EP4237310A1 - System und verfahren zum überwachen des zustands eines rades eines schienenfahrzeugs - Google Patents

System und verfahren zum überwachen des zustands eines rades eines schienenfahrzeugs

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EP4237310A1
EP4237310A1 EP21787368.6A EP21787368A EP4237310A1 EP 4237310 A1 EP4237310 A1 EP 4237310A1 EP 21787368 A EP21787368 A EP 21787368A EP 4237310 A1 EP4237310 A1 EP 4237310A1
Authority
EP
European Patent Office
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wheel
output
temperature
determined
operating parameter
Prior art date
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Granted
Application number
EP21787368.6A
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English (en)
French (fr)
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EP4237310B1 (de
Inventor
Miklos Kremer
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Publication of EP4237310A1 publication Critical patent/EP4237310A1/de
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Publication of EP4237310B1 publication Critical patent/EP4237310B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/04—Detectors for indicating the overheating of axle bearings and the like, e.g. associated with the brake system for applying the brakes in case of a fault
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0081—On-board diagnosis or maintenance

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for monitoring the condition of a wheel of a rail vehicle, in particular during operation of the rail vehicle.
  • EP 3 517 927 A1 discloses a method for detecting a Known crack in a wheel set of a rail vehicle.
  • DE 198 33 027 C1 describes a method for testing a railway wheel.
  • EP 1 485 704 A1 a device for electromagnetic and ultrasonic diagnosis of wheels is known from EP 1 485 704 A1.
  • EP 3 206 933 A1 describes a method for diagnosing the condition of wheels on rail vehicles.
  • this object is achieved by a system for monitoring the state of a wheel of a rail vehicle.
  • a system for monitoring the state of a wheel of a rail vehicle comprises a detection unit which is set up to detect at least one operating parameter for the wheel during a braking event, an evaluation unit which is set up to use the detected operating parameter to calculate a temperature value for the wheel, and a control unit configured to generate and output an output as a function of the determined temperature value.
  • the invention is based on the basic idea of being able to detect a structural change in the wheel during ongoing operation by means of temperature monitoring or thermal monitoring.
  • the structure diagrams are known and can be stored in the system. Is achieved by the thermal monitoring, also, if necessary, by the time profile of the temperature (i.e. monitoring the temperature curve) and the corresponding adjustment or by monitoring the temperature curve alone without adjustment If it is recognized that a problematic structural transformation is taking place or could take place or is to be feared, a corresponding warning message is issued.
  • the condition of the wheel can be monitored in particular while the rail vehicle is in operation. This is an important difference from known methods in which the monitoring takes place, for example, at predetermined time intervals and the rail vehicle has to be taken to a workshop, for example.
  • the data recorded during the braking event are evaluated directly and conclusions about the state of the wheel can be output directly.
  • monitoring or diagnostics can be performed to detect the formation of martensite and/or other indications of crack or fracture formation. Furthermore, it can be recognized that there is a risk of weakening of the material. In addition, the diagnosis can be used to detect the occurrence of hazards after braking with a disadvantageous adhesion profile.
  • a basic idea of the invention is that a probability for the formation of martensite in the wheel of the rail vehicle is determined. This information is then used to identify whether the wheel needs to be checked, for example using a non-destructive testing method, and/or whether the wheel needs to be treated, for example using a lathe.
  • the system makes use of the fact that the speeds of the wheels and the speed of the rail vehicle, ie a reference speed, can be recorded. These values are already being used, for example to detect or prevent wheel slippage. For example, a "wheel slide protection" system (WSP) or a similar system is used.
  • WSP wheel slide protection
  • values recorded by a brake control unit 1 (BCU) can also be used, in which, for example, the brake pressures applied by brake cylinders are recorded.
  • the speeds of the wheels and the vehicle as well as the cylinder pressures of the braking system can be used in a simplified thermal model of the material of the tread of a wheel, in particular to determine a temperature distribution in the material.
  • a model can be executed by the evaluation unit.
  • a more detailed thermal model of the material of the tread of a wheel is necessary, for example for the simulation using a finite element method. Calculations based on such a model can require significant computing power and the calculations can take a long time. This usually excludes the use of such a detailed model on an evaluation unit provided directly in the vehicle. Instead, it can be provided that a table with temperature values and/or a characteristic curve is determined on the basis of the more detailed thermal model outside the rail vehicle, which the system then accesses; for example, a table and/or a characteristic curve can be stored on a memory unit of the system.
  • an average temperature of the wheel can be calculated using the simplified thermal model and the locally occurring peak values can be determined by looking up a table, the values stored in the table having been determined with greater computational effort and using more complex models. Specifically, the peak values determined from the table are added to the average temperature.
  • the time-temperature curves obtained in this way can be compared with material-specific curves that describe the conditions for certain changes in the metal structure.
  • austenite such as a specific temperature increase for a specific time.
  • cooling has subsequently taken place sufficiently quickly for the formation of martensite.
  • a probability that the formation of martensite has occurred is determined.
  • the probability for a specific wheel, a pair of wheels or a differently defined set of wheels can be determined.
  • an error code may be generated, output, and/or stored that includes a particular probability of martensite formation in a wheel.
  • the detection unit is also set up to detect a braking parameter, in particular a braking pressure of a brake cylinder and/or a braking force.
  • the energy can advantageously be determined in a particularly simple and direct manner, which occurs during braking via the contact between the wheel and the rail must be derived. Furthermore, this operating parameter is usually particularly easily accessible via a brake controller of the rail vehicle.
  • the operating parameter recorded for the wheel includes a wheel speed, in particular a rotational speed of the wheel, and/or a speed of the rail vehicle.
  • the kinetic energy to be absorbed during braking can advantageously be determined simply using basic parameters of the operation of the rail vehicle. It can also be checked whether the wheel blocks when braking or whether it continues to rotate. In particular, the values mentioned can easily be detected by means of a control device which is usually already present and by means of which, for example, the wheel is prevented from slipping during braking.
  • the operating parameter recorded for the wheel includes a time derivation of the wheel speed, in particular the rotational speed of the wheel, and/or the speed of the rail vehicle.
  • a simple and/or multiple time derivation of the wheel speed, in particular the rotational speed of the wheel, and/or the speed of the rail vehicle can be recorded.
  • the dynamics of the braking event are advantageously recorded in a particularly simple manner, and the energies that occur can be easily determined.
  • the at least one operating parameter for the wheel can be detected using an anti-slip system.
  • the detection unit is included in the anti-slip system or the anti-slip system can be used as a detection unit.
  • an anti-skid system that is known per se and may already be present, such as can be integrated into a brake control system of the rail vehicle, are advantageously used for detecting the operating parameter.
  • the system can thus be operated particularly efficiently. It can also be easily integrated into existing rail vehicles be integrated, since at best no new sensor devices have to be provided.
  • the rail vehicle has an anti-slip system (“wheel slide protection system”, WSP), by means of which the operating parameter for the wheel is recorded. Furthermore, it can be provided that at least one of several operating parameters recorded for the wheel is recorded by the anti-skid system.
  • WSP wheel slide protection system
  • WSP systems are usually already designed in such a way that a wheel speed, a vehicle speed and/or a brake pressure are detected. It is therefore particularly easy to access this already existing data.
  • the temperature value determined for the wheel includes an average temperature of a running surface of the wheel and/or a temperature distribution along the running surface of the wheel and/or a temperature on a contact surface of the wheel. In particular, it is determined whether the wheel continues to rotate when braking or whether it locks and slides on the rail.
  • phase transitions or structural changes can occur which, for example, promote the development of expanding damage areas, such as cracks.
  • the evaluation unit is set up to determine the average temperature of the running surface of the wheel when determining the temperature value for the wheel using a simplified thermal model and to determine temperature peaks using a look-up table.
  • an analysis method that can be carried out with a manageable amount of computing effort is advantageously combined with more complex simulation methods.
  • the simplified thermal model makes it possible to determine the average temperature of the tread with sufficient accuracy practically in real time based on the recorded operating parameter.
  • the analysis can be carried out, for example, by a computing unit in the rail vehicle itself.
  • the determination of the temperature peaks that can occur during a braking process is usually carried out using very computationally intensive methods and therefore typically cannot be carried out in real time, at least not with the usual on-board resources of a rail vehicle. Therefore, simulations can be used to determine values under various conditions and store them in a look-up table.
  • the evaluation unit is then set up to determine and use the value or values from the look-up table that match the currently recorded operating parameters. In this case, the lookup replaces the completely new calculation and allows the results to be sufficiently accurate.
  • the temperature at a contact surface of the wheel with the rail can also be determined using the simplified thermal model.
  • control unit is set up to generate the output depending on at least one temperature threshold value being reached.
  • the output can also be generated as a function of a change over time in the detected operating parameter.
  • control unit is also set up to determine a probability of occurrence of a damaged area, in particular a probability of martensite formation, and to generate the output as a function of at least one probability threshold value.
  • the output can then include information about the probability of which problems to expect and countermeasures can be taken in a targeted manner, for example certain maintenance measures.
  • the output includes a warning message and/or a diagnostic message and/or an error code.
  • the control unit is optionally set up to store the output in a diagnostic memory.
  • the output can advantageously be read out later, for example by an authorized user.
  • the output can also be output directly. For example, depending on the output, an optically or acoustically perceptible signal can be generated. For example, if the output includes a particular error code, a first signal may be output, and if the output includes another error code, a second signal may be output.
  • the signal can be used, for example, to issue a request to carry out a specific maintenance measure.
  • At least one operating parameter for the wheel is detected when a braking event occurs.
  • a temperature value for the wheel is determined on the basis of the detected operating parameter and an output is generated and output as a function of the determined temperature value.
  • the method is designed in particular to operate the system. It therefore has the same advantages as the system.
  • 1A shows an embodiment of the system.
  • FIGS. 2A and 2B show schematic representations of a wheel under different braking conditions.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of a wheel and rail.
  • 5 shows characteristics relating to the formation of austenite.
  • Fig. 6 shows characteristics relating to the generation of martensite.
  • FIG. 1A shows an exemplary embodiment of a system 100 according to the invention.
  • system 100 is integrated into a rail vehicle 10 or a subsystem of a rail vehicle 10.
  • the rail vehicle 10 thus has the system 100 .
  • the system has a detection unit 20 .
  • the detection unit 20 is part of an anti-slip device 30 which is formed in a manner known per se in the manner of a WSP (wheel slide protection) system.
  • WSP wheel slide protection
  • the system 100 also has an evaluation unit 40 .
  • the system 100 also has a control unit 50 .
  • the acquisition unit 20 is set up to acquire at least one operating parameter for the wheel in the event of a braking event.
  • the detection unit 20 can further be set up to detect the presence of the braking event itself, something by detecting an activity of a brake cylinder.
  • the evaluation unit 40 is set up to determine a temperature value for a wheel of the rail vehicle 10 based on the detected operating parameter.
  • the control unit 50 is set up to generate and output an output as a function of the determined temperature value.
  • the function of the system 100 can basically be described as follows:
  • Data is recorded by means of the recording unit 20, by means of which the evaluation unit 40 monitors the temperature.
  • a temperature or a development of the temperature over time is determined, which occurs at a wheel during a braking event.
  • This thermal monitoring is used to identify during ongoing operation of the rail vehicle 10 whether the conditions for a specific structural change in the wheel are present.
  • microstructure diagrams known per se are used in particular.
  • the System 100 enables the following advantages:
  • Critical states of the wheel can be detected while the rail vehicle 10 is in operation, and operational safety can be improved.
  • Such critical states can be pointed out, in particular in direct temporal connection with their occurrence and/or at a later point in time.
  • maintenance or repair measures can be initiated, for example to remedy damage to the wheel that has occurred or is to be feared during the braking event.
  • 1B shows an exemplary embodiment of the method which is explained below.
  • the starting point here is in particular the exemplary embodiment of the system explained above with reference to FIG. 1A, which is specified in more detail by the following explanations.
  • a step S10 at least one operating parameter for the wheel is recorded when a braking event occurs.
  • a force is determined at a contact surface between the wheel and the rail.
  • Data is collected about the speed of the wheel.
  • a braking force of a braking system of the rail vehicle is recorded.
  • the exemplary embodiment provides for a control unit of an anti-slip device (WSP) to process the operating parameters and data recorded.
  • WSP anti-slip device
  • An energy is determined which is absorbed by the wheel via the contact surface.
  • the variables that occur can include a braking force P(t) and a wheel speed V W heei(t), which each depend on the time t and are recorded in particular as a function of the time t.
  • a simplified thermal model of the wheel is used. It is checked whether the wheel rotates during braking or whether it locks and slides over the rail (wheel lock-up). Especially the values recorded or determined in step S10 are used in the model.
  • an average temperature Tmodei(t) of the tread of the wheel is determined as a function of time t.
  • the temperature Tmodei(t) for the contact area between the wheel tread and the rail is determined as a function of time t.
  • a step S30 the temperature Tmodei(t) determined using the simplified model is modified.
  • Parameters are used that were previously determined by simulation using an FEM method. These parameters are provided, for example, by a storage unit.
  • a modified Tmodified(t) is determined depending on the time t.
  • a step S40 the temperature Tmodified(t) determined in this way is compared with a predefined diagram which includes a characteristic curve which characterizes the prerequisites for austenitization of the material of the wheel or its running surface.
  • FIG. 5 An example diagram 500 that can be used in step S40 is shown in FIG. 5 .
  • step S70 it is checked whether austenitization has taken place. If this is not the case, it is determined in step S70 that there is no risk of martensite formation.
  • step S40 if determined in step S40 that the conditions for a
  • a step S50 the determined Temperature Tmodified (t) compared with a predetermined further diagram, which includes a characteristic that characterizes the prerequisites for the formation of martensite for the material of the wheel or its tread.
  • FIG. 600 An example diagram 600 that can be used in step S50 is shown in FIG.
  • step S70 it is checked whether the prerequisites for the formation of martensite are present, especially if the material cools down sufficiently quickly. If this is not the case, it is again determined in step S70 that there is no risk of martensite formation.
  • step S50 determines that the prerequisites for the formation of martensite are present, for example sufficiently rapid cooling, then it is determined in step S60 that there is a risk of martensite formation.
  • an output is then generated and output.
  • This includes, for example, an error code which indicates whether or not there was a risk of martensite formation.
  • a probability with which martensite has formed is also determined in step S60.
  • the output generated may include this probability.
  • step S70 a probability can be determined with which martensite has formed.
  • the output generated may include this probability.
  • a threshold value can be specified and the determined value of the probability that martensite has formed can be compared with the threshold value. Then the output can be in Depending on this comparison are generated. For example, an alert can be generated and issued when the threshold has been exceeded.
  • the detection unit 20 can include sensors of the MGS3 type, for example.
  • the values and parameters recorded by the recording unit 20 make it possible to determine the instantaneous heat on the wheel surface in real time or almost in real time. Even with current anti-skid systems (WSP, "wheel slide protection 11 ), it is not always possible to prevent the wheels from being overloaded, particularly as a result of the input of energy or heat during a braking process. However, based on the data recorded by the anti-skid system, it can be detected that sliding is occurring and/or the duration of a sliding process of a wheel or a wheelset can be determined. A suitable thermal model of the wheel and known material properties of the wheel can be used to determine whether and how transitions between different material states occur, for example between different microstructures or phases of a metal material.
  • a diagnostic memory can be read out at regular intervals, for example monthly or on specific occasions, for example during regular maintenance of the wheel or wheel set.
  • the data stored in the diagnostic memory can be used to determine whether the wheel should be treated with a lathe. Furthermore, based on the data stored in the diagnostic memory, it can be determined that no treatment with a lathe is required. Furthermore, can based on the data stored in the diagnostic memory, it can be determined that a non-destructive diagnosis of the wheel or wheel set, for example by means of ultrasound, should be carried out in order to detect cracks and/or local changes in the hardness of the material.
  • a model is described below by way of example, by means of which the formation of a potentially hardened material texture can be determined.
  • martensite formation can be determined and/or a probability is determined that martensite formation has occurred during a braking event.
  • the wheel speed, the vehicle speed and the brake pressure applied by a brake cylinder are detected by means of the sensors included in the detection unit.
  • a simplified thermal model is accessed, which is provided, for example, by means of the evaluation unit.
  • the simplified thermal model can be provided, for example, on a plug-in card and/or a computing unit of a central control unit.
  • the energy absorbed by the wheel is first determined, for example according to the following model, which is explained with reference to Fig. 2A and Fig. 2B and Fig. 4:
  • the sliding speed is multiplied by the actual braking force at the contact between the wheel 210, 420 and the rail 440 .
  • a contact force is determined based on the pressure of the brake cylinders. Furthermore, the angular acceleration of the wheelset is also taken into account, where J denotes a moment of inertia of the wheels:
  • Fi designates the braking force that acts on an individual wheel 210, 420 at the contact surface between wheel 210, 420 and rail 440. This is a direct function of the actual brake pressure p c .
  • This function F(p c ) can be determined, for example, using the general calculations of a braking process, as described in UIC 544-1.
  • the surface temperature can then be determined, taking into account in particular that in this case the heat can quickly be partitioned by around 50% permanently, ie around 50% of the heat generated is absorbed by the wheel. This is described, for example, in P.T. Zwierczyk, "Thermal stress analysis of a railway wheel-rail rolling-sliding contact", Budapest 2015. Other models can be assumed to have a different partition, for example depending on certain environmental parameters.
  • a simplified thermal model of the wheel 210, 420 can be determined.
  • Fig. 3 shows an example of a temperature profile determined according to this modified model: At the peaks in temperature, the observed point on the running surface of the wheel 210, 420 touches the rail 440 and absorbs heat, then the contact is broken and the point cools down again .
  • the average temperature of the wheel is shown as a dashed line, the temperature with additional peaks is shown as a solid line.
  • Fig. 2A the model is shown for the case that the wheel is rotating, while in Fig. 2B the case is shown that the wheel 210, 420 is blocked ("lock-up" with the wheel 210, 420 over the rail 440 slides.
  • Tdrcie denotes a temperature of the tread, specifically an average temperature.
  • the mass of the tread 220 is pre-calculated in the example.
  • the Kalker method can be used, for example, in which the radius of the wheel 210 and the width of the surface 220 are determined specifically for the vehicle. Furthermore, the depth of the tread can be calculated using simulations. The result is roughly the following representation:
  • a temperature Tspot of the contact point 230 can be determined in a model for the case shown in FIG. 2B.
  • the area of the contact point 230 can be assumed to be approximately 1 cm 2 in area and 2 mm in depth.
  • the area can be calculated specifically for the vehicle.
  • the Kalker method can be used for this, for example.
  • the depth of the tread can be calculated using simulations.
  • FIG. 3 shows an example of how the temperature changes at a point in the area of the tread of the wheel 210 , 420 during braking when the wheel 210 , 20 rotates during a braking process.
  • the increase in the average temperature in the area of the tread is shown as a dashed line 310 .
  • those shown as solid line 320 are Temperature peaks have to be taken into account, whereby the peaks will occur when the point contacts the rail and absorbs energy, while the energy is then released again and the temperature correspondingly decreases again (Source: PT Zwierczyk, "Thermal stress analysis of a railway wheel-rail rolling-sliding contact”, Budapest 2015).
  • the average temperature along the circumference of the tread 230 changes slowly compared to the temperature peaks.
  • the average temperature is determined using the simplified model discussed above with reference to Figure 2A.
  • at least one parameter is determined by fitting using a finite element method (FEM), in particular the dashed line 310 in FIG.
  • FEM finite element method
  • a temperature versus time curve can now be used, such as from the data shown in FIG.
  • the temperature changes during the braking event are taken into account, that is to say in particular temperature increases and temperature drops.
  • the diagram represents a time-temperature transformation diagram (continuous cooling transformation, CCT).
  • a material composition as follows is assumed: 0.33% C, 1.12% Mn, 0.30% Si, 0.027% S, 0.018% P, 0.24% Ni, 0.11% Cr, 0 .04% Mo, 0.19% Cu, 0.010% Al, grain size 8-9, austenitized at 850°C (1562°F) for 1 h.
  • FIG. 6 shows a CCT diagram 600 for an exemplary steel as the material of the wheel. This graph relates the texture of the material as a function of cooling rate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Überwachen des Zustands eines Rades (210, 420) eines Schienenfahrzeugs (10), umfassend eine Erfassungseinheit (20), die dazu eingerichtet ist, bei einem Bremsereignis zumindest einen Betriebsparameter für das Rad (210, 420) zu erfassen, eine Auswertungseinheit (40), die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Betriebsparameters einen Temperaturwert für das Rad (210, 420) zu bestimmen; und eine Steuereinheit (50), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe zu erzeugen und auszugeben. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Rades (210, 420) eines Schienenfahrzeugs (10), bei dem bei einem Bremsereignis zumindest ein Betriebsparameter für das Rad (210, 420) erfasst wird, anhand des erfassten Betriebsparameters ein Temperaturwert für das Rad (210, 420) zu bestimmt wird und in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe erzeugt und ausgegeben wird.

Description

BESCHREIBUNG
System und Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Rades eines Schienenfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Rades eines Schienenfahrzeugs, insbesondere während des Betriebs des Schienenfahrzeugs.
Bei Bremsvorgängen sind die Räder eines Schienenfahrzeugs starken Belastungen ausgesetzt. Es gilt dabei zu vermeiden, dass Beschädigungen an den Rädern auftreten, etwa durch starke Reibung oder durch plötzliches und massives Erhitzen des Materials. Dies ist besonders dann erschwert, wenn bei ungünstigen Adhäsionseigenschaften des Untergrunds sehr stark gebremst wird. Dies kann beispielsweise vermehrt in Gegenden auftreten, die einem maritimen Klima ausgesetzt sind, insbesondere bei hoher Feuchtigkeit und damit einhergehend schlechter Adhäsion zwischen Rad und Schiene.
Es sind Systeme bekannt, die das Blockieren beziehungsweise Rutschen eines Rades während des Bremsvorgangs verhindern. Somit wird beispielsweise die Ausbildung von flachen Stellen im ansonsten kreisrunden Umfang des Rades vermieden. Dennoch können unter widrigen Bedingungen Fälle auftreten, bei denen es zu Beschädigungen des Rades oder zu nachteiligen Veränderungen des Materials kommt, beispielsweise verbunden mit der Bildung von Martensit im Material des Rades. Bereiche eines Metallrades, insbesondere im Bereich der Lauffläche des Rades, bei denen sich das Gefüge des Materials zu Martensit verändert haben, sind härter und spröder als das umgebende Material und daher oft Ausgangspunkte für die Bildung von oberflächlichen Rissen und für Materialverluste.
Es ist bekannt, Laufräder in bestimmten Abständen mittels eines zerstörungsfreien Tests zu untersuchen und gegebenenfalls beschädigtes Material zu entfernen, etwa mittels einer Drehmaschine.
Beispielsweise ist aus der EP 3 517 927 A1 ein Verfahren zum Detektieren eines Risses in einem Radsatz eines Schienenfahrzeugs bekannt.
Ferner beschreibt die DE 198 33 027 C1 ein Verfahren zum Prüfen eines Eisenbahnrads.
Ferner ist aus der EP 1 485 704 A1 eine Vorrichtung zur elektromagnetischen und Ultraschall-Diagnose bei Rädern bekannt.
Zudem beschreibt die EP 3 206 933 A1 ein Verfahren zur Zustandsdiagnose von Rädern von Schienenfahrzeugen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass die Entstehung von kritischen Strukturen im Material eines Rades und/oder eine Initialisierung von Rissen erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zum Überwachen des Zustands eines Rades eines Schienenfahrzeugs.
Danach ist vorgesehen, dass ein System zum Überwachen des Zustands eines Rades eines Schienenfahrzeugs eine Erfassungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, bei einem Bremsereignis zumindest einen Betriebsparameter für das Rad zu erfassen, eine Auswertungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Betriebsparameters einen Temperaturwert für das Rad zu bestimmen, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe zu erzeugen und auszugeben.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, durch eine Temperaturüberwachung beziehungsweise thermische Überwachung eine Gefügeänderung des Rades noch im laufenden Betrieb erkennen zu können. Grundsätzlich sind die Gefügediagramme bekannt und können im System hinterlegt sein. Wird durch die thermische Überwachung, auch gegebenenfalls durch den zeitlichen Verlauf der Temperatur (also Überwachung der Temperaturkurve) und den entsprechenden Abgleich beziehungsweise durch Überwachung der Temperaturkurve allein ohne Abgleich erkannt, dass hier eine problematische Gefügeumwandlung stattfindet beziehungsweise stattfinden könnte oder zu befürchten ist, so wird eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben.
Dadurch werden vorteilhafterweise relevante Parameter für den Zustand und die Sicherheit eines Rades sowie für dessen Instandhaltung bereitgestellt. Ferner können Kosten bei der Instandhaltung optimiert werden, indem besonders aufwendige Verfahren besonders gezielt eingesetzt werden. Ferner können Instandhaltungsarbeiten vorteilhafterweise nach Notwendigkeit statt nach festen Zeitintervallen geplant und durchgeführt werden; dadurch können unnötige Wartungsarbeiten vermieden werden. Ferner kann eine Behandlung des Rades an der Drehmaschine vorgenommen werden, noch bevor sich Risse im Material bilden und ausbreiten können.
Der Zustand des Rades kann insbesondere im laufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs überwacht werden. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen die Überwachung zum Beispiel in vorgegebenen zeitlichen Abständen erfolgt und das Schienenfahrzeug zum Beispiel in eine Werkstatt gebracht werden muss. Bei der Erfindung werden die beim Bremsereignis erfassten Daten direkt ausgewertet und Schlussfolgerungen auf den Zustand des Rades können direkt ausgegeben werden.
Bei der Erfindung kann also eine Überwachung beziehungsweise eine Diagnose ausgeführt werden, um die Entstehung von Martensit und/oder anderen Hinweisen auf die Bildung von Rissen oder Bruchstellen zu erkennen. Ferner kann erkannt werden, dass die Gefahr einer Schwächung des Materials besteht. Zudem kann die Diagnose genutzt werden, um das Auftreten von Gefahren nach dem Bremsen bei einem nachteiligen Adhäsionsprofil zu detektieren.
Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, dass eine Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Martensit bei dem Rad des Schienenfahrzeugs bestimmt wird. Diese Information wird dann genutzt, um zu erkennen, ob eine Überprüfung des Rades, etwa mittels eines zerstörungsfreien Testverfahrens, angezeigt ist und/oder ob eine Behandlung des Rades notwendig ist, etwa mittels einer Drehmaschine. Dabei wird ausgenutzt, dass in modernen Schienenfahrzeugen oft eine Vielzahl von Parametern erfasst wird, die dazu genutzt werden können, die am Kontakt zwischen Rad und Schiene auftretenden Energien zu bestimmen. Insbesondere nutzt das System aus, dass die Geschwindigkeiten der Räder sowie die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, das heißt eine Referenzgeschwindigkeit, erfasst werden können. Diese Werte werden bereits verwendet, etwa um das Rutschen von Rädern zu erkennen beziehungsweise zu vermeiden. Beispielsweise wird ein „wheel slide protection“ -System (WSP) oder ein ähnliches System verwendet. Zudem können auch von einer Bremssteuerung (englisch: „brake control unit1, BCU) erfasste Werte genutzt werden, bei denen etwa die von Bremszylindern aufgebrachten Bremsdrücke erfasst werden.
Die Geschwindigkeiten der Räder sowie des Fahrzeugs sowie die Zylinderdrücke des Bremssystems können in einem vereinfachten thermischen Modell des Materials der Lauffläche eines Rades verwendet werden, insbesondere um eine Temperaturverteilung in dem Material zu ermitteln. Ein solches Modell kann von der Auswertungseinheit ausgeführt werden.
Um eine möglichst realitätsnahe Simulation des Ansteigens und/oder Abfallens der Temperatur im Material durchzuführen, beispielsweise um die Temperaturspitzen an einer Position des Rades pro Umdrehung des Rades zu berechnen, ist insbesondere ein detaillierteres thermisches Modell des Materials der Lauffläche eines Rades notwendig, etwa zur Simulation mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens. Für Berechnungen anhand eines solchen Modells können erhebliche Rechenkapazitäten erforderlich sein und die Berechnungen können lange dauern. Dies schließt üblicherweise die Verwendung eines derart detaillierten Modells auf einer direkt im Fahrzeug vorgesehenen Auswertungseinheit aus. Stattdessen kann vorgesehen sein, dass anhand des detaillierteren thermischen Modells außerhalb des Schienenfahrzeugs eine Tabelle mit Temperaturwerten und/oder eine Kennkurve bestimmt wird, auf welche das System dann zugreift; beispielsweise kann eine Tabelle und/oder eine Kennkurve auf einer Speichereinheit des Systems gespeichert sein. Bei dem System kann daher mittels des vereinfachten thermische Modells eine Durchschnittstemperatur des Rades berechnet werden und die lokal auftretenden Spitzenwerte können durch Nachschlagen in einer Tabelle ermittelt werden, wobei die in der Tabelle gespeicherten Werte mit größerem Rechenaufwand und mittels aufwendigerer Modelle bestimmt wurden. Insbesondere werden die anhand der Tabelle bestimmten Spitzenwerte zu der Durchschnittstemperatur addiert. Die so erhaltenen Zeit-Temperatur-Kurven können mit materialspezifischen Kurven verglichen werden, welche die Bedingungen für bestimmte Veränderungen des Metallgefüges beschreiben.
Es können mehrere Bedingungen zur Entstehung bestimmter kritischer Stellen oder Materialveränderungen überprüft werden, insbesondere schrittweise aufeinander aufbauende Bedingungen.
Beispielsweise kann zunächst bestimmt werden, ob für die Entstehung von Austenit ausreichende Bedingungen vorliegen, etwa eine bestimmte Temperaturerhöhung für eine bestimmte Zeit. Ferner kann bestimmt werden, ob anschließend eine zur Bildung von Martensit ausreichend schnelle Abkühlung erfolgt ist.
Insbesondere wird eine Wahrscheinlichkeit dafür bestimmt, dass es zur Bildung von Martensit gekommen ist. Insbesondere kann die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Rad, ein Paar von Rädern oder einen anders definierten Radsatz bestimmt werden.
Beispielsweise kann ein Fehlercode erzeugt, ausgegeben und/oder gespeichert werden, der eine bestimmte Wahrscheinlichkeit für Martensitbildung bei einem Rad umfasst.
Bei einer Ausbildung des Systems ist die Erfassungseinheit ferner dazu eingerichtet, einen Bremsparameter zu erfassen, insbesondere einen Bremsdruck eines Bremszylinders und/oder eine Bremskraft.
Dadurch kann vorteilhafterweise besonders einfach und direkt die Energie bestimmt werden, die bei der Bremsung über den Kontakt zwischen Rad und Schiene abgeleitet werden muss. Dieser Betriebsparameter ist ferner üblicherweise besonders leicht zugänglich über eine Bremssteuerung des Schienenfahrzeugs.
Bei einer weiteren Ausbildung umfasst der für das Rad erfasste Betriebsparameter eine Radgeschwindigkeit, insbesondere eine Drehgeschwindigkeit des Rades, und/oder eine Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs.
Dadurch kann vorteilhafterweise einfach anhand grundlegender Parameter des Betriebs des Schienenfahrzeugs die aufzunehmende Bewegungsenergie beim Bremsen bestimmt werden. Ferner kann geprüft werden, ob das Rad beim Bremsen blockiert oder ob es sich weiter dreht. Insbesondere sind die genannten Werte leicht mittels einer üblicherweise bereits vorhandenen Steuerungseinrichtung erfassbar, mittels welcher beispielsweise ein Gleiten des Rades beim Bremsen vermieden wird.
Bei einer Weiterbildung umfasst der für das Rad erfasste Betriebsparameter eine Zeitableitung der Radgeschwindigkeit, insbesondere der Drehgeschwindigkeit des Rades, und/oder der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Insbesondere kann eine einfache und/oder eine mehrfache Zeitableitung der Radgeschwindigkeit, insbesondere der Drehgeschwindigkeit des Rades, und/oder der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, erfasst werden.
Dadurch wird vorteilhafterweise besonders einfach die Dynamik des Bremsereignisses erfasst und auftretende Energien könne leicht bestimmt werden.
Bei einer Ausbildung ist der zumindest eine Betriebsparameter für das Rad mittels eines Anti-Gleit-Systems erfassbar. Beispielsweise ist die Erfassungseinheit von dem Anti-Gleit-System umfasst beziehungsweise das Anti-Gleit-System kann als Erfassungseinheit genutzt werden.
Dadurch werden vorteilhafterweise die Möglichkeiten eines an sich bekannten und gegebenenfalls bereits vorhandenen Anti-Gleit-Systems, als etwa in eine Bremssteuerung des Schienenfahrzeugs integriert sein kann, zur Erfassung des Betriebsparameters genutzt. Das System kann so besonders effizient betrieben werden. Es kann ferner besonders einfach in bestehende Schienenfahrzeuge integriert werden, da bestenfalls keine neuen Sensoreinrichtungen vorgesehen werden müssen.
Das heißt, das Schienenfahrzeug weist ein Anti-Gleit-System („wheel slide protection system“, WSP) auf, mittels dessen der Betriebsparameter für das Rad erfasst wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest einer von mehreren für das Rad erfassten Betriebsparametern von dem Anti-Gleit-System erfasst wird.
Üblicherweise sind WSP-Systeme bereits so ausgelegt, dass eine Radgeschwindigkeit, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder ein Bremsdruck erfasst werden. Es kann daher besonders leicht auf diese bereits vorhandenen Daten zugegriffen werden.
Bei einer weiteren Ausbildung umfasst der für das Rad bestimmte Temperaturwert eine durchschnittliche Temperatur einer Lauffläche des Rades und/oder eine Temperaturverteilung entlang der Lauffläche des Rades und/oder eine Temperatur an einer Kontaktfläche des Rades. Dabei wird insbesondere bestimmt, ob sich das Rad bei einem Bremsereignis weiter dreht oder ob es blockiert und auf der Schiene gleitet.
Dadurch kann vorteilhafterweise direkt bestimmt werden, ob von bestimmten temperaturbedingten Schäden am Rad auszugehen ist. Insbesondere kann es beim Erhitzen und/oder Abkühlen des Materials zu Phasenübergängen oder Gefügeveränderungen kommen, die beispielsweise die Entstehung von sich ausweitenden Schädigungsbereichen begünstigen, etwa Risse.
Bei einer Weiterbildung ist die Auswertungseinheit dazu eingerichtet, beim Bestimmen des Temperaturwerts für das Rad anhand eines vereinfachten thermischen Modells die durchschnittliche Temperatur der Lauffläche des Rades zu bestimmen und anhand einer Nachschlagetabelle Temperaturspitzen zu bestimmen.
Dadurch wird vorteilhafterweise ein mit überschaubarem Rechenaufwand ausführbares Analyseverfahren mit aufwendigeren Simulationsverfahren kombiniert. Das vereinfachte thermische Modell ermöglicht es, die durchschnittliche Temperatur der Lauffläche mit hinreichender Genauigkeit praktisch in Echtzeit anhand des erfassten Betriebsparameters zu bestimmen. Die Analyse kann beispielsweise durch eine Recheneinheit des Schienenfahrzeugs selbst durchgeführt werden.
Die Bestimmung der Temperaturspitzen, die bei einem Bremsvorgang auftreten können, wird üblicherweise mittels sehr rechenintensiver Verfahren durchgeführt und kann daher typischerweise nicht in Echtzeit erfolgen, zumindest nicht mit den üblichen Bordmitteln eines Schienenfahrzeugs. Daher können mittels Simulationen Werte unter verschiedenen Bedingungen ermittelt und in einer Nachschlagetabelle (look-up table) hinterlegt werden. Die Auswertungseinheit ist dann dazu eingerichtet, den zu den aktuell erfassten Betriebsparametern passenden Wert oder die passenden Werte der Nachschlagetabelle zu ermitteln und anzuwenden. Das Nachschlagen ersetzt in diesem Fall die vollständig neue Berechnung und erlaubt eine hinreichende Genauigkeit der Ergebnisse.
Insbesondere kann auch die Temperatur an einer Kontaktfläche des Rades mit der Schiene mittels des vereinfachten thermischen Modells bestimmt werden.
Bei einer Ausbildung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Ausgabe in Abhängigkeit vom Erreichen zumindest eines Temperatur-Schwellenwerts zu erzeugen. Die Ausgabe kann ferner in Abhängigkeit von einer zeitlichen Veränderung des erfassten Betriebsparameters erzeugt werden. Optional ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, eine Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten einer Schadstelle, insbesondere eine Wahrscheinlichkeit für eine Bildung von Martensit, zu bestimmen und die Ausgabe in Abhängigkeit von zumindest einem Wahrscheinlichkeits-Schwellenwert zu erzeugen.
Dadurch wird vorteilhafterweise auf mögliche Probleme des Rades hingewiesen.
Zum Beispiel kann analysiert werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit bestimmte Bedingungen, die anhand des erfassten Betriebsparameters definiert sind, zu bestimmten Schäden führen können. Die Ausgabe kann dann Informationen dazu umfassen, mit welcher Wahrscheinlichkeit mit welchen Problemen zu rechnen ist und es können gezielt Gegenmaßnahmen ergriffen werden, zum Beispiel bestimmte Wartungsmaßnahmen.
Bei einer weiteren Ausbildung umfasst die Ausgabe eine Warnmeldung und/oder eine Diagnosemeldung und/oder einen Fehlercode. Dabei ist die Steuereinheit optional dazu eingerichtet, die Ausgabe in einem Diagnosespeicher zu speichern.
Dadurch kann die Ausgabe vorteilhafterweise später ausgelesen werden, etwa von einem berechtigten Nutzer.
Die Ausgabe kann ferner direkt ausgebbar sein. Beispielweise kann in Abhängigkeit von der Ausgabe ein optisch oder akustisch wahrnehmbares Signal erzeugt werden. Beispielsweise kann, wenn die Ausgabe einen bestimmten Fehlercode umfasst, ein erstes Signal ausgegeben werden und, wenn die Ausgabe einen weiteren Fehlercode umfasst, ein zweites Signal ausgegeben werden.
Mittels des Signals kann beispielsweise eine Aufforderung zum Vornehmen einer bestimmten Wartungsmaßnahme ausgegeben werden.
Bei dem Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Rades eines Schienenfahrzeugs wird bei einem Bremsereignis zumindest ein Betriebsparameter für das Rad erfasst. Anhand des erfassten Betriebsparameters wird ein Temperaturwert für das Rad bestimmt und in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert wird eine Ausgabe erzeugt und ausgegeben.
Das Verfahren ist insbesondere dazu ausgebildet, das System zu betreiben. Es weist daher dieselben Vorteile auf wie das System.
Fig. 1A zeigt ein Ausführungsbeispiel des Systems.
Fig. 1 B zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
Fig. 2A und 2B zeigen schematische Darstellungen eines Rades unter verschiedenen Bremsbedingungen.
Fig. 3 zeigt ein Zeit-Temperatur-Diagramm.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Rades und einer Schiene. Fig. 5 zeigt Kennlinien betreffend die Entstehung von Austenit.
Fig. 6 zeigt Kennlinien betreffend die Entstehung von Martensit.
Fig. 1A zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Systems 100.
Das System 100 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in ein Schienenfahrzeug 10 integriert beziehungsweise ein Subsystem eines Schienenfahrzeugs 10.
Das Schienenfahrzeug 10 weist somit das System 100 auf.
Das System weist eine Erfassungseinheit 20 auf.
Die Erfassungseinheit 20 ist Bestandteil einer Anti-Gleit-Vorrichtung 30, die auf an sich bekannte Weise nach Art eines WSP-Systems (wheel slide protection) gebildet ist.
Das System 100 weist ferner eine Auswertungseinheit 40 auf.
Das System 100 weist ferner eine Steuereinheit 50 auf.
Die Erfassungseinheit 20 ist dazu eingerichtet, bei einem Bremsereignis zumindest einen Betriebsparameter für das Rad zu erfassen.
Die Erfassungseinheit 20 kann ferner dazu eingerichtet sein, das Vorliegen des Bremsereignisses selbst zu erfassen, etwas indem eine Tätigkeit eines Bremszylinders erfasst wird.
Die Auswerteeinheit 40 ist dazu eingerichtet, anhand des erfassten Betriebsparameters einen Temperaturwert für ein Rad des Schienenfahrzeugs 10 zu bestimmen.
Die Steuereinheit 50 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe zu erzeugen und auszugeben. Die Funktion des Systems 100 lässt sich grundsätzlich wie folgt beschreiben:
Mittels der Erfassungseinheit 20 werden Daten erfasst, mittels derer die Auswerteeinheit 40 eine Temperaturüberwachung vornimmt. Insbesondere wird dabei eine Temperatur beziehungsweise eine zeitliche Entwicklung der Temperatur bestimmt, die bei einem Rad während eines Bremsereignisses auftreten. Anhand dieser thermischen Überwachung wird im laufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 erkannt, ob die Bedingungen für eine bestimmte Gefügeänderung des Rades vorliegen. Hierzu werden insbesondere an sich bekannte Gefügediagramme herangezogen.
Wenn festgestellt wird, dass die Bedingungen für eine problematische Gefügeumwandlung vorliegen, so kann wird eine entsprechende Ausgabe erzeugt werden.
Das System 100 ermöglicht die folgenden Vorteile:
Kritische Zustände des Rades können im laufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 erkannt und die Sicherheit des Betriebs kann verbessert werden.
Es kann auf solche kritischen Zustände hingewiesen werden, insbesondere in direktem zeitlichem Zusammenhang mit ihrem Auftreten und/oder zu einem späteren Zeitpunkt.
Ferner können Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen veranlasst werden, etwa zur Behebung einer bei dem Bremsereignis entstandenen oder zu befürchtenden Schädigung des Rades.
Ferner können Wartungs- oder vorbeugende Maßnahmen veranlasst werden, um Schäden noch vor ihrer Entstehung zu vermeiden.
Ferner können Wartungsarbeiten nach Bedarf ausgeführt werden, um unnötige Maßnahmen zu vermeiden. Fig. 1B zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das nachfolgend erläutert wird. Dabei wird insbesondere von dem oben mit Bezug zu Fig. 1A erläuterten Ausführungsbeispiel des Systems ausgegangen, welches durch die nachfolgenden Erläuterungen näher spezifiziert wird.
Insbesondere ist dabei ein von einer Rechner-Einrichtung ausführbares Verfahren zur Diagnostik gezeigt.
In einem Schritt S10 wird bei einem Bremsereignis zumindest ein Betriebsparameter für das Rad erfasst.
Dabei wird bei dem Beispiel eine Kraft an einer Kontaktfläche zwischen dem Rad und der Schiene bestimmt.
Es werden Daten über die Geschwindigkeit des Rades erfasst.
Ferner wird dabei eine Bremskraft einer Bremsanlage des Schienenfahrzeugs erfasst.
Insbesondere ist bei dem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine Steuereinheit einer Anti-Gleit-Vorrichtung (WSP) die erfassten Betriebsparameter und Daten verarbeitet.
Es wird eine Energie bestimmt, die von dem Rad über die Kontaktfläche aufgenommen wird.
Zu den dabei auftretenden Größen können etwa eine Bremskraft P(t) und eine Radgeschwindigkeit VWheei(t) gehören, die jeweils von der Zeit t abhängen und insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit t erfasst werden.
In einem Schritt S20 wird ein vereinfachtes thermisches Modell des Rades verwendet. Es wird überprüft, ob sich das Rad während des Bremsens dreht oder ob es blockiert und über die Schiene gleitet (wheel lock-up). Insbesondere werden die im Schritt S10 erfassten beziehungsweise bestimmten Werte in dem Modell verwendet.
Anhand des vereinfachten Modells wird, wenn sich das Rad während des Bremsens dreht, eine durchschnittliche Temperatur Tmodei(t) der Lauffläche des Rades in Abhängigkeit von der Zeit t bestimmt.
Anhand des vereinfachten Modells wird, wenn das Rad während des Bremsens blockiert ist, die Temperatur Tmodei(t) für den Kontaktbereich zwischen der Lauffläche des Rades und der Schiene in Abhängigkeit von der Zeit t bestimmt.
In einem Schritt S30 wird die mittels des vereinfachten Modells bestimmte Temperatur Tmodei(t) modifiziert.
Dabei werden Parameter verwendet, die zuvor mittels eines FEM-Verfahrens durch Simulation bestimmt wurden. Diese Parameter werden etwa durch eine Speichereinheit bereitgestellt.
Dabei wird eine modifizierte Tmodified(t) in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelt.
In einem Schritt S40 wird die so ermittelte Temperatur Tmodified(t) mit einem vorgegebenen Diagramm verglichen, welches eine Kennlinie umfasst, welche die Voraussetzungen für eine Austenitisierung des Materials des Rades beziehungsweise seiner Lauffläche charakterisiert.
Ein beispielhaftes Diagramm 500, welches in Schritt S40 verwendet werden kann, ist in Fig. 5 gezeigt.
Insbesondere wird dabei geprüft, ob eine Austenitisierung erfolgt ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt S70 bestimmt, dass keine Gefahr einer Bildung von Martensit vorliegt.
Wird allerdings im Schritt S40 bestimmt, dass die Voraussetzungen für eine
Austenitisierung vorliegen, dann wird in einem Schritt S50 die ermittelte Temperatur Tmodified(t) mit einem vorgegebenen weiteren Diagramm verglichen, welches eine Kennlinie umfasst, welche die Voraussetzungen für eine Bildung von Martensit für das Material des Rades beziehungsweise seiner Lauffläche charakterisiert.
Ein beispielhaftes Diagramm 600, welches in Schritt S50 verwendet werden kann, ist in Fig. 6 gezeigt.
Insbesondere wird dabei geprüft, ob die Voraussetzungen für eine Bildung von Martensit vorliegen, insbesondere bei einer ausreichend schnellen Abkühlung des Materials. Ist dies nicht der Fall, so wird wiederum in Schritt S70 bestimmt, dass keine Gefahr einer Bildung von Martensit vorliegt.
Wird allerdings im Schritt S50 bestimmt, dass die Voraussetzungen für eine Bildung von Martensit vorliegen, etwa ein ausreichend schnelles Abkühlen, dann wird in einem Schritt S60 bestimmt, dass eine Gefahr für die Bildung von Martensit vorliegt.
Bei dem Verfahren wird anschließend eine Ausgabe erzeugt und ausgegeben. Diese umfasst beispielsweise einen Fehlercode, welcher angibt, ob die Gefahr einer Bildung von Martensit bestand oder nicht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird im Schritt S60 ferner eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der es zur Bildung von Martensit gekommen ist. Die erzeugte Ausgabe kann diese Wahrscheinlichkeit umfassen.
Analog dazu kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens alternativ oder zusätzlich im Schritt S70 eine Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, mit der es zur Bildung von Martensit gekommen ist. Die erzeugte Ausgabe kann diese Wahrscheinlichkeit umfassen.
Insbesondere kann ein Schwellenwert vorgegeben sein und der bestimmte Wert der Wahrscheinlichkeit, dass es zur Bildung von Martensit gekommen ist, kann mit dem Schwellenwert verglichen werden. Anschließend kann die Ausgabe in Abhängigkeit von diesem Vergleich erzeugt werden. Zum Beispiel kann eine Warnmeldung erzeugt und ausgegeben werden, wenn der Schwellenwert überschritten wurde.
Bei einer Anti-Gleit-Vorrichtung 30, mittels derer das Rutschen des Rads auf der Schiene verhindert werden soll, sind insbesondere integrierte Sensoren vorgesehen.
Die Erfassungseinheit 20 kann etwa Sensoren des Typs MGS3 umfassen.
Die von der Erfassungseinheit 20 erfassten Werte und Parameter erlauben es, die momentane Wärme an der Radoberfläche in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zu bestimmen. Selbst bei aktuellen Gleitschutzanlagen (WSP, „wheel slide protection11) kann nicht unter allen Umständen vermieden werden, dass es zu einer Überbelastung der Räder kommt, insbesondere durch Energieeintrag beziehungsweise Wärmeeintrag während eines Bremsvorgangs. Anhand der von der Gleitschutzanlage erfassten Daten kann allerdings detektiert werden, dass es zu einem Gleiten kommt und/oder die Dauer eines Gleitvorgangs eines Rades beziehungsweise eines Radsatzes kann bestimmt werden. Anhand eines geeigneten thermischen Modells des Rades sowie anhand bekannter Materialeigenschaften des Rades kann bestimmt werden, ob und in welcher Weise es zu Übergängen zwischen verschiedenen Materialzuständen kommt, etwa zwischen verschiedenen Gefügen oder Phasen eines Metallmaterials.
Typischerweise sind größere Bereich besonders gehärteten Materials dafür anfällig, dass dort zum Beispiel Risse entstehen oder Material abplatzen kann. Um dies zu verhindern kann beispielsweise ein Auslesen eines Diagnosespeichers in regelmäßigen Abständen, beispielsweise monatlich oder bei bestimmten Anlässen vorgesehen sein, etwa bei einer regelmäßigen Wartung des Rades beziehungsweise des Radsatzes. Anhand der im Diagnosespeicher gespeicherten Daten kann bestimmt werden, ob eine Behandlung des Rades mit einer Drehmaschine durchgeführt werden soll. Ferner kann anhand der im Diagnosespeicher gespeicherten Daten bestimmt werden, dass keine Behandlung mit einer Drehmaschine erfolgen muss. Ferner kann anhand der im Diagnosespeicher gespeicherten Daten bestimmt werden, dass eine zerstörungsfreie Diagnose des Rades oder Radsatzes, etwa mittels Ultraschall, durchgeführt werden soll, um Risse und/oder lokale Veränderungen der Härte des Materials zu detektieren.
Fig. 2 bis 6 zeigen weitere beispielhafte Details des Systems und des Verfahrens, die nachfolgend erläutert werden.
Nachfolgend wird beispielhaft ein Modell beschrieben, mittels dessen die Bildung einer potentiell gehärteten Materialtextur bestimmt werden kann. Insbesondere kann eine Bildung von Martensit bestimmt werden und/oder es wird eine Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass es bei einem Bremsereignis zu einer Bildung von Martensit gekommen ist.
Mittels der von der Erfassungseinheit umfassten Sensoren werden die Radgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit und der durch einen Bremszylinder aufgebrachte Bremsdruck erfasst.
Es wird auf ein vereinfachtes thermisches Modell zugegriffen, das beispielsweise mittels der Auswertungseinheit bereitgestellt wird.
Das vereinfachte thermische Modell kann etwa auf einer Steckkarte und/oder einer Recheneinheit einer zentralen Steuereinheit bereitgestellt werden.
Zum Beispiel wird zunächst die vom Rad aufgenommene Energie bestimmt, etwa nach dem folgenden Modell, das mit Bezug zu Fig. 2A und Fig. 2B sowie Fig.4 erläutert wird:
Zum Berechnen der aufgenommenen Energie für einen Radsatz, beispielsweise mit Rädern i = 1 , 2, 3, 4 für den Fall eines Radsatzes mit vier Rädern, wird die Gleitgeschwindigkeit mit der tatsächlichen Bremskraft am Kontakt zwischen dem Rad 210, 420 und der Schiene 440 multipliziert.
Es wird eine Kontaktkraft anhand des Drucks der Bremszylinder bestimmt. Ferner wird zusätzlich die winkelmäßige Beschleunigung des Radsatzes berücksichtigt, wobei J ein Trägheitsmoment der Räder bezeichnet:
Dabei bezeichnet Fi die Bremskraft, die an der Kontaktfläche zwischen Rad 210, 420 und Schiene 440 auf ein einzelnes Rad 210, 420 wirkt. Dies ist eine direkte Funktion des tatsächlichen Bremsdrucks pc. Diese Funktion F(pc) kann etwa anhand der allgemeinen Berechnungen eines Bremsvorgangs bestimmt werden, wie etwa in UIC 544-1 beschrieben.
Es gibt WSP-Systeme, welche diese Kraft direkt bestimmen, wobei die tatsächliche Beschleunigung des Radsatzes erfasst wird, sodass diese direkt verwendet werden kann.
Anschließend kann die Oberflächentemperatur bestimmt werden, wobei insbesondere berücksichtigt werden kann, dass es in diesem Fall schnell zu einer Partition der Wärme von dauerhaft etwa 50 % kommen kann, das heißt, etwa 50 % der entstehenden Wärme werden von dem Rad aufgenommen. Dies ist beispielsweise beschrieben in P.T. Zwierczyk, „Thermal stress analysis of a railway wheel-rail rolling-sliding contact“, Budapest 2015. Bei weiteren Modellen kann von einer anderen Partition ausgegangen werden, etwa in Abhängigkeit von bestimmten Umgebungsparametern.
Es kann ein vereinfachtes thermisches Modell des Rades 210, 420 bestimmt werden.
Bei dem vereinfachten thermischen Modell werden insbesondere zwei Zustände unterschieden: a) Wenn das Rad 210, 420 sich nicht dreht, das heißt wenn es blockiert ist, so wird angenommen, dass die Energie über den Kontaktpunkt beziehungsweise Kontaktbereich 230 zwischen der Oberfläche des Rades und der Schiene aufgenommen wird. Dieser Fall ist insbesondere in Fig. 2A gezeigt. b) Wenn sich das Rad 210, 420 dreht, so wird angenommen, dass die Energie gleichmäßig über die Lauffläche 230 des Rades 210, 420 an den Kontaktpunkten zwischen der Oberfläche des Rades 210, 420 und der Schiene 440 aufgenommen wird. Dieser Fall ist insbesondere in Fig. 2B gezeigt.
Bei einer Modifikation des unter b) erläuterten Falles wird ferner angenommen, dass die Wärme an einem Punkt an der Kontaktfläche zwischen Rad 210, 420 und Schiene 440 aufgenommen und anschließend während der weiteren Rotation des Rades 210, 420 wieder abgegeben wird, bis der Punkt wieder in Kontakt mit der Schiene 440 gelangt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines nach diesem modifizierten Modell bestimmten Temperaturverlaufs: Bei den Spitzen der Temperatur berührt der beobachtete Punkt auf der Lauffläche des Rades 210, 420 die Schiene 440 und nimmt Wärme auf, anschließend wird der Kontakt gelöst und der Punkt kühlt wieder ab. Als gestrichelte Linie ist die durchschnittliche Temperatur des Rades gezeigt, als durchgezogene Linie die Temperatur mit zusätzlichen Spitzen.
In Fig. 2A wird das Modell für den Fall dargestellt, dass sich das Rad dreht, während in Fig. 2B der Fall dargestellt wird, dass das Rad 210, 420 blockiert („lock-up“ wobei das Rad 210, 420 über die Schiene 440 gleitet.
In einem Modell für den in Fig. 2A gezeigten Fall bezeichnet Tdrcie eine Temperatur der Lauffläche, insbesondere eine durchschnittliche Temperatur.
Die Masse der Lauffläche 220 wird bei dem Beispiel im Voraus berechnet. Dabei kann beispielsweise die Methode nach Kalker verwendet werden, wobei der Radius des Rades 210 und die Breite der Fläche 220 spezifisch für das Fahrzeug bestimmt werden. Ferner kann die Tiefe der Lauffläche anhand von Simulationen berechnet werden. Es ergibt sich etwa die folgende Darstellung:
Ferner kann in einem Modell für den in Fig. 2B gezeigten Fall eine Temperatur Tspot des Kontaktpunktes 230 bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Fläche des Kontaktpunktes 230 mit einer Fläche von etwa 1 cm2 und 2 mm Tiefe angenommen werden.
Die Fläche kann spezifisch für das Fahrzeug berechnet werden. Dabei kann beispielsweise die Methode nach Kalker verwendet werden. Ferner kann die Tiefe der Lauffläche anhand von Simulationen berechnet werden.
Es ergibt sich etwa die folgende Darstellung: oder vereinfacht:
Fig. 3 zeigt ein Beispiel, wie sich die Temperatur an einem Punkt im Bereich der Lauffläche des Rades 210 , 420 bei einer Bremsung verändert, wenn sich das Rad 210 , 20 während eines Bremsvorgangs dreht. Als gestrichelte Linie 310 ist die Erhöhung der durchschnittlichen Temperatur im Bereich der Lauffläche gezeigt. Außerdem sind die als durchgezogene Linie 320 gezeigten Temperaturspitzen zu berücksichtigen, wobei die Spitzenwerde jeweils dann auftreten, wenn der Punkt die Schiene kontaktiert und Energie aufnimmt, während anschließend die Energie wieder abgegeben wird und die Temperatur entsprechend wieder absinkt (Quelle: P.T. Zwierczyk, „Thermal stress analysis of a railway wheel-rail rolling-sliding contact“, Budapest 2015).
Die durchschnittliche Temperatur entlang des Umfangs der Lauffläche 230 verändert sich dabei langsam gegenüber den Temperaturspitzen. Die durchschnittliche Temperatur wird anhand des oben mit Bezug zu Figur 2A erläuterten vereinfachten Modells bestimmt. Zumindest ein Parameter wird bei dem Beispiel anhand einer Finite-Elemente-Methode (FEM) durch Fitten bestimmt, insbesondere die gestrichelte Linie 310 der Figur 3.
Nachfolgend sind tabellarisch beispielhafte Werte eines verwendeten Modells angegeben. Insbesondere werden dabei physikalische Konstanten, fahrzeugspezifische Konstanten, und durch Fitten bestimmte Werte bei einer Validierung mittels eines FEM-Verfahrens und einer Simulation der Temperaturverteilung gezeigt. Insbesondere werden dabei aufgeführt: Der Durchmesser des Rades (D_wheel), der Durchmesser des Kontaktbereichs (d_spot) zwischen Rad und Schiene, Dicke des Kontaktbereichs in die Tiefe des Materials des Rades (h), Fläche des Kontaktbereichs (Aspot) beziehungsweise der ringförmigen Lauffläche (Aring) des Rades, Volumen des Kontaktbereichs (Vspot) beziehungsweise der ringförmigen Lauffläche (Vring) des Rades, Dichte (ro) des Materials, Masse des Kontaktbereichs (mspot) beziehungsweise der ringförmigen Lauffläche (mring) des Rades, Wärmeübergang des Materials (steel heat transfer, lam), Wärmeübergang der Lauffläche (lambda ring) beziehungsweise des Kontaktbereichs (lambda spot), spezifische Wärme (c) des Materials. Die gezeigten Parameter sind ferner in Fig. 4 in einem beispielhaften Querschnitt eines Rades auf einer Schiene dargestellt.
Es kann nun eine Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Zeit verwendet werden, etwa anhand der in Fig. 3 gezeigten Daten.
Insbesondere werden dabei die Temperaturänderungen während des Bremsereignisses berücksichtigt, das heißt insbesondere Temperaturanstiege und Temperaturabfälle.
Dabei wird etwa geprüft, ob ein bestimmter Temperaturwert erreicht oder überschritten wird. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur kann beispielsweise eine Perlit-Textur des Radmaterials zu einer Austenit-Struktur verändert werden. Ein solcher Punkt ist beispielsweise in Fig. 5 als Punkt „AC3“ markiert, wobei in dem Diagramm 500 beispielhaft Kennlinien einer Austenitisierung eines Stahl-Materials der Rades dargestellt sind.
Ferner wird etwa geprüft, ob die Temperatur nach dem Erreichen des zur Austenitisierung ausreichenden Wertes so schnell abfällt, dass Martensit gebildet wird. Eine entsprechende Kennlinie ist beispielsweise in Fig. 6 gezeigt. Das Diagramm stellt insbesondere ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (continuous cooling transformation, CCT) dar.
Im dargestellten Fall wird von einer Materialzusammensetzung wie folgt ausgegangen:0,33 % C, 1 ,12 % Mn, 0,30 % Si, 0,027 % S, 0,018 % P, 0,24 % Ni, 0,11 % Cr, 0,04 % Mo, 0,19 % Cu, 0,010 % AI, Korngröße 8-9, Austenitisiert bei 850°C (1562°F) für 1 h.
Fig. 6 zeigt ein CCT-Diagramm 600 für einen beispielhaften Stahl als Material des Rades. Dieses Diagramm betrifft die Textur des Materials in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Schienenfahrzeug
20 Erfassungseinheit
30 Anti-Gleit-Vorrichtung; WP-System
40 Auswertungseinheit
50 Steuereinheit
100 System
210 Rad
220 Lauffläche
230 Kontaktbereich
310 gestrichelte Linie
320 durchgezogene Linie
420 Rad (Querschnitt)
440 Schiene (Querschnitt)
500 Diagramm
600 Diagramm
S10 Schritt
S20 Schritt
S30 Schritt
S40 Schritt
S50 Schritt
S60 Schritt
S70 Schritt

Claims

23 PATENTANSPRÜCHE
1 . System zum Überwachen des Zustands eines Rades (210, 420) eines Schienenfahrzeugs (10), umfassend eine Erfassungseinheit (20), die dazu eingerichtet ist, bei einem Bremsereignis zumindest einen Betriebsparameter für das Rad (210, 420) zu erfassen; eine Auswertungseinheit (40), die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Betriebsparameters einen Temperaturwert für das Rad (210, 420) zu bestimmen; und eine Steuereinheit (50), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe zu erzeugen und auszugeben.
2. System gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (20) ferner dazu eingerichtet ist, einen Bremsparameter zu erfassen, insbesondere einen Bremsdruck eines Bremszylinders und/oder eine Bremskraft.
3. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Rad (210, 420) erfasste Betriebsparameter eine Radgeschwindigkeit, insbesondere eine Drehgeschwindigkeit des Rades (210, 420), und/oder eine Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (10) umfasst.
4. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Rad (210, 420) erfasste Betriebsparameter eine Zeitableitung der Radgeschwindigkeit, insbesondere der Drehgeschwindigkeit des Rades (210, 420), und/oder der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (10) umfasst.
5. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Betriebsparameter für das Rad (210, 420) mittels eines Anti- Gleit-Systems (30) erfassbar ist.
6. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Rad (210, 420) bestimmte Temperaturwert eine durchschnittliche Temperatur einer Lauffläche des Rades (210, 420) und/oder eine Temperaturverteilung entlang der Lauffläche des Rades (210, 420) und/oder eine Temperatur an einer Kontaktfläche des Rades (210, 420) umfasst.
7. System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (40) dazu eingerichtet ist, beim Bestimmen des Temperaturwerts für das Rad (210, 420) anhand eines vereinfachten thermischen Modells die durchschnittliche Temperatur der Lauffläche (220) des Rades (210, 420) zu bestimmen; und anhand einer Nachschlagetabelle Temperaturspitzen zu bestimmen.
8. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) dazu eingerichtet ist, die Ausgabe in Abhängigkeit vom Erreichen zumindest eines Temperatur-Schwellenwerts zu erzeugen; und die Steuereinheit (50) optional dazu eingerichtet ist, eine Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten einer Schadstelle, insbesondere eine Wahrscheinlichkeit für eine Bildung von Martensit, zu bestimmen und die Ausgabe in Abhängigkeit von zumindest einem Wahrscheinlichkeits-Schwellenwert zu erzeugen.
9. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe eine Warnmeldung und/oder eine Diagnosemeldung und/oder einen Fehlercode umfasst; wobei die Steuereinheit (50) optional dazu eingerichtet ist, die Ausgabe in einem Diagnosespeicher zu speichern.
10. Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Rades (210, 420) eines Schienenfahrzeugs (10), bei dem bei einem Bremsereignis zumindest ein Betriebsparameter für das Rad (210, 420) erfasst wird; anhand des erfassten Betriebsparameters ein Temperaturwert für das Rad (210, 420) bestimmt wird; und in Abhängigkeit von dem bestimmten Temperaturwert eine Ausgabe erzeugt und ausgegeben wird.
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