- 1 -
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Bereichs technischer Rollkörper
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Bereichs technischer Rollkörper, insbesondere deren Unterlagen, bei dem mit Sensoren dort auftretende Kräfte erfaßt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, um mittels einer elektrischen Kontroll- und Auswertestation Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, des Bereichs zu detektieren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierzu gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Stand der Technik:
Ein solches Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie im Bereich bewegter technischer Rollkörper ist aus der DE 43 35 776 bekannt, wobei die die Rollreibung verursachenden anelastischen Deformationen und die hierbei auftretenden Kräfte im Bereich der Lager- bzw. Abwälzpunkte der Rollkörper periodisch auf elektromechanische Wandler übertragen und hierdurch zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden. Es werden die durch Abrollen der Rollkörper in deren Bereich eingeleiteten Impulse mit dort angeordneten Sensoren erfaßt, um damit elektrische Energie zu erzeugen und allgemein Zustandsänderungen zu detektieren. Ebenso dient die Vorrichtung zum Überwachen technischer Rollkörper mittels einer Kontroll- und Aus- werteeineinrichtung für technische Geräte, wobei aus der elektrischen Energie die Abrolleigenschaften der technischen Rollkörper abgeleitet werden, so daß bei auftretenden Abweichungen dieser elektrischen Energie entsprechende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden können. Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie an rollenden technischen Körpern, wobei diese mittels einer Kontrolleinrichtung permanent überwachbar sind, sind in den Wirkungsbereichen der periodisch wechselnden Rollreibungskräfte von techni- sehen Rollkörpern und/oder deren Unterlagen elektromechanische Wandler angeordnet. DieKräfte werden auf Wandler übertragen und hierbei in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Abrolleigenschaften technischer Rollkörper aus
- 2 -
dieser elektrischen Energie, zusätzlich oder für sich, abzuleiten sind und hierdurch an einer entsprechenden Einrichtung kontrolliert werden können.
Des Weiteren ist durch die DE-Al-39 37 966 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kraftschlußverhältnisse zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn bekannt geworden. Im Reifenprotektor sind mindestens ein Sensor angeordnet, der beim Durchlaufen des Reifenlatsches die Verläufe der lokalen Spannungen bzw. Dehnung bzw. Verformungen in horizontaler Richtung und in Normalrichtung erfaßt. Die Meßsignale des Sensors werden an eine Auswerte- einrichtung übertragen. Dort wird aus diesen Meßsignalen sowohl der derzeit beanspruchte Kraftschlußbeiwert als auch der maximal mögliche Kraftschluß- beiwert zwischen dem Fahrzeugreifen und der Fahrbahn ermittelt. Mit diesem Verfahren werden keine Rollreibungskräfte gemessen.
Durch die DE 35 36 474 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Reibmomentes eines Meßlagers bekanntgeworden, bei dem man einen Lagerring des Meßlagers mit konstanter Drehzahl dreht, während man den anderen Lagerring über einen Meßkopf mit einer als Kraftaufnehmer wirkender Feder verbindet, wobei der Kraftaufnehmer ein Signal als Maß für das Reibmoment des Meßlagers erzeugt und die Bewegung des Meßkopf- Kraftaufnehmersystems möglichst wenig dämpft. Zur Kalibrierung der gesamten Meßeinrichtung wird das Meßlager durch ein Luftlager ersetzt, wobei man bei dieser Luftlageranordnung ein der Federverformung proportionales Signal und ein der Meßkopfbeschleunigung proportionales Signal erzeugt und daraus ein weiteres Signal ableitet. Bei der Reib- momentmessung des Meßlagers werden anschließend die gewonnenen Signale summiert, wobei das Ergebnis ein Maß für das auftretende Reibmoment ist.
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein solches Verfahren und eine Vor- richtung weiterzuentwickeln, dass im Bereich der technischen Rollkörper auftretende Zustandsänderungen jederzeit mit Sensoren detektiert werden können.
- 3 -
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest einer der im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten Sensoren aktiv mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und dabei als Aktor auswertbare Impulse in seine Unterlage einleitet, wobei von den im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten Sensoren jederzeit auswertbare Impulse erfaßt werden und dadurch der Bereich der technischen Rollkörper auf Zustandsänderungen jederzeit überwacht wird.
In vorteilhafter Weise kann somit der Bereich der technischen Rollkörper, insbesondere die Unterlage, beispielsweise eine Schiene, jederzeit auf Zustandsänderungen überwacht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, daß zumindest einer der im Bereich der technischen Rollkörper als Wandler arbeitenden Sensoren mit elektrischer Energie beaufschlagt wird und dabei in dessen Unterlage auswertbare Impulse als Aktorsensor einleitet, so daß jederzeit mit den im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten weiteren Sensoren auswertbare elektrische Impulse erfaßt werden können, aus deren Auswertung Zustandsänderungen abgelesen werden können und dadurch dieser Bereich jederzeit zu überwachen ist. Die Versorgung des Aktorsensors mit elektrischer Energie kann dabei vermittels einer beliebigen Energiequelle, die beispielsweise von einer Kontroll- und Auswertestation aktiviert wird, erfolgen.
Das Einleiten der Impulse in den Bereich technischer Rollkörper wird dadurch erzielt, daß der mit elektrischer Energie angeregte Aktor des als Impulssender arbeitenden Wandlers auswertbare Impulse, z.B. mechanische Wellen, in dessen Unterlage, zum Beispiel eine Schiene, einleitet und dadurch mit den im Bereich der technischen Rollkörper angeordneten Wandlern jederzeit die Impulse zu erfassen sind. Somit lassen sich mit den Sensoren im Bereich technischer Rollkörper Zustandsänderungen, wie Material- und Trennschäden, jederzeit detektieren und signalisieren.
- 4 -
Dabei werden als Aktorsensoren elektromechanische Wandler eingesetzt, die an deren Unterlage Impulse erfassen und die mit elektrischer Energie beaufschlagt als .Aktorsensoren, bzw. Generatoren, entsprechende Impulse, beispielsweise elastische Wellen, an der Unterlage zu erzeugen, bzw. solche Impulse komplementär von dort zu signalisieren in der Lage sind. Die Abstände und die Leistungen der als Aktoren arbeitenden, bzw. als Wandler arbeitenden Sensoren sind von den zu überwindenden Strecken, bzw. den notwendigen Intensitäten zur Übertragung der Impulse an/in deren Unterlagen abhängig und können vorab ermittelt werden.
Prinzipiell lassen sich baugleiche oder unterschiedliche Wandler sowohl als Impulsempfänger, als auch als Impulssender im Bereich der technischen Rollkörper beabstandet betreiben und dadurch jederzeit mechanische, bzw. elektromagnetische Wellen in die Unterlage der Aktorsensoren einleiten. Sämtliche Wirkleistungen, bzw. Übermittlungen der notwendigen Ein-, Ausgangs- und Prüfsignale von bzw. zu den Aktorsensoren, bzw. den Wandler können in herkömmlicher Art, z.B. vermittels galvanischer Elemente - wie Kabel etc. -, und/ oder, zumindest teilweise, drahtlos durchgeführt werden, dabei kann auf die Montage herkömmlicher Übertragungselemente verzichtet werden. Als Wandler- sensoren werden dazu beispielsweise Piezosensoren vorgeschlagen, deren schwingungsbewegten Teile als Aktoren bei der jeweiligen Hubumkehr die Unterlage technischer Rollkörper berühren bzw. einen Impulshammer betreiben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Unterlagen tech- nischer Rollkörper, bei der auftretende Kräfte dort mit Sensoren detektiert und an eine Kontroll- und Auswertestation signalisiert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der an der Unterlage angeordneten Sensoren mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist und dabei der Sensor als Impulssender auswertbare Impulse in die Unterlage einleitet, so daß von den Sensoren an der Unterlage jederzeit auswertbare Impulse beim Überwachen des Bereichs technischer Rollkörper als Impulsempfängern zu erfassen und von dort an eine Kontroll- und Auswertestation nach Bedarf zu signalisieren sind.
- 5 -
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jederzeit zuverlässig und kostengünstig der Bereich technischer Rollkörper auf Material- und Trennschäden überwacht werden können, im Besonderen Fahrzeugschienen für Hochgeschwindigkeits- bahnen. Die mit den als Impulssender arbeitenden Aktorsensoren eingeleiteten Impulse können auf einen bekannten, zum Beispiel durch Messung, vorab ermittelten Sollwert ausgelegt sein. Bei einer Abweichung des ankommenden Ist- Werts der Impulse an den als Impulsempfänger arbeitenden Sensoren von dem bekannten Wert können dadurch Rückschlüsse auf das Ausmaß der im Bereich der Unterlage technischer Rollkörper eingetretenen bzw. dort beginnenden Schäden gezogen werden, und zwar jederzeit bei einer Kontrollmessung vor Auswirkungen von Schäden und unabhängig von der Bewegung des Rollkörpers.
Die Auswertung mechanischer, bzw. elektromagnetischer Impulse von solchen Aktorsensoren (Wandlersysteme) hin zu einer Kontroll- und Auswertestation, welche stationär, bzw. mobil als solche arbeiten kann, erfolgt vermittels dazu geeigneter Vorrichtungen und kann funkgesteuert, vermittels Oszilloskop, bzw. rechnergesteuert erfolgen. Bekannt ist es, dass insbesondere piezoelektrische
Sensoren reziprok als Aktor und Sensor arbeiten können, weshalb darauf hier nicht näher eingegangen ist. Unter Aktorsensoren sind sämtliche Wandler
Systeme zu verstehen deren schwingungsbewegten Teile als Aktor, z.B. als
Impulshammer, arbeiten können bzw. die einen solchen Impulshammer unmittelbar antreiben können und die zusätzlich, oder für sich auswertbare
Impulse (Kräfte) an deren Unterlage erfassen, bzw. signalisieren können oder durch Impulsecho zu arbeiten in der Lage sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Fig. 1 die gestreckte Unterlage als Bereich eines technischen Rollkörpers in
Aufsicht, mit einem an der Unterlage angeordneten Sensor Fig. 2 die gestreckte Unterlage als Bereich eines technischen Rollkörper in
Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Modul arbeitenden Aktorsensor und
- 6 -
Fig. 3 eine weitere gestreckte Unterlage in Seitenansicht, auf der sich ein technischer Rollkörper 7 bewegt.
Wege zur Ausführung der Erfindung: Fig. 1 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schiene 1, als Bereich eines (nicht gezeigten) technischen Rollkörpers in Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Aktor arbeitenden Sensor 2, wie Impulsgeber- Impulsempfänger 2 bzw. Wandler 2, der von einer Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5a beaufschlagt wird. Dadurch leitet der Wandler 2 physikalisch auswertbare Impulse 5b in die Unterlage 1 ein, die von einem ebenfalls als Wandler arbeitenden Sensor 3, wie Prüfsignalempfänger 3 oder Impulsgeber- Impulsempfänger 3, an bzw. in dieser Unterlage 1 erfaßt und von dort als elektrische Signale 5c an eine Kontroll- und Auswertestation signalisiert werden, beispielsweise galvanisch gekoppelt oder mittels einer Funkstrecke. Die empfangende Kontroll- und Auswertestation kann mit der Kontroll- und Auswertestation 6 identisch sein kann. Wandler 2 und Wandler 3 können ebenfalls gleich aufgebaut sein.
Fig. 2 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schiene 1, als Bereich eines (nicht gezeigten) technischen Rollkörpers in Aufsicht, mit einem an der Unterlage 1 angeordneten als Modul arbeitenden Aktorsensor 4 oder Wandler 4, der von einer Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5a beaufschlagt als Sender Impulse 5b in die Unterlage 1 einleitet und gleichzeitig als Empfänger sämtliche an der Unterlage 1 abnehmbaren Impulse 5b erfaßt und diese als elektrische Signale 5c an eine Kontroll- und Auswertestation übermittelt, wobei die empfangende Kontroll- und Auswertestation wiederum mit der sendenden Kontroll- und Auswertestation 6 identisch sein kann.
Fig. 3 zeigt eine gestreckte Unterlage 1, wie Schienenstrecke 1, auf der sich ein technischer Rollkörper 7, wie Fahrzeugrad 7, bewegt in Seitenansicht, an dem
Impulssender 8, wie Prüfsignalsensoren 8, vorzugsweise peripher, angeordnet sind. Von einer Kontroll- und Auswertestation 6, die mit dem Rollkörper 7 in
- 7 -
Zusammenhang steht und beispielsweise von diesem getragen wird, kann elektrische Energie in Form von Impulsen 5a einen an bzw. in der Unterlage 1 befindlichen Impulsgeber-Impulsempfänger 2 bzw. Wandler 2 aufgegeben werden, der seinerseits Impulse 5b in die Unterlage 1 einleitet, die an einen weiteren an bzw. in der Unterlage 1 befindlichen Wandler 3 geleitet, von diesem aufgenommen und als elektrische Signale 5c an die Kontroll- und Auswertestation 6 übertragen werden. Wandler 2 und Wandler 3 können wiederum gleich aufgebaut sein.
Gleichermaßen ist es möglich, dass Signale von der Kontroll- und Auswertestation 6 den Prüfsignalsensoren 8 innerhalb des Rollkörpers 7 aufgegeben werden; zum Beispiel leitet die Kontroll- und Auswertestation 6 elektrische Energie in die Prüfsignalsensoren 8, die ihrerseits auswertbare Impulse 5a' in den Wandler 2 einleiten, der wiederum Signale 5b aussendet, die sich in der Unterlage 1 ausbreiten und vom Wandler 3 aufgenommen und entweder als Signal 5c direkt an die Kontroll- und Auswertestation 6 oder als Signal 5c' an die Prüfsignalsensoren 8 geleitet werden, die ihrerseits die Signale an die Kontroll- und Auswertestation 6 weiterleiten bzw. übermitteln. Die Impulse können dabei von bzw. zu der Kontroll- und Auswertestation 6 drahtlos übertragen werden, wobei die stationäre Kontroll- und Auswertestation 6, bzw. auch eine mobile Kontroll- und Auswertestation zumindest teilweise eine durch Funktechnik betriebene sein kann.
Prinzipiell werden die Impulse des Wandlers 2, die von diesem nach seiner Erregung in die Unterlage 1 eingeleitet werden, vom Wandler 3 nach dem Durchlaufen der Impulse über eine bestimmte Strecke an bzw. in der Unterlage 1 detektiert und von dort bzw. vom Wandler 3 an eine stationäre bzw. mobile Kontroll- und Auswertestation 6 signalisiert.
Gleichermaßen kann der von der Kontroll- und Auswertestation 6 mit elektrischer Energie 5 beaufschlagte Impulssender 8 Impulse an der Unterlage 1 erzeugen, die von den Wandlern 2, 3 übertragen und ausgewertet werden können
- 8 -
und die wiederum auch von den Impulssendern 8 empfangen und zur Kontroll- und Auswertestation 6 weitergeleitet werden können.
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich technische Rollkörper, beispielsweise Lager, Walzen etc. , im Besonderen an deren Unterlagen und hier im Besonderen an den gestreckten Unterlagen von Rad-Schienensystemen gewerblich anwendbar, wobei das Radfahrzeug selbst die Kontroll- und Auswertestation sein kann. Ebenso ist die Erfindung auch an nicht direkt erdgebundenen Schienensystemen anwendbar, z.B. zum Überwachen von Schienen für Hochbaubahnen, beispielsweise Schwebebahnen entsprechend.