EP1597128B1 - Einrichtung und verfahren zur überwachung einer rotierenden welle und/oder daran angebrachter elemente - Google Patents

Einrichtung und verfahren zur überwachung einer rotierenden welle und/oder daran angebrachter elemente Download PDF

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EP1597128B1
EP1597128B1 EP03799453A EP03799453A EP1597128B1 EP 1597128 B1 EP1597128 B1 EP 1597128B1 EP 03799453 A EP03799453 A EP 03799453A EP 03799453 A EP03799453 A EP 03799453A EP 1597128 B1 EP1597128 B1 EP 1597128B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal processing
shaft
processing unit
cavity
monitoring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03799453A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1597128A1 (de
Inventor
Eckhard PRIDÖHL
Bernd Frankenstein
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP1597128A1 publication Critical patent/EP1597128A1/de
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Publication of EP1597128B1 publication Critical patent/EP1597128B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for monitoring a rotating shaft and / or elements attached thereto, in which a sensor system for the detection of vibrations and / or structure-borne noise is arranged on the shaft and connected to a signal processing unit, which is obtained from the sensor system Processed measuring signals to provide output data for transmission to a receiving unit in a non-rotating frame of reference.
  • the monitoring of shafts or parts connected to them during use of the shafts plays an important role in many technical areas in order to be able to recognize in good time disturbances, damage or material fatigue. This applies in particular to imminent damage, such. As cracks, crumbling or the like, which should be detected with such early monitoring.
  • the monitoring does not only refer to the shaft itself but above all to attached attachments such as idler wheels, brake discs and other elements.
  • An example of application here is the monitoring of the chassis and wheelsets of rail vehicles.
  • a structure-borne noise or vibration sensor system is used in order to be able to detect deviations from the normal vibration behavior of the monitored components at an early stage from the measurement data obtained during operation of the rail vehicles.
  • an electronic suspension monitoring system for trains in which essentially one or more vibration sensors are arranged on each bogie of each wagon and possibly also of the power head, record the vibrations generated in the bogie and a locally arranged signal processing system supply the on-board computer of the railcar.
  • the vibration sensors are in this case mounted on the bogie, on the wheel axle or in the region of the support means for suspension of the bogie.
  • DE 100 62 602 A1 describes a further method and a device for monitoring the driving behavior of rail vehicles.
  • acceleration signals of vehicle components while driving with sensors are detected and evaluated in a special way in order to obtain a characteristic of the driving behavior signal.
  • the acceleration sensors are mounted, for example, in the wheelset bearings of the rail vehicle.
  • the DE 198 27 271 A1 describes a sensor-based online detection system for rad- and Track-related data of rail vehicles.
  • the evaluation of the data takes place in this publication by means of a temporal and geometric correlation analysis.
  • sensors distance sensors and speed sensors are primarily used, which are optionally supplemented by structure-borne sound sensors.
  • a disadvantage of the previously known solutions is that the sensors used and the required wiring for the processing of the measured data the rough driving in the track bed area, so for example, stone chipping, snow and ice are exposed, so that an increased risk of failure of the monitoring system due external influences.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for monitoring a rotating shaft and / or elements attached thereto, which offers improved protection against external influences.
  • a sensor system for the detection of vibrations and / or structure-borne noise is arranged on the shaft and connected to a signal processing unit, the measurement signals obtained from the sensor system processed to provide output data for transmission to a receiving unit in a non-rotating reference frame, the sensor system is arranged together with the signal processing unit in a cavity of the shaft.
  • this sensor is an acoustic sensor, i. to detect one or more sensors, the structure-borne sound of the wave.
  • sensors for the detection of vibrations in the audible acoustic range, in the infrasound range or in the ultrasonic range can be used.
  • the signal processing unit undertakes the processing of the signals supplied by the sensor system in order to reduce at least the amount of data that is provided for transmission to the receiving unit with respect to the amount of data supplied by the sensors.
  • the signal processing unit can also already carry out an at least almost complete evaluation of the data according to predefinable criteria.
  • the required cavity of the shaft can be made for example by drilling a blind hole in the shaft. When using a hollow shaft, this cavity is automatically available.
  • the sensors and the signal processing electronics are thus an integral part of the mechanical component wave. They are preferably already installed at the manufacturer of the shaft and remain in the shaft until operation and decommissioning at the user. They are protected against mechanical damage during installation of the shaft in a system. During operation of the system, the sensors and the signal processing electronics are safe due to their arrangement in the cavity of the shaft from operational mechanical and climatic influences. In addition, this arrangement provides protection against vandalism or vandalism, which is particularly important in security-relevant monitoring systems of particular importance.
  • the inspection intervals for the shaft and the elements or components mounted on it can be significantly extended when using the present device or the present method. If the present facility provides baseline data indicative of an imminent primary damage, the inspection intervals may be shortened in a timely manner.
  • At least the sensor system and the signal processing unit are integrated in a preferably one-piece module, for example encapsulated, which is fixed in the cavity of the shaft.
  • This monitoring module can, for example, in the cavity of the shaft in the manufacture of the shaft be pressed. Of course, other techniques of fixation in the shaft are possible.
  • the signal processing unit preferably comprises a signal processing processor, which is designed for the at least partial evaluation of the measurement signals according to predefinable criteria in order to reduce the amount of data to output data compared to the amount of data from the measurement signals.
  • the data processing preferably takes place in digital form, the measurement signals obtained by the sensors having at least one A / D converter being previously converted into digital measurement data.
  • the A / D converter may be part of the sensor system or the signal processing unit and is also integrated in the preferred embodiment in the monitoring module.
  • the present monitoring device preferably also comprises a data transmission device for transmitting the output data to the receiving unit.
  • a wireless data transmission device which consists of a telemetry module connected to the signal processing unit and an antenna projecting from the cavity of the shaft or arranged on the shaft outside the cavity.
  • the telemetry module is preferably integrated into the monitoring module.
  • the output data are transmitted with this data transmission device on the radio path to the receiving unit, for example an on-board computer on the power train of a train to be monitored.
  • the on-board computer must be a matter of course have a corresponding receiving antenna with an associated receiving module.
  • this data transmission device In a particular embodiment of this data transmission device, a bidirectional data transmission between the signal processing unit and the receiving unit is made possible. In this way, the present device can also be controlled via the receiving unit. Furthermore, it is possible to configure the data transmission unit in such a way that it enables the wireless power supply of the present device.
  • the person skilled in the corresponding wireless energy transmission techniques are known.
  • a separate power or power supply module can also be attached, preferably in the shaft.
  • This module can use the rotation of the shaft to generate the required current. In this case, it is constructed as an electric generator.
  • the signal processing unit is connected to a trigger module arranged in the cavity of the shaft, which generates trigger signals in synchronization with the revolutions of the shaft in order to enable rotationally synchronous signal detection and signal processing.
  • a trigger module arranged in the cavity of the shaft, which generates trigger signals in synchronization with the revolutions of the shaft in order to enable rotationally synchronous signal detection and signal processing.
  • other electronic components which are advantageous for the signal detection and processing, in the cavity of the shaft, preferably as an integral part of the monitoring module, are used. Examples for Such components are signal amplifiers and filters.
  • the entire electronics arranged in the cavity of the shaft are integrated into the monitoring module in the preferred embodiment of the present monitoring device, so that the assembly of the device in the shaft is greatly simplified.
  • the evaluation of the measurement signals supplied by the sensor can be done in different ways, depending on the application. Preferably, at least a large part of the evaluation already takes place in the signal processing unit of the shaft, the measurement signals being evaluated in the time and / or frequency domain. A storage of comparison data in the signal processing unit is possible with the arrangement of a corresponding memory.
  • the present monitoring device can be in exemplary use on rail vehicles damage to wheels, such as cracks, flats, chipping polygonal and corrugation or the like.
  • wheels such as cracks, flats, chipping polygonal and corrugation or the like.
  • wheel bearings such as For example, outer ring or inner ring damage, but also cage or ball damage, as well as during the run recognize as cracks in the shaft.
  • damage generates sound waves or vibrations, which can be detected by suitable evaluation of the measurement signals.
  • the present monitoring device and the associated method can be used not only in rail vehicles, but also in other systems in which a torque transmission is realized via a shaft, such as in transmissions.
  • the use of the present monitoring device and the associated method using the example of the monitoring of the wheelset of a rail vehicle is briefly explained again.
  • the installation of the acoustic sensor within the hollow shaft of the Wheelset In close proximity to the sensors, the electronics, which also co-rotate in the hollow shaft, consisting of primary electronics, signal processing processor, trigger module, transmission / reception telemetry and power supply, are installed.
  • a co-rotating transmitting / receiving antenna is guided to the outside, that the transmission signals reach the receiver in the non-rotating system, in this example in the railcar.
  • the exemplified device comprises in the present example, the one-piece monitoring module 5, all components of the present monitoring device - with the exception of the antenna, which must protrude from the hollow shaft - contains.
  • FIG. 1 shows an outer section of the rotating hollow shaft 1 with the cavity 2 present therein, to which an impeller 11 of the rail vehicle is fastened.
  • the hollow shaft 1 is connected via the bearing 12 with the non-rotating bogie of the rail vehicle.
  • Bearing 12 and bore or cavity 2 of the hollow shaft 1 are closed by a non-co-rotating lid 13.
  • a radial reflection strip 14 is attached.
  • the monitoring module 5 is pressed in the manufacture of the hollow shaft 1 in the cavity 2 of the hollow shaft 1, so that it is fixed there.
  • the monitoring module 5 therefore rotates during operation with the hollow shaft 1.
  • one or more acoustic sensors 15 are integrated in the present example, which form the sensors 3 and abut against the inner surface of the cavity 2 of the hollow shaft 1.
  • the sensors 15 are - not visible in the figure - connected to the signal processing unit 4, which includes a digital signal processor.
  • the measurement signals received continuously or pulsed by the sensors 15 are converted into digital measurement data, which are processed by the signal processing unit 4 with the evaluation program contained therein, after amplification and optionally filtering with an A / D converter (not shown).
  • the output signals or output data generated here by the signal processing unit 4, which may include reduced data or already suitable parameters for the vibration behavior and / or structure-borne noise of the hollow shaft, are telemetrically from the rotating hollow shaft 1 to a receiver 10 in the railcar or wagon transfer.
  • the signal processing unit 4 is connected to a telemetry module 6, which transmits the output data via a transmitting / receiving antenna 7.
  • the antenna 7 is fastened to the monitoring module 5 and protrudes in the axial direction of the hollow shaft 1 out of this through an opening in the cover 13, as is indicated schematically in FIG.
  • Via the telemetry module 6 with the co-rotating antenna 7 4 signals are sent from the signal processing unit and optionally also receive control signals.
  • the signal processing unit 4 communicates with a computer 16 installed in the non-rotating system railcar or railcar as a receiving unit 10, which on the one hand can send control commands to the monitoring module 5 and receive pre-compressed or preprocessed data from the latter.
  • a computer 16 installed in the non-rotating system railcar or railcar as a receiving unit 10, which on the one hand can send control commands to the monitoring module 5 and receive pre-compressed or preprocessed data from the latter.
  • the Computer 16 is for this purpose connected to a corresponding transmitting / receiving antenna 17. In this way, the computer can also transmit control signals for the amplifier and the filter or filters from the non-rotating reference frame to the rotating electronics in the hollow shaft 1.
  • the monitoring device also has a power supply module 8, which is likewise integrated in the one-piece monitoring module 5.
  • This power supply module 8 may be configured in the form of an electric generator to ensure the power supply of the electronic components integrated in the hollow shaft 1.
  • a rotationally synchronous signal detection and processing can be realized.
  • An example of the signal processing is shown schematically in FIG.
  • FIG. 2 shows individual processing steps of the measuring signals continuously supplied by the sensor system 3 during operation.
  • the conditioned measurement signals are digitized with the A / D converter, whereby an oversampling of the analog signals usually takes place.
  • the data acquisition by the trigger pulse of the trigger module 9 is so controlled, that in each case a measurement data field for a Rohmwindung exists.
  • To limit the data field length at very low speeds is a limit value monitoring.
  • a data acquisition takes place only from a defined speed, ie above a minimum travel speed of the rail vehicle.
  • a low-pass filtering of the measured data After removal of the DC offset, a low-pass filtering of the measured data to limit the band of the input signal and a decimation of the measured data by a factor of 2.
  • the evaluation algorithm used is based on the formation of the envelope of the signal. This takes place in the present embodiment by amount formation and subsequent low-pass filtering.
  • This low-pass filtering also serves as a band limit for compliance with the sampling theorem for the subsequent decimation of the signal. Oversampling with subsequent filtering and decimation achieves a significantly better signal-to-noise ratio.
  • the decimation takes place with a variable decimation factor, so that an inventive reduction of the data records to mx 360 samples per wheel revolution takes place.
  • the number m is determined depending on the monitored object.
  • the result is an evaluation matrix of n lines, each containing data fields with a length of mx 360 samples.
  • the content of these data fields characterizes the energy of the acoustic signals at each of the preferably equidistant across the inner circumference of the Hollow shaft distributed measuring points.
  • Error-induced small signal components are amplified by the rotationally synchronous averaging, while the proportion of relatively large stochastic signal components is greatly reduced by this averaging method.
  • the averaged evaluation matrix is transmitted via the telemetry module 6 to the computer 16, which further evaluates the data in order to trigger a warning signal when a dangerous situation, for example an imminent damage, is detected.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

    Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung einer rotierenden Welle und/oder daran angebrachter Elemente, bei denen eine Sensorik für die Erfassung von Schwingungen und/oder Körperschall an der Welle angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die von der Sensorik erhaltene Messsignale verarbeitet, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen.
  • Die Überwachung von Wellen oder mit ihnen fest verbundenen Teilen während des Einsatzes der Wellen spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle, um rechtzeitig Störungen, Beschädigungen oder Materialermüdung erkennen zu können. Dies betrifft insbesondere sich anbahnende Schäden, wie z. B. Risse, Ausbröckelungen oder Ähnliches, die mit einer derartigen Überwachung im Frühstadium erkannt werden sollen. Die Überwachung bezieht sich nicht nur auf die Welle selbst sondern vor allem auch auf daran befestigte Anbauten wie mitlaufende Räder, Bremsscheiben und andere Elemente. Ein beispielhaftes Anwendungsgebiet stellt hierbei die Überwachung der Fahrwerke und Radsätze von Schienenfahrzeugen dar.
    • Stand der Technik
  • Bei bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Überwachung von Fahrwerken von Schienenfahrzeugen wird eine Körperschall- oder Schwingungssensorik eingesetzt, um aus den während des Betriebes der Schienenfahrzeuge über die Sensorik erhaltenen Messdaten frühzeitig Abweichungen vom normalen Schwingungsverhalten der überwachten Komponenten erkennen zu können.
  • So ist beispielsweise aus der DE 198 37 554 A1 eine elektronische Fahrwerk-Überwachungsanlage für Züge bekannt, bei der im Wesentlichen an jedem Drehgestell jedes Waggons und eventuell auch des Triebkopfes ein oder mehrere Schwingungssensoren angeordnet sind, die die im Drehgestell erzeugten Schwingungen aufnehmen und über eine lokal angeordnete Signalverarbeitungsanlage dem Bordcomputer des Triebwagens zuführen. Die Schwingungssensoren sind hierbei am Drehgestell, auf der Radachse oder im Bereich der Abstützmittel zur Federung des Drehgestells angebracht.
  • Die DE 100 62 602 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen. Bei diesem Verfahren werden Beschleunigungssignale von Fahrzeugkomponenten während der Fahrt mit Sensoren erfasst und in besonderer Weise ausgewertet, um ein für das Fahrverhalten charakteristisches Signal zu erhalten. Die Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in den Radsatzlagern des Schienenfahrzeuges angebracht.
  • Auch die DE 198 27 271 A1 beschreibt ein sensorgestütztes Online-Erfassungssystem für rad- und gleisbezogene Daten von Schienenfahrzeugen. Die Auswertung der Daten erfolgt bei dieser Druckschrift mit Hilfe einer zeitlichen und geometrischen Korrelationsanalyse. Als Sensoren werden in erster Linie Abstandssensoren und Drehzahlsensoren eingesetzt, die gegebenenfalls durch Körperschallsensoren ergänzt werden.
  • Ein Nachteil der bisher bekannten Lösungen besteht jedoch darin, dass die eingesetzte Sensorik und die erforderliche Verkabelung für die Verarbeitung der Messdaten dem rauhen Fahrbetrieb im Gleisbettbereich, also beispielsweise Steinschlag, Schnee und Eis, ausgesetzt sind, so dass ein erhöhtes Risiko eines Ausfalls des Überwachungssystems aufgrund äußerer Einflüsse besteht.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung einer rotierenden Welle und/oder daran angebrachter Elemente anzugeben, das einen verbesserten Schutz gegenüber äußeren Einflüssen bietet.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit der Einrichtung sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Bei der vorliegenden Einrichtung und dem zugehörigen Verfahren zur Überwachung einer rotierenden Welle und/oder daran angebrachter Elemente, bei denen eine Sensorik für die Erfassung von Schwingungen und/oder Körperschall an der Welle angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die von der Sensorik erhaltene Messsignale verarbeitet, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen, ist die Sensorik zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit in einem Hohlraum der Welle angeordnet. Bei dieser Sensorik handelt es sich in der bevorzugten Ausgestaltung um eine akustische Sensorik, d.h. um ein oder mehrere Sensoren, die Körperschall der Welle erfassen. Je nach Anwendung können hierbei Sensoren für die Erfassung von Schwingungen im hörbaren Akustikbereich, im Infraschallbereich oder im Ultraschallbereich eingesetzt werden. Die Signalverarbeitungseinheit übernimmt die Verarbeitung der von der Sensorik gelieferten Signale, um zumindest die Datenmenge, die zur Übermittlung an die Empfangseinheit bereitgestellt wird, gegenüber der von den Sensoren gelieferten Datenmenge zu reduzieren. Die Signalverarbeitungseinheit kann hierbei je nach Ausgestaltung auch bereits eine zumindest nahezu vollständige Auswertung der Daten nach vorgebbaren Kriterien vornehmen.
  • Der erforderliche Hohlraum der Welle kann beispielsweise durch Bohren eines Sackloches in die Welle hergestellt werden. Bei Einsatz einer Hohlwelle steht dieser Hohlraum automatisch zur Verfügung.
  • Bei der vorliegenden Einrichtung und dem zugehörigen Verfahren sind somit die Sensorik sowie die Signalverarbeitungselektronik integraler Bestandteil der Maschinenbau-Komponente Welle. Sie werden vorzugsweise bereits beim Hersteller der Welle installiert und verbleiben in der Welle bis zum Betrieb und der Außerbetriebnahme beim Anwender. Sie sind während der Montage der Welle in einer Anlage vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Während des Betriebes der Anlage sind die Sensorik sowie die Signalverarbeitungselektronik aufgrund ihrer Anordnung im Hohlraum der Welle vor betriebsbedingten mechanischen und klimatischen Einflüssen sicher. Außerdem bietet diese Anordnung einen Schutz gegen mutwillige Beschädigung oder Vandalismus, der gerade bei sicherheitsrelevanten Überwachungssystemen von besonderer Bedeutung ist. Die Inspektionsintervalle für die Welle und die an ihr montierten Elemente bzw. Komponenten können bei Einsatz der vorliegenden Einrichtung bzw. des vorliegenden Verfahrens deutlich verlängert werden. Liefert die vorliegende Einrichtung Ausgangsdaten, die auf einen sich anbahnenden Primärschaden hinweisen, so können die Inspektionsintervalle rechtzeitig verkürzt werden.
  • In der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung sind zumindest die Sensorik und die Signalverarbeitungseinheit in einem vorzugsweise einstückigen Modul integriert, beispielsweise eingegossen, das im Hohlraum der Welle fixiert ist. Dieses Überwachungsmodul kann bei der Herstellung der Welle beispielsweise in den Hohlraum der Welle eingepresst werden. Selbstverständlich sind auch andere Techniken der Fixierung in der Welle möglich.
  • Die Signalverarbeitungseinheit umfasst vorzugsweise einen Signalverarbeitungsprozessor, der für die zumindest teilweise Auswertung der Messsignale nach vorgebbaren Kriterien ausgebildet ist, um die Datenmenge an Ausgangsdaten gegenüber der Datenmenge aus den Messsignalen zu reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass die Datenverarbeitung vorzugsweise in digitaler Form erfolgt, wobei die von den Sensoren erhaltenen Messsignale mit zumindest einem A/D-Wandler vorher in digitale Messdaten umgewandelt werden. Der A/D-Wandler kann Bestandteil der Sensorik oder auch der Signalverarbeitungseinheit sein und ist in der bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls in das Überwachungsmodul integriert.
  • Die vorliegende Überwachungseinrichtung umfasst vorzugsweise auch eine Datenübertragungseinrichtung für die Übertragung der Ausgangsdaten an die Empfangseinheit. Besonders vorteilhaft lässt sich hierbei eine drahtlose Datenübertragungseinrichtung einsetzen, die aus einem mit der Signalverarbeitungseinheit verbundenen Telemetriemodul und einer aus dem Hohlraum der Welle herausragenden oder außerhalb des Hohlraums an der Welle angeordneten Antenne besteht. Auch bei dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise das Telemetriemodul in das Überwachungsmodul integriert. Die Ausgangsdaten werden mit dieser Datenübertragungseinrichtung auf dem Funkweg an die Empfangseinheit, beispielsweise einem Bordcomputer am Triebkopf eines zu überwachenden Zuges, übermittelt. Der Bordcomputer muss hierfür selbstverständlich eine entsprechende Empfangsantenne mit einem zugehörigen Empfangsmodul aufweisen.
  • In einer besonderen Ausgestaltung dieser Datenübertragungseinrichtung wird eine bidirektionale Datenübertragung zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Empfangseinheit ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich die vorliegende Einrichtung auch über die Empfangseinheit steuern. Weiterhin ist es möglich, die Datenübertragungseinheit so auszugestalten, dass sie die drahtlose Energieversorgung der vorliegenden Einrichtung ermöglicht. Dem Fachmann sind entsprechende drahtlose Energieübertragungstechniken bekannt.
  • Alternativ zur drahtlosen Energieübertragung kann auch ein separates Energie- oder Stromversorgungsmodul an, vorzugsweise in der Welle, befestigt werden. Dieses Modul kann die Rotation der Welle nutzen, um den erforderlichen Strom zu erzeugen. In diesem Falle ist es als elektrischer Generator aufgebaut.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Überwachungseinrichtung ist die Signalverarbeitungseinheit mit einem im Hohlraum der Welle angeordneten Triggermodul verbunden, das in Synchronisation mit den Umdrehungen der Welle Triggersignale liefert, um eine drehsynchrone Signalerfassung und Signalverarbeitung zu ermöglichen. Selbstverständlich können auch weitere elektronische Komponenten, die für die Signalerfassung und -verarbeitung von Vorteil sind, im Hohlraum der Welle, vorzugsweise als integraler Bestandteil des Überwachungsmoduls, eingesetzt werden. Beispiele für derartige Komponenten sind Signalverstärker und Filter. Die gesamte im Hohlraum der Welle angeordnete Elektronik ist in der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Überwachungseinrichtung in das Überwachungsmodul integriert, so dass die Montage der Einrichtung in der Welle stark vereinfacht wird.
  • Die Auswertung der von der Sensorik gelieferten Messsignale kann, je nach Anwendung, in unterschiedlicher Art und Weise erfolgen. Vorzugsweise erfolgt zumindest ein großer Teil der Auswertung bereits in der Signalverarbeitungseinheit der Welle, wobei die Messsignale im Zeit- und/oder Frequenzbereich ausgewertet werden. Auch eine Abspeicherung von Vergleichsdaten in der Signalverarbeitungseinheit ist bei Anordnung eines entsprechenden Speichers möglich.
  • Beispiele für die Auswertung von mit Schwingungssensoren erhaltenen Messdaten können beispielsweise der in der Beschreibungseinleitung genannten DE 100 62 602 A1, der DE 198 37 554 A1 oder dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel entnommen werden. Es versteht sich von selbst, dass bei der vorliegenden Einrichtung und dem zugehörigen Verfahren die unterschiedlichsten Auswertealgorithmen eingesetzt werden können, da diese unabhängig von der vorliegenden Lösung durch entsprechende Ausgestaltung des Signalprozessors bzw. des darin geladenen Software-Programmes realisierbar sind.
  • Mit der vorliegenden Überwachungseinrichtung lassen sich im beispielhaften Einsatz an Schienenfahrzeugen Schäden an Rädern, wie beispielsweise Risse, Flachstellen, Ausbröckelungen Polygon- und Riffelbildung oder dgl., sowie an den Radlagern, wie beispielsweise Außenring- oder Innenringschäden, aber auch Käfig- oder Kugelschäden, ebenso während des Laufes erkennen wie Risse in der Welle. Durch derartige Schäden werden Schallwellen oder Schwingungen generiert, was bei geeigneter Auswertung der Messsignale erkannt werden kann. Selbstverständlich lassen sich die vorliegende Überwachungseinrichtung und das zugehörige Verfahren nicht nur bei Schienenfahrzeugen, sondern auch bei anderen Anlagen einsetzen, bei denen eine Drehmomentübertragung über eine Welle realisiert wird, wie beispielsweise in Getrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
  • Die vorliegende Einrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung an einer Hohlwelle eines Schienenfahrzeuges; und
    Fig. 2
    ein Beispiel für die digitale Signalverarbeitung in einer Einrichtung wie die der Fig. 1.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird der Einsatz der vorliegenden Überwachungseinrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens am Beispiel der Überwachung des Radsatzes eines Schienenfahrzeuges nochmals kurz erläutert. Hierbei erfolgt die Installation der akustischen Sensorik innerhalb der Hohlwelle des Radsatzes. In unmittelbarer Nähe zur Sensorik werden die ebenfalls in der Hohlwelle mitrotierende Elektronik, bestehend aus Primärelektronik, Signalverarbeitungsprozessor, Triggermodul, Sende-/Empfangstelemetrie und Stromversorgung, installiert. Eine mitrotierende Sende-/Empfangsantenne wird so nach außen geführt, dass die Sendesignale den Empfänger im nichtrotierenden System, im vorliegenden Beispiel im Triebwagen, erreichen.
  • Die beispielhaft dargestellte Einrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel das einstückige Überwachungsmodul 5, das sämtliche Komponenten der vorliegenden Überwachungseinrichtung - mit Ausnahme der Antenne, die aus der Hohlwelle herausragen muss - enthält. In der Figur 1 ist ein äußerer Abschnitt der rotierenden Hohlwelle 1 mit dem darin vorliegenden Hohlraum 2 zu erkennen, an der ein Laufrad 11 des Schienenfahrzeuges befestigt ist. Die Hohlwelle 1 ist über das Lager 12 mit dem nichtrotierenden Drehgestell des Schienenfahrzeuges verbunden. Lager 12 und Bohrung bzw. Hohlraum 2 der Hohlwelle 1 werden durch einen nicht mitrotierenden Deckel 13 verschlossen. Auf der Innenseite des Deckels 13 ist ein radialer Reflexionsstreifen 14 befestigt.
  • Das Überwachungsmodul 5 wird bei der Herstellung der Hohlwelle 1 in den Hohlraum 2 der Hohlwelle 1 gepresst, so dass es dort fixiert ist. Das Überwachungsmodul 5 rotiert daher während des Betriebes mit der Hohlwelle 1. In dem Überwachungsmodul 5 sind im vorliegenden Beispiel ein oder mehrere akustische Sensoren 15 integriert, die die Sensorik 3 bilden und an der Innenfläche des Hohlraums 2 der Hohlwelle 1 anliegen. Die Sensoren 15 sind - in der Figur nicht erkennbar - mit der Signalverarbeitungseinheit 4 verbunden, die einen digitalen Signalprozessor enthält. Die von den Sensoren 15 kontinuierlich oder gepulst erhaltenen Messsignale werden nach einer Verstärkung und gegebenenfalls Filterung mit einem nicht dargestellten A/D-Wandler in digitale Messdaten umgewandelt, die von der Signalverarbeitungseinheit 4 mit dem darin enthaltenen Auswerteprogramm verarbeitet werden. Die von der Signalverarbeitungseinheit 4 hierbei erzeugten Ausgangssignale bzw. Ausgangsdaten, die in der Datenmenge reduzierte Messdaten oder bereits geeignete Kenngrößen für das Schwingungsverhalten und/oder den Körperschall der Hohlwelle umfassen können, werden telemetrisch aus der rotierenden Hohlwelle 1 an einen Empfänger 10 im Triebwagen oder Waggon übertragen. Hierfür ist die Signalverarbeitungseinheit 4 mit einem Telemetriemodul 6 verbunden, das die Ausgangsdaten über eine Sende-/Empfangsantenne 7 sendet. Die Antenne 7 ist im vorliegenden Beispiel am Überwachungsmodul 5 befestigt und ragt in Achsrichtung der Hohlwelle 1 aus dieser durch eine Öffnung des Deckels 13 heraus, wie dies in der Figur 1 schematisch angedeutet ist. Über das Telemetriemodul 6 mit der mitrotierenden Antenne 7 werden von der Signalverarbeitungseinheit 4 Signale gesendet und gegebenenfalls auch Steuersignale empfangen. Die Signalverarbeitungseinheit 4 kommuniziert so mit einem im nichtrotierenden System Waggon oder Triebwagen installierten Rechner 16 als Empfangseinheit 10, der einerseits Steuerbefehle an das Überwachungsmodul 5 senden und von letzterer vorverdichtete bzw. vorverarbeitete Daten empfangen kann. Der Rechner 16 ist hierfür mit einer entsprechenden Sende-/Empfangsantenne 17 verbunden. Auf diese Weise kann der Rechner auch Steuersignale für den Verstärker und den oder die Filter vom nichtrotierenden Bezugssystem an die rotierende Elektronik in der Hohlwelle 1 übertragen.
  • Die Überwachungseinrichtung weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch ein Stromversorgungsmodul 8 auf, das ebenfalls in dem einstückigen Überwachungsmodul 5 integriert ist. Dieses Stromversorgungsmodul 8 kann in Form eines elektrischen Generators ausgestaltet sein, um die Stromversorgung der in der Hohlwelle 1 integrierten elektronischen Komponenten zu gewährleisten.
  • Über ein ebenfalls im Überwachungsmodul 5 integriertes Triggermodul 9, das als optische Reflexionslichtschranke in Verbindung mit dem radialen Reflexionsstreifen 14 im Deckel 13 ausgeführt ist und bei jeder Radumdrehung einen Impuls an die Signalverarbeitungseinheit 4 leitet, lässt sich eine drehsynchrone Signalerfassung und -verarbeitung realisieren. Ein Beispiel für die Signalverarbeitung ist in der Figur 2 schematisch dargestellt.
  • Die Figur 2 zeigt hierbei einzelne Verarbeitungsschritte der von der Sensorik 3 während des Betriebes kontinuierlich gelieferten Messsignale. Die konditionierten Messsignale werden mit dem A/D-Wandler digitalisiert, wobei in der Regel eine Überabtastung der analogen Signale erfolgt. Die Datenerfassung durch den Triggerimpuls des Triggermoduls 9 wird so gesteuert, dass jeweils ein Messdatenfeld für eine Radumdrehung vorliegt. Zur Beschränkung der Datenfeldlänge bei sehr niedrigen Drehzahlen erfolgt eine Grenzwertüberwachung. Eine Datenerfassung erfolgt dabei nur ab einer definierten Drehzahl, d.h. oberhalb einer minimalen Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges.
  • Nach Entfernung des Gleichspannungsoffsets erfolgt eine Tiefpassfilterung der Messdaten zur Bandbegrenzung des Eingangssignals sowie eine Dezimation der Messdaten um den Faktor 2. Digitale Hoch- und Tiefpassfilter schneiden aus dem durch die Messdaten repräsentierten Messsignal n charakteristische Frequenzbänder aus, deren Bewertung eine Rissdetektion ermöglicht. Der eingesetzte Bewertungsalgorithmus basiert auf der Bildung der Einhüllenden des Signals. Dies erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Betragsbildung und nachfolgende Tiefpassfilterung. Diese Tiefpassfilterung dient gleichzeitig als Bandbegrenzung zur Einhaltung des Abtasttheorems für die nachfolgende Dezimation des Signals. Durch die Überabtastung mit anschließender Filterung und Dezimation wird ein deutlich besseres Signal/Rausch-Verhältnis erreicht. Die Dezimation erfolgt mit einem variablen Dezimationsfaktor, so dass eine erfindungsgemäße Reduktion der Datensätze auf m x 360 Abtastwerte pro Radumdrehung erfolgt. Die Zahl m wird in Abhängigkeit vom Überwachungsobjekt festgelegt. Im Ergebnis entsteht eine Bewertungsmatrix aus n Zeilen, die jeweils Datenfelder mit einer Länge von m x 360 Abtastwerten enthalten. Der Inhalt dieser Datenfelder charakterisiert die Energie der akustischen Signale an jedem der vorzugsweise äquidistant über den Innenumfang der Hohlwelle verteilten Messpunkte. Fehlerinduzierte kleine Signalanteile werden durch die drehsynchrone Mittelung verstärkt, während der Anteil relativ großer stochastischer Signalanteile durch diese Mittelungsart stark verringert wird. Die gemittelte Bewertungsmatrix wird über das Telemetriemodul 6 an den Rechner 16 übermittelt, der die Daten weiter auswertet, um bei Erkennen einer gefährlichen Situation, beispielsweise eines sich anbahnenden Schadens, ein Warnsignal auszulösen.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
  • 1 Hohlwelle
    2 Hohlraum in der Welle
    3 Sensorik
    4 Signalverarbeitungseinheit
    5 Überwachungsmodul
    6 Telemetriemodul
    7 Antenne
    8 Stromversorgungseinheit
    9 Triggermodul
    10 Empfangseinheit
    11 Laufrad
    12 Lager
    13 Deckel
    14 Reflexionsstreifen
    15 Akustische Sensoren
    16 Rechner
    17 Sende/Empfangsantenne am Rechner

Claims (17)

  1. Einrichtung zur Überwachung einer rotierenden Welle und/oder daran angebrachter Elemente, bei der eine Sensorik (3) für die Erfassung von Schwingungen und/oder Körperschall an der Welle (1) angeordnet und mit einer Signalverarbeitungseinheit (4) verbunden ist, die von der Sensorik (3) erhaltene Messsignale verarbeitet, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit (10) in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (3) zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit (4) in einem Hohlraum (2) der Welle (1) angeordnet ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest die Sensorik (3) und die Signalverarbeitungseinheit (4) in einem Überwachungsmodul (5) integriert sind, das im Hohlraum (2) fixiert ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Signalverarbeitungseinheit (4) einen Signalverarbeitungsprozessor umfasst, der für die zumindest teilweise Auswertung der Messsignale nach vorgebbaren Kriterien ausgebildet ist, um die Datenmenge an Ausgangsdaten gegenüber der Datenmenge aus den Messsignalen zu reduzieren.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Signalverarbeitungseinheit (4) mit einer an der Welle (1) angeordneten Datenübertragungseinrichtung (6, 7) verbunden ist, über die die Ausgangsdaten an die Empfangseinheit (10) übermittelt werden können.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Datenübertragungseinrichtung (6, 7) ein in dem Hohlraum (2) angeordnetes Telemetriemodul (6) mit einer aus dem Hohlraum (2) herausragenden oder außerhalb des Hohlraums (2) angeordneten Antenne (7) zur berührungslosen Datenübertragung umfasst.
  6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Datenübertragungseinrichtung (6, 7) so ausgebildet ist, dass sie eine bidirektionale Datenübertragung ermöglicht.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Datenübertragungseinrichtung (6, 7) auch für die Stromversorgung ausgebildet ist.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Stromversorgungseinheit (8) an oder in der Welle (1) angeordnet ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinheit (8) ein elektrischer Generator ist, der die Rotation der Welle (1) für die Stromerzeugung nutzt.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Signalverarbeitungseinheit (4) mit einem Triggermodul (9) verbunden ist, das in Synchronisation mit Umdrehungen der Welle (1) Triggersignale liefert, um eine drehsynchrone Signalerfassung und -verarbeitung zu ermöglichen.
  11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (3) ein oder mehrere Schwingungs- und/oder Körperschallsensoren (15) umfasst, die in direktem mechanischen Kontakt mit der Welle (1) stehen.
  12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (3) und die Signalverarbeitungseinheit (4) zusammen mit der Stromversorgungseinheit (8) und/oder dem Triggermodul (9) und/oder zumindest einem Teil (6) der Datenübertragungseinrichtung (6, 7) in einem Überwachungsmodul (5) integriert sind, das im Hohlraum (2) fixiert ist.
  13. Verfahren zur Überwachung einer rotierenden Welle und/oder daran angebrachter Elemente, bei dem Schwingungen und/oder Körperschall der Welle (1) mit einer Sensorik (3) erfasst und von der Sensorik (3) erhaltene Messsignale in einer Signalverarbeitungseinheit (4) weiterverarbeitet werden, um Ausgangsdaten für die Übermittlung an eine Empfangseinheit (10) in einem nicht rotierenden Bezugssystem bereitzustellen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (3) zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit (4) in einem Hohlraum (2) der Welle (1) befestigt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messsignale in der Signalverarbeitungseinheit (4) mit einem Signalverarbeitungsprozessor nach vorgebbaren Kriterien zumindest teilweise ausgewertet werden, um die Datenmenge an Ausgangsdaten gegenüber der Datenmenge aus den Messsignalen zu reduzieren.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ausgangsdaten telemetrisch an die Empfangseinheit (10) übertragen werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Signalerfassung und -verarbeitung synchron mit Umdrehungen der Welle (1) erfolgen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die von der Sensorik (3) erhaltenen Messsignale in einem Analog/Digital-Wandler überabgetastet werden und durch Filterung und Dezimation eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielt wird.
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