WO2000002022A1 - Verfahren und vorrichtung zur laufenden überwachung von elementen oder gesamtheiten jeglicher art auf das auftreten von veränderungen - Google Patents

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WO2000002022A1
WO2000002022A1 PCT/EP1999/001200 EP9901200W WO0002022A1 WO 2000002022 A1 WO2000002022 A1 WO 2000002022A1 EP 9901200 W EP9901200 W EP 9901200W WO 0002022 A1 WO0002022 A1 WO 0002022A1
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vibration
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Robert KÜHN
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Kuehn Robert
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    • 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
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00—Testing of vehicles
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    • G01M17/10—Suspensions, axles or wheels
    • G—PHYSICS
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table

Definitions

  • the invention relates to a method and to a device for the continuous monitoring of elements or assemblies of any kind for the occurrence of changes.
  • the invention relates to such elements or assemblies that are exposed to different operating states.
  • the elements or the entirety can, in particular, be components of machines, systems, vehicles or structures or these themselves.
  • Elements or units may be subject to considerable stress or exert considerable stress on other elements or units.
  • the stresses that occur in practice include mechanical, mechanical-thermal and tribological stresses that can occur either individually or in combination.
  • the critical mechanical stresses, which are among the most common causes of damage, are often caused by vibrations of vibratable elements or assemblies.
  • Elements which are capable of vibrating are understood here to mean elements which are themselves at least partially capable of vibrating and those which, although they themselves are not capable of vibrating at all or hardly, under certain circumstances. were at least partially able to be excited to vibrate and therefore emit a wide variety of vibrations, e.g. sound vibrations
  • Solid elements in particular, also include liquid and gaseous media, which can be excited to vibrate in pipes and certain containers or when they flow out of them
  • the vibratable assemblies comprise several elements, which can be vibratable elements. These assemblies are able to vibrate in whole or in part, whereby the vibratory ability can be restricted to one or more elements
  • the invention therefore relates in particular to a method for identifying defective wheel tires on moving rail vehicles.
  • a broken wheel tire on the wheel of a rail vehicle can result in derailment of the rail vehicle and consequential damage to people and material
  • the object of the invention is to create a simple method and a simple device for continuous monitoring with increased security of surveillance of elements or assemblies of any kind, in particular those elements or assemblies which are exposed to different operating states, in order to detect changes, in particular the early detection of damage
  • the invention particularly, but not exclusively, aims to provide a method and a device for recognizing defective wheel tires on moving rail vehicles, which enables the earliest possible detection of a fault, namely as soon as a wheel tire shows damage which could lead to vehicle derailment in the further course
  • Measured values of physical quantities are determined at the same time on different elements or groups with the same and / or similar properties and / or at different times on the same element or on the same group,
  • the running noises of the wheel tires of a vehicle are detected and compared with the running noises of at least one other wheel tire of the vehicle in question, and the presence of a defective wheel tire is inferred when recognizing markedly different running noises.
  • the advantage of this configuration lies in the fact that related specification of reference signals in the running noise assessment can be dispensed with, because the running noise assessed in each case essentially meets the same track-side environmental conditions (continuous tracks, switches, crossings, sleepers, bridges and the like).
  • the device according to the invention has
  • At least one sensor for determining measured values of physical quantities at the same time on different elements or groups with the same and / or similar properties and / or at different times on the same element or on the same group, a comparator for determining differences in the determined Readings and
  • An evaluation device for determining changes based on the determined differences.
  • the device comprises:
  • At least one sensor each for determining vibrations and / or vibration mixtures at the same time on different vibratable elements or groups with the same and / or similar vibrations and / or vibration mixtures and / or at different times on the same vibratable element or on the same vibratable group
  • a comparator for determining differences in the determined vibrations and / or vibration mixtures and - An evaluation device for determining changes based on the determined differences.
  • the invention relates to measured values of physical quantities that originate from elements or groups with the same and / or similar properties or that were determined on the same element or on the same group. It is sufficient that the parameters are the same or similar, i.e. of those properties from which measured values are determined. On the basis of several simultaneous or staggered measurements, it can be determined whether there is a change, that is to say according to the "majority principle". This eliminates problems with the provision and validity of default reference values.
  • the reference to measured values from other or the same elements or as a whole also favors the detection of irrelevant changes, for example due to changed operating conditions in a permissible range.
  • the monitoring is adaptive both when measuring values on different elements or groups as well as when measuring values at different times on the same element or group, i.e. it adapts to the circumstances of the moment (e.g. for rail vehicles: speed, condition of rail and Wheel tires). This is based on the fact that the analysis is not based on static reference values, but rather on comparison values that are taken in comparable operating states. The simultaneous determination of measured values takes place per se in comparable operating states. When averaging over longer intervals is a prerequisite that this takes place under comparable operating conditions.
  • the invention is therefore particularly suitable for monitoring machines, systems, vehicles and structures or their elements which are exposed to different operating states.
  • the determination and comparison of measured values enable an assessment of changes. Sudden changes, which may be due to damage due to a special event, can be determined by repeatedly taking samples at short intervals (e.g. seconds and less) and comparing the samples with each other. In order to detect gradual changes, which are based on gradual wear, for example, the samples are taken at long time intervals (e.g. minutes and above) and compared with one another. The time interval between the samples can be adapted to the device to be monitored in such a way that the time interval is correspondingly reduced when irregularities are detected. In some cases, monitoring at short and long time intervals is expedient, for example in jet engines of aircraft.
  • the result of the comparison can be output.
  • data can be created on the basis of the result, which data are output in digital or analog form, as an acoustic signal, as a warning signal or as an image representation or in a combination of these representation forms.
  • the output unit can thus comprise an acoustic signal transmitter, a display or a screen and / or in the operation of the relevant electronics. Intervene mentes or the entirety To do this, a comparison can be used to examine whether a specification for the degree of agreement is met. If the specification is not met, appropriate measures will be drawn.
  • the invention can always be used if an assessment of the state of the same is possible on the basis of differences in the measured values determined on elements or on aggregates.
  • use in road vehicles and ships is also considered.
  • applications are in all areas of mechanical engineering , process engineering, energy technology, construction technology, etc., for example, in the monitoring of machine elements, turbines, motors, blowers, bridges or of energy or process engineering systems
  • the monitored changes can in particular be changes in material, structure, operating materials, etc. or damage to the elements or the entirety, or just changes in their operating status, for example in a warm-up phase, in the event of a change in load or in the event of changes in the operating conditions
  • An advantageous embodiment is based on the experience of experienced specialists who, for example in mechanical engineering, can use their sensitive hearing to recognize irregularities from the development of noise before failure occurs.
  • the invention mimics this obscure observation by being able to detect deviations or changes can be determined in the spectral image at a specific point in time or over short or long periods of time.
  • the invention is not limited to acoustic vibrations, but rather includes the monitoring of any type of vibration and vibration mixtures that arise during operation.
  • Simultaneous monitoring of various vibratory elements or units can be carried out, for example, on the wheel sets of the ICE or other rail vehicles. Due to the identical design, the wheel tires of one and the same vehicle consist of almost identical vibrations or vibration mixtures in the undamaged state. However, a crack-free wheel tire will develop a different sound or a different sound mix when rolling on the rail than a cracked one. It is consequently possible to determine whether damage is present by comparing vibrations or vibrational mixtures of several wheel tires determined at the same time. Furthermore, the determination and comparison of the vibrations or vibration mixtures can be carried out continuously or at random at intervals, so that the wheel tire is continuously or virtually monitored during operation. In view of the high and further increased travel speed of ICE and comparable trains at the same time as the security needs of the public, which have become more sensitive, permanent monitoring is essential.
  • the determined vibration mixtures generally contain vibration components which are irrelevant to the monitoring of the element or the whole in question, which can disrupt it and, under certain circumstances, can be much stronger than the useful signals.
  • the vibration component to be used or the ones to be used are used by means that are introduced in communications and information technology. oscillating mixtures are highlighted by suitable filters and the interference signals are suppressed
  • the selection capacity can be changed quantitatively and qualitatively according to certain criteria, for example in order to do justice to gradual wear and thus changes in the vibration behavior of the element to be monitored or the entirety
  • the processing in differently dimensioned selective channels also enables a rough-quantitative analysis as to whether the material stress of components remains within the scope of the Hooke's law.
  • the relationship between cause and effect is linear, if the limits are exceeded nonlinear one, too only brief overloading is noticeable acoustically through an unclean sound, ie through the addition of newly generated vibrations. This is always associated with an abnormal material stress, which is precisely the task of this invention to prevent
  • the method according to the invention can use technical means to mimic the behavior of humans to process information received via hearing.
  • Humans process acoustic perceptions in a very complex way. He combines the different and different parts of the overall acoustic perception and derives certain reactions from the result of the connection.
  • processing consists of a chain of successive, very different, links. The nature of the respective link and the associated conditions are determined by the nature of the respective task and the experience of the person and are constantly changed by the ongoing teaching process.
  • thermodynamic processes it is known, for example, that the human ear, particularly in thermodynamic processes, is able to recognize irregularities before a measuring device diagnoses them. Such experiences are also known from the other areas of machine and plant technology and are used successfully all the time.
  • the main thing is to imitate and exploit 1 the ability of humans to perceive and assess individual tones and sound mixtures
  • the physical characteristics of the vibrations and vibrational mixtures used in these processes differ from those that the human ear can perceive and process in that they are not restricted to acoustic vibrations of the airborne sound, not to the audibility range of the human ear, not to its dynamic range, and may have different frequency-dependent properties than is represented in principle by the physiological hearing curve of humans.
  • a particularly advantageous aspect of the invention is the linking of different perceptions of vibrations, e.g. the perception of pitch, linked to the perception of the strength of an input signal and the perception of a certain change in various ways, the perception of the direction of incidence, possibly even the location of the source, and the continuous change in the conditions of linkage.
  • the link is one-stage and defined by a simple condition, e.g. by specifying a limit.
  • the most extensive processing would currently be that with the help of an ongoing learning process e.g. Artificial Intelligence (AI) or in a neural network, with the help of which the facility approaches an ideal result.
  • AI Artificial Intelligence
  • the devices according to this method allow expansion stages that can be adapted to the respective task.
  • the software can be used to represent the different characteristics and change them almost as desired
  • a musically untrained person can perceive pitch differences in steps of one third
  • the invention can also relate to the measured values of other properties of the element or of the whole, for example the appearance of the surface, the magnetic permeability, the temperature, the heating, the capacity with respect to a counterelectrode or the acceleration.
  • These properties can in particular be caused by material damage, for example cracks , cracks on the surface can be visible, the magnetic permeability or the heating behavior can change and the capacity with respect to a counter electrode can be influenced.
  • Acceleration values in particular allow conclusions to be drawn about deformations or changed external operating conditions The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings of some exemplary embodiments. Show in the drawings
  • FIG. 1 shows a monitoring device in a rough schematic block diagram
  • the device has two sensors 1, 2, for example microphones.
  • the sensors 1, 2 are each assigned to a machine and system element, the elements in operation having the same or similar vibrations or vibration mixtures or a combination of the same and similar vibrations or Generate vibration mixtures
  • Each sensor 1, 2 feeds an analog / digital converter 3, 4, which digitizes the analog signal supplied by the sensor 1, 2
  • the digitized measurement signal is fed from the analog / digital converters 3, 4 to a digital filter 5, 6, respectively.
  • the filters 5, 6 can emphasize certain bands according to their position and width from the determined vibration mixtures and suppress others.
  • the filter algorithm and thus the filter characteristics of the two filters 5, 6 are controlled by a filter controller 7.
  • the filtered oscillations or oscillation mixtures are fed from the filters 5, 6 to a digital comparator 8, e.g. a sequencer.
  • a digital comparator 8 e.g. a sequencer.
  • fast comparators are referred to as sequencers, which compare sequences with one another, e.g. in gene analysis. From these, the digitized vibrations or vibration mixtures are compared bit by bit or in groups and checked whether a certain degree of correspondence exists.
  • the comparison algorithm is controlled by a comparator controller 9.
  • the comparator 9 supplies a control signal to an output unit 10 if the comparison results in the default values being exceeded.
  • a warning signal can be given acoustically and / or optically and / or automatically intervened in the operation of the elements to be monitored via the output unit 10.
  • a process controller 11 is superordinate to the entire device, by means of which the operation of all device parts 1 to 10 can be influenced.
  • a rail vehicle is provided with several microphones that are assigned to the wheel tires of the individual wheels and are acoustically coupled to them.
  • the microphones are used to record the running noise of the individual wheel tires coupled to one another as possible.
  • the running noises of the individual wheel tires are digitized for later comparison of their sound patterns and saved if necessary.
  • a bit-by-bit comparison of the digitized sound patterns of different wheel tires is carried out at predetermined intervals. Usually there will be only relatively small variations in the sound pattern that indicate the correct operating condition of the wheel tires. If the wheel tire is defective, the degree of the sound pattern deviation will be different from that of the sound pattern deviation if the wheel tires are in good condition. The striking sound pattern deviation is now used to conclude that one of the wheel tires, whose running noise is being evaluated, is subject to interference.
  • the actual noise spectrum of a machine system at time tj is saved as reference spectrum SOLLi after it has been narrowed down to the relevant frequency range by filtering.
  • the IST 2 spectrum is stored as a new reference spectrum and compared with the subsequent spectrum at time t 3 and so on.
  • the result of the linkage can either lead to a programmed automatic reaction or can be displayed and answered manually.
  • An operator derives certain reactions from the combination of different and different instantaneous values of frequency and strength of a noise spectrum depending on the respective operating state.
  • the computer determines the algorithm of the learning process from the chain of assignments.
  • the monitoring device “learns” to adjust to different operating states, to interpolate and to shift it in the possibly multidimensional characteristic field, and evaluates the different and different noises, like humans, as a function of the respective operating state.
  • Deviations from this are in turn linked to one another and trigger graded automatic reactions.
  • Example 4 In a machine system that consists of similar elements that work under exactly the same working conditions, the noise spectra must largely match.
  • An example is the wheels of a railway vehicle of exactly the same type and wear condition when they run on the same rail. Each wheel creates a noise when rolling on the rail, which is composed of
  • the wheel tire itself can be defined as a vibratable element in a very clean way, even if the tendency to vibrate is dampened by constructional measures and the material.
  • the running noises of a specific railway vehicle are compared with one another by first filtering the vibrations of the wheel tires.
  • the state of wear of the rail head can also be determined by monitoring one or more wheels of a railway vehicle. Basically, this is possible through repeated measurements on only one impeller.
  • the simultaneous monitoring of two running wheels running in succession on the same rail is advantageous. Corresponding changes in the vibrations or running noise can be traced back to the rail and allow conclusions to be drawn about its state of wear. In this way, early damage developments can be identified and timely preventive measures can be initiated.
  • the stereophonic property of the monitoring device (patent pending) also defines the exact location of the damage without any noticeable delay
  • the monitoring device also enables the hazard location to be determined in the event of damage by reliably detecting the location of the damage
  • an optical scanning line 13 of the type of scanning lines used in FAX technology is arranged on the side of a wheel tire 12 with a flange 12 '.
  • State of the art is a density of the individual optical sensor elements 14 of 600 dpi corresponding to 23.6 elements per millimeter
  • the device makes use of the fact that a crack
  • a crack can be detected and distinguished from other signals which, for example, result from contamination.
  • the scanning line 13 is tangential to the inner radius of the wheel tire 12, which results in a usable length of approximately 125 mm, if one assumes a wheel tire diameter of 710 mm on the tread and a diameter of 650 mm on the main wheel 12 "on which the Wheel tire 12 is seated.
  • This type of multiple overlay also makes the slight differences in brightness, which produce very thin cracks, visible.
  • An additional increase in the probability of detection can be carried out by continuing the scanning over several revolutions and superimposing the individual signals on one another, as before in the case of the single revolution.
  • the useful signal peels out of the sum signal of the multiple sampling the sharper the longer the superimposition lasts. With a sufficiently long superimposition time, useful signals can be perceived that are considerably below the level of the interference signals
  • the very high resolution requires a continuous control of the distance between the scanning line 13 and the wheel tire 12. It is preferably effected here in that the scanning line 13 is held in suspension by magnetic halves at a certain distance
  • the processing follows the following scheme a) a pixel is detected, b) the sharpness of the signal is determined by a differentiation dU / dt and compared with a value typical for a crack signal, c) by differentiation twice d 2 U / dt 2 , the width of the signal is determined and compared with a value typical for a crack signal d) If b) and c) remain within the permitted limits, a time window is defined for the subsequent signal in which only a “ allowed "signal is evaluated The position of the time window corresponds to the further possible course of the crack e) The detection of a pixel is limited to the specified time window and starts again with a), b) etc.
  • a crack signal consists of an extremely short drop in brightness. Such a signal is characterized by a steep slope.
  • a strong signal dU created / dt while a signal emanating from pollution, usually has softer edges and therefore produced in the differentiation once, a much weaker signal dV / dt.
  • the second differentiation according to d 2 U / dt 2 provides an additional distinction.
  • the resulting voltage peaks represent the duration of the signal, which as a crack signal is significantly shorter than that which is generated by contamination.
  • the processing follows the following scheme: a) As before under a) to f), ie a crack has been recognized. However, the detection probability is not sufficient for a reaction. b) One of the following pixels does not meet the conditions of a crack signal. c) The time window becomes the last one "Permitted” crack signal derived and expanded accordingly due to the possible change in direction d) Continue as b) and c) e) As soon as a "permissible" crack signal occurs again, the process begins as under a) in the case of an unpolluted one Crack pattern described until the probability of a reaction is sufficient
  • FIG. 3 shows the detection of cracks by measuring the change in the magnetic permeability in the crack area. If there is cracking, the permeability is reduced there.
  • a sensor for the magnetic permeability 15 is located on the side of the wheel tire 12. This sensor has a transformer with primary winding 16 and secondary winding 17 whose magnetic flux closes at 18 radially and transversely to a possible crack over the wheel tire 12
  • FIG. 4 shows the detection of cracks by measuring the local warming as a result of eddy currents. In the area of the crack, the cross section that is decisive for the strength of the eddy current is reduced, so that the eddy current and thus the heating decrease
  • the device contains an alternating current-carrying coil 19, which is attached to the side of the wheel tire in the area of the risk of cracking and whose alternating magnetic field in the wheel tire 12 allows 20 eddy currents to flow, which locally heat the material.
  • the coil 12 generating the alternating magnetic field is attached in such an orientation to the wheel tire. that the cracking results in a change in the strength of the eddy currents and the result is a reduced local temperature
  • the temperature distribution which changes spatially and temporally when the wheel is rotated, is determined with the aid of a thermal differential sensor 21 with differential sensor heads 21 ′, 21 ′′.
  • This can be an infrared sensor, as is used for tracking down the smallest temperature differences
  • the temperature gradient can be determined over time. This evaluation continuously provides a status message about the condition of the bearing in question. By comparing several bearings of the same construction and the same load, reliable data about the state of wear are obtained before failure occurs
  • FIG. 5 shows the detection of cracks by measuring the change in the capacitance between the wheel tire 12 and a fixed electrode 22.
  • This device uses the Change in the electric field at 23 and thus the change in the capacitance between a fixed electrode 22 and the wheel tire 12 as a counter electrode
  • the geometry of the fixed electrode 22 and the frequency of the AC voltage applied at 24 are optimized by means of dielectric optics the electric field can be focused on the wheel tire 12
  • the vertical accelerations from changes in the track superstructure are normally recorded at certain intervals by track measuring vehicles and form the basis for maintenance measures.
  • the constant control of the track superstructure by a facility that is already present in the train association makes it possible that track measuring cars only have to be used less frequently. Nevertheless, the constant monitoring of the track position provides more reliable values about the current status of a route.
  • All devices can have devices which accumulate the very small values of the electrical and thermal phenomena together with the interference signals over a long period of time, as a result of which the distance between the respective useful signal and the interference signals is continuously increased.

Abstract

Verfahren zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art, insbesondere solchen Elementen oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind auf das Auftreten von Veränderungen, bei dem zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit Meßwerte von physikalischen Größen ermittelt werden, Unterschiede zwischen den ermittelten Meßwerten ermittelt werden und aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das
Auftreten von Veränderungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszu- ständen ausgesetzt sind.
Bei den Elementen oder Gesamtheiten kann es sich insbesondere um Bestandteile von Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Bauwerken oder um diese selber handeln.
Elemente oder Gesamtheiten können erheblichen Beanspruchungen unterliegen bzw. erhebliche Beanspruchungen auf andere Elemente oder Gesamtheiten ausüben. Die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen umfassen mechanische, mechanisch-thermische sowie tribologische Beanspruchungen, die entweder einzeln oder kombiniert auftreten können. Die kritischen mechanischen Beanspruchungen, die zu den häufigsten Schadensursachen gehören, werden vielfach durch Schwingungen schwingungsfähiger Elemente oder Gesamtheiten verursacht.
Unter schwingungsfähigen Elementen werden hier solche Elemente verstanden, die selbst zumindest teilweise schwingungsfähig sind und solche, die, obwohl selbst nicht oder kaum schwingungsfähig, unter bestimmten Um- standen zumindest teilweise zum Schwingen angeregt werden können und deshalb Schwingungen verschiedenster Art abgeben, z B Schallschwingungen
Zu den schwingungsfahigen Elementen zahlen insbesondere feste Elemente aber auch flüssige und gasformige Medien, die in Rohren und bestimmten Behaltern oder beim Ausstromen aus diesen zum Schwingen angeregt werden können
Die schwingungsfahigen Gesamtheiten umfassen mehrere Elemente, die schwingungsfahige Elemente sein können Diese Gesamtheiten sind ganz oder teilweise schwingungsfähig, wobei die Schwingungsfahigkeit auf ein Element oder mehrere Elemente beschrankt sein kann
Man ist bestrebt, durch werkstofftechnische und/oder konstruktive Maßnahmen die Beanspruchung kritischer Elemente oder Gesamtheiten zu verringern, kann diese jedoch nicht in jedem Fall ganz unterdrucken So kann beispielsweise eine Schwingneigung nicht immer vollständig unterdruckt werden Deshalb wird angestrebt, daß die Elemente oder Gesamtheiten zumindest über die geplante Nutzungsdauer ohne Versagen standhalten Da dieses nicht mit absoluter Sicherheit möglich ist, sind in den Betriebspausen Überprüfungen notwendig und werden vorsorglich bestimmte Elemente oder Gesamtheiten ausgetauscht
Bekannte meßtechnische Überwachungen haben den Nachteil, daß die gewonnenen Meßwerte in aller Regel nur einen sehr begrenzten Ausschnitt der insgesamt anfallenden, sehr komplexen Erscheinungen des Beanspru- chungsvorgangs repräsentieren Deshalb kommt es immer noch viel zu häufig zu einem Versagen mit bisweilen katastrophalen Folgen
So wurde der furchtbare Unfall des ICE bei Eschede im Juni 1998 auf das Versagen eines Radreifens zurückgeführt Dabei handelte es sich um einen die Laufflache und den Spurkranz aufweisenden Reifen, der als Verschleißteil auf den scheibenförmigen Radkorper aus hochwertigem Material aufgebracht war und daran mittels einer Sicherung gesichert war Die Rader wurden bis zu dem Unfall nur einer regelmäßigen Sichtkontrolle unterzogen Danach wurden die Rader samtlicher baugleicher ICE einer Materialprüfung mittels Ultraschall unterworfen Diese Prüfung ist aufwendig und gewahrt keinen Schutz vor einem Versagen, das auch mittels Ultraschall nicht zwischen zwei Untersuchungen vorhersehbar wäre
Deshalb betrifft die Erfindung insbesondere ein Verfahren zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienenfahrzeugen Ein gebrochener Radreifen am Rad eines Schienenfahrzeugs kann zum Entgleisen des Schienenfahrzeugs und zu Folgeschaden für Personen und Material fuhren
Um zu verhindern, daß entgleiste Guterfahrzeuge noch über längere Strecken unerkannt von der führenden Lok mitgeschleppt werden, sind elektronische und pneumatische Entgleisungsdetektoren entwickelt worden, die die bei Entgleisungen auftretenden Vertikalbeschleunigungen der Fahrzeuge erfassen Der elektronische Entgleisungssensor unterrichtet den Lokführer von dem eingetretenen Ereignis, wahrend der pneumatische Entgleisungsdetektor bei seinem Ansprechen eine Schnellbremsung des Zuges veranlaßt (NZZ vom 22 02 1996 „Mehr Sicherheit bei der Bahn") Die bekannten Entgleisungsdetektoren sind so konzipiert, daß sie erst auf das Entgleisen reagieren, das heißt dann, wenn es zur Abwendung des Schadensereignisses vielfach schon zu spat ist Wünschenswert waren Detektoren, die im Vorfeld von Entgleisungen ansprechen, insbesondere dann, wenn sich Schaden an Radreifen zeigen, die in ihrer Folge zu einem Entgleisungsvorgang führen konnten Solche Detektoren mußten auf den Fahrzeugen vorhanden sein, um jederzeit die Ausgabe entsprechender Meldungen veranlassen zu können
Davon ausgehend hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur laufenden Überwachung mit erhöhter Uberwachungssicherheit von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art zu schaffen, insbesondere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszustanden ausgesetzt sind, auf die Erkennung von Veränderungen, insbesondere die Fruherkennung von Schaden
Die Erfindung zielt insbesondere aber nicht ausschließlich darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienenfahrzeugen anzugeben, das eine möglichst frühzeitige Storungserkennung ermöglicht, nämlich sobald ein Radreifen einen Schaden aufweist, der im weiteren Verlauf zu einer Fahrzeugentgleisung führen konnte
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 35 gelost Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit Meßwerte von physikalischen Größen ermittelt,
- Unterschiede zwischen den ermittelten Meßwerten ermittelt und aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden
- zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt,
- Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen ermittelt,
- aufgrund ermittelter Unterschiede auf das Auftreten von Veränderungen geschlossen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Laufgeräusche der Radreifen eines Fahrzeugs detektiert und mit den Laufgeräuschen mindestens eines anderen Radreifens des betreffenden Fahrzeugs verglichen und wird beim Erkennen von markant unterschiedlichen Laufgeräuschen auf das Vorhandensein eines schadhaften Radreifens geschlossen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß auf eine fahrort- bezogene Vorgabe von Referenzsignalen bei der Laufgeräuschbewertung verzichtet werden kann, weil die jeweils bewerteten Laufgeräusche im wesentlichen den gleichen gleisseitigen Umfeldbedingungen genügen (durchgehende Gleise, Weichen, Kreuzungen, Schwellen, Brücken und ähnliches).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat
- mindestens je einen Sensor zum Ermitteln von Meßwerten von physikalischen Größen zu gleicher Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Elemente oder an der gleichen Gesamtheit, einen Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Meßwerte und
- eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Vorrichtung
mindestens je einen Sensor zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit,
- einen Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und - eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
Erfindungsgemäß werden also zum Ermitteln von Veränderungen keine vorgegebenen Referenzwerte herangezogen. Vielmehr bezieht sich die Erfindung auf Meßwerte physikalischer Größen, die von Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften stammen oder die an demselben Element oder an derselben Gesamtheit ermittelt wurden. Dabei genügt Übereinstimmung oder Gleichartigkeit der Meßgrößen, d.h. derjenigen Eigenschaften, von denen Meßwerte ermittelt werden. Aufgrund mehrerer gleichzeitiger oder zeitlich versetzter Messungen kann ermittelt werden, ob eine Veränderung vorliegt, also gewissermaßen nach dem „Mehrheitsprinzip". Hierdurch entfallen Probleme der Bereitstellung und der Gültigkeit von Vorgabe-Referenzwerten. Die Bezugnahme auf Meßwerte von anderen oder denselben Elementen oder Gesamtheiten begünstigt zudem das Erkennen von irrelevanten Veränderungen, beispielsweise aufgrund veränderter Betriebszustände in einem zulässigen Bereich.
Die Überwachung ist sowohl bei gleichzeitiger Ermittlung von Meßwerten an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten als auch bei Ermittlung von Meßwerten zu verschiedenen Zeiten an demselben Element oder derselben Gesamtheit adaptiv, d.h. paßt sich den Gegebenheiten des Augenblickes an (z.B. bei Schienenfahrzeugen: Geschwindigkeit, Zustand von Schiene und Radreifen). Dies beruht darauf, daß sich die Analyse nicht auf statische Referenzwerte abstützt, sondern auf Vergleichswerte, die bei vergleichbaren Betriebszustanden genommen werden. Die gleichzeitige Ermittlung von Meßwerten erfolgt per se bei vergleichbaren Betriebszustanden. Bei der Er- mittlung in längeren Zeitabständen ist Voraussetzung, daß dies unter vergleichbaren Betriebszustanden erfolgt. Somit ist die Erfindung besonders für die Überwachung von Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen und Bauwerken oder deren Elementen geeignet, die unterschiedlichen Betriebszustanden ausgesetzt sind.
Die Ermittlung und der Vergleich von Meßwerten, die zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen oder gleichen Elementen oder Gesamtheiten ermittelt werden, ermöglichen eine Bewertung von Veränderungen. Plötzliche Veränderungen, die beispielsweise auf einer Beschädigung durch ein besonderes Ereignis beruhen können, können durch wiederholtes Nehmen von Proben in kurzen Zeitabständen (z.B. Sekunden und darunter) und Vergleichen der Proben miteinander ermittelt werden. Um allmähliche Veränderungen, die beispielsweise auf allmählichem Verschleiß beruhen, zu erkennen, werden die Proben in langen Zeitabständen (z.B. Minuten und darüber) genommen und miteinander verglichen. Der Zeitabstand zwischen den Proben kann der zu überwachenden Einrichtung in der Weise angepaßt werden, daß beim Erkennen von Unregelmäßigkeiten der Zeitabstand entsprechend verringert wird. In manchen Fällen ist eine Überwachung in kurzen und in langen Zeitabständen zweckmäßig, etwa bei Strahltriebwerken von Flugzeugen.
Das Ergebnis des Vergleichs kann ausgegeben werden. Hierzu können aufgrund des Ergebnisses Daten erstellt werden, die in digitaler oder analoger Form, als akustisches Signal, als Warnsignal oder als Bilddarstellung oder in einer Kombination dieser Darstellungsformen ausgegeben werden. Die Ausgabeeinheit kann also einen akustischen Signalgeber, ein Display oder einen Bildschirm umfassen und/oder in den Betrieb des betreffenden Ele- mentes oder der Gesamtheit eingreifen Dafür kann beim Vergleich untersucht werden, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist Bei Nichteinhaltung der Vorgabe werden entsprechende Maßnahmen ausgelost
Die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn aufgrund von Unterschieden der an Elementen oder Gesamtheiten ermittelten Meßwerte eine Beurteilung des Zustandes derselben möglich ist So kommt über Schienen- und Luftfahrzeuge hinaus eine Anwendung bei Straßenfahrzeugen und Schiffen in Betracht Darüber hinaus sind Anwendungen in allen Bereichen des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik, Energietechnik, Bautechnik usw denkbar, beispielsweise bei der Überwachung von Maschinenelementen, Turbinen, Motoren, Geblasen, Brücken oder von energietechnischen oder verfahrenstechnischen Anlagen
Die überwachten Veränderungen können insbesondere Veränderungen von Material, Struktur, Betriebsstoffen etc oder auf Schaden der Elemente oder Gesamtheiten sein oder auch nur Veränderungen ihrer Betriebszustande, beispielsweise in einer Aufwarmphase, bei Belastungsanderung oder bei Veränderungen der Betriebsbedingungen
Eine vorteilhafte Ausgestaltung knüpft an die Erfahrung erfahrener Fachleute an, die, zum Beispiel im Maschinenbau, mittels ihres empfindlichen Gehörs Unregelmäßigkeiten aus der Gerauschentwicklung erkennen können, bevor es zu Ausfallen kommt Die Erfindung ahmt diese gehormaßige Beobachtung nach, indem sie imstande ist, Abweichungen oder Änderungen im spektralen Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über kurze oder längere Zeiträume festzustellen Durch den Einsatz technischer Mittel ist die Er- findung jedoch im Unterschied zum menschlichen Gehör nicht auf Schallschwingungen beschränkt, sondern bezieht die Überwachung beliebiger Schwingungsarten und Schwingungsgemische ein, die im Betrieb entstehen.
Eine gleichzeitige Überwachung verschiedener schwingungsfähiger Elemente oder Gesamtheiten kann beispielsweise an den Radsätzen des ICE oder anderer Schienenfahrzeuge erfolgen. Aufgrund übereinstimmender Bauweise weisen die Radreifen ein- und desselben Fahrzeugs durchweg im unbeschädigten Zustand nahezu übereinstimmende Schwingungen bzw. Schwingungsgemische auf. Ein rißfreier Radreifen wird jedoch einen anderen Klang bzw. ein anderes Klanggemisch beim Abrollen auf der Schiene entwickeln als ein gerissener. Folglich läßt sich durch Vergleich gleichzeitig ermittelter Schwingungen bzw. Schwingungsgemische mehrerer Radreifen ermitteln, ob ein Schaden vorliegt. Ferner können die Ermittlung und der Vergleich der Schwingungen bzw. Schwingungsgemische ununterbrochen oder auch stichprobenartig in Zeitabständen erfolgen, so daß im Betrieb eine laufende oder quasi-1 aufende Überwachung des Radreifens gegeben ist. Angesichts der hohen und noch weiter erhöhten Reisegeschwindigkeit von ICE und vergleichbaren Zügen zugleich mit dem sensibler gewordenen Sicherheitsbedürfnis der Öffentlichkeit ist eine permanente Überwachung unerläßlich.
Die ermittelten Schwingungsgemische enthalten in aller Regel Schwingungsanteile, die für die Überwachung des betreffenden Elementes oder der betreffenden Gesamtheit ohne Bedeutung sind, diese stören können und unter Umständen viel stärker sein können als die Nutzsignale. Um diesem zu begegnen wird mit Mitteln, die in der Nachrichten- und Informationstechnik eingeführt sind, der zu nutzende Schwingungsanteil bzw. werden die zu nut- zenden Schwingungsgemische durch geeignete Filter hervorgehoben und die Storsignale unterdruckt
Im Fall sehr schwacher Nutzsignale, die u U auch nach Filterung keinen ausreichenden Abstand zum Störpegel haben, gibt es eingeführte Verfahren, um durch fortgesetzte Addition des betreffenden Schwingungsgemisches aus Nutzsignal und Storsignalen über statische Methoden das Nutzsignal hervorzuheben Je langer die anhaltende Addition gleicher Signalgemische anhält, um so großer ist die Wahrscheinlichkeit einer sicheren Detektion
Bei der Überwachung von Radreifen von Schienenfahrzeugen spielt beispielsweise nur das Schwingungsgemisch eine Rolle, das vom Radreifen selbst erzeugt wird und nicht das dominierende Abrollgerausch des Rades auf der Schiene
Wegen der in dieser Erfindung vorgegebenen Adaptionsfahigkeit werden Filter eingesetzt, deren Charakteristika über die in der Einrichtung vorgegebene Software fortgesetzt verändert werden
Hierdurch kann das Selektionsvermogen quantitativ und qualitativ nach bestimmten Kriterien verändert werden, beispielsweise, um allmählichen Verschleiß und damit Änderungen des Schwingungsverhaltens des zu überwachenden Elementes bzw der Gesamtheit gerecht zu werden
Über den erfindungsgemäßen Vergleich von Einzelschwingungen und Schwingungsgemischen an verschiedenen Orten zur gleichen Zeit hinaus ist es in manchen Fallen notwendig, mehrere Einzelschwingungen oder mehrere Schwingungsgemische gleichzeitig zu verarbeiten In diesen Fallen werden parallele Verarbeitungskanale mit den entsprechenden programmierbaren Filtern eingesetzt
Dieses kann notwendig sein, wenn die Gefahr besteht, daß unterschiedlich aufgebaute Bauteile unabhängig voneinander gleichzeitig geschadigt werden als auch in den Fallen, in denen durch gegenseitige Beeinflussung eine Gefahrdung hervorgerufen wird
Die Verarbeitung in unterschiedlich dimensionierten selektiven Kanälen ermöglicht auch eine grob-quantitative Analyse, ob die Materialbeanspruchung von Bauelementen innerhalb des Geltungsbereichs des Hooke' sehen Gesetzes bleibt Innerhalb des Geltungsbereichs ist bekanntlich der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung linear, bei Überschreitung der Grenzen nichtlinear Eine, auch nur kurzzeitige Überlastung macht sich akustisch durch ein unsauberes Geräusch bemerkbar, d h durch das Hinzutreten neu erzeugter Schwingungsanteile Damit ist stets eine anormale Materialbeanspruchung verbunden, die zu verhindern gerade die Aufgabe dieser Erfindung ist
Je nach Ordnungszahl der Ubertragungsfünktion, z B quadratisch oder kubisch, treten zusatzlich harmonische und Kombinationen höherer Ordnung aus Einzelschwingungen auf, die bei Belastungen innerhalb der Grenzen des Hooke' sehen Gesetzes nicht vorhanden sind Z B f3 = 2fι + f2, f = 2fι - f2 usf
Mit Fang- und Halteschaltungen, die in der Technik seit langem eingeführt sind, hat man die Möglichkeit, laufenden Veränderungen der Frequenz der Einzelschwingungen und der Frequenzlage der Schwingungsgemische zu folgen, die u.U. durch Veränderung der Drehzahl erzeugt werden. Diese Schaltungen sind auch in der Lage, Harmonische und Kombinationsfrequen- zen höherer Ordnung nach gegebenen Kriterien aufzuspüren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit technischen Mitteln das Verhalten des Menschen nachahmen, über das Gehör empfangene Informationen zu verarbeiten. Der Mensch verarbeitet akustische Wahrnehmungen in sehr komplexer Weise. Die unterschiedlichen und verschiedenartigen Anteile der gesamten akustischen Wahrnehmung werden von ihm miteinander verknüpft und aus dem Ergebnis der Verknüpfung bestimmte Reaktionen abgeleitet. In aller Regel besteht die Verarbeitung aus einer Kette aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlicher, Verknüpfungen. Die Art der jeweiligen Verknüpfung und die damit verbundenen Bedingungen sind durch die Art der jeweiligen Aufgabe und die Erfahrung des Menschen bestimmt und werden durch dessen andauernden Lehrprozeß fortwährend verändert.
Bekannt ist z.B., daß das menschliche Gehör insbesondere bei thermodyna- mischen Prozessen imstande ist, Unregelmäßigkeiten zu erkennen, bevor eine Meßeinrichtung solche diagnostiziert. Auch aus den übrigen Bereichen der Maschinen- und Anlagentechnik sind derartige Erfahrungen bekannt und werden ständig mit Erfolg angewendet.
Die Kriterien, nach denen der Mensch handelt, sind weitgehend bekannt und lassen sich nachbilden.
Erfindungsgemäß werden zur Hauptsache nachgeahmt und ausgenutzt 1 die Fähigkeit des Menschen, einzelne Tone und Tongemische wahrzunehmen und zu bewerten,
2 unterschiedliche, gemeinsam auftretende Tone und Tongemische voneinander zu unterscheiden und getrennt voneinander zu verarbeiten und zu bewerten,
3 die Starke von Tonen und Tongemischen wahrzunehmen und zu bewerten,
4 Veränderungen zu 1 , 2 und 3 wahrzunehmen und zu bewerten,
5 Wahrnehmungen von Frequenz, Frequenzanderungen, von Starke und Änderungen der Starke, der Zusammensetzung eines Tongemisches und dessen Änderung sowie andere Wahrnehmungen miteinander zu verknüpfen und zu bewerten,
6 aus dem Vergleich von Tonen und Tongemischen diejenigen Unterschiede wahrzunehmen und miteinander in einer speziellen Weise zu verknüpfen und zu bewerten, wie sie für die jeweilige Aufgabe von Bedeutung sind,
7 die Einfallsrichtung eines Schallereignisses festzustellen und das Ergebnis mit anderen Wahrnehmungen zu verknüpfen
Darüber hinaus können hier nicht aufgeführte Fähigkeiten des Menschen in bezug auf sein Gehör nachgebildet werden, wie sie in der medizinischen und physiologischen Fachliteratur erwähnt werden
Die physikalischen Merkmale der in diesen Verfahren ausgenutzten Schwingungen und Schwingungsgemische weichen insofern von denen ab, die das menschliche Gehör wahrnehmen und verarbeiten kann, als sie nicht auf Schallschwingungen des Luftschalls, nicht auf den Horbarkeitsbereich des menschlichen Gehörs, nicht auf dessen Dynamikbereich beschrankt sind und andere frequenzabhängige Eigenschaften aufweisen können, als sie im Prinzip durch die physiologische Gehörkurve des Menschen dargestellt wird.
Dementsprechend ist ein besonders vorteilhafter Erfindungsaspekt die Verknüpfung verschiedenartiger Wahrnehmungen von Schwingungen, z.B. die Wahrnehmung Tonhöhe, verknüpft mit der Wahrnehmung der Stärke eines Eingangssignals und der Wahrnehmung einer bestimmten Veränderung in verschiedenartiger Weise, der Wahrnehmung der Einfallsrichtung, unter Umständen sogar des Ortes der Quelle, sowie die fortlaufende Veränderung der Verknüpfüngsbedingungen.
Die Verknüpfung ist im einfachsten Fall einstufig und durch eine einfache Bedingung definiert, z.B. durch Vorgabe eines Grenzwertes. Die umfangreichste Verarbeitung wäre derzeit die mit Hilfe eines fortwährenden Lernprozesses z.B. der Künstlichen Intelligenz (KI) oder in einem neuronalen Netz, mit dessen Hilfe die Einrichtung sich einem idealen Ergebnis annähert.
8. Die Bedingungen für die Verknüpfungen werden
8.1 intern unverändert festgelegt und/oder
8.2 extern zugeführt und/oder
8.3 fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder
8.4 im Rechner in einem fortwährenden Lernprozeß z.B. im Sinne der Künstlichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder
8.5 von Hand verändert und/oder
8.6 in einer Kombination von 8.1 bis 8.5 festgelegt. Die Einrichtungen gemäß diesem Verfahren erlauben Ausbaustufen, die der jeweiligen Aufgabe angepaßt werden können Ausgehend von einem Grundbaustein lassen sich vor allem mit Hilfe der Software die unterschiedlichen Charakteristiken darstellen und nahezu beliebig verandern
Mit Hilfe eines externen Rechners lassen sich ggfs die Funktionen bis ins Detail simulieren und erlauben, auf diese Weise die Funktionsfahigkeit zu überprüfen und zu protokollieren
Hierzu nachfolgend noch einige Grundlagen
Der Mensch vermag mit einiger Aufmerksamkeit Lautstarkeunterschiede von plus minus 3 dB wahrzunehmen
Mit einem Lautstarkeunterschied von 6 dB wird auch ohne bewußte Aufmerksamkeit beim Hörer eine deutliche Reaktion ausgelost
Mit 10 dB wird erfahrungsgemäß schon eine gewisse Aufgeregtheit ausgelost
Mit 20 dB und mehr wirkt ein Lautstarkeunterschied ausgesprochen alarmierend
Tonhohenunterschiede vermag ein musikalisch ungeschulter Mensch ungefähr in Terzschritten wahrzunehmen
Auch hier gilt, daß eine zunehmende Tonhohenverschiebung sich letztlich alarmierend auswirkt Mit einer Kombination aus Lautstarke- und Tonhohenanderung verstarken sich die Reaktionen gegenseitig
Sinngemäß lost das Auftreten völlig neuer Schwingungsanteile neben dem Abschwachen bisheriger gleichfalls abgestufte Reaktionen aus
Mit den Erfahrungen vieler Generationen von Betriebsingenieuren, Entwicklungsingenieuren und Servicefachleuten darf man davon ausgehen, daß die genannten abgestuften Werte von Starke- und Frequenzanderung in den meisten Anwendungsfallen genügen werden Sie liegen jedoch nicht unveränderbar fest und können z B bei sensiblen Anlagen innerhalb weiter Grenzen verschärft werden
Vergleichsweise Reaktionen treten auf, wenn ein die Aufmerksamkeit erregendes Schallereignis aufgrund der Fähigkeit des Menschen zu stereophonem, d h raumlichem Hören zugleich die Einfallsrichtung und unter Umstanden sogar den Ort im dreimensionalen Raum erkennen laßt
Die Erfindung kann sich auch auf die Meßwerte anderer Eigenschaften des Elementes oder der Gesamtheit beziehen, beispielsweise das Erscheinungsbild der Oberflache, die magnetische Permeabilität, die Temperatur, die Erwärmung, die Kapazität gegenüber einer Gegenelektrode oder die Beschleunigung Diese Eigenschaften können insbesondere durch Materialschaden, beispielsweise Risse, beeinflußt werden So können Risse an der Oberflache sichtbar sein, die magnetische Permeabilität oder das Erwarmungsverhalten verandern und die Kapazität bezuglich einer Gegenelektrode beeinflussen Beschleunigungswerte lassen insbesondere Rückschlüsse auf Verformungen oder veränderte äußere Betriebsbedingungen zu Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen einiger Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert In den Zeichnungen zeigen
Fig 1 eine Uberwachungsvorrichtung im grobschematischen Blockbild,
Fig 2 optische Sensoranordnung einer Uberwachungsvorrichtung in Seitenansicht,
Fig 3 Permeabilitats-Sensoranordnung einer Uberwachungsvorrichtung in Seitenansicht,
Fig 4 Wirbelstrom-Sensoranordnung einer Uberwachungsvorrichtung in Seitenansicht,
Fig 5 Kapazitats-Sensoranordnung einer Uberwachungsvorrichtung im Vertikal schnitt
Gemäß Fig 1 hat die Vorrichtung zwei Sensoren 1, 2, beispielsweise Mikrophone Die Sensoren 1, 2 werden jeweils einem Maschinen- und Anlagen- Element zugeordnet, wobei die Elemente im Betrieb gleiche oder gleichartige Schwingungen bzw Schwingungsgemische oder eine Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen bzw Schwingungsgemischen erzeugen
Jeder Sensor 1, 2 speist einen Analog/Digital-Wandler 3, 4, der das vom Sensor 1, 2 gelieferte Analogsignal digitalisiert Das digitalisierte Meßsignal wird von den Analog/Digital-Wandlern 3, 4 jeweils einem digitalen Filter 5, 6 zugeführt. Die Filter 5, 6 können aus den ermittelten Schwingungsgemischen bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorheben und andere unterdrücken. Der Filter-Algorithmus und damit die Filtercharakteristiken der beiden Filter 5, 6 werden über eine Filtersteuerung 7 gesteuert.
Die gefilterten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische werden von den Filtern 5, 6 einem digitalen Komparator 8 zugeführt, z.B. einem Sequenzer. Als Sequenzer werden neuerdings schnelle Komparatoren bezeichnet, die Sequenzen miteinander vergleichen, z.B. in der Gen- Analyse. Von diesen werden die digitalisierten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische bitweise oder gruppenweise verglichen und überprüft, ob ein bestimmter Grad von Übereinstimmung gegeben ist. Der Vergleichs-Algorithmus wird von einer Komparator-Steuerung 9 gesteuert.
Der Komparator 9 liefert ein Steuersignal an eine Ausgabe-Einheit 10, falls der Vergleich eine Überschreitung der Vorgabewerte zum Ergebnis hat. Über die Ausgabe-Einheit 10 kann ein Warnsignal akustisch und/oder optisch gegeben und/oder automatisch in den Betrieb der zu überwachenden Elemente eingegriffen werden.
Der gesamten Vorrichtung ist eine Prozeß-Steuerung 11 übergeordnet, über die die Arbeitsweise sämtlicher Vorrichtungsteile 1 bis 10 beeinflußt werden kann.
Es folgen einige Anwendungsbeispiele, die auf Schwingungs- oder Geräuschmessungen basieren: Beispiel 1
Ein Schienenfahrzeug ist mit mehreren Mikrofonen versehen, die den Radreifen der einzelnen Räder zugeordnet und akustisch an diese angekoppelt sind. Die Mikrofone dienen dazu, die Laufgeräusche der einzelnen Radreifen möglichst gegeneinander gekoppelt aufzunehmen. Die Laufgeräusche der einzelnen Radreifen werden zum späteren Vergleich ihrer Klangmuster digitalisiert und ggf. gespeichert. In vorgegebenen zeitlichen Abständen wird ein bitweiser Vergleich der digitalisierten Klangmuster unterschiedlicher Radreifen vorgenommen. Üblicherweise wird es dabei nur relativ geringe Klangmusterabweichungen geben, die den ordnungsgerechten Betriebszustand der Radreifen kennzeichnen. Bei einem defekten Radreifen wird der Grad der Klangmusterabweichung verschieden sein von dem der Klangmusterabweichung bei ordnungsgerechtem Zustand der Radreifen. Aus der markanten Klangmusterabweichung wird nun auf den störbehafteten Zustand eines der Radreifen geschlossen, deren Laufgeräusche bewertet werden.
Insbesondere dann, wenn es nicht gelingt, die Laufgeräusche der Radreifen an den auf der gleichen Welle sitzenden Rädern gegeneinander entkoppelt zu detektieren, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, die Laufgeräusche der Radreifen mit den Radreifen-Laufgeräuschen von auf einer anderen Achse des betreffenden Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugrädern zu vergleichen. Dieser Vergleich findet dabei vorzugsweise zeitlich versetzt statt, weil sich dadurch der Vergleichsaufwand gegenüber einem gleichzeitigen Vergleich erheblich vermindert. Über den Vergleich der Radreifenlaufgeräusche von Rädern verschiedener Fahrzeugachsen lassen sich neben Beschädigungen von Radreifen auch auf andere Ursachen zurückzuführende plötzliche Fahrzeugentgleisungen detektieren, die bei ausschließlichem Vergleich der Radreifenlaufgeräusche von auf der gleichen Welle angeordneten Fahrzeugrädern nicht mit der gebotenen Sicherheit erkennbar wären; in einem solchen Fall würden die Radreifen der auf der gleichen Welle angeordneten Fahrzeugräder beim Befahren des Gleisbettes jeweils den gleichen vertikalen Beschleunigungen ausgesetzt sein, so daß die geforderte Störungserkennung nicht sichergestellt ist. Aus diesem Grunde sollten die Laufgeräusche eines Radreifens immer mindestens auch mit den Radreifenlaufgeräuschen mindestens eines an einer anderen Fahrzeugachse angeordneten Fahrzeugrades verglichen werden.
Beispiel 2
Das IST-Geräuschspektrum einer Maschinenanlage zum Zeitpunkt tj wird, nachdem es auf den relevanten Frequenzbereich durch Filterung eingeengt worden ist, als Referenz-Spektrum SOLLi gespeichert.
Es wird mit einem IST2-Spektrum verglichen, das zum Zeitpunkt t2 gewonnen wurde, wobei als Auslösekriterien bestimmte Verknüpfungen von Absolutwerten und Veränderungen benutzt werden.
Im nächsten Intervall wird das IST2-Spektrum als neues Referenzspektrum abgespeichert und mit dem darauffolgenden Spektrum zum Zeitpunkt t3 verglichen und so fort. Das Ergebnis der Verknüpfung kann entweder zu einer programmierten automatischen Reaktion führen als auch angezeigt und manuell beantwortet werden.
Beispiel 3
Aus der Verknüpfung verschiedenartiger und unterschiedlicher Augenblickswerte von Frequenz und Stärke eines Geräuschspektrums in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand leitet eine Bedienungskraft bestimmte Reaktionen ab.
Veränderungen nach Art und Wert, wiederum in Abhängigkeit vom augenblicklichen, jedoch nun veränderten, Betriebszustand, lösen bei der Bedienungskraft andere Reaktionen aus.
Aus der Kette von Zuordnungen ermittelt der Rechner den Algorithmus des Lernprozesses.
Auf diese Weise „lernt" die Überwachungseinrichtung, sich auf unterschiedliche Betriebszustände einzustellen, zu interpolieren und im u.U. mehrdimensionalen Kennlinienfeld zu verschieben und bewertet die unterschiedlichen und verschiedenartigen Geräusche, wie zuvor der Mensch, als Funktion des jeweiligen Betriebszustandes.
Abweichungen davon werden wiederum miteinander verknüpft und lösen abgestufte selbsttätige Reaktionen aus.
Beispiel 4 In einer Maschinenanlage, die aus gleichartigen Elementen besteht, die unter genau gleichen Arbeitsbedingungen arbeiten, müssen die Geräuschspektren weitgehend übereinstimmen.
Ein Beispiel sind die Laufräder eines Eisenbahnfahrzeugs von genau gleicher Bauart und gleichem Verschleißzustand, wenn sie auf der gleichen Schiene laufen. Jedes Laufrad erzeugt beim Abrollen auf der Schiene ein Geräusch, das sich zusammensetzt aus
a) dem eigentlichen Abrollgeräusch auf der Schiene, b) dem Lagergeräusch c) dem Windgeräusch und d) dem Geräusch, das durch die von den Unebenheiten der Schienenoberfläche angeregten Schwingungen der Radkonstruktion, insbesondere des Radreifens, besteht.
Der Radreifen selbst läßt sich als schwingungsfähiges Element recht sauber definieren, selbst wenn die Schwingungsneigung durch konstruktive Maßnahmen und vom Material her bedämpft wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Laufgeräusche eines bestimmten Eisenbahnfahrzeuges in der Weise miteinander verglichen, indem zunächst durch Filterung auf die Schwingungen der Radreifen abgestellt wird.
Der eigentliche Vergleich wird zwischen den Laufrädern ein und desselben Fahrzeugs vorgenommen, die auf der gleichen Schiene laufen, mithin von den gleichen Unebenheiten der Schienenoberfläche angeregt werden. Im zyklischen Verfahren werden die Laufgeräusche der Radreifen miteinander verglichen, wobei die verschiedenartigen Symptome miteinander verknüpft und bewertet werden.
Schon eine beginnende Rißbildung führt sofort dazu, daß die Schwingneigung des Radreifens beeinträchtigt wird und zwischen dem defekten Laufrad und den unversehrten Laufrädern ein signifikanter Geräuschunterschied entsteht.
Beispiel 5
Durch Überwachung eines oder mehrerer Laufräder eines Eisenbahnfahrzeuges kann auch der Verschleißzustand des Schienenkopfes ermittelt werden. Grundsätzlich ist dies durch wiederholte Messungen an nur einem Laufrad möglich. Vorteilhaft ist die gleichzeitige Überwachung zweier Laufräder, die hintereinander auf derselben Schiene laufen. Übereinstimmende Änderungen der Schwingungen bzw. des Laufgeräusches sind auf die Schiene zurückzuführen und ermöglichen Rückschlüsse auf deren Verschleißzustand. So können frühe Schadensentwicklungen festgestellt und rechtzeitige vorbeugende Maßnahmen eingeleitet werden.
Beispiel 6
In einer Anlage der chemischen Industrie werden mehrere Mikrofone als Schwingungsaufnehmer verteilt in einem dreidimensionalen System angeordnet. Je nach Art des Mediums - Gas, hoch- oder niedrigviskose Flüssigkeiten, Dampf- entsteht beim Bruch einer Leitung oder eines anderen Anlagenteils ein typisches Geräusch, das fast immer a) auf das Medium b) u U auf den Schadensumfang schließen läßt
Durch die stereophone Eigenschaft der hier zum Patent angemeldeten Uber- wachungseinrichtung wird ohne merkliche Zeitverzogerung auch der exakte Schadensort definiert
Wenn im Rechner eine genaue dreidimensionale Zuordnung von Ort und Medium abgelegt ist, ermöglicht die Uberwachungseinrichtung im Schadensfall darüber hinaus durch die sichere Erkennung des Schadensortes die Bestimmung des Gefahrenspotentials
Gemäß Fig 2 ist seitlich eines Radreifens 12 mit einem Spurkranz 12' eine optische Abtastzeile 13 angeordnet von der Art der Abtastzeilen, die in der FAX-Technik verwendet werden. Stand der Technik ist eine Dichte der einzelnen optischen Sensorelemente 14 von 600 dpi entsprechend 23,6 Elementen pro Millimeter
Die Einrichtung macht von der Tatsache Gebrauch, daß ein Riß
- in Umfangsrichtung eine sehr kleine Ausdehnung hat,
- daß seine Kanten relativ scharf ausgeprägt sind,
- daß er, wenn auch mit gewissen Richtungsanderungen, in radialer Richtung verläuft,
- daß die Helligkeitsänderungen, die durch einen Riß hervorgerufen werden, jedoch gering sind Aufgrund der genannten speziellen Eigenschaften läßt sich ein Riß aufspüren und von anderen Signalen, die z.B. von Verschmutzung herrühren, unterscheiden.
Die Abtastzeile 13 liegt tangential am inneren Radius des Radreifens 12 an, wodurch eine nutzbare Länge von ungefähr 125 mm entsteht, wenn man von einem Radreifendurchmesser von 710 mm auf der Lauffläche und einem Durchmesser von 650 mm auf dem Stammrad 12" ausgeht, auf dem der Radreifen 12 sitzt. Die Abtastzeile 13 überdeckt deshalb die Seite des Radreifens 12 mit 23,6 125 = 2950 Sensorelementen 14.
Über die Breite in Radialrichtung des abgetasteten Radreifens 12 von 30 mm liefern die 2950 Sensorelemente 14 insgesamt 2950/30 = 98,33 Zeilen pro Millimeter. Mit der typischen Auflösung von 23,6 Sensorelementen 14 pro Millimeter entsprechend einem Punktdurchmesser von 1/23,6 = 0,0423 mm wird jeder Punkt auf dem Radius des Radreifens 12 bei jeder Umdrehung mehr als 4 mal abgetastet.
Durch diese Art der Mehrfachüberlagerung werden auch die schwachen Helligkeitsunterschiede, die sehr dünne Risse erzeugen, sichtbar. Eine zusätzliche Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit kann vorgenommen werden, indem man die Abtastung über mehrere Umdrehungen fortsetzt und die Einzelsignale, wie zuvor bei der einmaligen Umdrehung, einander überlagert. Aus dem Summensignal der mehrfachen Abtastung schält sich das Nutzsignal um so schärfer heraus, je länger die Überlagerung andauert. Mit ausreichend langer Uberlagerungszeit lassen sich Nutzsignale wahrnehmen, die erheblich unter dem Pegel der Storsignale liegen
Die sehr hohe Auflosung verlangt eine fortgesetzte Kontrolle des Abstandes zwischen der Abtastzeile 13 und dem Radreifen 12 Sie wird hier vorzugsweise dadurch bewirkt, daß die Abtastzeile 13 von Magnethalften in einem bestimmten Abstand in der Schwebe gehalten wird
Im Fall eines nicht verschmutzten Rißbildes folgt die Verarbeitung dem folgenden Schema a) Ein Bildpunkt wird detektiert, b) durch einmalige Differenzierung dU/dt wird die Scharfe des Signals bestimmt und mit einem für ein Riß-Signal typischen Wert verglichen, c) durch zweimaliges Differenzieren d2U/dt2 wird die Breite des Signals bestimmt und mit einem für ein Riß-Signal typischen Wert verglichen d) Bleiben b) und c) innerhalb der erlaubten Grenzen, wird für das nachfolgende Signal ein Zeitfenster festgelegt, in dem ausschließlich ein „erlaubtes" Signal ausgewertet wird Die Lage des Zeitfensters entspricht dem weiteren, möglichen Verlauf des Risses e) Die Detektion eines Bildpunktes wird auf das festgelegte Zeitfenster beschrankt und beginnt wieder mit a), b) usw f) Nach jeder punktweisen Detektion eines „erlaubten" Signals wird das Zeitfenster neu festgelegt und führt dazu, daß der Riß verfolgt wird g) Mit jeder Detektion eines „erlaubten" Signals erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß ein Riß aufgespurt worden ist h) Bei Erreichen bestimmter Wahrscheinlichkeiten werden entsprechende Maßnahmen ausgelost Das Problem der Unterscheidung von Signalen, die von einem Riß ausgehen und solchen, die von der Verschmutzung verursacht werden, wird aufgrund folgender Unterschiede gelöst:
Ein Riß-Signal besteht aus einem extrem kurzen Helligkeitseinbruch. Ein solches Signal zeichnet sich durch große Flankensteilheit aus. Bei der ein¬ maligen Differenzierung entsteht ein starkes Signal dU/dt, während ein Signal, das von Verschmutzung ausgeht, in der Regel weichere Flanken hat und deshalb bei der einmaligen Differenzierung ein deutlich schwächeres Signal dU/dt erzeugt.
Eine zusätzliche Unterscheidung ergibt die zweite Differenzierung nach d2U/dt2. Die dabei entstehenden Spannungsspitzen repräsentieren die Dauer des Signals, das als Riß-Signal deutlich kürzer ist als ein solches, das von Verschmutzung erzeugt wird. Zusätzlich wird verlangt, daß die zeilenweise nacheinander angebotenen Signale die Kriterien eines Rißbildes erfüllen müssen.
Sobald ein Rißbild bei der fortgesetzten Abtastung durch eine Verschmut¬ zung gestört ist, wird der Gesamtvorgang neu gestartet, d.h. es wird neu nach einem Rißbild gesucht.
Sobald die fortgesetzte Abtastung und Verarbeitung Hinweise auf einen Riß ergibt, werden entsprechende Maßnahmen ausgelöst.
Im Fall eines zum Teil verschmutzten Rißbildes folgt die Verarbeitung dem folgendem Schema: a) Wie zuvor unter a) bis f) d h ein Riß ist erkannt worden Die Detek- tionswahrscheinlichkeit reicht aber für eine Reaktion noch nicht aus b) Einer der nachfolgenden Bildpunkte erfüllt nicht die Bedingungen eines Riß-Signals c) Das Zeitfenster wird aus dem letzten, „erlaubten" Riß-Signal abgeleitet und wegen der möglichen Richtungsanderung entsprechend erweitert d) Weiter wie b) und c) e) Sobald wieder ein „erlaubtes" Riß-Signal auftritt, beginnt der Vorgang wie unter a) für den Fall eines nicht verschmutzten Rißbildes beschrieben, bis die Wahrscheinlichkeit zu einer Reaktion ausreicht
Fig 3 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der Veränderung der magnetischen Permeabilität im Rißbereich Bei Rißbildung ist dort die Permeabilität verringert Zu diesem Zweck befindet sich seitlich des Radreifens 12 ortsfest ein Sensor für die magnetische Permeabilität 15 Dieser weist einen Transformator mit Primärwicklung 16 und Sekundärwicklung 17 auf, dessen magnetischer Fluß sich bei 18 radial und quer zu einem möglichen Riß über den Radreifen 12 schließt
Die Primärwicklung 16 wird von einem nach Frequenz und Starke optimierten Wechselstrom durchflössen und induziert in der Sekundärwicklung 17 eine Spannung, deren Wert von der Starke des magnetischen Flusses abhangt Bei Auftreten eines Risses ist der magnetische Widerstand erhöht und führt zu einem Spannungseinbruch auf der Sekundarseite Die Einrichtung setzt einen Transformator 15 voraus, dessen Spaltbreite der Breite eines zu erwartenden Risses entspricht Fig 4 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der ortlichen Erwärmung als Folge von Wirbelstromen Im Bereich des Risses ist der für die Starke des Wirbelstromes maßgebende Querschnitt verringert, so daß der Wirbelstrom und damit die Erwärmung zurückgeht
Die Einrichtung enthalt eine ortsfest seitlich des Radreifens im Bereich der Rißgefahrdung angebrachte wechselstromdurchflossene Spule 19, deren magnetisches Wechselfeld im Radreifen 12 bei 20 Wirbelstrome fließen laßt, die das Material ortlich erwarmen Die das magnetische Wechselfeld erzeugende Spule 12 ist in einer solchen Orientierung zum Radreifen angebracht, daß die Rißbildung eine Veränderung der Starke der Wirbel ströme zur Folge hat und verringerte ortliche Temperatur die Folge ist
Die ortlich und bei Drehung des Rades zeitlich veränderte Temperaturverteilung wird mit Hilfe eines thermischen Differentialsensors 21 mit Diffe- rentialsensorkopfen 21', 21" festgestellt Dieser kann ein Infrarot-Sensor sein, wie er für das Aufspuren kleinster Temperaturdifferenzen verwendet wird
Anstelle einer bloßen Temperaturmessung kann der Temperaturgradient über die Zeit ermittelt werden Diese Bewertung liefert laufend eine Statusmeldung über den Zustand des betreffenden Lagers Aus dem Vergleich mehrerer Lager gleicher Konstruktion und gleicher Belastung ergeben sich zuverlässige Daten über den Verschleißzustand, bevor es zu Ausfallen kommt
Fig 5 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der Veränderung der Kapazität zwischen dem Radreifen 12 und einer festen Elektrode 22 Diese Einrichtung benutzt zum Aufspuren eines Risses im Radreifen 12 die Ver- anderung des elektrischen Feldes bei 23 und damit die Veränderung der Kapazität zwischen einer ortsfesten Elektrode 22 und dem Radreifen 12 als Gegenelektrode Um eine ausreichende Ansprechempfindlichkeit zu erreichen, werden die Geometrie der ortsfesten Elektrode 22 und die Frequenz der bei 24 angelegten Wechselspannung optimiert Mittels einer dielektrischen Optik kann eine Fokussierung des elektrisches Feldes auf den Radreifen 12 vorgenommen werden
Des weiteren können Veränderungen aufgrund der Messung der Beschleunigung mit Hilfe von Beschleunigungsaufnehmern ermittelt werden Hierbei gibt es insbesondere folgende Möglichkeiten
Bestimmung der Querbeschleunigung des ungefederten Fahrwerkteils Hieraus werden Rückschlüsse auf die Schlingerneigung des Fahrzeugs gezogen Ursachen können Verschleißerscheinungen am Spurkranz des Radreifens sein wie auch Verschleiß an der Innenseite des Schienenkopfes Die Ursache der erhöhten Querbeschleunigung wird durch den Vergleich der Querbeschleunigung verschiedener Fahrzeuge lokalisiert Gleiche Querbeschleunigung deutet auf Veränderung in der Gleisanlage, unterschiedliche Querbeschleunigung auf solche am Spurkranz eines bestimmten Fahrzeugs
Bestimmung der Vertikalbeschleunigung des ungefederten Fahrwerkteils
Aus dem Verlauf der Vertikalbeschleunigung lassen sich die folgenden Schlüsse ziehen
Beschleunigungsspitzen und -einbruche, die im Rhythmus der Umdrehungsfrequenz auftreten, schließen auf Unrundheit des Radreifens Andere Beschleunigungen werden von Unregelmäßigkeiten im Gleisoberbau erzeugt Solche mit einem niedrigen ersten Differenzquotienten delta b/delta t rühren aus Lageveränderungen des Oberbaus, wie sie z.B. durch Senkungen des Untergrundes entstehen. Kräftige Werte werden u.a. durch Gleisbrüche erzeugt. Sie unterscheiden sich signifikant von den Beschleunigungswerten und deren Charakteristika, wie sie beim Überfahren von Weichen und Kreuzungen entstehen. Niedrige Beschleunigungswerte mit Frequenzen im hohen Tonfrequenzbereich werden von Riffeln in der Lauffläche der Schienen erzeugt.
Die Vertikalbeschleunigungen aus Veränderungen des Gleisoberbaus werden normalerweise in bestimmten Abständen durch Gleismeßwagen erfaßt und bilden die Grundlage für Instandhaltungsmaßnahmen. Die ständige Kontrolle des Gleisoberbaus durch eine im Zugverband ohnehin vorhandene Einrichtung macht es möglich, daß Gleismeßwagen nur noch seltener eingesetzt werden müssen. Trotzdem erbringt die ständige Überwachung der Gleislage zuverlässigere Werte über den aktuellen Zustand einer Strecke.
Sämtliche Vorrichtungen können Einrichtungen aufweisen, die die sehr kleinen Werte der elektrischen und thermischen Erscheinungen über längere Zeit gemeinsam mit den Störsignalen akkumulieren, wodurch der Abstand des jeweiligen Nutzsignals zu den Störsignalen fortgesetzt erhöht wird.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art, insbesondere solchen Elementen oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszustanden ausgesetzt sind, auf das Auftreten von Veränderungen, bei dem
- zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit Meßwerte von physikalischen Größen ermittelt werden,
- Unterschiede zwischen den ermittelten Meßwerten ermittelt werden und
- aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
- zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt werden,
- Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen ermittelt werden,
- aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische Schallschwingungen und/oder Schallschwingungsgemische sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische außerhalb der physiologischen Fähigkeit des menschlichen Gehörs angesiedelt sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in kurzen Zeitabständen Meßwerte einer Größe ermittelt und miteinander verglichen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in langen Zeitabständen unter vergleichbaren Betriebszustanden Meßwerte einer Größe ermittelt und miteinander verglichen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem aus den ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorgehoben und/oder unterdrückt und dem Vergleich zugeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Hervorhebung oder Unterdrückung bestimmter Bänder nach bestimmten Vorgaben fortlaufend verändert wird.
. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem beim Vergleich der Meßwerte einer Größe untersucht wird, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem Unterschiede
- zwischen einzelnen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
- unterschiedlichen, gemeinsam auftretenden Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
- der Stärke einzelner Schwingungen und/oder von Schwingungsgemischen und/oder
- der Einfallsrichtung einzelner Schwingungen und/oder von Schwingungsgemischen ermittelt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem
- Frequenzänderungen von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
- Änderungen der Stärke von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
- Änderungen der Zusammensetzung eines Schwingungsgemisches und/oder
- die Änderung der Einfallsrichtung von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder
- anderen Charakteristika von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen ermittelt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem bei der Verarbeitung der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische mit technischen Mitteln das Verhalten des menschlichen Gehörs nachgeahmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei dem die ermittelten Unterschiede von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen miteinander verknüpft werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Bedingungen für die Verknüpfungen
- intern unverändert festgelegt und/oder
- extern zugeführt und/oder
- fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder
- in einer Datenverarbeitungsanlage in einem fortwährenden Lernprozeß insbesondere im Sinne der künstlichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder
- von Hand verändert und/oder
- aus einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten gewonnen werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem bei Auftreten einer unzulässigen Veränderung ein Signal ausgegeben wird und/oder ein Eingriff in den Betrieb des Elementes oder der Gesamtheit erfolgt und/oder die unzulässige Veränderung dokumentiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Meßwerte analog verarbeitet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Meßwerte digitalisiert und digital verarbeitet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem eine digitalisierter Meßwert gespeichert und mit einem anderen digitalisierten Meßwert verglichen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das Erscheinungsbild der Oberfläche des Elements oder der Gesamtheit zumindest teilweise optisch abgetastet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Oberfläche des Elementes oder der Gesamtheit an einer optischen Abtasteinrichtung vorbeigeführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem mindestens eine Flanke eines Radreifens optisch abgetastet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem an dem Element oder der Gesamtheit Meßwerte der magnetischen Permeabilität ermittelt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem an dem Element oder der Gesamtheit Meßwerte der Temperatur ermittelt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem an dem Element oder der Gesamtheit Meßwerte der durch örtliche Wirbelströme erhöhten Temperatur ermittelt werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem Meßwerte der Kapazität zwischen dem Element oder der Gesamtheit und einer Gegenelektrode ermittelt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Element oder die Gesamtheit beweglich und die Gegenelektrode ortsfest ist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei dem Elemente von Schienen-, Straßen- oder Luftfahrzeugen oder Schiffen, von Maschinen, verfahrenstechnischen und energietechnischen Anlagen oder Bauwerken oder diese Gesamtheiten insgesamt überwacht werden.
29. Verfahren zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeräusche der Radreifen eines Fahrzeugs detektiert und mit den Laufgeräuschen mindestens eines anderen Radreifens des betreffenden Fahrzeugs verglichen werden und daß vom Erkennen von markant unterschiedlichen Laufgeräuschen auf das Vorhandensein eines schadhaften Radreifens geschlossen wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeräusche über den einzelnen Radreifen zugeordnete, akustisch an diese angekoppelte Mikrofone detektiert werden.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeräusche der Radreifen mit den Laufgeräuschen aller übrigen Radreifen des betreffenden Fahrzeugs verglichen werden.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeräusche zeitlich versetzt miteinander verglichen werden.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeräusche der einzelnen Radreifen zum Vergleich ihrer Klangmuster digitalisiert und ggf. gespeichert werden.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß ein bitweiser Vergleich der digitalisierten Klangmuster vorgenommen wird, wobei aus dem Grad der jeweiligen Klangmusterabweichung auf den ordnungsgerechten bzw. den störbehafteten Zustand eines Radreifens geschlossen wird.
35. Vorrichtung zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamtheiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen, insbesondere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszustanden ausgesetzt sind, insbesondere unter Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 34, mit
- mindestens einem Sensor (1, 2) zum Ermitteln von Meßwerten von physikalischen Größen zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder der gleichen Gesamtheit, - einem Vergleicher (8) zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Meßwerte und
- einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35 mit
- mindestens einem Sensor (1, 2) zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit, einem Vergleicher (8) zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und
- einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der der Sensor ein Mikrophon (1, 2) oder ein anderer Schwingungsaufnehmer ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, bei der dem Sensor (1, 2) ein Analog/Digital-Wandler (3, 4) zum Digitalisieren des Meßsignals des Sensors nachgeordnet ist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, bei der dem Analog/Digital-Wandler (3, 4) ein Digitalfilter (5, 6) zum Hervorheben und/oder Unterdrücken bestimmter Bänder der ermittelten Schwingungsspektren nachgeordnet ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, bei der dem Analog/Digital- Wandler (3, 4) oder dem Digitalfilter (5, 6) ein digitaler Vergleicher (8) zum Vergleichen eines digitalisierten Schwingungsspektrums mit einem anderen digitalisierten Schwingungsspektrum nachgeordnet ist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 40, bei der die Ausgabeeinrichtung (10) eine akustische Signal einrichtung und/oder eine optische Anzeigeeinrichtung und/oder eine in den Betrieb des Elementes oder der Gesamtheit eingreifende Steuereinrichtung ist.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 41, bei der mindestens ein Sensor ein optoelektronischer Sensor (13) ist.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42, bei der der optoelektronische Sensor (13) mehrere optoelektronische Sensorelemente (14) in Zeilenanordnung umfaßt.
44. Vorrichtung nach Anspruch 42 oder 43, bei der optoelektronische Sensorelemente (14) auf einer Spirallinie an einer Seite eines Radreifens (12) montiert sind.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 44, bei der mindestens ein Sensor ein Sensor für die magnetische Permeabilität (15) ist.
46. Vorrichtung nach Anspruch 45, bei der der Sensor für die magnetische Permeabilität (15) einen Transformator aufweist, dessen magnetischer Kreis das Element (12) oder die Gesamtheit zumindest teilweise einbe- zieht, in dessen Primärwicklung (16) ein Wechselstrom eingespeist wird, der in der Sekundärwicklung (17) eine Spannung induziert, die ein Meßwert für die magnetische Permeabilität ist.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 46, bei der mindestens ein Sensor ein thermischer Sensor (19, 21) ist.
48. Vorrichtung nach Anspruch 47, bei der der thermische Sensor (19, 21) eine wechselstromdurchflossene Spule (19) umfaßt, deren magnetisches Wechselfeld im Element (12) oder in der Gesamtheit Wirbelströme fließen läßt, die zu einer örtlichen Erwärmung führen, und einen thermischen Differentialsensor (21) zur Ermittlung örtlicher und/oder zeitlicher Temperaturänderungen.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 48, bei der mindestens ein Sensor ein kapazitiver Sensor (22) ist.
50. Vorrichtung nach Anspruch 49, bei der der Sensor eine im Abstand vom Element (12) oder der Gesamtheit angeordneten elektrisch isolierten Elektrode (22) und dem Element oder der Gesamtheit als Gegenelektrode besteht und kapazitive Wirkung hat.
51. Vorrichtung nach Anspruch 50, bei der mittels einer dielektrischen Optik eine Fokussierung des elektrischen Feldes zwischen Elektrode (22) und Gegenelektrode auf das Element oder die Gesamtheit vorgenommen wird.
2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 51, bei dem mindestens ein Sensor (1, 2) mittels Magneteinrichtungen in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche des Elementes oder der Gesamtheit gehalten ist.
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