EP1523436B1 - Verfahren und vorrichtung zur onboard diagnose von radsatzführungselementen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur onboard diagnose von radsatzführungselementen Download PDF

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EP1523436B1
EP1523436B1 EP03712065A EP03712065A EP1523436B1 EP 1523436 B1 EP1523436 B1 EP 1523436B1 EP 03712065 A EP03712065 A EP 03712065A EP 03712065 A EP03712065 A EP 03712065A EP 1523436 B1 EP1523436 B1 EP 1523436B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wheelset
monitoring
diagnosis
guiding elements
rail vehicle
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03712065A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1523436A1 (de
Inventor
Mario SÄGLITZ
Yong Guo
Rudibert King
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DB Fernverkehr AG
Original Assignee
DB Fernverkehr AG
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1523436B1 publication Critical patent/EP1523436B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/26—Mounting or securing axle-boxes in vehicle or bogie underframes
    • B61F5/30—Axle-boxes mounted for movement under spring control in vehicle or bogie underframes
    • B61F5/305—Axle-boxes mounted for movement under spring control in vehicle or bogie underframes incorporating rubber springs

Definitions

  • the invention relates to a method for condition diagnosis and monitoring of Radsatz entrysvorraumen on rail vehicles and a device for Implementation of the procedure.
  • DE 196 11 775 proposes the comparison of location-dependent determined acceleration spectra with a defined as normal "Rüttelprofil" of a rail vehicle to be traveled route. In this case, however, not individual components of the vehicle are monitored, but only the summary spectrum of all components is examined together. Also DE 195 02 670 is limited to the evaluation of a related to the entire chassis acceleration signal with the aim to detect a possible derailment of the chassis.
  • DE 101 45 433 discloses a method in which the acceleration behavior of at least two rolling damper consoles assigned to a car body of a rail vehicle is monitored by forming a correlation coefficient from both acceleration values, comparing it with a desired value and, if this is exceeded, outputting an alarm message.
  • the method utilizes the dynamics of the landing gear with respect to the body and appropriately correlates the resulting accelerations on the right and left dolly side rollator brackets. Due to the different dynamics of the chassis and Radsatz Entrysbuchse this method (including the mounting location of the sensors) for monitoring the Radsatz exitsbuchsen is not suitable.
  • DE 199 53 677 teaches the use of a method for detecting a derailment of a rail vehicle, wherein an acceleration of a directly or indirectly in contact with the lane component of the rail vehicle is determined vertically to a direction of travel, the acceleration measured by means of acceleration sensor, integrated twice over time and finally compared to an upper and / or lower limit.
  • This is a method in which a path difference is estimated from a measured acceleration signal and an elimination of a linear tendency to be carried out during the calculation.
  • the estimation accuracy of the path signal achievable in this way is insufficient in its diagnostic quality for coupling to a vehicle controller.
  • the leadership of the wheelsets against the bogie frame of the rail vehicle is a highly stressed system component that could not be detected with these previously known diagnostic systems in the required quality.
  • the invention is therefore based on the object, a method for condition diagnosis and monitoring of wheelset guiding devices on rail vehicles, as well as to develop a device for carrying out the method.
  • a robust and railway concept suitable conception a high diagnostic quality and reliable Ensure alarm rates.
  • This object is in accordance with the preamble of claim 1 according to the invention solved in that the condition of the Radsatz Equipmentsbuchse the Rail vehicle - especially the game - by evaluating one in the area monitored at least one axlebox currently measured acceleration signal is by taking this acceleration signal by integrating twice after each median exemption made an estimate of a path signal becomes.
  • This estimated path signal w (t) represents a state variable, the at least one coordinate of the current spatial position of the wheelset in relation clearly describes the surrounding surrounding components of the bogie. at an enlarged game of Radsatz Equipmentsbuchse or even inadmissible Stiffness changes in the operating state compared to the good state significant change in position with respect to this spatial coordinate can be expected.
  • the subject invention is from the Wegsignalab pressen w (t) at least two, a bogie rail vehicle associated wheelsets the span of the distance of these wheelsets w S, A determined each other (variant A).
  • This method is particularly advantageous due to the high significance of the detected signal and the associated high degree of error detection.
  • w S, A the result is statically adjusted between the two wheelset bearings by the constructively predetermined distance w A.
  • the object is further solved by a device having the features mentioned in claim 11.
  • Characterized in that means for detecting the acceleration behavior of at least one Radsatz enclosuresbuchse on at least one Radsatzlagergephaseuse the rail vehicle are present, by means of which a currently measured acceleration signal can be detected and the span w S one of this acceleration signal by twice integration after each median exemption estimated path signal w (t) can be subjected to a monitoring, can advantageously provide a device for condition diagnosis and monitoring of Radsatz entrysvorraumen on rail vehicles.
  • an evaluation device for monitoring the estimated displacement signal is an integral part of a vehicle-implemented on the rail vehicle superordinate device for monitoring the driving characteristics of the rail vehicle. As a result, a further step is taken towards a powerful in-vehicle on-board diagnostic system.
  • Figure 1 shows schematically (top view) a bogie frame (1) and two wheelsets (2, 3), wherein the bogie frame via a primary suspension system (not shown here for clarity) and two wheelset bearings (4, 5, 6, 7 ) is supported on the two wheelsets.
  • a primary suspension system not shown here for clarity
  • two wheelset bearings 4, 5, 6, 7
  • the span w S, A of the distance w A between the two wheelsets is monitored.
  • w A w 4 ( t ) - w 6 ( t ) respectively.
  • w A ( t ) w 5 ( t ) -w 7 ( t )
  • the space coordinate to be examined coincides with the direction of travel of the rail vehicle.
  • the rail vehicle (not shown) comprises a data acquisition and evaluation device connected to the acceleration sensors.
  • the evaluation unit of the rail vehicle controls warning displays for the driver and / or error messages to the operating plants and / or actuators for acting on the vehicle control.
  • the construction and mode of operation of such data acquisition and evaluation devices are well known as those of acceleration sensors and are not further explained in this context.
  • the path signal is determined from the speed signal.
  • the accelerations on the bogie frame are much lower and are additionally dominated by low-frequency components.
  • This specific oscillation phenomenon can be utilized to the effect now that the signal A r is freed to the linear trend, and the offset and the resulting signal - a sufficiently short period of time required - as a good approximation for the difference size of a r - may be a d used.
  • the sequence of signal processing is as follows: the sensors in the area of the wheelset bearing housings ([4 and 5] or [6 and 7]) supply the required acceleration signals as an input variable. Preferably, all data processing steps are applied to a data window length of 2 seconds.
  • the two acceleration signals of a bogie side are each time-subtracted from each individual signal and the differential value is then subjected to further data processing steps.
  • the desired span w S A of the estimated one is subsequently evaluated Path signal w A determined and cached. After calculation and intermediate storage of a sufficient number of span values, the mean value is formed from this.
  • the depth of diagnosis extends to the detection of defective guide bushes in the region of a wheel.
  • the monitored variable also exhibits fluctuations in the faultless GOOD state, which can be attributed to the travel of the wheelset guide bushing.
  • the DEFECT state the error-related increased wheelset guidance game is superimposed on this system-related basic game. It has been proven experimentally that only above a minimum speed of the rail vehicle, this discrepancy or superposition can be detected in a sufficiently significant manner. For example, with a travel of 0.3 to 0.5 mm, a minimum speed of 120 km / h was required.
  • An expedient development of the inventive variant B according to claim 5 provides that by means of an automatic feature selection, for example by means of SVM (Support Vector Machine) a driving speed-dependent selection of additional features is made.
  • SVM Serial Vector Machine
  • the lower significance of the monitored feature w B - caused by the use of approximate solutions in subtraction and double integration - can be compensated.
  • Numerous test series have shown, however, that the result of the automated feature selection depends largely on the considered driving speed range as well as on the averaging time. Thus, it has been found to be advisable to work in graduated speed ranges, each with specific additional features. The error detectability rate is thereby increased with a tendency to longer averaging times and narrower speed ranges.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist allgemein bekannt, das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen während ihres bestimmungsgemässen Einsatzes zu überwachen, indem das Fahrverhalten repräsentierende Betriebsparameter erfasst und ausgewertet werden. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels Beschleunigungsaufnehmern einwirkende Schwingungen zu erfassen und die von den Beschleunigungsaufnehmern daraus generierten Signale einer auf dem Schienenfahrzeug integrierten Diagnose-Einrichtung zuzuführen.
DE 196 11 775 schlägt den Vergleich ortsabhängig ermittelter Beschleunigungsspektren mit einem als Normal definierten "Rüttelprofil" einer vom Schienenfahrzeug zu befahrenden Strecke vor. Hierbei werden jedoch nicht einzelne Komponenten des Fahrzeuges überwacht, sondern es wird lediglich das summarische Spektrum aller Komponenten zusammen untersucht. Auch DE 195 02 670 beschränkt sich auf die Auswertung eines auf das gesamte Fahrwerk bezogenen Beschleunigungssignales mit dem Ziel, eine eventuelle Entgleisung des Fahrwerkes zu erkennen.
Aus DE 101 45 433 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Beschleunigungsverhalten wenigstens zweier, einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges zugeordneter Schlingerdämpferkonsolen überwacht wird, indem aus beiden Beschleunigungswerten ein Korrelationskoeffizient gebildet, mit einem Sollwert verglichen und bei dessen Überschreiten eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Das Verfahren nutzt die Dynamik des Fahrwerkes in Bezug auf den Wagenkasten und setzt die hieraus resultierenden Beschleunigungen an der rechten und linken wagenkastenseitigen Schlingerdämpferkonsole in geeigneter Weise in Beziehung zueinander. Aufgrund der unterschiedlichen Dynamik von Fahrwerk und Radsatzführungsbuchse ist dieses Verfahren (inklusive der Anbringungsorte der Sensoren) für eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen jedoch nicht geeignet.
DE 199 53 677 lehrt die Verwendung eines Verfahrens zur Erkennung einer Entgleisung eines Schienenfahrzeuges, wobei eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Bauelementes des Schienenfahrzeuges vertikal zu einer Fahrtrichtung ermittelt wird, die Beschleunigung mittels Beschleunigungssensor gemessen, zweifach über die Zeit integriert und schliesslich mit einem oberen und / oder unteren Grenzwert verglichen wird. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren, bei dem aus einem gemessenem Beschleunigungssignal und einer im Rahmen der Berechnung durchzuführenden Elimierung einer linearen Tendenz eine Wegdifferenz abgeschätzt wird. Die auf diese Weise erzielbare Abschätzungsgenauigkeit des Wegsignales ist jedoch in ihrer Diagnosequalität für eine Ankopplung an eine Fahrzeugsteuerung unzureichend.
Die Führung der Radsätze gegenüber dem Drehgestellrahmen des Schienenfahrzeuges stellt eine hochbeanspruchte Systemkomponente dar, die mit diesen bisher bekannten Diagnosesystemen noch nicht in der erforderlichen Qualität erfasst werden konnte. Bei den aktuellen Baureihen für Hochgeschwindigkeitszüge der ICE-Familie erfolgt die präzise Radsatzführung entweder über zwei am Drehgestellrahmen eingepresste Führungszapfen und hierauf montierte Radsatzführungsbuchsen oder über Radsatzführungbuchsen im Lager der Anlenkung des Schwingenarmes an den Drehgestellrahmen. Unabhängig von der jeweiligen konstruktiven Lösung werden für die Radsatzführungsbuchsen Elastomerwerkstoffe eingesetzt, deren werkstoffliche Zusammensetzung und Eigenschaften an den Einsatzzweck angepasst sind. Neben der Erzielung eines ruhigen Fahrzeuglaufes steht auch das Ermöglichen einer begrenzten radialen Einstellmöglichkeit der Radsätze während Bogenfahrten im Vordergrund. Somit unterliegen die Radsatzführungsbuchsen im täglichen Betriebseinsatz vielfältigen verschleissausübenden Einflüssen. In vertikaler Richtung sind sie den Gewichtskräften des Fahrzeuges und dynamischen Kräften aus Fahrbahnunregelmässigkeiten (z.B. Riffel auf der Schienenoberfläche) ausgesetzt, in horizontaler Längsrichtung wirken Brems- und Beschleunigungskräfte, in transversaler Richtung greifen bei Kurvenfahrten Fliehkräfte an. Diesen Belastungen kann zusätzlich noch eine geringfügige Verdrehung innerhalb der Buchse überlagert sein.
Im Allgemeinen gestaltet sich bei Elastomerteilen der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit bzw. die Angabe einer (Rest-)Lebensdauer sehr schwierig, da hierfür kaum abgesicherte Rechenverfahren existieren. Ebenso ist eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen im eingebauten Zustand durch Kontrolle ihrer Abmessungen nahezu unmöglich, da sie aufgrund der Einbausituation im Drehgestell kaum zugänglich sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln. Eine robuste und eisenbahnbetriebstaugliche Konzeption sollen eine hohe Diagnosequalität und verlässliche Alarmraten sicherstellen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zustand der Radsatzführungsbuchse des Schienenfahrzeuges - insbesondere das Spiel - durch Auswertung eines im Bereich mindestens eines Radsatzlagers aktuell gemessenen Beschleunigungssignals überwacht wird, indem aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignals vorgenommen wird. Dieses abgeschätzte Wegsignal w(t) repräsentiert eine Zustandsgrösse, die mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen Bauteile des Drehgestells eindeutig beschreibt. Bei einem vergrössertem Spiel der Radsatzführungsbuchse oder aber auch bei unzulässigen Steifigkeitsänderungen ist im Betriebszustand eine gegenüber dem Gut-Zustand signifikante Lageveränderung bezüglich dieser Raumkoordinate zu erwarten. Eine Herleitung einer solchen Wegsignalabschätzung aus den Ausgangssignalen von Beschleunigungssensoren mittels einer Doppelintegration erscheint zunächst jedoch unmöglich, da weder die Anfangsposition noch die Anfangsgeschwindigkeit des Messpunktes bekannt sind. Die erfindungsgemässe Leistung besteht darin, ein Verfahren aufzuzeigen, das dennoch eine geeignete Abschätzung und Überwachung der räumlichen Lage der Radsatzführungsbuchsen ermöglicht.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird aus den Wegsignalabschätzungen w(t) mindestens zweier, einem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges zugehörigen Radsätzen die Spannweite des Abstandes dieser Radsätze wS,A zueinander bestimmt (Variante A). Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Signifikanz des ermittelten Signales und des damit verbundenen hohen Fehlererkennungsgrades besonders vorteilhaft. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei der Ermittlung von wS,A das Ergebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand wA statisch zwischen den beiden Radsatzlagern bereinigt wird.
Eine vorteilhafte Modifikation des Erfindungsgedankens sieht vor, dass aus der Wegsignalabschätzung w(t) eines Radsatzes die Spannweite des Abstandes zwischen diesem Radsatz und einem Fixpunkt auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen wS,B des Schienenfahrzeuges analysiert wird (Variante B). Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform kann nicht nur auf die von einer Unregelmässigkeit in der Radsatzführung betroffene Seite eines Drehgestells geschlossen werden, sondern es wird eine eindeutige Identifizierung des konkret geschädigten Radsatzführungsbuchsen-Paares eines Radsatzes ermöglicht. Auch in diesem Fall ist bei der Ermittlung von wB das Ergebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand Wstatisch zwischen dem Radsatzlager und dem Fixpunkt am Drehgestellrahmen zu bereinigen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen 4 bis 10 genannten Merkmalen.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe femer durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass Mittel zur Erfassung des Beschleunigungsverhaltens wenigstens einer Radsatzführungsbuchse an mindestens einem Radsatzlagergehäuse des Schienenfahrzeuges vorhanden sind, mittels denen ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal erfassbar ist und die Spannweite wS eines aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung abgeschätzten Wegsignals w(t) einer Überwachung unterzogen werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen bereitstellen.
Insbesondere kann in bevorzugter Ausgestaltungsweise vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinrichtung zur Überwachung des abgeschätzten Wegsignales integraler Bestandteil einer auf dem Schienenfahrzeug implementierten übergeordneten Vorrichtung zur Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist. Dadurch wird ein weiterer Schritt in Richtung eines leistungsfähigen, fahrzeugintegrierten On-board-Diagnosesystems unternommen.
Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Figur 1 näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch (Draufsicht) einen Drehgestellrahmen (1) sowie zwei Radsätze (2, 3), wobei sich der Drehgestellrahmen über ein primäres Federungssystem (hier zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) und jeweils zwei Radsatzlagern (4, 5; 6, 7) auf den beiden Radsätzen abstützt. In unmittelbarer Umgebung eines Radsatzlagers befinden sich jeweils zwei Radsatzführungsbuchsen.
Bei der ersten Lösungsvariante des erfinderischen Gedankens wird die Spannweite wS,A des Abstandes wA zwischen den beiden Radsätzen überwacht. Für die Abschätzung von wA werden pro Drehgestellseite zwei Beschleunigungssignale benötigt, die von Sensoren stammen, die im Bereich der Radsatzführungsbuchsen (4, 5; 6, 7) an mindestens zwei Radsatzlagergehäusen montiert sind und wenigstens eine parallel zur zu untersuchenden Raumkoordinate verlaufende Detektionsrichtung aufweisen. Es gilt also: w A (t) = w 4(t)-w 6(t)   bzw.   w A (t) = w 5(t)-w 7(t)
Der Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die zu untersuchende Raumkoordinate mit der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges übereinstimmt.
Da also eine feste Zuordnung zwischen Radsatzführungsbuchsen und Beschleunigungssensor besteht, werden in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit für beide dieselben Bezugszeichen verwendet.
Bei der modifizierten Lösungsvariante gemäss Anspruch 3 wird die Spannweite des Abstandes wB zwischen einem Radsatz (2) und einem Fixpunkt (8) auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen (1) überwacht.
Das (nicht dargestellte) Schienenfahrzeug umfasst eine Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung, die mit den Beschleunigungssensoren verbunden ist. Die Auswerteinheit des Schienenfahrzeuges steuert Warnanzeigen für den Triebfahrzeugführer und / oder Fehlermeldungen an die Betriebswerke und / oder Aktoren zum Einwirken auf die Fahrzeugsteuerung an. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtungen sind ebenso wie diejenigen von Beschleunigungssensoren allgemein bekannt und in diesem Zusammenhang nicht weiter erläutert.
Mittels der Beschleunigungssensoren werden die Beschleunigung der Radsätze (2; 3) in Fahrtrichtung erfasst. Aus den hierbei ermittelten Signalen soll nun auf die räumliche Lage der Radsätze in den Radsatzführungsbuchsen (4, 5; 6, 7) geschlossen werden. Während der Fahrt des Schienenfahrzeuges in Fahrtrichtung weisen die Radsätze zu beliebigen Zeitpunkten jeweils unterschiedliche Abstände wA zueinander auf.
Da die zu untersuchende Raumkoordinate eines Radsatzes in der Regel obere und untere Grenzwerte aufweist, ist davon auszugehen, dass die zugehörigen Weg-Messgrössen innerhalb eines Intervalles um eine Ruhelage schwingen. Unter zusätzlicher Berücksichtigung des linearen Charakters einer integrierten Konstante und der quadratischen Kurvenform einer integrierten Gerade folgt, dass bei Vorliegen einer Reihe von Messdaten mit einem von Null abweichenden Mittelwert sowohl die erste als auch die zweite Integrationskurve gegen unendlich streben. Dies lässt sich vermeiden, indem die Signale vor einer Integration vom Mittelwert befreit werden.
Für die Abschätzung der Geschwindigkeits- und Wegsignale aus dem gemessenen Beschleunigungssignal a gelten im Folgenden:
  • (1) das dynamische Wegsignal weist über einen hinreichend langen Zeitraum einen Mittelwert nahe Null auf
  • (2) der jeweils betrachtete Datenausschnitt enthält eine hinreichende Anzahl von Perioden der nach der Fourierreihe zerlegten Wegsignal-Komponenten mit der kleinsten nicht zu vernachlässigenden Frequenz
    • Annahme (1) ist in der Regel zum einen durch die Konstruktion zwingend erfüllt und trifft häufig bei Maschinenschwingungen zu, insbesondere wenn sich die Maschinen im stabilen Betriebszustand befinden. Annahme (2) gilt, wenn das interessierende Wegsignal mit hoher Frequenz schwingt bzw. Anteile höherer Frequenz aufweist. Jedes Wegsignal einer typischen Maschinenschwingung kann praktisch als Summe von theoretisch unendlich vielen Sinus- und Kosinusfunktionen dargestellt werden (Fourierreihe):
    Figure 00060001
       wobei:
    f =
    Grundfrequenz
    α, β =
    Fourierkoeffizienten
    Da das abzuschätzende Wegsignal w(t) um eine Ruhelage schwingt und einen Mittelwert von Null aufweist, ist der Term α0 / 2 vemachlässigbar.
    Ferner entstehen durch die Datenfensterung noch Restfehler, die sich jedoch in der Gesamtbetrachtung über alle Frequenzen kompensieren und statistisch betrachtet einen Mittelwert von Null anstreben.
    Mit δ / δtsin(t) = cos(t) und δ / δtcos(t) = -sin(t) gilt folglich auch, dass die durch (Doppel-) Differentiation des als Fourierreihe dargestellten Wegsignales w(t) ermittelten Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungssignale jeweils einen Mittelwert ungefähr von Null aufweisen.
    Das Geschwindigkeitssignal v(t) ergibt sich für ein gewähltes Zeitfenster wie folgt aus der Beschleunigung:
    Figure 00070001
       wobei
    v =
    Geschwindigkeit,
    v0 =
    Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t0,
    a =
    Beschleunigung,
    t =
    Zeit,
    Δt =
    Dauer zwischen zwei Abtastungen,
    i =
    Index der Messpunkte
    n =
    Anzahl der Messpunkte des Datenausschnitts
    Da der Mittelwert von v den Wert Null annehmen muss, gilt:
    Figure 00070002
    Dies bedeutet, dass durch die Integration und die anschliessende Mittelwertbefreiung v0 teilweise kompensiert werden kann. Damit ist eine Bestimmung des Geschwindigkeitssignales mit berechenbarer Fehlerschranke möglich.
    In analoger Weise wird erfindungsgemäss das Wegsignal aus dem Geschwindigkeitssignal bestimmt.
    Abweichend hierzu ist bei Bestimmung der Weggrösse wB (Variante B) zu beachten, dass in diesem Fall, d.h. der Betrachtung des Relativweges zwischen Radsatzlager und Drehgestellrahmen, in erster Näherung auf das als Referenz zu nutzende Beschleunigungssignal ad des Drehgestellrahmens verzichtet werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Differenzgrösse ar - ad wesentlich von ar abhängt, da das Amplitudenverhältnis ar / ad große Werte annimmt (z.B. 50 und höher).
       wobei:
    ad =
    Beschleunigungssignal des Drehgestells
    ar =
    Beschleunigungssignal des Radsatzes
    Die Beschleunigungen am Drehgestellrahmen sind wesentlich geringer und werden zusätzlich durch niederfrequente Anteile dominiert. Dieses spezifische Schwingungsphänomen kann nun dahingehend ausgenutzt werden, dass das Signal ar um die lineare Tendenz und den Offset befreit wird und das resultierende Signal - eine hinreichend kurze Zeitdauer vorausgesetzt - als gute Näherung für die Differenzgrösse ar - ad herangezogen werden kann.
    Der Ablauf der Signalverarbeitung stellt sich wie folgt dar: die Sensoren im Bereich der Radsatzlagergehäuse ([4 und 5] bzw. [6 und 7]) liefem die benötigten Beschleunigungssignale als Eingangsgrösse. In bevorzugter Weise werden sämtliche Datenverarbeitungsschritte auf eine Datenfensterlänge von 2 Sekunden angewendet.
    Bei der Variante A werden jeweils die beiden Beschleunigungssignale einer Drehgestellseite nach erfolgter Mitttelwertbefreiung eines jeden Einzelsignals zeitsynchron voneinander subtrahiert und der Differenzwert dann weiteren Datenverarbeitungsschritten unterworfen: Nach Filterung, erster Integration, erneuter Mittelwertbefreiung und zweiter Integration wird anschliessend die gewünschte Spannweite wS,A des abgeschätzten Wegsignals wA bestimmt und zwischengespeichert. Nach Berechnung und Zwischenspeicherung einer ausreichenden Anzahl von Spannweite-Werten wird hiervon der Mittelwert gebildet. Dieser wird dann in der Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung des Schienenfahrzeuges als Online-Überwachungsgrösse verwendet und kontinuierlich gegen einen im Rahmen der Parametrierung bestimmten festen Grenzwert verglichen. Im Rahmen der Versuchsdurchführungen hat es sich als zielführend erwiesen, einen gleitenden Mittelwert über die 30 aktuellsten Spannweite-Werte zu verwenden. Dabei wird der jeweils älteste Spannweiten-Wert durch den mit jedem Ablauf eines Datenfensters neu ermittelten jüngsten Spannweite-Wert ersetzt. Dadurch erfolgt eine Glättung der Überwachungsgrösse über die Zeit und die Fehlalarmrate kann durch eine signifikantere Grenzwertfestlegung minimiert werden. Die bei Variante A erzielbare Diagnosetiefe beschränkt sich auf die Drehgestellseite (in Fahrtrichtung links bzw. rechts), die Zuordnung eines Schadens zu einem Rad kann hierbei nicht erfolgen.
    Im Unterschied hierzu entfällt bei der Variante B - bedingt durch die Verarbeitung bzw. Nutzung jeweils nur eines Beschleunigungssignales - die Subtraktion zweier Beschleunigungssignale. Die Diagnosetiefe erstreckt sich hierbei auf die Erkennung schadhafter Führungsbuchsen im Bereich eines Rades.
    Bei der Auswertung des Mittelwertes ist ferner zu beachten, dass die Überwachungsgrösse auch im fehlerfreien GUT-Zustand Schwankungen aufweist, die auf den Federweg der Radsatzführungsbuchse zurückzuführen ist. Im DEFEKT-Zustand überlagert sich das fehlerbedingt vergrösserte Radsatzführungsspiel diesem systembedingten Grund-Spiel. Es hat sich experimentell erwiesen, dass erst oberhalb einer Minimalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges diese Diskrepanz bzw. Überlagerung in ausreichend signifikanter Weise nachgewiesen werden kann. So war beispielsweise bei einem Federweg von 0,3 bis 0,5 mm eine Minimalgeschwindigkeit von 120 km/h erforderlich.
    Eine zweckmässige Weiterbildung der erfinderischen Variante B gemäss Anspruch 5 sieht vor, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion z.B. mittels SVM (Support Vector Machine) eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl zusätzlicher Merkmale vorgenommen wird. Durch die Nutzung weiterer Merkmale kann die geringere Signifikanz des überwachten Merkmales wB - verursacht durch die Verwendung von Näherungslösungen bei Differenzbildung und bei Doppelintegration - kompensiert werden. In zahlreichen Versuchsreihen hat sich jedoch gezeigt, dass das Ergebnis der automatisierten Merkmalsauswahl in hohem Masse vom betrachteten Fahrgeschwindigkeitsbereich sowie von der Mittelungsdauer abhängt. Somit hat es sich als empfehlenswert herausgestellt, in abgestuften Geschwindigkeitsbereichen mit jeweils spezifischen zusätzlichen Merkmalen zu arbeiten. Die Fehlererkennbarkeitsrate wird hierbei mit Tendenz zu längeren Mittelungsdauem und engeren Geschwindigkeitsbereichen erhöht.
    Bezugszeichenliste
    w(t)
    abgeschätztes Wegsignal
    wi
    Wegsignal am Ort der Radsatzführungsbuchse i
    wS
    Spannweite des Wegsignals w(t)
    wA
    Abstand zwischen den Radsätzen eines Drehgestells
    wB
    Abstand zwischen Radsatz und Fixpunkt auf Drehgestellrahmen
    1
    Drehgestellrahmen
    2, 3
    Radsatz
    4, 5, 6, 7
    Radsatzführungsbuchse bzw. Beschleunigungssensor
    8
    Fixpunkt auf Drehgestellrahmen

    Claims (12)

    1. Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Radsatzführungsbuchse (4, 5, 6, 7) des Schienenfahrzeuges - insbesondere das Spiel - durch Auswertung eines im Bereich mindestens eines Radsatzlagers aktuell gemessenen Beschleunigungssignals überwacht wird, indem aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignales w(t) vorgenommen wird, das als Zustandsgrösse mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes (2, 3) in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen Bauteile des Schienenfahrzeuges eindeutig beschreibt.
    2. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Wegsignalabschätzungen. w(t) mindestens zweier, einem Drehgestell des Schienenfahrzeuges zugehöriger Radsätze (2, 3) die Spannweite wS,A des Abstandes dieser Radsätze zueinander bestimmt wird.
    3. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Wegsignalabschätzung w(t) eines Radsatzes (2) die Spannweite WS,B des Abstandes zwischen diesem Radsatz und einem Fixpunkt (8) auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen (1) des Schienenfahrzeuges bestimmt wird.
    4. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal lineare Tendenzen und der Offset aus Anfahr- und Bremsvorgängen des Schienenfahrzeuges eliminiert werden.
    5. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl zusätzlicher Merkmale vorgenommen wird.
    6. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des zweifach integrierten Beschleunigungssignals innerhalb eines bevorzugten Integrationsintervalls Δ t = 2 Sekunden durchgeführt wird.
    7. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrationsintervalle Δ ti, Δ ti+1 sequentiell aneinanderhängend beginnen.
    8. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren durch zweifache Integration des Beschleunigungssignals über die sequentiell aufeinanderfolgenden Integrationsintervalle Δ ti ermittelten Spannweiten wS,i(t) der Wegsignale wi(t) Mittelwerte gebildet werden, die kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen mit einem im Rahmen der Parametrierung bestimmten Grenzwert verglichen werden und dass in Abhängigkeit vom Überschreiten dieser vordefinierten Grenzwerte Alarmierungsprozeduren ausgelöst werden.
    9. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren erst ab einer Mindestgeschwindigkeit des Eisenbahnfahrzeuges aktiviert wird.
    10. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als integraler Bestandteil eines auf dem Schienenfahrzeug implementierten übergeordneten Verfahrens zur Diagnose und Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges angewendet wird.
    11. Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen,
      gekennzeichnet durch
      Mittel zur Erfassung des Beschleunigungsverhaltens wenigstens einer Radsatzführungsbuchse (4, 5, 6, 7), mittels denen ein im Bereich mindestens eines Radsatzlagers des Schienenfahrzeuges aktuell gemessenes Beschleunigungssignal erfassbar ist und die Spannweite einer aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweiliger Mittelwertbefreiung gewonnenen Weggröße einer Überwachung auf Grenzwert-Überschreitung unterzogen werden kann.
    12. Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung zur Überwachung des Wegsignales integraler Bestandteil einer auf dem Schienenfahrzeug implementierten übergeordneten Vorrichtung zur Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist.
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