EP1622802A1 - Entgleisungsdetektion durch fallgeschwindigkeitsbestimmung - Google Patents

Entgleisungsdetektion durch fallgeschwindigkeitsbestimmung

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EP1622802A1
EP1622802A1 EP04733271A EP04733271A EP1622802A1 EP 1622802 A1 EP1622802 A1 EP 1622802A1 EP 04733271 A EP04733271 A EP 04733271A EP 04733271 A EP04733271 A EP 04733271A EP 1622802 A1 EP1622802 A1 EP 1622802A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bsi
acceleration
wheel
acceleration signal
falling speed
Prior art date
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Granted
Application number
EP04733271A
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English (en)
French (fr)
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EP1622802B8 (de
EP1622802B2 (de
EP1622802B1 (de
Inventor
Gerhard Lueger
Christian Kitzmüller
Gérard Salzgeber
Michael Schmeja
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.)
Siemens AG Oesterreich
Original Assignee
Siemens Transportation Systems GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Siemens Transportation Systems GmbH and Co KG filed Critical Siemens Transportation Systems GmbH and Co KG
Publication of EP1622802A1 publication Critical patent/EP1622802A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1622802B1 publication Critical patent/EP1622802B1/de
Publication of EP1622802B2 publication Critical patent/EP1622802B2/de
Publication of EP1622802B8 publication Critical patent/EP1622802B8/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • B61F9/00—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels
    • B61F9/005—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels by use of non-mechanical means, e.g. acoustic or electromagnetic devices
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K13/00—Other auxiliaries or accessories for railways

Definitions

  • the invention relates to a method for recognizing a derailment state of a wheel set of a rail vehicle, the acceleration of the wheel set being measured normal to a rail plane using an acceleration sensor.
  • the invention further relates to a device for detecting a derailment state of a wheel of a rail vehicle, which has at least one acceleration sensor for detecting the acceleration of the wheel normal to a rail plane, the acceleration sensor being set up with an evaluation unit for evaluating an acceleration signal generated by the acceleration sensor
  • a wheel or wheel set of a rail vehicle can, for example, be subjected to quasi-static accelerations caused by a terrain profile, but also accelerations caused by derailments. Of interest for a derailment detection, however, are only the accelerations that are caused by movements of the wheel set normal to the rail plane. In the following, accelerations acting on the wheel sets normal to the rail plane are referred to as gravitational accelerations. In this sense, the vertical speeds resulting from these accelerations are also referred to as falling speeds in this document.
  • an acceleration of a component of the track-bound vehicle that is directly or indirectly in contact with the lane is determined vertically and / or transversely to a direction of travel.
  • the acceleration signal is integrated twice over time and this twice integrated acceleration signal is compared with an upper and / or lower limit value, with a derailment being present when the limit value is exceeded or undershot.
  • the main disadvantage of this known embodiment is that the double integration gives a very poor signal-to-noise ratio.
  • Simple integration can reduce the signal-to-noise ratio by 20 dB per decade of the signal to be integrated.
  • a double integration reduces the signal-to-noise ratio by 40 dB per decade.
  • a double integration a low-frequency interference signal is amplified by a factor of 10 (20 dB) more than the actual useful signal - the acceleration of gravity.
  • the double integration places high demands on the evaluation electronics, which can lead to high manufacturing costs. Furthermore, with the known method or system there may be delays in the detection of derailed conditions due to the required, complex evaluation electronics.
  • a drop speed of the wheel in the direction of the rail plane is determined from an acceleration signal generated by the acceleration sensor by simple integration over a time window which can be predetermined, and a check is made on the basis of the determined drop speed whether a derailed Condition is present.
  • the value of the falling speed is compared with a limiting falling speed, wherein a derailed state is recognized when the limiting falling speed is exceeded.
  • a derailed state is inferred from the course of the fall speed over time.
  • the acceleration signal is generated in the area of an axle bearing.
  • High-pass filtering is advantageously used to eliminate the interference components.
  • the group delay of the individual frequency components of the acceleration signal to be integrated is kept constant during the filtering.
  • the integration of the acceleration signal is advantageously carried out in successive time windows, the end point of a time window forming the start point of a subsequent time window.
  • the acceleration signal can also be integrated in successive time windows, with successive time windows overlapping one another in sections.
  • a device of the type mentioned at the outset is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, in which the evaluation unit is set up to determine a fall speed of the wheel in the direction of the rail plane from the acceleration signal by simple integration over a time window of predeterminable size and to use the determined fall speed to check whether there is a derailed condition.
  • the evaluation unit is preferably set up to compare the determined falling speed with a limiting falling speed, whereby a derailed state is recognized when the limiting falling speed is exceeded.
  • the evaluation unit can be set up to recognize a derailed state on the basis of the time course of the falling speed.
  • the acceleration sensor is arranged in the region of an axle bearing of a wheel of the rail vehicle.
  • a filter for EUminating low-frequency interference components contained in the acceleration signal can be provided before the integration, the filter advantageously being a high-pass filter.
  • the filter leaves phase relationships of frequency components of the acceleration signal essentially unaffected.
  • the evaluation unit is set up to carry out the integration of the acceleration signal in successive time windows, the end point of a time window forming the starting point of a subsequent time window.
  • the evaluation unit can also be set up to carry out the integration of the acceleration signal in successive time windows, wherein successive time windows overlap one another in sections.
  • An acceleration sensor is advantageously arranged in the region of each wheel of the rail vehicle.
  • FIG. 1 shows a rail vehicle with a device for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram of a device according to the invention and 3 shows a time course of a falling speed of the rail vehicle in a time window in the event of a derailment.
  • an acceleration signal is generated to carry out the method according to the invention for detecting a derailed state of a rail vehicle in the region of a bogie DRE of the rail vehicle.
  • a device according to the invention has an acceleration sensor BSE, which can be arranged on an axle bearing AXL of a wheel RAD or wheel set of the rail vehicle.
  • An acceleration sensor BSE is advantageously arranged in the area of each wheel RAD, for example on each axle bearing AXL.
  • An essential element of the present invention is the knowledge that particularly reliable and representative measurement results can be achieved if the direction of action of the acceleration sensors BSE is essentially normal to the direction of travel, ie. H. runs normal to a rail plane ⁇ .
  • the direction of travel of the rail vehicle is shown with an arrow FAR, the direction of action of the acceleration sensors BSE running normally on the drawing plane.
  • the direction of action of an acceleration sensor BSE is understood in this document to mean the direction in which the sensor can preferably absorb acceleration forces and deliver signals.
  • the acceleration sensors BSE can be designed, for example, as piezoelectric sensors, in which a piezoelectric crystal is arranged in a known manner between two capacitor plates running parallel to one another. If this type of sensor is used, the fact that the two capacitor plates run essentially normal to the direction of travel of the rail vehicle allows the direction of action of the acceleration sensors to match the direction of travel. Of course, other known acceleration sensors based on other mechanisms can also be used. Such sensors are known in large numbers to the person skilled in the art and are therefore not to be explained further here.
  • the acceleration signal BSI generated by the acceleration sensor BSE is transmitted to an evaluation unit ASW according to FIG. 2, wherein the acceleration signal BSI can be transmitted from the acceleration sensors BSE to the evaluation unit ASW via electrical lines, glass fiber cables or wirelessly, for example via radio or blue tooth.
  • the evaluation unit can be a correspondingly programmed microprocessor or signal processor, but in a preferred embodiment the Invention preferred for reasons of greater security of a purely hardware-technical implementation of the evaluation unit ASW.
  • the falling speed FAG of the wheel RAD or wheel set in the direction of the rail plane ⁇ is determined from the acceleration signal in the evaluation unit ASW by means of simple integration INT over a time window which can be predetermined.
  • the acceleration signal BSI can be integrated in successive time windows or time intervals, the end point of a time window forming the start point of a subsequent time window. Furthermore, it is also possible for successive time windows to partially overlap one another. In principle, there can also be a time interval between two successive time windows.
  • the acceleration signal BSI can be integrated digitally or analogously. Large numbers of circuits and methods for the numerical or analog integration of a signal over a predefinable time range are known to the person skilled in the art and are therefore not to be explained in more detail here.
  • derating of the acceleration signal can be concluded on the basis of the value of the particular integral, the upper and lower limits of which are determined by the time window in question.
  • derailment can also be concluded from the course of the falling speed as a function of time in the time interval under consideration.
  • a change in the time course of the falling speed FAG within the integration interval can correspond to a predeterminable value of a derailment.
  • the time profile of the falling speed FAG shown in FIG. 3 is, as already mentioned above, obtained by integrating the acceleration signal BSI once, the direction of action of the associated acceleration sensor BSE, viewed from the rail plane ⁇ , being directed “upwards” so that a falling movement of the rail vehicle in the direction of the rail plane occurs as “negative” speed in the course.
  • the direction of action of the acceleration sensor BSE could also point in the direction of the rail plane ⁇ , which would then result in a course of the falling speed FAG mirrored at the zero line NUL.
  • the end of the falling movement of the rail vehicle is characterized by the minimum MIN of the course over time.
  • the minimum MIN corresponds in time to the impact of the rail vehicle on the road. This is followed by a positive value of the falling speed due to the acceleration acting upwards as a result of the impact on the road.
  • the evaluation unit ASW can have a filter FIL for eliminating low-frequency interference before integration, which is caused, for example, by drift phenomena and low-frequency electromagnetic interference in order to improve the signal-to-noise ratio.
  • a filter with a fast transition from its blocking to its passband is preferably used. Filters with a fast transition from a blocked to a passed frequency range can change the phase positions between the individual frequency components of the signal to be integrated. This can result in the fact that the course of the falling movement can no longer be properly reconstructed through integration.
  • a filter is preferably used which does not change the phase relationships of the individual frequency components contained in the signal to one another.
  • This condition is fulfilled, for example, for Bessel filters or for FIR filters.
  • the signal is preferably filtered using a high-pass filter belonging to the Bessel filter family.
  • Bessel filters are preferred to FIR filters, since comparable FIR filters have a longer response time.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Entgleisungszustandes eines Rades (RAD) eines Schienenfahrzeuges, wobei die Beschleunigung des Rades (RAD) normal zu einer Schienenebene (E) mit zumindest einem Beschleunigungssensor (SEN) gemessen wird, wobei aus einem von dem Beschleunigungssensor (SEN) erzeugten Beschleunigungssignal (BSI) durch einfache Integration (INT) über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe eine Fallgeschwindigkeit (FAG) des Rades (RAD) in Richtung der Schienenebene (s) ermittelt und anhand der ermittelten Fallgeschwindigkeit (FAG) überprüft wird, ob ein entgleister Zustand vorliegt.

Description

ENTGLEISUNGSDETEKTION DURCH FALLGESCHWINDIGKEITSBESTIMMUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Entgleisungszustandes eines Radsatzes eines Schienenfahrzeuges, wobei die Beschleunigung des Radsatzes normal zu einer Schienenebene mit einem Beschleunigungssensor gemessen wird.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung eines Entgleisungszustandes eines Rades eines Schienenfahrzeuges, welche zumindest einen Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung des Rades normal zu einer Schienenebene aufweist, wobei der Beschleunigungssensor mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung eines von dem Beschleunigungssensors erzeugten Beschleunigungssignals eingerichtet ist
Ein Rad bzw. Radsatz eines Schienenfahrzeuges kann beispielsweise quasistatischen, durch ein Geländeprofil hervorgerufenen Beschleunigungen aber auch durch Entgleisungen hervorgerufenen Beschleunigungen unterworfen sein. Von Interesse für eine Entgleisungsdetektion sind jedoch nur die Beschleunigungen, die durch Bewegungen des Radsatzes normal zur Schienenebene hervorgerufen sind. Im Folgenden werden normal zur Schienenebene auf die Radsätze wirkende Beschleunigungen als Fallbeschleunigungen bezeichnet. In diesem Sinne werden auch die aus diesen Beschleunigungen resultierenden vertikalen Geschwindigkeiten in diesem Dokument als Fallgeschwindigkeiten bezeichnet.
Derartige Fallbeschleunigungen können im Fall einer Entgleisung durch die Erdbeschleunigung und durch eine sich entspannende Primärfeder hervorgerufen werden, wobei der Endpunkt dieser „Fallbewegung" des Rades bzw. Radsatzes üblicherweise durch eine feste Fahrbahn bestimmt ist.
Sensoren, die den Gleichanteil der Beschleunigung messen können, sind für den Einsatz bei Schienenfahrzeugen nicht robust genug. Robuste Sensoren können jedoch den Gleichanteil nicht messen, sie besitzen eine untere Grertzfrequenz. Langsame Änderungen der Beschleunigung können somit nicht erfasst werden. Weiters weisen die Messsignale üblicherweise einen Offset auf, der Drifterscheinungen unterworfen ist. Bei der Verwendung von robusten Beschleunigungssensoren, sind es nicht die quasistatischen Anteile der Beschleunigung des Radsatzes, sondern in erster Linie Drifterscheinungen und niederfrequente elektromagnetische Einkopplungen, die den Amplitudenverlauf der erzeugten Beschleunigungssignale ergeben. Aus der DE 199 53 677 Cl ist ein Verfahren der oben genannten Art bekannt geworden. Das bekannte Dokument beschreibt ein Verfahren zur Erkennung einer Entgleisung eines spurgebundenen Fahrzeuges. Hierzu ist wird eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Bauelements des spurgebundenen Fahrzeugs vertikal und/ oder quer zu einer Fahrtrichtung ermittelt. Das Beschleunigungssignal wird zweifach über die Zeit integriert und dieses zweifach integrierte Beschleunigungssignal mit einem oberen und/ oder unteren Grenzwert verglichen, wobei bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes eine Entgleisung vorliegt.
Nachteilig an dieser bekannten Ausführungsform ist vor allem, dass durch die zweifache Integration ein sehr schlechter Signal-Rauschabstand gegeben ist. So kann eine einfache Integration den Signal-Rauschabstand um 20 dB pro Dekade des zu integrierenden Signals verringern. Durch eine zweifache Integration verringert sich der Signal-Rauschabstand schon um 40 dB pro Dekade. Somit wird bei einer zweifachen Integration ein niederfrequentes Störsignal um einen Faktor 10 (20 dB) mehr verstärkt, als das eigentliche Nutzsignal - die Fallbeschleunigung. Durch die zweifache Integration werden hohe Anforderungen an die Auswerteelektrorük gestellt, wodurch es zu hohen Herstellungskosten kommen kann. Weiters kann es mit dem bekannten Verfahren bzw. System aufgrund der erforderlichen, aufwendigen Auswerteelektronik zu Verzögerungen bei der Erkennung von entgleisten Zuständen kommen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu schaffen, der es ermöglicht, einfach, kostengünstig sowie schnell und mit hoher Zuverlässigkeit eine Entgleisung eines Radsatzes zu erkennen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus einem von dem Beschleunigungssensor erzeugten Beschleunigungssignal durch einfache Integration über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe eine Fallgeschwindigkeit des Rades in Richtung der Schienenebene ermittelt und anhand der ermittelten Fallgeschwindigkeit überprüft wird, ob ein entgleister Zustand vorliegt.
Es ist ein Verdienst der Erfindung, durch die Bestimmung der momentanen Fallsgeschwindigkeit mittels einfacher Integration des Beschleunigungssignals die Erkennung eines entgleisten Zustands wesentlich zu vereinfachen. Da sich durch die einfache Integration ein wesentlich besseres Signal-Rauschverhältnis als bei Mehrfachintegration ergibt, werden auch geringere Anforderungen an die Auswerteelektronik gestellt. Somit wird ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Auswerteelektronik ermöglicht. Weiters erlaubt die erfindungs- gemäße Lösung eine einfache, ausschließlich hardwaremäßige Realisierung, wodurch sich die Zuverlässigkeit der Entgleisungsdetektion weiter erhöhen lässt.
In einer ersten Variante der Erfindung wird der Wert der Fallgeschwindigkeit mit einer Grenzfallgeschwindigkeit verglichen wird, wobei bei Überschreiten der Grenzfallgeschwindigkeit auf einen entgleisten Zustand erkannt wird.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird aus dem zeitlichen Verlauf der Fallgeschwindigkeit auf einen entgleisten Zustand geschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Beschleunigungssignal im Bereich eines Achslagers erzeugt.
Um die Signalauswertung zu verbessern und die Robustheit des Verfahrens gegen Störeinflüsse zu erhöhen, werden niederfrequente in dem Beschleunigungssignal enthaltene Störanteile vor der Integration eliminiert.
Günstigerweise wird zur Eliminierung der Störanteile eine Hochpassfilterung verwendet.
Um den Verlauf der Fallbewegung durch Integration richtig wiedergeben zu können, wird die Gruppenlaufzeit der einzelnen Frequenzanteile des zu integrierenden Beschleunigungssignals bei der Filterung konstant gehalten.
Vorteilhafterweise wird die Integration des Beschleunigungssignals jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchgeführt, wobei der Endpunkt eines Zeitfensters den Anfangspunkt eines darauffolgenden Zeitfensters bildet.
Die Integration des Beschleunigungssignals kann jedoch auch jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchgeführt werden, wobei aufeinanderfolgende Zeitfenster einander abschnittsweise überlappen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, aus dem Beschleunigungssignal durch einfache Integration über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe eine Fallgeschwindigkeit des Rades in Richtung der Schienenebene zu ermitteln und anhand der ermittelten Fallgeschwindigkeit zu überprüfen, ob ein entgleister Zustand vorliegt. Bevorzugterweise ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die ermittelte Fallgeschwindigkeit mit einer Grenzfallgeschwindigkeit zu vergleichen, wobei bei Überschreiten der Grenz- fallgeschwindigkeit auf einen entgleisten Zustand erkannt wird.
Weiters kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, anhand des zeitlichen Verlaufs der Fallgeschwindigkeit einen entgleisten Zustand zu erkennen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Beschleunigungssensor im Bereich eines Achslagers eines Rades des Schienenfahrzeuges angeordnet.
Weiters kann ein Filter zur EUminierung niederfrequenter, in dem Beschleunigungssignal enthaltener Störanteile vor der Integration vorgesehen sein, wobei der Filter günstiger weise ein Hochpassfilter ist.
Darüber hinaus lässt der Filter Phasenbeziehungen von Frequenzanteilen des Beschleunigungssignals im wesentlichen unbeeinflusst.
Weitere Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Integration des Beschleunigungssignals jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchzuführen, wobei der Endpunkt eines Zeitfensters den Anfangspunkt eines darauffolgenden Zeitfensters bildet.
In einer anderen Variante der Erfindung kann die Auswerteeinheit auch dazu eingerichtet sein, die Integration des Beschleunigungssignals jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchzuführen, wobei aufeinanderfolgende Zeitfenster einander abschnittsweise überlappen.
Vorteilhafterweise ist im Bereich jedes Rades des Schienenfahrzeuges ein Beschleunigungssensor angeordnet.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Schienenfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf einer Fallgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges in einem Zeitfenster bei einer Entgleisung.
Gemäß Fig. 1 wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung eines entgleisten Zustandes eines Schienenfahrzeuges im Bereich eines Drehgestells DRE des Schienenfahrzeuges ein Beschleunigungssignal erzeugt. Hierzu weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Beschleunigungssensor BSE auf, der an einem Achslager AXL eines Rades RAD bzw. Radsatzes des Schienenfahrzeuges angeordnet sein kann. Günstigerweise ist im Bereich jedes Rades RAD, beispielsweise an jedem Achslager AXL, ein Beschleunigungssensor BSE angeordnet.
Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass besonders zuverlässige und repräsentative Messergebnisse erzielt werden können, wenn die Wirkungsrichtung der Beschleunigungssensoren BSE im wesentlichen normal zur Fahrtrichtung, d. h. normal zu einer Schienenebene ε verläuft. In der Zeichnung ist die Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges mit einem Pfeil FAR dargestellt, wobei die Wirkungsrichtung der Beschleunigungssensoren BSE normal auf die Zeichenebene verläuft. Unter Wirkungsrichtung eines Beschleunigungssensors BSE wird in diesem Dokument, die Richtung verstanden, in welcher der Sensor Beschleunigungskräfte bevorzugt aufnehmen und Signale liefern kann.
Die Beschleunigungssensoren BSE können beispielsweise als piezoelektrische Sensoren ausgebildet sein, bei welchen in bekannter Weise ein piezoelektrischer Kristall zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Kondensatorplatten angeordnet ist. Findet diese Art von Sensoren Verwendung so kann man dadurch, dass die beiden Kondensatorplatten im wesentlichen normal zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges verlaufen, eine Übereinstimmung der Wirkungsrichtung der Beschleunigungssensoren mit der Fahrtrichtung erreichen. Selbstverständlich können auch andere bekannte Beschleunigungssensoren, die auf anderen Mechanismen beruhen, verwendet werden. Derartige Sensoren sind dem Fachmann in großer Zahl bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
Das von dem Beschleunigungssensor BSE erzeugte Beschleunigungssignal BSI wird gemäß Fig. 2 an eine Auswerteeinheit ASW übermittelt, wobei die Übertragung des Beschleunigungssignals BSI von den Beschleunigungssensoren BSE an die Auswerteeinheit ASW über elektrische Leitungen, Glasfaserkabel oder drahtlos, beispielsweise über Funk oder Blue Tooth erfolgen kann. Die Auswerteeinheit kann ein entsprechend programmierter Mi ro- bzw. Signalprozessor sein, jedoch wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Gründen einer höheren Sicherheit einer rein hardwaretechnischen Realisierung der Auswerteeinheit ASW der Vorzug gegeben.
Aus dem Beschleunigungssignal wird in der Auswerteinheit ASW mittels einfacher Integration INT über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe die Fallgeschwindigkeit FAG des Rades RAD bzw. Radsatzes in Richtung der Schienenebene ε ermittelt. Hierbei kann die Integration des Beschleunigungssignals BSI jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern bzw. Zeitintervallen erfolgen, wobei der Endpunkt eines Zeitfensters den Anfangspunkt eines darauffolgenden Zeitfensters bilden kann. Weiters ist es auch möglich, dass aufeinanderfolgende Zeitfenster einander teilweise überlappen. Prinzipiell kann zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitfenstern auch ein zeitlicher Abstand bestehen.
Die Integration des Beschleunigungssignals BSI kann digital oder analog erfolgen. Schaltungen und Verfahren zur numerischen bzw. analogen Integration eines Signals über einen vorgebbaren Zeitbereich sind dem Fachmann in großer Zahl bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
Nach Berechnung der aktuellen Fallgeschwindigkeit FAG des Rades RAD in dem betrachteten Zeitfenster bzw. des Radsatzes wird diese mit einer Grenzfallgeschwindigkeit GFG verglichen, wobei bei Überschreiten dieser Grenzfallgeschwindigkeit, auf einen entgleisten Zustand erkannt wird. Da die in dem betrachteten Zeitfenster ermittelte Fallgeschwindigkeit im Fall einer Entgleisung Werte annimmt, die in einem Normalzustand (z. B. bei Weichenüberfahrten) nie erreicht werden können - im Normalbetrieb sind die auftretenden Höhendifferenzen zur Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeiten zu gering - kann eine Entgleisung mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit festgestellt werden. Somit nimmt der Wert des Integrals des Beschleunigungssignals über das betrachtete Zeitfenster im Fall einer Entgleisung Werte an, die im Normalbetrieb nicht erreicht werden können.
Zum einen kann somit anhand des Wertes des bestimmten Integrals, dessen obere und untere Grenze durch das jeweils betrachtete Zeitfenster festgelegt sind, des Beschleuni- gungssignals auf eine Entgleisung geschlossen werden. Zum anderen kann aber auch aus dem Verlauf der Fallgeschwindigkeit als Funktion der Zeit in dem betrachteten Zeitintervall auf eine Entgleisung geschlossen werden.
Gemäß Fig. 3 kann eine Änderung in dem zeitlichen Verlauf der Fallgeschwindigkeit FAG innerhalb des Integrationsintervalls, welches in der hier gezeigten Darstellung bei ca. einer Sekunde liegt, um einen vorgebbaren Wert einer Entgleisung entsprechen. Der in Fig. 3 dargestellte zeitliche Verlauf der Fallgeschwindigkeit FAG, ist, wie bereits oben erwähnt, durch einmalige Integration des Beschleunigungssignals BSI gewonnen, wobei die Wirkungsrichtung des zugehörigen Beschleunigungssensors BSE von der Schienenebene ε aus betrachtet nach „oben" gerichtet ist, sodass eine Fallbewegung des Schienenfahrzeuges in Richtung der Schienenebene als „negative" Geschwindigkeit in dem Verlauf auftritt. Natürlich könnte die Wirkrichtung des Beschleunigungssensors BSE auch in Richtung der Schienenebene ε zeigen, wobei sich dann ein an der Nulllinie NUL gespiegelter Verlauf der Fallgeschwindigkeit FAG ergeben würde.
Das Ende der Fallbewegung des Schienenfahrzeuges ist durch das Minimum MIN des zeitlichen Verlaufes charakterisiert. Das Minimum MIN entspricht bei Entgleisung zeitlich dem Auftreffen des Schienenfahrzeuges auf der Fahrbahn. Hierauf erfolgt aufgrund der infolge des Aufschlags auf der Fahrbahn nach oben wirkenden Beschleunigung ein positiver Wert der Fallgeschwindigkeit.
Weiters kann die Auswerteeinheit ASW einen Filter FIL zur Eliminierung niederfrequenter Störungen vor der Integration aufweisen, die beispielsweise von Drifterscheinungen und niederfrequenten elektromagnetischen Einstreuungen verursacht sind, um das Signal- Rauschverhältnis zu verbessern. Um eine scharfe Trennung von Nutz- und Störsignal zu erzielen, wird bevorzugterweise ein Filter mit einem schnellen Übergang von seinem Sperr- zu seinem Durchlassbereich verwendet. Filter mit einem schnellen Übergang von einem gesperrten zu einem durchgelassenen Frequenzbereich können die Phasenlagen zwischen den einzelnen Frequenzanteilen des zu integrierenden Signals verändern. Dies kann zur Folge haben, dass der Verlauf der Fallbewegung durch Integration nicht mehr richtig rekonstruiert werden kann.
Aus diesem Grund wird bevorzugterweise ein Filter verwendet, der die Phasenbeziehungen der einzelnen in dem Signal enthaltenen Frequenzanteile zueinander nicht verändert. Diese Bedingung ist beispielsweise für Besselfilter bzw. für FIR-Filter erfüllt. Bevorzugterweise erfolgt die Filterung des Signals mit einem zur Familie der Besselfilter gehörigen Hochpass. Für sicherheitskritische Anwendungen wird Besselfiltern gegenüber FIR-Filtern der Vorzug gegeben, da vergleichbare FIR-Filter eine höhere Reaktionszeit aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sich sehr leicht, auch hardwaretechnisch, realisieren lässt und für sicherheitskritische Anwendungen sehr gut geeignet ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erkennung eines Entgleisungszustandes eines Rades (RAD) eines Schienenfahrzeuges, wobei die Beschleunigung des Rades (RAD) normal zu einer Schienenebene (ε) mit zumindest einem Beschleunigungssensor (SEN) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem von dem Beschleunigungssensor (SEN) erzeugten Beschleunigungssignal (BSI) durch einfache Integration (INT) über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe eine Fallgeschwindigkeit (FAG) des Rades (RAD) in Richtung der Schienenebene (ε) ermittelt und anhand der ermittelten Fallgeschwindigkeit (FAG) überprüft wird, ob ein entgleister Zustand vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Fallgeschwindigkeit mit einer Grenzfallgeschwindigkeit (GFG) verglichen wird, wobei bei Überschreiten der Grenzfallgeschwindigkeit (GFG) auf einen entgleisten Zustand erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Fallgeschwindigkeit (FAG) auf einen entgleisten Zustand geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigungssignal (BSI) im Bereich eines Achslagers (ALA) eines Rades (RAD) des Schienenfahrzeuges erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass niederfrequente, in dem Beschleunigungssignal (BSI) enthaltene Störanteile vor der Integration (INT) mittels einer Filterung (FIL) eliminiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der Störanteile eine Hochpassfilterung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Phasenbeziehungen von Frequenzanteile des zu integrierenden Beschleunigungssignals (BSI) zueinander bei der Filterung (FIL) erhalten bleiben.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration (INT) des Beschleunigungssignals (BSI) jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchgeführt wird, wobei der Endpunkt eines Zeitfensters den Anfangspunkt eines darauffolgenden Zeitfensters bildet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration des Beschleunigungssignals (BSI) jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchgeführt wird, wobei aufeinanderfolgende Zeitfenster einander abschnittsweise überlappen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jedes Rades (RAD) des Schienenfahrzeuges ein Beschleunigungssignal (BSI) erzeugt wird.
11. Vorrichtung zur Erkennung eines Entgleisungszustandes eines Rades (RAD) eines Schienenfahrzeuges, welche zumindest einen Beschleunigungssensor (BSE) zur Erfassung der Beschleunigung des Rades (RAD) normal zu einer Schienenebene (ε) aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (BSE) mit einer Auswerteeinheit (ASW) zur Auswertung eines von dem Beschleunigungssensors (BSE) erzeugten Beschleunigungssignals (BSI) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (ASW) dazu eingerichtet ist, aus dem Beschleunigungssignal (BSI) durch einfache Integration (INT) über ein Zeitfenster vorgebbarer Größe eine Fallgeschwindigkeit (FAG) des Rades (RAD) in Richtung der Schienenebene (ε) zu ermitteln und anhand der ermittelten Fallgeschwindigkeit (FAG) zu überprüfen, ob ein entgleister Zustand vorliegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (ASW) dazu eingerichtet ist, die ermittelte Fallgeschwindigkeit (FAG) mit einer Grenzfallgeschwindigkeit (GFG) zu vergleichen, wobei bei Überschreiten der Grenzfallgeschwindigkeit (GFG) auf einen entgleisten Zustand erkannt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (ASW) dazu eingerichtet ist, anhand des zeitlichen Verlaufs der Fallgeschwindigkeit (FAG) einen entgleisten Zustand zu erkennen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (BSE) im Bereich eines Achslagers (ALA) eines Rades (RAD) des Schienenfahrzeuges angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (FIL) zur Eliminierung niederfrequenter, in dem Beschleunigungssignal (BSI) enthaltener Störanteile vor der Integration (INT) vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (FIL) ein Hochpassfilter ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (FIL) Phasenbeziehungen von Frequenzanteilen zueinander des Beschleunigungssignals (BSI) im wesentlichen unbeeinflusst lässt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (ASW) dazu eingerichtet ist, die Integration (INT) des Beschleunigungssignals (BSI) jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchzuführen, wobei der Endpunkt eines Zeitfensters den Anfangspunkt eines darauffolgenden Zeitfensters bildet.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (ASW) dazu eingerichtet ist, die Integration des Beschleunigungssignals (BSI) jeweils in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern durchzuführen, wobei aufeinanderfolgende Zeitfenster einander abschnittsweise überlappen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jedes Rades (RAD) des Schienenfahrzeuges ein Beschleunigungssensor (BSE) angeordnet ist.
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