EP1485704A1 - Device for the electromagnetic ultrasonic diagnosis of wheels - Google Patents

Device for the electromagnetic ultrasonic diagnosis of wheels

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Publication number
EP1485704A1
EP1485704A1 EP02807050A EP02807050A EP1485704A1 EP 1485704 A1 EP1485704 A1 EP 1485704A1 EP 02807050 A EP02807050 A EP 02807050A EP 02807050 A EP02807050 A EP 02807050A EP 1485704 A1 EP1485704 A1 EP 1485704A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
test
wheels
grounding
rail vehicles
diagnostic system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02807050A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Klose
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Bahn AG
Original Assignee
Deutsche Bahn AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Bahn AG filed Critical Deutsche Bahn AG
Publication of EP1485704A1 publication Critical patent/EP1485704A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2412—Probes using the magnetostrictive properties of the material to be examined, e.g. electromagnetic acoustic transducers [EMAT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0423—Surface waves, e.g. Rayleigh waves, Love waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/269—Various geometry objects
    • G01N2291/2696—Wheels, Gears, Bearings

Definitions

  • the invention relates to a device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic
  • Electromagnetic ultrasonic transducers generate ultrasonic waves in electrically conductive material through the Lorentz force or by using the magnetostrictive effect.
  • EMATs electromagnetic acoustic wave transducers
  • 6,347,550 finally describes the necessary further development of the method in such a way that a non-destructive testing of the volume and surface of the wheel can be ensured while the railway wheel to be tested is rolled over. Since imperfections that originate from internal surfaces (e.g. interface between wheel hub and wheel rim) can now be detected, it is possible to reliably test wheels that are made up of different parts and / or different materials.
  • the vehicles to be tested continuously drive over the test equipment with their own drive during the test process, which enables efficient and time-saving chassis diagnostics, especially when the chassis checks of the high-speed trains are carried out at short intervals.
  • the test heads based on the electromagnetic principle are integrated in the rails of the test track.
  • the invention has for its object to develop a device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic ultrasonic wave transducers, which prevents the coupling of the interference emanating from the vehicles into the ultrasonic test heads.
  • a device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic ultrasonic wave transducers which prevents the coupling of the interference emanating from the vehicles into the ultrasonic test heads.
  • the length of the galvanically insulated test track section is limited to a constructive length that is smaller than the minimum center distance of two adjacent wheel sets of the rail vehicles to be tested. In this way it is ensured that only the wheelset to be tested is located on the test track section and that there are no undesirable current flows induced in the vehicle in the test track section.
  • a particularly advantageous embodiment of the subject matter of the invention provides that all the line connections between the components of the test system located in the track field (in particular test heads and light barriers) and the switchgear units for system control, power supply and signal evaluation that are spatially separated therefrom are decoupled from high-frequency interference currents. The interference can thus be suppressed without the measurement signals being adversely affected.
  • FIG. 1 Evaluation diagram of a diagnostic process on a vehicle wheel (u A -s Can ) which is corrupted in an unusable manner by interference signals; Evaluation diagram of the interference currents measured in the area of the test heads in the track (i G ⁇ e ⁇ s )
  • Figure 2 schematic structure of the test track section
  • Figure 1 summarizes the main result of the fault analysis carried out on the systems of Irish Bahn AG.
  • the currents emitted by electric traction vehicles and / or vehicles with high-performance on-board electronic devices flow in the rail parallel to the test head or directly through the metal housing of the test head. These high-frequency currents are accompanied by a magnetic field which, due to the design of the test head, causes a voltage induction in the receiver coil. This is shown in the evaluation diagram from FIG. 1 in a clear correlation between a strong change in the current flow in the track and a voltage peak registered in the test head.
  • FIG. 2 shows the solution proposed according to the invention with regard to the future
  • test track section equipped with the test heads (1, 2, 3, 4) integrated in the rail head is galvanically separated from the adjacent track sections by means of known insulated joints (5).
  • the length of this insulated track section (6) must not exceed 1800 mm. This dimension corresponds to the minimum center distance in the bogie of the high-speed trains to be tested.
  • the insulated track section must be earthed via track connector cable (7) so that the drive reverse currents that occur can be dissipated.
  • the high-frequency interference current components must not pass through (Hochfreqenz-decoupling).

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Abstract

The invention relates to a device for earthing a diagnostic installation of wheels of electrically driven rail vehicles, using electromagnetic ultrasonic wave transducers. Said device prevents the coupling of interference emanating from the vehicles into the ultrasonic testing heads, whilst maintaining the underlying functional principle of the test method, without the need to interfere with the vehicle devices. The track section in the spatial working area of the ultrasonic test is galvanically isolated from the electric potential of the neighbouring track areas and comprises in addition an earth that is buffered against high-frequency interference currents.

Description

Vorri chtung zur el ektromagneti schen Ul traschal l "di agnose von RädernVorri rect for el ektromagneti rule Ul traschal l "di agnose of wheels
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischerThe invention relates to a device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic
Ultraschallwellen-Wandler.Ultrasonic wave transducer.
Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ist in den vergangenen Jahren zu einem unverzichtbaren Bestandteil in der Sicherheitsphilosophie des spurgebundenden Schienenverkehrs geworden. Nicht zuletzt die Erfahrungen aus Versagensfällen unterschiedlicher Bauteile haben Bahnbetreiber, Industrie und Forschungseinrichtungen zu erheblichen Anstrengungen veranlasst, damit Schadensprozesse schon in einem möglichst frühen Entstehungsstadium erkannt und beseitigt werden können. Insbesondere bei der Qualitätskontrolle neuer Eisenbahnräder sowie für die Inspektionsüberprüfung von in Betrieb befindlichen Eisenbahnrädem sind zahlreiche Untersuchungsverfahren bekannt. So müssen die Eisenbahnräder in bestimmten Zeitabständen bzw. nach vorgegebenen Laufleistungen einer Prüfung auf Fehler, insbesondere Rissen oder Ausbrü- chen, unterzogen werden. Diese Schadensbilder können durch Werkstoffermüdung, thermische Beanspruchung beim Bremsvorgang oder Verformungsvorgänge infolge der statischen und dynamischen Lasten hervorgerufen werden. Da die Fehler nicht nur oberflächennah, sondern auch tief im Innern des Werkstückes ihren Ausgang nehmen können, sind ausgefeilte zerstörungsfreie Prüfmethoden der einzige Weg zur Erzielung aussagefähiger und verlässlicher Prüfergebnisse. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit induzierter Fehler erheblich sein kann, müssen diese Prüfungen unter Berücksichtigung der heute üblichen hohen Laufleistungen der Fahrzeuge in kurzen wiederkehrenden Abständen durchgeführt werden. Ferner gebietet es die Wirtschaftlichkeit, dass diese Prüfvorgänge einen möglichst geringen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordern. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei das Verfahren zur elektromagnetischen Ultraschall-Wandlung herausgestellt, da kein flüssiges Koppelmittel zur Einbringung akustischer Wellen in das zu prüfende Werkstück erforderlich ist. Dadurch wird die Gebrauchstauglichkeit eines automatisierten Verfahrens unter den rauhen Umgebungsbedingungen des Eisenbahnbetriebes deutlich erhöht. Elektromagnetische Ultraschallwandler erzeugen Ultraschallwellen in elektrisch leitendem Material durch die Lorentz-Kraft oder durch Ausnutzung des magnetostriktiven Effektes. Eine Kombination dieser beiden Phänomene ist ebenfalls möglich. Beide Phänomene wirken auf das Atom-Gitter des Werkstückes, so dass die akustische Welle - anders als bei Verfahren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren - im Werk- stück anstatt im Prüfkopf erzeugt wird. Dies erfordert jedoch einen engen Kontakt des Prüfkopfes zur Oberfläche des Werkstückes. Es kommen fast ausschliesslich getrennte Ultraschallwandler für die Erzeugung und den Empfang der Ultraschallwellen zum Einsatz.In the past few years, non-destructive material testing has become an indispensable part of the safety philosophy of track-bound rail transport. Last but not least, the experience from failure of various components has caused rail operators, industry and research institutions to make considerable efforts so that damage processes can be identified and eliminated as early as possible. Numerous inspection methods are known in particular for the quality control of new railway wheels and for the inspection inspection of railway wheels in operation. For example, the railway wheels must be checked for faults, in particular cracks or breakouts, at certain intervals or after specified mileage. These damage patterns can be caused by material fatigue, thermal stress during the braking process or deformation processes due to the static and dynamic loads. Since the defects can not only start near the surface, but also deep inside the workpiece, sophisticated non-destructive test methods are the only way to achieve meaningful and reliable test results. Since the speed of propagation of induced errors can be considerable, these tests must be carried out at short, recurring intervals, taking into account the high mileage of vehicles that is common today. Furthermore, it is economically viable that these test procedures require as little time and effort as possible. The method for electromagnetic ultrasound conversion has proven to be particularly advantageous, since no liquid coupling agent is required to introduce acoustic waves into the workpiece to be tested. This significantly increases the usability of an automated process under the harsh environmental conditions of railway operations. Electromagnetic ultrasonic transducers generate ultrasonic waves in electrically conductive material through the Lorentz force or by using the magnetostrictive effect. A combination of these two phenomena is also possible. Both phenomena affect the atomic lattice of the workpiece, so that the acoustic wave - unlike methods based on the piezoelectric effect - is generated in the workpiece instead of in the test head. However, this requires close contact between the test head and the surface of the workpiece. There are almost exclusively separate ones Ultrasonic transducers for generating and receiving the ultrasonic waves.
Entsprechende Prüfköpfe nach dem elektromagnetischen Prinzip (EMUS-Prüfköpfe) und verschiedene Anwendungsfälle sind seit längerem bekannt. Die Druckschrift „The design and use of electromagnetic acoustic wave transducers (EMATs)" (Maxfield / Fortunko, American Society for Nondestructive Testing, 1983, S. 1399 ff.) beschreibt einen ersten praxistauglichen Prüfkopf. Anwendungsspezifische Weiterentwicklungen für das Prüfen von Rädern an Schienenfahrzeugen erfolgten insbesondere durch Jürgen Salzburger und die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten For- schung e.V.Appropriate test heads based on the electromagnetic principle (EMUS test heads) and various applications have been known for a long time. The publication "The design and use of electromagnetic acoustic wave transducers (EMATs)" (Maxfield / Fortunko, American Society for Nondestructive Testing, 1983, p. 1399 ff.) Describes a first practical test head. Application-specific further developments for the testing of wheels on rail vehicles were carried out in particular by Jürgen Salzburger and the Fraunhofer Society for the Promotion of Applied Research eV
Aus DE 32 18 453 ist ein elektromagnetischer Ultraschallwandler bekannt, der eine zerstörungsfreie Prüfung der Lauffläche von Eisenbahnrädern mittels Ultraschall- Oberflächenwellen während des Überfahrens eines Schienenabschnittes ermöglicht. Der Prüfkopf sitzt hierbei in einer im Schienenkopf einer üblichen Eisenbahnschiene ausgebildeten, zur Schienenkopfoberfläche hin offenen, rechteckigen Ausnehmung. Allerdings können nur Fehlstellen erfasst werden, die vom Aussenrand des Rades ausgehen. Eine Weiterentwicklung ist in DE 42 23 470 beschrieben. DE 38 34 828 beschreibt eine Möglichkeit zur zeitgerechten und störgrössen-unabhängigen Ansteue- rung einer Ultraschall-Prüfanlage für Eisenbahnräder. US 6 347 550 beschreibt schliesslich die notwendige Weiterentwicklung des Verfahrens dahingehend, dass während des Überrollens des zu prüfenden Eisenbahnrades eine zerstörungsfreie Prüfung von Volumen und Oberfläche des Rades gewährleistet werden kann. Da nun auch Fehlstellen, die von innenliegenden Flächen (z. B. Grenzfläche zwischen Radnabe und Radkranz) ausgehen, detektiert werden können, wird eine zuverlässige Prüfung von Rädern möglich, die aus verschiedenen Teilen und / oder verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sind.From DE 32 18 453 an electromagnetic ultrasonic transducer is known, which enables non-destructive testing of the running surface of railroad wheels by means of ultrasonic surface waves while driving over a rail section. The test head is seated in a rectangular recess formed in the rail head of a conventional railroad track and open towards the rail head surface. However, only imperfections that originate from the outer edge of the wheel can be detected. A further development is described in DE 42 23 470. DE 38 34 828 describes a possibility for timely and interference-independent control of an ultrasound test system for railway wheels. US Pat. No. 6,347,550 finally describes the necessary further development of the method in such a way that a non-destructive testing of the volume and surface of the wheel can be ensured while the railway wheel to be tested is rolled over. Since imperfections that originate from internal surfaces (e.g. interface between wheel hub and wheel rim) can now be detected, it is possible to reliably test wheels that are made up of different parts and / or different materials.
Andere bekannte Realsierungsvarianten, wie z. B. die in DE 198 33 027 beschriebene Ankopplung der Prüfköpfe mittels eines auf einem Prüfwagen installierten Manipulators, der sich parallel zum in Bewegung befindlichen Eisenbahnrad bewegt, oder das aus DE 198 34 587 bekannte radiale Bewegen des Prüfkopfes um die Rotationsachse des Schienenfahrzeugrades, wurden aus Praktikabilitätsgründen nicht für den Einsatz im Rahmen der automatisierten Inspektion von im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeugen ausgewählt. Ebenso scheiden für diesen Anwendungsfall alle Realisierungsmöglichkeiten zur Prüfung auf ortsfesten Spezialanlagen aus, die eine Demontage von Rä- dem oder Radsätzen erfordern. Die Deutsche Bahn AG setzt die dem Stand der Technik entsprechenden Systeme zur Prüfung der Radlaufflächen in ihren Instandhaltungsprozessen ein. Die zu prüfenden Fahrzeuge überfahren während des Prüfvorgangs die Prüfeinrichtung kontinuierlich mit eigenem Antrieb, was insbesondere bei den in kurzen Abständen durchzuführenden Fahrwerkskontrollen der Hochgeschwindigkeitszüge eine effiziente und zeitsparende Fahrwerksdiagnose ermöglicht. Die auf dem elektromagnetischen Prinzip beruhenden Prüfköpfe sind in die Schienen des Prüfgleises integriert.Other known implementation variants, such as. B. the coupling of the test heads described in DE 198 33 027 by means of a manipulator installed on a test vehicle, which moves parallel to the railroad wheel in motion, or the radial movement of the test head known from DE 198 34 587 about the axis of rotation of the rail vehicle wheel were eliminated Practicality reasons not selected for use in the context of the automated inspection of rail vehicles in use. Likewise, for this application, all implementation options for testing on fixed special systems, which require disassembly of wheels or wheelsets, are ruled out. Deutsche Bahn AG uses the state-of-the-art systems for testing the wheel tread in their maintenance processes. The vehicles to be tested continuously drive over the test equipment with their own drive during the test process, which enables efficient and time-saving chassis diagnostics, especially when the chassis checks of the high-speed trains are carried out at short intervals. The test heads based on the electromagnetic principle are integrated in the rails of the test track.
Unter Labor- und Testbedingungen arbeitet dieses Prinzip, das bei Erzeugung und Empfang des Ultraschalls auf der Wechselwirkung von magnetischen Feldern und elektrischem Strom beruht, problemlos. Im täglichen Betriebsalltag treten jedoch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erhebliche Probleme auf, die zu unbrauchbaren Messergebnissen führen. Elektrische Triebfahrzeuge und Fahrzeuge mit leistungsstarken leistungselektronischen Bordnetzeinrichtungen bringen in die Schienen Ströme ein, die auch Spektralanteile in dem für die Ultraschallprüfung relevanten Frequenzbereich aufweisen. Insbesondere der Verzicht konzentrierter Antriebseinrichtungen in Triebköpfen und die gleichmässige Verteilung der Antriebe auf viele Antriebsachsen im gesamten Fahrzeugverband führt unter diesen Randbedingungen zu einer völligen Un- brauchbarkeit der Prüfanlagen in ihrer bisherigen Gesamtausführung.This principle, which relies on the interaction of magnetic fields and electric current when generating and receiving ultrasound, works without problems under laboratory and test conditions. In everyday operation, however, there are considerable problems with electrically powered vehicles, which lead to unusable measurement results. Electric traction vehicles and vehicles with high-performance power electronic on-board devices introduce currents into the rails that also have spectral components in the frequency range relevant for the ultrasound test. In particular, the omission of concentrated drive devices in drive heads and the even distribution of the drives over many drive axles throughout the entire vehicle group leads to the complete uselessness of the test systems in their previous version under these boundary conditions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen-Wandler zu entwickeln, die die Einkopplung der von den Fahrzeugen ausgehenden Störungen in die Ultraschall-Prüfköpfe verhindert. Gleichzeitig dürfen weder das grundlegende Funktionsprinzip der Prüfanlage noch Fahrzeugeinrichtungen verändert werden.The invention has for its object to develop a device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic ultrasonic wave transducers, which prevents the coupling of the interference emanating from the vehicles into the ultrasonic test heads. At the same time, neither the basic functional principle of the test system nor vehicle equipment may be changed.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfin- dungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gleisabschnitt im räumlichen Arbeitsbereich der Ultraschallprüfung galvanisch vom elektrischen Potential der angrenzenden Gleisbereiche abgetrennt ist und zugleich eine gegen hochfrequente Störströme entkoppelte Erdung aufweist. Unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen wurde in Versuchsreihen herausgefunden, dass die Ausbreitung hochfrequenter Ströme nur durch ein Anheben der Impedanz des Stromkreises unterdrückt werden kann. Die erfindungs- gemässe Lösung ermöglicht aber weiterhin die Ableitung der niederfrequenten Triebfahrzeug-Rückströme. Aus Sicherheitsgründen ist es erfindungsgemäss ferner vorge- sehen, dass bei einer unzulässigen Potenzialanhebung im isolierten Prüfgleisabschnitt (z. B. Erdkontakt der Oberleitung) eine Hauptschalterauslösung im speisenden Bahnstrom-Unterwerk ausgelöst wird. Weitere umfangreiche Versuchsreihen haben darü- berhinaus überraschenderweise ergeben, dass hierfür eine kurzschlussfeste Leistungs- drossel besonders geeignet ist.This object is achieved in connection with the preamble of claim 1 in accordance with the invention in that the track section in the spatial working area of the ultrasound test is galvanically separated from the electrical potential of the adjacent track areas and at the same time has an earthing decoupled from high-frequency interference currents. Taking into account the given boundary conditions, it was found in test series that the propagation of high-frequency currents can only be suppressed by increasing the impedance of the circuit. However, the solution according to the invention also enables the low-frequency motor vehicle return currents to be derived. For security reasons, it is also proposed according to the invention see that if the potential in the insulated test track section is inadmissible (e.g. earth contact of the overhead line), a main switch is triggered in the feeding traction current substation. In addition, other extensive series of tests have surprisingly shown that a short-circuit-proof power choke is particularly suitable for this.
Für ein ordnungsgemässes Funktionieren der Vorrichtung ist es notwendig, dass die Länge des galvanisch isolierten Prüfgleisabschnittes auf eine konstruktive Länge begrenzt wird, die kleiner als der minimale Achsabstand zweier benachbarter Radsätze der zu prüfenden Schienenfahrzeuge ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich ausschliesslich der zu prüfende Radsatz auf dem Prüfgleisabschnitt befindet und es zu keinen unerwünschten fahrzeugseitig induzierten Stromflüssen im Prüfgleisabschnitt kommt.For proper functioning of the device, it is necessary that the length of the galvanically insulated test track section is limited to a constructive length that is smaller than the minimum center distance of two adjacent wheel sets of the rail vehicles to be tested. In this way it is ensured that only the wheelset to be tested is located on the test track section and that there are no undesirable current flows induced in the vehicle in the test track section.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass sämtliche Leitungsverbindungen zwischen den im Gleisfeld befindlichen Komponenten der Prüfanlage (also insbesondere Prüfköpfe und Lichtschranken) und den hiervon räumlich getrennten Schaltanlagen für Anlagensteuerung, Stromversorgung und Signalauswertung gegen hochfrequente Störströme zu entkoppeln. Dadurch können die Störungen unterdrückt werden, ohne dass es zu einer negativen Beeinflussung der Messsignale kommt.A particularly advantageous embodiment of the subject matter of the invention provides that all the line connections between the components of the test system located in the track field (in particular test heads and light barriers) and the switchgear units for system control, power supply and signal evaluation that are spatially separated therefrom are decoupled from high-frequency interference currents. The interference can thus be suppressed without the measurement signals being adversely affected.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen: Figur 1 : Auswertungsdiagramm eines durch Störsignale in unbrauchbarer Weise verfälschten Diagnosevorganges an einem Fahrzeugrad (uA-sCan); Auswertediagramm der im Bereich der Prüfköpfe gemessenen Störströme im Gleis (iGιeιs) Figur 2: schematischer Aufbau des PrüfgleisabschnittesFurther details of the invention are explained below with reference to drawings. FIG. 1: Evaluation diagram of a diagnostic process on a vehicle wheel (u A -s Can ) which is corrupted in an unusable manner by interference signals; Evaluation diagram of the interference currents measured in the area of the test heads in the track (i G ι e ι s ) Figure 2: schematic structure of the test track section
Die Deutsche Bahn AG verfügt derzeit in ihren Unterhaltungswerkstätten für die Züge des Hochgeschwindigkeitsverkehrs über Ultraschall-Diagnoseanlagen, die auf dem im Stand der Technik erläuterten elektromagnetischen Prinzip beruhen. Auf dem zu befahrenden Prüfgleis sind jeweils zwei elektromagnetische Ultraschall-Prüfköpfe in die linke und rechte Schiene integriert. Die Prüfköpfe koppeln an die Lauffläche des zu prüfenden Rades bzw. Radsatzes an und erzeugen ein magnetisches Gleichfeld. Die Feldli- nien schliessen sich zwischen Prüfling und Prüfkopf. Gleichzeitig induziert eine Sendespule Wirbelströme in das Rad. Durch das Kraftwirkprinzip werden alle im magnetischen Gleichfeld befindlichen Ladungsträger des Wirbelstromes senkrecht zur Hauptstromrichtung ausgelenkt und schwingen in der Taktfrequenz des Wirbelstromes. Die- se geordnete Schwingung überträgt sich auf die benachbarten Volumenelemente des Radmaterials. Somit führt dies zur Erzeugung von Ultraschall in der Frequenzlage des eingebrachten Wirbelstromes. Die den Radumfang umkreisende Ultraschallwelle passiert nach jedem vollständigen Umlauf wieder den Prüfkopf. Dabei führt die Bewegung der Metallgitter in dem vom Prüfkopf ebenfalls emittierten magnetischen Gleichfeld zu einer Spannungsinduktion zwischen Teilen des Metallgitters, wodurch sich wiederum Wirbelströme im Metallgitter ausbreiten. Das begleitende magnetische Wechselfeld dieser Wirbelströme induziert schlussendlich in einer Empfangsspule eine Spannung, die als Empfangssignal ausgewertet wird. Der zeitliche Verlauf des gleichgerichteten Empfangssignales liefert die Information über den Schädigungszustand des Rades.Deutsche Bahn AG currently has ultrasound diagnostic systems in its maintenance workshops for high-speed trains, which are based on the electromagnetic principle explained in the prior art. Two electromagnetic ultrasonic probes are integrated in the left and right rails on the test track to be driven. The test heads couple to the tread of the wheel or wheel set to be tested and generate a constant magnetic field. The Feldli nien close between the device under test and the test head. At the same time, a transmitter coil induces eddy currents in the wheel. Due to the force-acting principle, all charge carriers of the eddy current located in the magnetic direct field are deflected perpendicular to the main current direction and oscillate in the cycle frequency of the eddy current. This ordered vibration is transferred to the adjacent volume elements of the wheel material. This leads to the generation of ultrasound in the frequency position of the eddy current introduced. The ultrasonic wave orbiting the wheel circumference passes the test head again after each complete revolution. The movement of the metal grids in the direct magnetic field also emitted by the test head leads to a voltage induction between parts of the metal grille, which in turn causes eddy currents to spread in the metal grille. The accompanying alternating magnetic field of these eddy currents finally induces a voltage in a receiving coil, which is evaluated as a received signal. The time course of the rectified reception signal provides information about the damaged condition of the wheel.
In Figur 1 ist das wesentliche Ergebnis der an den Anlagen der Deutschen Bahn AG vorgenommenen Störungsanalyse zusammengefasst.Figure 1 summarizes the main result of the fault analysis carried out on the systems of Deutsche Bahn AG.
Die von elektrischen Triebfahrzeugen und / oder Fahrzeugen mit leistungsstarkert eis- tungselektronischen Bordnetzeinrichtungen emittierten Ströme fliessen in der Schiene parallel zum Prüfkopf bzw. direkt durch das Metallgehäuse des Prüfkopfes. Diese hochfrequenten Ströme begleitet ein Magnetfeld, das durch den konstruktiven Aufbau des Prüfkopfes bedingt eine Spannungsinduktion in der Empfängerspule verursacht.! Im Auswertediagramm aus Figur 1 zeigt sich dies in einer deutlichen Korrelation zwischen einer starken Änderung des Stromflusses im Gleis und einer im Prüfkopf registrierten Spannungsspitze.The currents emitted by electric traction vehicles and / or vehicles with high-performance on-board electronic devices flow in the rail parallel to the test head or directly through the metal housing of the test head. These high-frequency currents are accompanied by a magnetic field which, due to the design of the test head, causes a voltage induction in the receiver coil. This is shown in the evaluation diagram from FIG. 1 in a clear correlation between a strong change in the current flow in the track and a voltage peak registered in the test head.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäss vorgeschlagene Lösung hinsichtlich der künftigenFIG. 2 shows the solution proposed according to the invention with regard to the future
Konfiguration der Prüfanlage.Configuration of the test system.
Der mit den jeweils im Schienenkopf integrierten Prüfköpfen (1, 2, 3, 4) ausgestattete Prüfgleisabschnitt wird mittels an sich bekannter verlaschter Isolierstösse (5) gegen die angrenzenden Gleisabschnitte galvanisch abgetrennt. Die Länge dieses isolierten Gleisabschnittes (6) darf dabei 1800 mm nicht überschreiten. Dieses Mass entspricht dem minimalen Achsabstand im Drehgestell der zu prüfenden Hochgeschwindigkeitszüge. Gleichzeitig muss der isolierte Gleisabschnitt über Gleisverbinder-Kabel (7) so geerdet werden, dass die auftretenden Triebrückströme abgeführt werden können. Gleichzeitig dürfen aber die hochfrequenten Störstrom-Anteile nicht passieren (Hochfreqenz-Entkopplung). Desweiteren muss sichergestellt sein, dass es bei einer unzulässigen Potenzialerhöhung im isolierten Prüfgleisabschnitt - wie es beispielsweise bei einem Herabfallen der Oberleitung auftreten könnte - zu einer Hauptschalterauslösung im speisenden Bahnstrom-Unterwerk kommt und damit die Spannungszufuhr ab- geschalten wird. Umfangreiche Versuchsreihen haben ergeben, dass hierfür eine kurzschlussfeste Leistungsdrossel (8) besonders geeignet ist. Diese muss den im Fehlerfall möglichen Kurzschlusstrom für die Dauer bis zur Hauptschalterauslösung im Unterwerk tragen können. Wenn diese Randbedingungen nicht eingehalten werden können, ist der Einbau eines zusätzlichen, parallel geschaltenen Überspannungsabieiters möglich. Die Gleichstromdrossel zur Hochfrequenz-Entkopplung der Abschirmungen der Signalleitungen wird realisiert, indem über sämtliche Signal- und Potenzialausgleichsleitungen, welche vom isolierten Prüfgleisabschnitt zur Steuerungs- und Auswerteelektronik führen, (10, 11 ) gemeinsam Ferrit-Ringkerne (9) geführt werden.The test track section equipped with the test heads (1, 2, 3, 4) integrated in the rail head is galvanically separated from the adjacent track sections by means of known insulated joints (5). The length of this insulated track section (6) must not exceed 1800 mm. This dimension corresponds to the minimum center distance in the bogie of the high-speed trains to be tested. At the same time, the insulated track section must be earthed via track connector cable (7) so that the drive reverse currents that occur can be dissipated. At the same time, however, the high-frequency interference current components must not pass through (Hochfreqenz-decoupling). Furthermore, it must be ensured that in the event of an impermissible increase in potential in the insulated test track section - as could occur, for example, if the overhead line falls - a main switch is triggered in the feeding traction current substation and the voltage supply is therefore switched off. Extensive series of tests have shown that a short-circuit-proof power choke (8) is particularly suitable for this. This must be able to carry the short-circuit current possible in the event of a fault for the duration until the main switch is triggered in the substation. If these boundary conditions cannot be met, the installation of an additional surge arrester connected in parallel is possible. The DC choke for high-frequency decoupling of the shields of the signal lines is realized by jointly guiding ferrite ring cores (9) over all signal and potential equalization lines that lead from the isolated test track section to the control and evaluation electronics.
Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Prüfkopf 11 test head 1
2 Prüfkopf 22 test head 2
3 Prüfkopf 33 test head 3
4 Prüfkopf 4 5 Isolierstoss4 test head 4 5 insulation joint
6 Länge des Prüfgleisabschnittes6 Length of the test track section
7 Gleisverbinder-Kabel zur Führung von Triebrückströmen7 track connector cables for guiding drive back currents
8 Erdungsdrossel8 earthing choke
9 Ferrit-Ringkern 10 Potenzialausgleichsleiter9 Ferrite toroid 10 Equipotential bonding conductors
11 Kabelschirm (Panzerrohr) 11 cable shield (armored tube)

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge unter Verwendung elektromagnetischer Ultraschallwellen- Wandler,1. Device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles using electromagnetic ultrasonic wave transducers,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass der Gleisabschnitt im räumlichen Arbeitsbereich der Ultraschallprüfung galvanisch vom elektrischen Potential der angrenzenden Gleisbereiche abgetrennt ist und zugleich eine gegen hochfrequente Störströme entkoppelte Erdung aufweist.that the track section in the spatial working area of the ultrasound test is galvanically isolated from the electrical potential of the adjacent track areas and at the same time has a grounding that is decoupled from high-frequency interference currents.
2. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erdung des galvanisch abgetrennten Prüfgleisabschnittes über eine kurzschlussfeste Leistungsdrossel (8) erfolgt.2. Device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles according to claim 1, characterized in that the grounding of the galvanically isolated test track section is carried out via a short-circuit proof power choke (8).
3. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die3. Device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles according to claim 1 or 2, characterized in that the
Länge des galvanisch abgetrennten Prüfgleisabschnittes kleiner als der minimale Achsabstand (6) zweier benachbarter Radsätze der zu prüfenden Schienenfahrzeuge ist.The length of the galvanically separated test track section is smaller than the minimum center distance (6) of two adjacent wheel sets of the rail vehicles to be tested.
4. Vorrichtung zur Erdung einer Diagnoseanlage von Rädern elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungen der Signalleitungen (10, 11 ) zu den Prüfköpfen und Lichtschranken der Diagnoseanlage durch Ferrit-Ringkerne (9) gegen hochfrequente Störströme entkoppelt sind. 4. Device for grounding a diagnostic system of wheels of electrically powered rail vehicles according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the shields of the signal lines (10, 11) to the test heads and light barriers of the diagnostic system by ferrite ring cores (9) against high-frequency Interference currents are decoupled.
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