KR101743792B1 - 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)를 평가하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따라 상기 계산 모델(Tbearingestimator)은 상기 계산 모델(Tbearingestimator)의 입력 변수로서 레일 차량의 속도(vtrain) 및 주변 온도(Tamb)에 따라 관련 차축 베어링의 온도를 평가하도록 구성되고, 추가로, 차축 베어링(1)과는 다르지만 차축 베어링(1)과 직접적으로 또는 간접적으로 열 전도 접속된 휠세트의 부품(6)의 온도가 작동 중에 측정 온도(Tmeas)로서 측정된다. 차축 베어링(1)과는 다른 부품(6)의 온도가 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 평가 온도(Tmeas , est)로서 평가된다. 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)의 평가와 관련해서 계산 모델(Tbearingestimator)의 정확도를 개선하기 위해, 계산 모델(Tbearingestimator)은 측정 온도(Tmeas)와 평가 온도(Tmeas , est)의 비교에 기초하여 계산 모듈을 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정 또는 조정하기 위해 사용되는 보정 인자(Kb)를 포함한다.

Description

레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR ESTIMATING THE TEMPERATURE OF AN AXLE BEARING OF A WHEELSET OF A RAIL VEHICLE}
본 발명은 청구항 제 1항 및 제 6항의 전제부에 따른, 계산 모델에 의한 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 장치, 그리고 청구항 제 9항 및 제 10항의 전제부에 따른, 상기 방법에 따라 평가된 온도의 사용 방법에 관한 것이다.
레일 차량 교통에서, 진단 및 모니터링 시스템이 점점 더 많이 사용되며, 상기 진단 및 모니터링 시스템에 의해 레일 차량의 부품 및 어셈블리의 상태 변화가 검출됨으로써, 상기 부품 및 어셈블리의 결함이 검출된다. 특히, 레일 차량의 휠세트에서 과열과 관련한 손상의 검출이 매우 중요하다.
최신 고속 열차들은 국경을 넘어 주행하기 때문에 상호 운용성을 보장하기 위한 상응하는 기준, 예컨대 가이드 라인 96/48/EG가 지켜져야 한다. 특히 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온보드-모니터링이 요구된다. 임계적인 작동 상태, 예컨대 차축 베어링의 과열을 검출하기 위해, 예를 들어 차축 베어링의 온도의 모니터링이 필요하다.
EP 1 365 163 A1에는 센서 소자가 차축 베어링의 밀봉 소자에 직접, 즉 차축 베어링의 부하 구역에 가능한 가까이 배치된, 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 모니터링하기 위한 장치가 공지되어 있다. 그러나, 경험에 따르면 최고 온도가 나타나는 차축 베어링의 부하 구역에 직접, 즉 외부의 베어링 링의 원주 방향으로 볼 때 상부에, 온도 센서를 장착하면, 온도 센서의 기계적 연결 및 그 케이블링과 관련한 비용을 야기하고, 예컨대 더블 베어링의 경우 특히 베어링 유닛의 내부에 다수의 부하 구역들이 고려되어야 하는 경우, 장소의 이유 때문에 종종 구조적으로 구현되기 어렵다.
본 발명의 과제는 낮은 신호 처리 기술 비용으로 그리고 관련 차축 베어링에 온도 센서를 직접 장착하지 않으면서, 차축 베어링의 온도의 충분히 정확한 평가를 가능하게 하는, 계산 모델에 의한 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항 또는 청구항 제 6항의 특징들에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 방법에서
- 계산 모델은, 계산 모델의 입력 변수로서 레일 차량의 속도 및 주변 온도에 따라 관련 차축 베어링 또는 관련 차축 베어링의 특징적 지점의 온도를 평가하도록 구성되고, 추가로
- 차축 베어링과는 다르지만 차축 베어링과 직접적으로 또는 간접적으로 열 전도 접속된 휠세트의 부품의 온도가 작동 중에 적어도 하나의 온도 센서에 의해 측정 온도로서 측정되고,
- 차축 베어링과는 다른 부품의 온도가 계산 모델에 의해 평가 온도로서 평가되고,
- 차축 베어링의 온도의 평가와 관련해서 계산 모델의 정확도를 개선하기 위해 계산 모델은 측정 온도와 평가 온도의 비교에 기초하여 계산 모델을 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정 또는 조정하기 위해 사용되는 보정 인자를 포함한다.
달리 표현하면, 계산 모델의 고유 교정 또는 고유 조정은, 관련 차축 베어링과는 다른 장소, 즉 온도 센서의 장착 및 그 케이블링을 위한 상황이 관련 차축 베어링 자체보다 더 바람직한 장소에서의 온도의 측정 및 평가에 의해 이루어진다.
레일 차량의 속도 및 주변 온도에 추가해서, 계산 모델을 위한 다른 입력 변수들이 사용될 수 있다. 계산 모델은 측정점, 즉 차축 베어링과는 다른 부품 또는 차축 베어링과는 다른 어셈블리에서의 온도로부터 베어링 온도를 추정할 수 있어야 한다. 계산 모델은, 차축 베어링에서의 열 도입이 열 전도 및 열 전달에 의해 측정점으로 전달되고, 또한 외부 인자에 의해 영향을 받는다는, 예컨대 휠세트의 부품들의 냉각이 레일 차량의 주행 속도에 기인한 주행풍에 의해 영향을 받거나 또는 그 가열이 높은 주변 온도에 의해 영향을 받는다는 사실에 기초한다. 측정 장소로 인해 여기에 제시된 방법 없이 간단히 진단 한계치만이 더 낮게 선택되면, 상응하는 장애 시 오경보가 예상된다.
측정점의 온도와 더불어 계산 모델의 입력 변수로는 속도 및 외부 온도가 있다. 결과적으로, 본 방법은 평가된 차축 베어링 내부 온도 또는 부하 구역과 같은 특징적 지점에서의 차축 베어링의 온도를 제공한다. 계산 모델은 예컨대 다음과 같은 열 경계 조건을 고려한다:
- 베어링 마찰에 의한 열 도입
- 휠세트 내부에서의 열 전도
- 자연 대류
- 강제 대류
보정 인자(K) 또는 그 보정 항은 측정점에서 측정된 온도와 평가된 온도의 비교에 기초하여 연속적으로 또는 주기적으로 조정된다. 보정 인자의 조절에 의해, 작동 지속 시간에 따라 계산 모델의 정확도가 높아진다. 최초 모델 형성 시 초기 에러, 부정확성, 및 레일 차량에서의 전형적인 장애에 의해 나타나는 실제 특성과의 편차가 보정 인자에 의해 보상된다.
온도 평가는 과열된 베어링의 검출(과열 검출)을 위해 사용될 수 있다. 즉, 평가된 온도값이 온도 한계치와 비교되며, 평가된 온도값이 온도 한계치를 초과하면, 과열된 차축 베어링에 대한 신호가 발생되고, 평가된 온도값이 온도 한계치에 미달하면, 관련 차축 베어링의 열에 의한 장애가 없는 작동에 대한 신호가 발생된다.
추가로 또는 대안으로서, 본 발명에 따른 방법에 의해 평가된, 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도가 온도 한계치와의 비교를 위해 사용됨으로써, 차축 베어링에 할당된 또는 인접한 브레이크 장치, 특히 디스크 브레이크가 걸리지 않은 상태인지 또는 걸린 상태인지의 여부가 판단된다.
상세하게는, 온도 한계치를 초과하는, 차축 베어링의 평가된 온도는 차축 베어링에 할당된 또는 인접한 마찰 브레이크의 걸린 상태에 대한 신호를 제공하고, 온도 한계치에 미달하는, 차축 베어링의 평가된 온도는 차축 베어링에 할당된 또는 인접한 마찰 브레이크의 걸리지 않은 상태에 대한 신호를 제공한다.
이는 마찰 브레이크, 예컨대 차축 베어링의 차축에 할당된 디스크 브레이크가 걸릴 때 마찰 열이 생긴다는 경험에 기초한다. 상기 마찰 열은 열 전달, 차축을 따른 열 전도 및/또는 대류에 의해 인접한 차축 베어링으로 전달된다.
상대적으로 낮은 차축 베어링 온도는 차축 베어링의 정상 동작을 지시할 뿐만 아니라, 인접한 마찰 브레이크의 걸리지 않은 상태도 지시한다. 이에 반해, 상대적으로 높은 차축 베어링 온도는 과열된 차축 베어링 및/또는 관련 차축 베어링과 관련해서 인접한 마찰 브레이크의 걸린 상태를 지시한다.
본 발명에 따른 방법에 기초하여 평가된 차축 베어링 온도에 의해, 레일 차량의 차축의 차축 베어링의 열적 상태뿐만 아니라, 차축 베어링과 관련해서 레일 차량의 인접한 마찰 브레이크의 기능(걸림 또는 걸리지 않음)이 모니터링될 수 있다.
종속 청구항들에 제시된 조치들에 의해, 청구항 제 1항 및 청구항 제 6항에 제시된 본 발명의 바람직한 개선이 가능하다.
전술한 방법은, 레일 차량의 휠세트의 다수의 차축 베어링의 온도를 평가하기에 적합하고,
- 차축 베어링들 중 적어도 몇몇에 각각 하나의 계산 모델이 할당됨으로써, 각각의 계산 모델의 입력 변수로서 레일 차량의 속도에 따라 레일 차량의 주변 온도에 대한 값이 평가되는 단계,
- 레일 차량의 주변 온도에 대한 값의 각각의 평가와 관련해서, 차축 베어링의 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델의 정확도를 개선하기 위해, 각각의 계산 모델에 대해 보정 인자가 제공되고, 상기 보정 인자에 의해 관련 계산 모델이 관련 차축 베어링과는 다른 각각의 부품의 각각의 측정 온도와 각각의 평가 온도와의 비교에 기초하여 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정되는 단계, 및
- 차축 베어링들 중 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델에 의해 평가된 주변 온도의 값으로부터 결과적인 주변 온도가 형성되고, 상기 주변 온도는 각각의 차축 베어링의 각각의 온도의 값을 평가하기 위해 제공되는, 계산 모델에 대한 입력 변수로서 각각 사용되는 단계
를 포함하도록 형성되는 것이 특히 바람직하다.
주변 온도를 평가하기 위한 계산 모델은 특히 다수의 차축 베어링이 모니터링되어야 하는 경우에 적용될 수 있다. 베어링 모니터링식 레일 차량의 경우, 모든 차축 베어링들이 모니터링되어야 한다. 이 경우, 다수의 측정점들이 차축 베어링과는 다른 부품에, 예컨대 각 차량에 8개, 그리고 각각 2개의 휠과 하나의 차축으로 이루어진 2개의 휠세트를 포함하는 각 보기(bogie)에 4개가 배치된다. 다수의 이러한 측정점들에서, 주변 온도 평가가 차축 베어링들의 개별적인 과열 또는 소수의 과열에 의해 영향을 받지 않는 것이 바람직하다. 또한 예컨대 일사와 같은 외란에 대한 감도가 더 낮아진다.
주변 온도가 휠 베어링 온도를 평가하기 위한 계산 모델의 입력 변수로서 적합한 온도 센서에 의해 측정되지 않고 계산 모델에 의해 평가되기 때문에, 상기 온도 센서는 생략될 수 있다. 계산 모델은 존재하는 주변 온도를 평가할 수 있도록 구성됨으로써, 온전한 차축 베어링의 경우 관련 차축 베어링과는 다른 각각의 부품에서 측정된 온도가 설정될 수 있다.
그러나, 차축 베어링이 결함을 갖는 경우, 예컨대 과열된 경우, 계산 모델 내로 전달되는 차축 베어링의 더 높은 온도는 주변 온도에 대한 평가 결과를 왜곡시킬 것이다. 이러한 왜곡을 방지하기 위해, 차축 베어링들 중 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델에 의해 평가된 주변 온도의 값들로부터 결과적인 주변 온도가 형성되므로, 경우에 따라 과열된 차축 베어링에 의한 왜곡이 감소하거나 또는 전혀 발생하지 않는다.
차축 베어링들 중 하나의 과열이 계산 모델에 의한 높은 주변 온도의 평가를 야기하지 않고 상응하게 높은 차축 베어링 온도를 야기하도록 하기 위해, 주변 온도의 개별 평가로부터 결과적인 값이 형성된다.
이는, 예컨대 평가된 n개의 가장 낮은 주변 온도들이, 예를 들어 평가된 n개의 가장 낮은 주변 온도들의 평균값 또는 중앙값으로서, 사용됨으로써 구현될 수 있다. 주변 온도의 결과적인 값은 개별 차축 베어링의 온도들을 평가하기 위한 계산 모델에 대한 균일한 입력 변수로서 사용된다.
이러한 방법은 상응하게 정확하며 장애에 대한 낮은 확률을 갖는다. 이는 방법의 안전성과 더불어 오경보가 방지되어야 하기 때문에 중요하다.
전술한 바와 같이, 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 계산 모델 및/또는 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 계산 모델은 각각 이하의 요소들, 즉 휠세트 또는 차축 베어링의 부품들의 열 용량, 휠세트 또는 차축 베어링의 부품들 내에서 열 전도, 휠세트 또는 차축 베어링의 부품들 사이의 열 전달 저항, 그리고 강제 대류 및 자연 대류에 기인한, 휠세트 또는 차축 베어링의 부품들과 주변 사이의 강제 열 전달 중 적어도 몇몇의 모델링을 기초로 한다.
또한, 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 계산 모델에서 및/또는 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 계산 모델에서, 각각 기본 교정 또는 기본 파라미터화가 실시되고, 상기 기본 교정 또는 기본 파라미터화를 기초로 레일 차량의 작동 중에 계산 모델의 정확도를 개선하기 위해 보정 인자들 또는 보정 항들이 조정된다. 달리 표현하면, 계산 모델의 입력 또는 기본 교정이 차량 파라미터들로부터 유도되거나, 시뮬레이션(예컨대, 유한 요소에 의해 결정됨)에 의해 결정되거나 또는 측정 데이터를 기초로 이루어진다.
본 발명은 또한 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이며, 차축 베어링과는 다르지만, 차축 베어링과 직접적으로 또는 간접적으로 열 전도 접속된 휠세트의 부품의 온도를 측정하기 위한 온도 센서, 및 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 계산 모델 및/또는 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 계산 모델이 구현된 마이크로 컴퓨터가 제공된다.
온도 센서가 레일 차량의 미끄럼 방지 장치의 속도 센서와 하나의 조합형 센서로 통합되는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 센서 설치 및 케이블링에 의한 온도 센서의 추가 비용은 발생하지 않는다.
또한, 차축 베어링과는 다른 휠세트의 부품은 예컨대 차축 베어링을 적어도 부분적으로 커버하는 차축 베어링 커버이다.
본 발명을 개선하는 다른 조치들은 이하에서 도면을 참고로 하는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명과 함께 제시된다.
본 발명에 따라, 낮은 신호 처리 기술 비용으로 그리고 관련 차축 베어링에 온도 센서를 직접 장착하지 않으면서, 차축 베어링의 온도의 충분히 정확한 평가를 가능하게 하는, 계산 모델에 의한 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.
도 1은 온도 센서를 구비한 레일 차량의 차축 베어링의 개략도.
도 2는 도 1의 차축 베어링의 온도 또는 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 방법의 범주에서 계산 모델의 개략적인 회로도.
도 3은 도 1의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법을 나타낸 블록 회로도.
도 4는 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 방법을 나타낸 블록 회로도.
도 5는 레일 차량의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한, 그리고 레일 차량의 주변 온도를 평가하기 위한 조합형 방법을 나타낸 블록 회로도.
도 6은 테스트 스탠드에서 온도 프로파일을 나타내기 위한 다이어그램.
도 1에는 레일 차량의 차축 베어링(1)의 개략도가 도시되며, 휠세트의 샤프트 또는 차축(2)에는, 여기에 도시되지 않은 2개의 휠들이 단부 측에 배치된다. 휠들의 근처에 각각 하나의 차축 베어링(1)이 있으며, 이 차축 베어링은 차축(2)을 여기에 도시되지 않은 보기에 지지한다. 차축 베어링(1)은 바람직하게 더블 베어링이다. 즉, 축 방향으로 차례로 배치된 2개의 차축 베어링이 예컨대 2개의 롤링 베어링의 형태로 존재한다.
이하의 실시예는 계산 모델을 이용하여 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기 위한 계산 모델은, 휠세트 또는 차축 베어링(1)의 부품들의 열 용량, 휠세트 또는 차축 베어링(1)의 부품들 내의 열 전도, 휠세트 또는 차축 베어링(1)의 부품들 사이의 열 전달 저항, 및 레일 차량의 주행 속도로 인한 강제 대류, 자연 대류, 그리고 휠세트 또는 차축 베어링(1)의 부품들 사이에서 주변으로의 열 전달의 모델링을 기초로 한다. 강제 대류는 레일 차량의 속도의 함수이다.
계산 모델의 전기 회로도는 도 2에 도시되며 아래의 소자들을 포함한다.
차축(2)은 열 용량(C0)을 가지며, 저항(R01)으로 표시된 열 전도는 차축으로부터 차축 베어링(1)으로 열 용량(C1)으로 이루어지거나 반대로 이루어진다. 왜냐하면, 바람직하게는 롤링 베어링으로서 구현된 차축 베어링(1)의 내부 링은 차축(2)과 직접 열 전도 접속되기 때문이다. 간단히, 하나의 더블 베어링으로 통합되는 2개의 차축 베어링(1)은 열 용량(C1)을 갖는다. 또한, 자연 대류 및 강제 대류, 즉 차축(2)으로부터 주변으로의 열 전달이 저항들(Roa 및 Rob)로 표시된다. 강제 대류는 레일 차량의 주행 속도(vtrain)로 인해 이루어진다. 차축(2)은 온도(T0)를 갖는다고 가정한다.
열 용량(C1)을 가진 차축 베어링(1)으로부터, 열 용량(C2)을 가진 차축 베어링(1)의 공통 하우징(4)으로, 그리고 저항(R01)을 통해 열 용량(C0)을 가진 차축(2)으로 열 전도가 이루어진다. 또한, 레일 차량의 속도(vtrain)에 의존하는, 차축 베어링(1) 내로의 열 도입이 이루어진다. 차축 베어링(1)은 온도(T1)를 갖는다고 가정한다.
열 용량(C2)을 가진 차축 베어링(1)의 하우징(4)으로부터 차축 베어링(1; C1)으로의 열 전도는 저항(R12)으로 표시되고, 열 용량(C3)을 가진 차축 베어링 커버(6)로의 열 전도는 저항(R23)으로 표시된다. 저항들(R2a 및 R2b)은 자연 대류 및 강제 대류, 그리고 그에 따라 하우징(4)으로부터 주변으로의 열 전도 또는 그 반대로의 열 전도를 나타낸다. 하우징(4)은 온도(T2)를 갖는다고 가정한다.
차축 베어링 커버(6)에 작용하는 자연 대류 및 강제 대류, 그리고 그에 따라 이것으로부터 주변으로의 열 전달은 저항(R3a 및 R3b)으로 표시된다.
하우징(4)은 바람직하게 롤링 베어링으로서 구현된 차축 베어링(1)의 외부 베어링 링과 직접 열 전도 접속되고 단부면이 차축 베어링 커버(6)와 열 전도 접속된다. 하우징(4)과 차축 베어링 커버(6) 사이의 열 전도는 저항(R23)을 통해 이루어진다. 주행 속도(vtrain)로 인한 강제 대류 및 자연 대류에 의한, 주변 온도(Tamb)를 가진 주변과 차축 베어링 커버(6) 사이의 열 전달은 열 전달 저항(R3a 및 R3b)으로 표시된다.
차축 베어링 커버(6)는 차축(2)의 단부를 둘러싸고, 상기 단부는 차축 베어링(1)을 지나 축 방향으로 약간 돌출하고, 상기 단부에는 여기에 도시되지 않은 속도 센서의 자석 휠(8)이 형성된다. 속도 센서는 슬립 제어식 제동을 실시하기 위해, 속도 신호를 레일 차량의 미끄럼 방지 장치로 통보(reporting)한다.
차축 베어링(1)의 온도(T1)를 직접 측정하는 대신에, 온도 센서(10)에 의해 차축 베어링 커버(6)의 온도(T3)가 측정된다. 또한, 레일 차량의 주행 속도(vtrain)의 직접 측정 또는 간접 측정을 위한, 여기에 도시되지 않은 센서 그리고 주변 온도(Tamb)를 측정하기 위한, 여기에 도시되지 않은 센서가 제공된다.
도 3에 블록 회로도로서 도시된 계산 모델(Tbearingestimator)의 바람직한 실시예에서, 온도 센서(10)에 의해 측정된 차축 베어링 커버(6)의 온도(T3)는 Tmeas 로 표시된다. 또한, 도 3에서 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 평가될 차축 베어링(1)의 온도(T1)는 TB , est 로 표시된다. 이에 반해, 주변 온도(Tamb)의 표시 및 레일 차량의 속도(vtrain)는 변함없이 유지된다.
계산 모델(Tbearingestimator)은 도 2에 도시된 그 구성으로 인해, 입력 변수로서 레일 차량의 속도(vtrain) 및 주변 온도(Tamb)에 따라 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)를 평가할 수 있다.
추가로, 하우징(4) 및 차축 베어링(1)과 열 전도 접속된 차축 베어링 커버(6)의 온도(Tmeas)가 작동 중에 온도 센서(10)에 의해 측정 온도로서 측정된다. 이와 병행하여, 차축 베어링 커버(6)의 온도가 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 평가 온도(Tmeas,est)로서 평가된다.
차축 베어링(1)의 온도(TB , est)의 평가와 관련해서 계산 모델(Tbearingestimator)의 정확도를 개선하기 위해, 계산 모델(Tbearingestimator)은 보정 인자(Kb)를 포함하고, 상기 보정 인자에 의해 상기 계산 모델(Tbearingestimator)은 차축 베어링 커버(6)의 측정 온도(Tmeas)와 차축 베어링 커버(6)의 평가 온도(Tmeas , est)의 비교에 기초하여 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정 또는 조정된다.
달리 표현하면, 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)의 평가를 목적으로 하는 계산 모델(Tbearingestimator)의 고유 교정 또는 고유 조정은, 차축 베어링(1)과는 다르지만 열 전도 또는 열 전달에 의해 차축 베어링(1)과 열역학적으로 접속된, 휠세트의 지점에서의 온도의 측정 및 평가에 의해 이루어진다. 상기 지점은 바람직하게 차축 베어링 커버(6)인데, 그 이유는 차축 베어링 커버에서 한편으로는 온도 센서(10)가 장소의 이유 때문에 차축 베어링(1) 자체에서보다 더 간단히 장착될 수 있기 때문이다. 다른 한편으로는 자석 휠(8)과 상호 작용하는 미끄럼 방지용 속도 센서가 차축 베어링 커버(6)에 배치됨으로써, 온도 센서(10)가 속도 센서와 하나의 조합형 센서(10)로 바람직하게 통합될 수 있다.
또한, 계산 모델(Tbearingestimator)에서 기본 교정 또는 기본 파라미터화가 실시되며, 이 기본 교정 또는 기본 파라미터화를 기초로, 보정 인자(Kb) 또는 보정 항(Kb)은 계산 모델(Tbearingestimator)의 정확도를 개선하기 위해 레일 차량의 작동 중에 조정된다. 계산 모델(Tbearingestimator)의 입력 교정 또는 기본 교정은, 예컨대 차량 파라미터에 의해 유도되거나, 시뮬레이션(예컨대, 유한 요소에 의해 결정됨)에 의해 결정되거나 또는 측정 데이터를 기초로 이루어질 수 있다.
이러한 방법이 레일 차량의 휠세트들의 다수의 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기에 적합하게 형성되는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해, 차축 베어링(1)의 적어도 몇몇에, 바람직하게는 레일 차량의 모든 차축 베어링(1)에 각각 하나의 계산 모델(Tambestimator)이 할당됨으로써, 각각의 계산 모델(Tambestimator)의 입력 변수로서 레일 차량의 속도(vtrain)에 따라 레일 차량의 주변 온도에 대한 값(Tamb , est)이 평가된다. 이러한 계산 모델(Tambestimator)은 도 4에 블록 회로도로서 도시되고, 예컨대 각각의 차축 베어링(1)에 할당된 계산 모델(Tbearingestimator)과 통합된다.
레일 차량의 주변 온도에 대한 값(Tamb)의 각각의 평가와 관련해서 계산 모델(Tambestimator)의 정확도를 개선하기 위해, 각각의 계산 모델(Tambestimator)에 대해 보정 인자(Ka)가 제공되고, 상기 보정 인자에 의해 관련 계산 모델(Tambestimator)은 관련 차축 베어링(1)의 각각의 차축 베어링 커버(6)의 각각의 평가 온도(Tmeas , est)와 각각의 측정 온도(Tmeas)의 비교에 기초하여 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정되거나 또는 조정된다. 따라서, 도 3에 도시된 계산 모델(Tbearingestimator)에서와 같이 주변 온도(Tamb)를 평가하기 위한 계산 모델(Tambestimator)의 다이내믹한 조정이 이루어진다.
도 2에 도시된 구조를 가진 이러한 계산 모델(Tambestimator)은 존재하는 주변 온도(Tamb)를 평가할 수 있도록 구성됨으로써, 온전한 차축 베어링(1)의 경우 차축 베어링 커버(6)에서 측정된 온도(Tmeas)가 설정된다. 그러나, 하나 또는 다수의 차축 베어링(1)이 결함을 가지면, 예컨대 과열되면, 계산 모델(Tambestimator) 내로 전달되는 관련 차축 베어링(1)의 더 높은 온도가 주변 온도(Tamb)에 대한 평가 결과를 왜곡시킬 것이다.
이를 방지하기 위해, 도 5에 나타나는 바와 같이 차축 베어링들(1 … n)에 할당된 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)에 의해 평가된 주변 온도에 대한 값들(Tamb ,1 … Tamb ,n)로부터 결과적인 주변 온도(Tamb , res)가 형성되고, 상기 주변 온도는 각각 계산 모델(Tbearing ,estimator,1 … Tbearing ,estimator,n)에 대한 입력 변수로서 사용되며, 상기 입력 변수는 각각의 차축 베어링(1)의 각각의 온도의 값(TB , est ,1,..TB , est ,n)을 평가하기 위해 사용된다. 이로 인해, 과열된 차축 베어링(1)에 의한 주변 온도(Tamb)의 평가 결과의 왜곡이 평균화될 수 있다. 차축 베어링들(1) 중 하나의 차축 베어링에서의 과열이 관련 계산 모델(Tambestimator)에 의한 높은 주변 온도의 평가를 야기하지 않고, 상응하게 높은 차축 베어링 온도(Tb , est)를 야기하도록 하기 위해, 주변 온도(Tamb)에 대한 개별 평가로부터 결과적인 값이 형성된다.
이는, 예컨대 평가된 n개의 가장 낮은 주변 온도들(Tamb)이, 예를 들어 평가된 n개의 가장 낮은 주변 온도들(Tamb)의 평균값 또는 중앙값으로서, 사용됨으로써 구현될 수 있다. 주변 온도(Tamb,res)의 결과적인 값은 관련 차축 베어링(1)의 온도들(Tbearing,1 내지 Tbearing,n)을 평가하기 위한 계산 모델들(Tambestimator,1 내지 Tambestimator,n)에 대한 균일한 입력 변수로서 사용된다.
도 6에는 도 2 및 도 3의 계산 모델(Tbearingestimator)을 체크하는 차축 베어링 테스트 스탠드에서의 시험 결과로서 온도-시간-다이어그램이 도시된다. 이를 위해, 차축 베어링(1)의 부하 구역에 직접 배치된 온도 센서가 차축 베어링 테스트 스탠드의 목적을 위해서만 사용되었고, 상기 온도 센서에 의해 상기 부하 구역의 온도가 직접 시간에 대한 TB,meas 로서 측정되었다. 차축 베어링(1)에서 직접 측정된 온도의 프로파일은 도 6에서 점선(…)으로 표시된다. 실선(―)으로는 도 2 및 도 3의 계산 모델(Tbearingestimatior)에 의해 평가된 온도(TB,est)의 프로파일이 도시되며, 파선(---)으로는 차축 베어링 커버(6)에서 측정된 온도(Tmeas)가 도시된다. 여기서 바람직하게는 측정된 주변 온도(Tamb) 및 환풍기에 의해 시뮬레이션된 레일 차량의 주행 속도(vtrain)가 계산 모델(Tbearingestimator) 내로 전달되었다. 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 평가된 온도(TB,est; 실선)와 측정된 온도(TB,meas; 점선) 사이의 비교는 양호한 일치 및 단지 적은 편차만을 나타낸다.
온도 평가는 과열된 베어링의 검출(과열 검출)을 위해 사용된다. 즉, 평가된 온도값(TB,est)이 온도 한계치와 비교되며, 평가된 온도값(TB,est)이 온도 한계치를 초과하면, 과열된 차축 베어링(1)에 대한 신호가 발생되고, 평가된 온도값(TB,est)이 온도 한계치에 미달하면, 관련 차축 베어링(1)의 열에 의한 장애가 없는 작동에 대한 신호가 발생된다.
추가로 또는 대안으로서, 본 발명에 따른 방법에 의해 평가된 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)가 온도 한계치와의 비교를 위해 사용됨으로써, 차축 베어링(1)에 할당된 또는 인접한(도시되지 않음) 브레이크 장치, 특히 디스크 브레이크가 걸리지 않은 상태인지 또는 걸린 상태인지 여부가 판단될 수 있다.
온도 한계치를 초과하는, 차축 베어링(1)의 평가된 온도(TB , est)는 차축 베어링(1)에 할당된 또는 인접한 마찰 브레이크의 걸린 상태에 대한 신호를 제공하고, 온도 한계치에 미달하는, 차축 베어링의 평가된 온도(TB , est)는 차축 베어링(1)에 할당된 또는 인접한 마찰 브레이크의 걸리지 않은 상태에 대한 신호를 제공한다.
이는 마찰 브레이크가 걸릴 때 마찰 열이 생긴다는 경험에 기초한다. 마찰 열은 열 전달, 차축(2)을 따른 열 전도 및/또는 대류에 의해 인접한 차축 베어링(1)으로 전달된다.
상대적으로 낮은, 평가된 차축 베어링 온도(TB , est)는, 차축 베어링(1)의 정상 작동을 지시할 뿐만 아니라, 인접한 마찰 브레이크의 걸리지 않은 상태도 지시한다. 이에 반해, 상대적으로 높은, 평가된 차축 베어링 온도(TB , est)는, 과열된 차축 베어링(1) 및/또는 관련 차축 베어링(1)과 관련해서 인접한 마찰 브레이크의 걸린 상태를 지시한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해 평가된 차축 베어링 온도(TB , est)에 의해, 차축 베어링(1)과 관련해서 인접한 레일 차량의 마찰 브레이크의 기능(브레이크 걸림 또는 해제)이 모니터링될 수 있다.
1 : 차축 베어링
2 : 차축
4 : 하우징
6 : 차축 베어링 커버
8 : 자석 휠
10 : 온도 센서

Claims (10)

  1. 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 레일 차량의 휠세트(wheelset)의 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)를 평가하기 위한 방법으로서,
    - 상기 계산 모델(Tbearingestimator)은 상기 계산 모델(Tbearingestimator)의 입력 변수로서 상기 레일 차량의 속도(vtrain) 및 주변 온도(Tamb)에 따라 관련 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)를 평가하도록 구성되고, 추가로
    - 상기 차축 베어링(1)과는 다르지만 상기 차축 베어링(1)과 직접적으로 또는 간접적으로 열 전도 접속된 상기 휠세트의 부품(6)의 온도가 작동 중에 측정 온도(Tmeas)로서 측정되고,
    - 상기 차축 베어링(1)과는 다른 부품(6)의 온도가 상기 계산 모델(Tbearingestimator)에 의해 평가 온도(Tmeas , est)로서 평가되고,
    - 상기 차축 베어링(1)의 온도(TB , est)의 평가와 관련해서 상기 계산 모델(Tbearingestimator)의 정확도를 개선하기 위해, 상기 계산 모델(Tbearingestimator)은 상기 측정 온도(Tmeas)와 상기 평가 온도(Tmeas , est)의 비교에 기초하여 상기 계산 모델을 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정 또는 조정하기 위해 사용되는 보정 인자(Kb)를 포함하는, 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    - 차축 베어링들(1 … n)의 적어도 몇몇에 각각 하나의 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)이 할당됨으로써, 각각의 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)의 입력 변수로서 상기 레일 차량의 속도(vtrain)에 따라 상기 레일 차량의 주변 온도에 대한 값(Tamb ,1 … Tamb ,n)이 평가되고,
    - 상기 레일 차량의 주변 온도에 대한 값(Tamb ,1 … Tamb ,n)의 각각의 평가와 관련해서 상기 차축 베어링들(1 … n) 중 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)의 정확도를 개선하기 위해, 상기 계산 모델들(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)의 각각에 대해 보정 인자(Ka ,1 … Ka ,n)가 제공되고, 상기 보정 인자에 의해 관련 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)이 관련 차축 베어링(1 … n)과는 다른 각각의 부품(6)의 각각의 측정 온도(Tmeas ,1 … Tmeas,n)와 각각의 평가 온도(Tmeas , est ,1 … Tmeas , est ,n)의 비교에 기초하여 연속적으로, 일시적으로, 또는 주기적으로 교정되고,
    - 상기 차축 베어링들(1 … n) 중 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)에 의해 평가된 주변 온도에 대한 값들(Tamb ,1 … Tamb,n)로부터 결과적인 주변 온도(Tamb , res)가 형성되고, 상기 주변 온도는, 각각의 차축 베어링(1 … n)의 각각의 온도의 값(TB , est ,1 … TB , est ,n)을 평가하기 위해 제공되는, 상기 계산 모델(Tbearingestimator,1 … Tbearingestimator,n)에 대한 입력 변수로서 각각 사용되는 것을 특징으로 하는 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 차축 베어링들(1 … n) 중 적어도 몇몇에 할당된 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimator,n)에 의해 평가된 주변 온도에 대한 값들(Tamb ,1 … Tamb ,n)로부터 결과적인 주변 온도(Tamb , res)는 평가된 가장 낮은 n개의 주변 온도들(Tamb)의 평균값 형성 또는 중앙값(median) 형성에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기 위한 상기 계산 모델(Tbearingestimator), 상기 레일 차량의 주변 온도(Tamb)를 평가하기 위한 상기 계산 모델(Tambestimator,1 … Tambestimatorn), 또는 양자 모두는 아래 요소들, 즉
    상기 휠세트 또는 상기 차축 베어링의 부품들(1, 2, 4, 6)의 열 용량, 상기 휠세트 또는 상기 차축 베어링의 부품들(1, 2, 4, 6) 내의 열 전도, 상기 휠세트 또는 상기 차축 베어링의 부품들(1, 2, 4, 6) 사이의 열 전달 저항, 그리고 강제 대류 및 자연 대류에 기인한, 상기 휠세트 또는 차축 베어링의 부품들(1, 2, 4, 6)과 주변 사이의 강제 열 전달
    중 적어도 몇몇의 모델링을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기 위한 계산 모델(Tbearingestimator)에서, 상기 레일 차량의 주변 온도(Tamb)를 평가하기 위한 계산 모델(Tambestimator)에서, 또는 양자 모두에서 각각 기본 교정 또는 기본 파라미터화가 실시되고, 상기 기본 교정 또는 기본 파라미터화를 기초로 보정 인자들(Ka, Kb)이 상기 레일 차량의 작동 중에 상기 계산 모델(Tbearingestimator, Tambestimator)의 정확도를 개선하기 위해 조정되는 것을 특징으로 하는 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링의 온도를 평가하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 있어서,
    차축 베어링(1)과는 다르지만, 상기 차축 베어링(1)과 직접적으로 또는 간접적으로 열 전도 접속된 휠세트의 부품(6)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(10), 및 상기 차축 베어링(1)의 온도를 평가하기 위한 계산 모델(Tbearingestimator), 레일 차량의 주변 온도(Tamb)를 평가하기 위한 계산 모델(Tambestimator), 또는 양자 모두가 구현된 마이크로 컴퓨터가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 온도 센서(10)는 상기 레일 차량의 미끄럼 방지 장치의 속도 센서와 하나의 조합형 센서로 통합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 차축 베어링(1)과는 다른 상기 휠세트의 부품(6)은 상기 차축 베어링(1)을 적어도 부분적으로 커버하는 차축 베어링 커버(6)인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 온도 한계치와의 비교를 위한 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 평가된, 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링(1)의 온도(TB,est)를 이용하는 방법에 있어서,
    상기 온도 한계치를 초과하는, 상기 차축 베어링(1)의 평가된 온도(TB,est)는 상기 차축 베어링(1)에 할당된 또는 인접한 적어도 하나의 마찰 브레이크의 걸린 상태에 대한 신호를 제공하고, 상기 온도 한계치에 미달하는, 상기 차축 베어링(1)의 평가된 온도(TB,est)는 상기 차축 베어링(1)에 할당된 또는 인접한 마찰 브레이크의 걸리지 않은 상태에 대한 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 온도 한계치와의 비교를 위한 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 평가된, 레일 차량의 휠세트의 차축 베어링(1)의 온도(TB,est)를 이용하는 방법에 있어서,
    상기 온도 한계치를 초과하는, 상기 차축 베어링(1)의 평가된 온도(TB,est)는 과열된 차축 베어링(1)에 대한 신호를 제공하고, 상기 온도 한계치에 미달하는, 상기 차축 베어링(1)의 평가된 온도(TB,est)는 상기 차축 베어링(1)의 열에 의한 장애가 없는 작동에 대한 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
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