilhafte Merkmale und zusätzliche Merkmalskombinationen, wie sie in der Beschreibung erläutert und gemäß der hier zitierten Dokumente und ihrem Stand der Technik verfügbar sind, können im Rahmen der unabhängigen Ansprüche im beanspruchten Gegenstand sowohl einzeln als auch abweichend kombiniert verwirklicht werden, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen würde.
-
DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG AN HAND VON AUSFÜHRUNGBEISPIELEN
-
In vorteilhafter Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße Spindelbaugruppe im Eisenbahnbereich mindestens einen integrierten Sensor auf. Der mindestens eine Sensor ist als integrale und endocorporale Sensorbaugruppe in die Spindel einer Spindelbaugruppe integriert. Die Spindelbaugruppe ist im Gleisbettbereich angeordnet und Teil einer Weichen-Mechanik. Die Spindelbaugruppe ist mit elektrisch messbarem Kontakt zu mindestens einem Teil des Gleisbetts montiert. Der Sensor umfasst eine Wechselstromsignal-Emitterbaugruppe mit Wechselstromsignal-Detektorbaugruppe und Impedanz-Analyse-Baugruppe. Über einen Mikrospeichercontroller, bevorzugt einen FRAM-Mikrocontroller mit nichtflüchtigem Speicher mit verbesserter Ausfallsicherheit , umfasst der Sensor eine Baugruppe zur drahtlosen Datenkommunikation. Weiterhin umfasst der Sensor eine Multiplex-Baugruppe, über welche Datenpakete einem Versorgungsstrom weiterer Baugruppen modulierend überlagert ausgebbar, bevorzugt bidirektional erzeugbar, sind. Durch im Inneren einer Spindel angeordnete Sensor-Baugruppen wird so die etabliert langlebige Spindel mindestens eines Spindeltriebs einer Gleisweiche erstmals zu einer kommunikationsfähigen Daten-Erfassungs-Einheit, welche Messwerte erfassen und auswerten und Betriebszustände bewerten und mitteilen kann.
-
In vorteilhafter Ausführungsform werden Sensordaten zur Prüfung des Zustandes von Baugruppen im Eisenbahnbereich herangezogen. Die Sensordaten umfassen dabei bevorzugt mindestens ein Datenpaket aus einer Gruppe von Datenpaketen, die Gruppe von Datenpaketen umfassend, bevorzugt bestehend aus, Ultraschall-Echo, Ultraschall-Echo mit variierter Frequenz, Wechselstromwiderstand, Wechselstromwiderstand mit variierter Frequenz, Frequenz und Intensität einer Resonanz-Schwingung, elektrischer Widerstand, elektrischer Widerstand eines Gleisabschnitts, elektrischer Widerstand eines Gleisbett-Abschnitts, elektrischer Widerstand mindestens einer Bahnschwelle, elektrischer Widerstand der Gleis-Oberfläche, elektrischer Volumen-Widerstand von Komponenten der Gleisweiche, Elektrischer Korngrenz-Widerstand von Komponenten der Gleisweiche, Gleistemperatur, Gleisbett-Temperatur, Temperatur mindestens einer Komponente einer Weiche, Torsionsspannung, Resonanzfrequenz, Resonanzfrequenzen, Druck, Kraft, Drehmoment, Gleitreibung, Haftreibung, Leitfähigkeit, Feuchtigkeit, Luftfeuchtigkeit, Erdfeuchtigkeit, Lokaltemperatur, Spannung, Strom, Schwingungsverhalten, Betriebsakustik.
-
Bevorzugt ermöglichen Mess- sowie Regel-Werte einen Rückschluss auf den Zustand von Baugruppen auch, bevorzugt ausschließlich, im Ruhezustand; dies trägt dem Problem Rechnung, dass etablierte Regelkreise häufig nur Messwerte im Betrieb erfassen und dann erst kurz vor der entscheidenden Funktion/Anwendung eine Fehler-Erkennung ermöglichen. Durch Messwert-Erfassung im Ruhezustand und/oder in einem Testbetrieb mit geringem Verfahrweg können Mängel besser außerhalb des Betriebs erkannt und behoben werden, wodurch die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems vorteilhaft erhöht wird.
-
Der prüfbare Zustand umfasst dabei bevorzugt mindestens eine Eigenschaft aus einer Gruppe von Eigenschaften, die Gruppe von Eigenschaften umfassend, bevorzugt bestehend aus, Rissfreiheit von Gleisabschnitten, Festigkeit von Gleisabschnitten, Befestigung von Gleisabschnitten, Rissfreiheit von Schwellenkörpern, Gleichmäßigkeit des Gleisbettes, Deformation durch Zuglast eines vorbeifahrenden Zugs, Vibration durch einen vorbeifahrenden Zug, Temperatur im Betrieb, Torsion im Gleiskörper, thermische Spannung im Gleiskörper, Position einer Gleisweiche, mechanische Koppelung innerhalb der Gleisweichen-Mechanik, Spiel der Gleisweichen-Mechanik, Korrosion der Gleisweiche, veränderter Oberflächenstruktur einer Baugruppe oder Komponente, Auftreten eines Stick-Slip Effekts in der Baugruppe, Materialverformungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Materialverformungen aufgrund von freigesetzten Spannungen im Material, Steigungsfehler in der Spindel, Steigungsfehler in der Mutter, Fließfähigkeit der Schmiermittel, Rissfreiheit einer Spindel, Rissfreiheit eines Spindelgehäuses, zulässige Vorspannung einer Kugelrollspindel, zulässige Spannung innerhalb eines Spindeltriebs, zulässige Korngrenzleitfähigkeit einer Baugruppe, Mikroriss-Freiheit, zulässige Relationen der Betriebskräfte, SOLL-Wert eines Frequenzmusters im Betrieb, SOLL-Wert eines Frequenzmusters bei vorbeifahrendem Zug, SOLL-Wert eines akustischen Frequenzmusters, Zustand von Radreifen, Zustand von Weichen-Komponenten einer Gleisweiche, Keimfreiheit von Schmierstoffen, Überlast durch fehlerhafte Schmierstoffe, Riss Bruch oder thermische Deformation in/an einem Spindeltrieb, Verunreinigung an/in Gleitflächen, Schmierstoffmangel, Korrosion, zulässiger Drehzahl- und/oder Vorschub-Bereich, zulässiger Drehmomentbereich, Beweglichkeit einer Gleisweiche, Temperatur einer Gleisweiche, Torsion in einer Gleisweiche, Vereisungsgrad einer Gleisweiche, Abweichungen der aktuellen IST-Werte von SOLL-Betriebsparametern, Unstetigkeiten bei sich ändernden Betriebsparametern, Grenzwertüberschreitung bei Betriebsparametern, Funktionsausfall, Mangelwarnung, notwendige Wartung, notwendige Sperrung.
-
In vorteilhafter Ausführungsform sind sämtliche Sensor-Baugruppen und drahtlose Schnittstellen für Kommunikation und/oder Energieversorgung im Inneren einer Spindelbaugruppe angeordnet; eine solche Spindelbaugruppe ermöglicht bereits im Austausch des vorhandenen Spindeltriebs das Nachrüsten eines Weichensystems mit den im Inneren bereitgestellten Funktionen. Besonders bevorzugt können Baugruppen mit Elektronik mit geringem Energiebedarf mit Energiespeichern hoher Leistungsfähigkeit ausgestattet und bei Unterschreiten von 10% der ursprünglich gespeicherten Energiemenge als Ganzes durch eine komplette, mit neuem Energiespeicher ausgerüstete Baugruppe ausgetauscht werden; dieser bevorzugt werkzeuglose Austausch ermöglicht kürzeste Wartungszeiten im Gleis, sorgfältige Analyse der genutzten Baugruppen während des Aufladens und leistungsbezogene Abrechnung der Bauteil-Verwendung; Letzteres erhöht die Wirtschaftlichkeit möglichst langlebiger und dauerhafter Produkte und trägt wirksam zur Entwicklung dauerhafter Baugruppen bei.
Problematisch bei den etablierten Systemen ist, dass diese für zusätzliche oder auch neue Sensoren und Sensorbaugruppen eine komplexe, mechanische und zeitraubende, digitale Integration in die bestehende Analyselandschaft und Infrastruktur erfordern. Erstmals ermöglicht es das beanspruchte System in vorteilhafter Ausführungsform , diesen Nachteil zu überwinden. Es erlaubt durch die mechanische Trennung sogar einen Parallel- sowie Test-Betrieb, welcher bevorzugt als Teil eines strukturierten Analyseverfahrens zur Abschnitts-Analyse und Datenerfassung dienen kann; besonders bevorzugt ist die Spindelbaugruppe mit den integrierten Sensoren über Befestigungs-Mittel mit durchgehend identischem Maß montierbar, was die Menge an benötigtem und mitzuführendem Werkzeug reduziert und das Austauschen/Nachrüsten vereinfacht/erleichtert, und vorteilhaft mit einer Diebstahlsicherung kombiniert, welche bei Lösen der mechanischen Verbindung, welche bevorzugt eine digitale oder Mess-Strom-technische Verbindung mit umfasst, einen Tracker und/oder eine Sperre aktiviert.
-
In vorteilhafter Ausführungsform ist die Spindelbaugruppe, bevorzugt über eine Rastmechanik , besonders bevorzugt gekoppelt mit einem Sicherungsverschluss mit digitalem und/oder mechanischem Schloss, über eine einzige Ausklink- sowie Entnahme-Bewegung ein- sowie aussetzbar ausgebildet. Das erlaubt vorteilhaft das direkte, schnelle Austauschen gegen eine funktionstüchtige Baugruppe. Wartung / Reparatur etc. kann so bei einer defekten Spindelbaugruppe außerhalb des Gleises stattfinden. Eingriffszeiten minimieren sich, die Gefahren aus dem Eisenbahnbetrieb für Arbeitnehmende sinken (anders als bei etablierten oder im Gleis verbauten Detektoren, die durch Personal auf der Schwelle mit unvermeidbaren Aufenthaltszweiten im Gleis installiert werden müssen). Wartung wird somit sicherer, schneller und effizienter.
-
In vorteilhafter Weise ist die Spindelbaugruppe als Spindeltrieb für eine Weiche ausgelegt, umfassend eine Energieversorgung sowie einen Sender. Der Sender umfasst wiederum eine Plug-and-Play-fähige Schnittstelle; mithin kann die Baugruppe montiert und durch den ersten Betrieb automatisch in das dafür vorgesehene Datennetz, bevorzugt ein Funkdatennetz analog zu etablierten IoT-Cloud-Anwendungen, eingebunden werden.
-
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst die Spindelbaugruppe, vorteilhaft ausgebildet als Spindeltrieb für eine Weiche, ergänzende Baugruppen, welche möglichen, zusätzlichen Anforderungen und Belastungen im Gleisbett Rechnung tragen. Je nach Aufbau und Struktur des Gleisbetts kann es bei unsachgemäßem Betrieb oder unzureichendem Aufbau häufiger zu außergewöhnlichen Schlag-, Stoß oder Scher-Belastungen kommen oder zu Fremdeinwirkung umfassend Diebstahl kommen. Einer Belastung kann über verstärkte Komposit-Segmente und/oder Vibrations-Dämpfer zwischen kraftschlüssig verbundenen Segmenten begegnet werden; vorteilhaft werden so direkte Bewitterung einerseits und Verschleiß durch Vibration andererseits kombiniert vermieden und eine deutlich gesteigerte Lebenserwartung auch in widrigen Umgebungen ermöglicht.
-
In vorteilhafter Ausführungsform ist die Spindelbaugruppe in der Ausführung für Weichen auf einheitliche Befestigungsmittel ausgelegt, bevorzugt umfassend eine werkzeugfreie Schnellspann-Vorrichtung mit Diebstahlsicherung. Eine werkzeugfreie Schnellspann-Vorrichtung ermöglicht das händische Einsetzen sowie Ausklinken der Baugruppe; die Diebstahlsicherung ist mechanischer und/oder elektronischer Natur und gibt erst nach Einsetzen eines passend kodierten Schlüssels in ein Schloss und/oder Erfassung des Codes eine Sperre frei, welche den Schnellspann-Mechanismus bis dahin blockiert. Bevorzugt umfasst das Schloss eine Signal-Baugruppe zum Versenden eines Alarms bei unbefugtem Zugriffsversuch, besonders bevorzugt kombiniert mit einem GPS-Tracker. Problematisch ist bei den etablierten Systemen, dass bei Austausch sowie Reparatur ganze Gleise stillgelegt werden müssen, was Ausfallzeiten und wirtschaftliche Verluste zur Folge hat. Mit der vorliegend vorgeschlagenen, vorteilhaft ausgelegten Montierbarkeit wird erstmals diesem Problem Rechnung getragen. Besonders vorteilhaft erlaubt eine schnelle, unproblematische Montage mit integrierter Diebstahlsicherung das Analysieren ganzer Netzabschnitte im laufenden Betrieb, besonders bevorzugt mit Sensorbaugruppen, welche über längere Gleisabschnitte Mess-Signale wechselseitig sendend und empfangend ausgebildet sind; vor diesem Hintergrund offenbart diese Beschreibung auch eine mögliche, neue Verwendung der hier vorgeschlagenen Baugruppe in einem QM-System.
-
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst die Spindelbaugruppe Einrichtungen zur Analyse von erfassten Daten; typische, relevante Informationen wie Typ des Zugs, Anzahl der Achsen, Achslasten, Geschwindigkeiten, zusätzliche oder abweichende Betriebsgeräusche, Gefahren- oder Versagens-Indikatoren können durch Abgleich mit hinterlegten Daten ermittelt, zusammengestellt und bereitgestellt werden. Problematisch ist bei den etablierten Systemen, dass sicherheitsrelevante Abweichungen bei den vorbeifahrenden Zügen spät oder gar nicht erfasst werden; diesem Problem trägt die hier vorgeschlagene Spindelbaugruppe erstmals Rechnung. Ungleiche Belastungen durch falsch beladene Waggongs, akute und/oder dauerhafte Deformation des Gleiskörpers, Kompaktheit und Homogenität des Schotters, Hohllagen an oder unter den Schwellen, asymmetrische Belastung der Schienen und einhergehender, hoher Verschleiß sind Beispiele für Kenngrößen und detektierbare Abweichungen, welche durch rechtzeitige Berichtigung von rapide einander verstärkenden Gefahrenlquellen mit nachfolgender Beschädigung/Zerstörung von Material wirksam begegnen können.
-
In vorteilhafter Ausführungsform können über die Spindelbaugruppe Kenngrößen wie Schienengüte, Schienenzustand, Betriebsgeräusche, Schwellenzustand, Vibrationen, Bewegungen im Gleisbett, Kleineisenzustand einzeln, bevorzugt korreliert, erfasst und zur Analyse im Betrieb herangezogen werden, um Wartung und Reparatur sowohl in Umfang und Ausmaß als auch im Identifizieren und Ausmerzen von Schadens-Quellen zu unterstützen und effizienter zu regeln.
-
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst die Spindelbaugruppe Einrichtungen, welche Verschleiß direkt oder indirekt erfassen und quantifizieren können; besonders vorteilhaft ist dies mit einer Anbindung an ein integriertes oder per Datenstrom zugängliches Analyse-Modul kombinierbar. In der besonders bevorzugten Kombination kann erstmals die Arbeit oder auch Leistung der Spindelbaugruppe qunatitativ erfasst werden, bevorzugt als Grundlage eines Leihkauf-Systems herangezogen werden: Mit quantifizierbarem Verschleiß kann erstmals eine solche Baugruppe für ein zuvor definiertes und zu bezahlendes Ausmaß an Leistung / Arbeitsleistung bereitgestellt werden. Vorteilhaft ermöglicht dies einen Optimalbetrieb, bei dem das ökologisch und ökonomisch Notwendige auf ein Minimum reduziert und die Lebensdauer auf ein Maximum gesteigert wird.
-
In vorteilhafter Ausführungsform ist eine Spindelbaugruppe mit einer Datenbank verbindbar, umfassend Analysedaten eines virtuellen Betriebsmodells; solche Daten werden auch als ‚Building Infomration Modelling‘ bezeichnet und häufig mit ‚BIM‘ abgekürzt. Vorteilhaft kann passend zum Detailierungsgrad eines BIM Modells eine Anbindung der aufgezeichneten und übermittelten Werte an eine Software zur Kontrolle und Optimierung technisch-gewerblicher Geschäftsprozesse erfolgen. Vorteilhaft werden dabei relevante Daten, z.B. wie und wann etwas eingebaut wurde, wie viele Bewegungen eine Weiche schon erlebt hat, etc. pp, zu einer planmäßigen Instandhaltung herangezogen. Mithin wird hier auch die Verwendung eines Datenmodells als gemeinsame Daten- und Wissensplattform für alle Beteiligten offenbart, wobei das Datenmodell als Basis für die Entscheidungsfindung während der gesamten Lebensdauer einer Anlage (von der Entwurfs- und Bau- über die Nutzungsphase bis hin zum Rückbau) dient. Verschiedene Beteiligte können das BIM-System in den jeweiligen Lebenszyklusphasen der Anlage/ Weiche nutzen, um Informationen hinzuzufügen, abzurufen oder zu bearbeiten. Auf diese Weise unterstützen sie ihre eigene Arbeit ebenso wie die Arbeit anderer, da alle Beteiligten Zugang zu diesen Informationen haben.
-
In vorteilhafter Ausführungsform ist die Spindelbaugruppe auf datentechnische Integration in bestehende und parallele Systeme ausgelegt. Integration umfasst unmittelbar im Weichenantrieb anfallende Daten im Gegensatz zu indirekten Daten der etablierten Systeme, wie z. B. An/Aus-Ströme innerhalb der Schaltkästen oder an dritter Stelle erfasste Zugdaten, welche nur indirekte Rückschlüsse für den Weichenbetrieb zulassen. Vorteilhaft ermöglicht eine autarke Installation Dritten zusätzliche Einblicke. Dritte sind dabei Hersteller, Anbieter oder Betreiber von Gleistechnik oder auch Forschungsinstitute parallel zum Infrastrukturbetreiber selbst. Vorteilhaft bekommen so Hersteller aber auch Behörden (z. B. Finanz-EBA, welches die eingesetzten Mittel überwacht) die Möglichkeit, eigenständig zusätzlich das Produkt im Betrieb zu überwachen und zu analysieren. Die dadurch geschaffene Transparenz ermöglicht zudem das direkte Einbinden von Forschung und Entwicklung im laufenden Betrieb. Vorteilhaft können Hersteller so schnell und einfach eine neue Herangehensweise bei Vertrieb in Form garantierter Nutzungsdauern bei gegebenen Bedingungen testen und nachvollziehbar bepreisen. Wesentliche Faktoren wie z. B. Achslasten, Frachtleistungen, Taktfrequenzen, Geschwindigkeiten, Zugtypen, Übergänge von einem Gleis auf ein anderes bzw. Fahrten über Weichen sowie Temperaturen, Wetterbedingungen, Weichenheizungseinsätze, Instandhaltungszyklen und Zustand von Oberbau und/oder Weiche werden so erstmals im laufenden Betrieb bei minimalen bis gar keinen Ausfallzeiten korrelierbar. Vorteilhaft können sowohl de Hersteller als auch wirtschaftswissenschafltiche Dienstleister so neue Produkte inklusive Finanzierung, Service und Instandhaltung auf Basis belastbarer Praxisdaten hoch transparent zusammenstellen und anbieten.
-
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst ein Weichensystem mit der beanspruchten Spindelbaugruppe eine Analyse-Baugruppe, welche für unterschiedliche Arbeitsbedingungen den jeweils optimalen Betriebsmodus der Spindel erfasst, speichert und nachfolgend vorgibt, wodurch die Spindel mit minimalstem Energiebedarf betreibar ist.
-
In vorteilhafter Ausführungsform ist die hier beanspruchte Gewindespindel mit einer endocorporalen Sensorpatrone ausgestattet, welche Messwert-Erfassung und -Kommunikation in Echtzeit im Sinne direkter Verfügbarkeit und/oder Auswertung der Daten, ermöglicht. Zustandsbasierte Wartung und Überwachung auf Basis von Deltamessungen, Trigger-Erkennungen, Identifikation von Schadensfrequenzen sowie Beschleunigungs-Sensoren werden im Vergleich zu etablierten Standard-Wartung in Abhängigkeit der Auslastung effizienter und kostengünstiger. Besonders bevorzugt ermöglicht ergänzende Schwingungsüberwachung bei Weichenüberfahrten Rückschlüsse auf Zustände von Radlagern, Radscheiben und Wälzlagern der passierenden Fahrzeuge. Vorteilhaft kann dies über drahtlose Kommunikations-Schnittstellen direkt dem jeweiligen Fahrzeug mitgeteilt oder als Datenpaket während des Vorbeifahrens übergeben werden.
-
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst die Spindelbaugruppe passiven und/oder aktiven Vandalismusschutz. Passiver Vandalismus-Schutz umfasst Gehäuse und Abdeckungen, welche empfindliche oder sensible Baugruppen vor unbefugtem Zugang schützen, während aktiver Vandalismus-Schutz Sensoren und Alarmsysteme umfasst, welche Manipulationen detektieren, bevorzugt bewerten und per Alarmsignal anzeigen. Vorteilhaft sind die aktiven Elemente in die Baugruppe im Sensorenbereich mit integriert und können so ohne zusätzliche Montage- oder Gehäuse-Kosten einen erhöhten Schutz des Systems und des Netzes bereitstellen.
Vorteilhaft ermöglicht die Integration in eine Spindel ein Nachrüsten, ohne dass eine Änderung an etablierten Antrieben nötig wäre; auch ein Platzschaffen im/am Antrieb ist nicht notwendig. Gleichsinnig sind auch keine sicherheitsrelevanten Änderungen notwendig, denn es erfolgt lediglich eine Anpassung der Spindel im mechanisch nicht relevanten Innenbereich.
Für Gleisnetze mit bereits bestehenden Kontroll-Mechanismen bietet die vorgeschlagene Spindel-Baugruppe die vorteilhafte Möglichkeit eines zusätzlichen, redundanten Regelkreises im Sinne einer fail-safe-Absicherung durch Doppelsystem. Bevorzugt erfolgt dies in Kombination mit einem redundanten, zusätzlichen Software-System mit Drahtlos-Anbindung, wodurch auch die digitale Komponente wirksam und redundant als Parallelsystem aufgebaut wird und wirksam zu einer überlegenen Ausfallsicherheit beitragen kann. Besonders bevorzugt umfasst die Spindelbaugruppe eine Kommunikations-Baugruppe, welche mit angrenzenden Kommunikations-Baugruppen weiterer Spindelbaugruppen ein dezentrales peer-to-peer-Netzwerk aufbaut und ein paralleles Notfall-Kommunikations-Netzwerk für Betriebsdaten bereitstellt.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Sensorbaugruppen im Eisenbahnbereich sehen üblicher Weise aufwändige Gehäuse, kostspielige Kommunikationsleitungen und klobige Formfaktoren vor, um Daten, besonders Daten im Gleisbettbereich, zu generieren. Formfaktoren und Kosten sind den hier notwendigen Qualitätsstandards und Anwendungs-Szenarien geschuldet.
Aufgabe ist, eine Bauweise vorzuschlagen, welche Daten effizienter und wirtschaftlicher zugänglich macht.
Die Lösung erfolgt mit einer Spindelbaugruppe im Eisenbahnbereich, welche als mindestens einen Sensor eine integrale und endocorporale Sensorbaugruppe aufweist, welche in die Spindelbaugruppe integriert ist. Durch Anordnung der Sensorbaugruppe im geschlossenen Innenvolumen eines Abschnitts einer üblicher Weise durchgehend ausgebildeten Komponente eines Spindeltriebs wird kostengünstig ein passend langlebiges Gehäuse bereitgestellt. Durch drahtlose Kommunikation, Kommunikation über die Stromverbindung und auch Messwert-Erzeugung über die miteinander wechselwirkenden mechanischen Komponenten, bevorzugt Komponenten einer Gleisweiche, können mehrere Eigenschaften über Messdaten erfasst und Zustände ermittelt und mitgeteilt werden.
Nachrüsten von Gleisbettbereichen, insbesondere Gleisweichen, mit ergänzenden Steuer- und Regel-Kreisen, um Zustände wie z. B. Betriebsbereitschaft, Funktionstüchtigkeit, Vereisung oder Korrosion quantitativ zu bewerten und mitzuteilen, wird so erstmals mit einem wirtschaftlich erheblich niedrigeren Kostenfaktor zugänglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005025748 B4 [0001]
- EP 2256032 B1 [0001]
- EP 1832851 A2 [0001]
- DE 202006005695 U1 [0001]
- EP 0784174 A2 [0001, 0002]
- DE 202020103194 U1 [0003, 0006]