WO2004009420A1 - Method for onboard diagnosis of wheelset guiding elements - Google Patents

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WO2004009420A1
WO2004009420A1 PCT/EP2003/002937 EP0302937W WO2004009420A1 WO 2004009420 A1 WO2004009420 A1 WO 2004009420A1 EP 0302937 W EP0302937 W EP 0302937W WO 2004009420 A1 WO2004009420 A1 WO 2004009420A1
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wheelset
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Mario SÄGLITZ
Yong Guo
Rudibert King
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    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/26Mounting or securing axle-boxes in vehicle or bogie underframes
    • B61F5/30Axle-boxes mounted for movement under spring control in vehicle or bogie underframes
    • B61F5/305Axle-boxes mounted for movement under spring control in vehicle or bogie underframes incorporating rubber springs

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  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
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Abstract

The invention relates to a method for monitoring and diagnosing the condition of wheelset guiding devices on railway vehicles and a device for carrying out said method. It is generally very difficult to determine whether wheelset guide bushes made of elastomeric materials are sufficiently sturdy for operation or what the (remaining) service life thereof is because there are hardly any reliable calculation methods to do so. Furthermore, monitoring by controlling the dimensions thereof is almost impossible in the mounted state thereof because said wheelset guide bushes are difficult to access due to the assembly layout thereof within the bogie. According to the inventive method, the condition of the wheelset guide bush particularly the play thereof is monitored by evaluating an acceleration signal that is measured in real time in the area of at least one wheelset bearing, whereupon a displacement signal is estimated from said acceleration signal by means of double integration after separating the mean value. The range of said displacement signal is then subjected to a monitoring process.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ONBOARD DIAGNOSE VON RADSATZFUHRUNGSELEMENTEN VE RF A FEES AND VORRICHTU N G FOR DIAGNOSIS OF ONBOARD RADSATZFUHRUNGSELEMENTEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for condition diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices on rail vehicles and a device for carrying out the method.
5 Es ist allgemein bekannt, das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen während ihres bestimmungsgemässen Einsatzes zu überwachen, indem das Fahrverhalten repräsentierende Betriebsparameter erfasst und ausgewertet werden. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels Beschleunigungsaufnehmern einwirkende Schwingungen zu erfassen und die von den Beschleunigungsaufnehmern daraus gene- 0 rierten Signale einer auf dem Schienenfahrzeug integrierten Diagnose-Einrichtung zuzuführen.5 It is generally known to monitor the driving behavior of rail vehicles during their intended use by recording and evaluating operating parameters representing the driving behavior. It has proven to be particularly advantageous here to detect vibrations acting by means of accelerometers and to feed the signals generated by the accelerometers to a diagnostic device integrated on the rail vehicle.
DE 196 11 775 schlägt den Vergleich ortsabhängig ermittelter Beschleunigungsspektren mit einem als Normal definierten „Rüttelprofil" einer vom Schienenfahrzeug zu befahrenden Strecke vor. Hierbei werden jedoch nicht einzelne Komponenten des Fahr- 5 zeuges überwacht, sondern es wird lediglich das summarische Spektrum aller Komponenten zusammen untersucht. Auch DE 195 02 670 beschränkt sich auf die Auswertung eines auf das gesamte Fahrwerk bezogenen Beschleunigungssignales mit dem Ziel, eine eventuelle Entgleisung des Fahrwerkes zu erkennen. Aus DE 101 45 433 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Beschleunigungsverhalten 0 wenigstens zweier, einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges zugeordneter Schlingerdämpferkonsolen überwacht wird, indem aus beiden Beschleunigungswerten ein Korrelationskoeffizient gebildet, mit einem Sollwert verglichen und bei dessen Überschreiten eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Das Verfahren nutzt die Dynamik des Fahrwerkes in Bezug auf den Wagenkasten und setzt die hieraus resultierenden Be- 5 schleunigungen an der rechten und linken wagenkastenseitigen Schlingerdämpferkonsole in geeigneter Weise in Beziehung zueinander. Aufgrund der unterschiedlichen Dynamik von Fahrwerk und Radsatzfuhrungsbuchse ist dieses Verfahren (inklusive der Anbringungsorte der Sensoren) für eine Überwachung der Radsatzfuhrungsbuchsen jedoch nicht geeignet. 0 DE 199 53 677 lehrt die Verwendung eines Verfahrens zur Erkennung einer Entgleisung eines Schienenfahrzeuges, wobei eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Bauelementes des Schienenfahrzeuges vertikal zu einer Fahrtrichtung ermittelt wird, die Beschleunigung mittels Beschleunigungssensor gemessen, zweifach über die Zeit integriert und schliesslich mit einem oberen 5 und / oder unteren Grenzwert verglichen wird. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren, bei dem aus einem gemessenem Beschleunigungssignal und einer im Rahmen der Berechnung durchzuführenden Elimierung einer linearen Tendenz eine Wegdifferenz abgeschätzt wird. Die auf diese Weise erzielbare Abschätzungsgenauigkeit des Wegsignales ist jedoch in ihrer Diagnosequalität für eine Ankopplung an eine Fahrzeugsteuerung unzureichend. Die Führung der Radsätze gegenüber dem Drehgestellrahmen des Schienenfahrzeuges stellt eine hochbeanspruchte Systemkomponente dar, die mit diesen bisher bekannten Diagnosesystemen noch nicht in der erforderlichen Qualität erfasst werden konnte. Bei den aktuellen Baureihen für Hochgeschwindigkeitszüge der ICE-Familie erfolgt die präzise Radsatzführung entweder über zwei am Drehgestellrahmen einge- presste Führungszapfen und hierauf montierte Radsatzfuhrungsbuchsen oder über Radsatzführungbuchsen im Lager der Anlenkung des Schwingenarmes an den Drehgestellrahmen. Unabhängig von der jeweiligen konstruktiven Lösung werden für die Radsatzfuhrungsbuchsen Elastomerwerkstoffe eingesetzt, deren werkstoffliche Zusammensetzung und Eigenschaften an den Einsatzzweck angepasst sind. Neben der Erzielung eines ruhigen Fahrzeuglaufes steht auch das Ermöglichen einer begrenzten radialen Einstellmöglichkeit der Radsätze während Bogenfahrten im Vordergrund. Somit unterliegen die Radsatzfuhrungsbuchsen im täglichen Betriebseinsatz vielfältigen verschleissausübenden Einflüssen. In vertikaler Richtung sind sie den Gewichtskräften des Fahrzeuges und dynamischen Kräften aus Fahrbahnunregelmässigkeiten (z.B. Riffel auf der Schienenoberfläche) ausgesetzt, in horizontaler Längsrichtung wirken Brems- und Beschleunigungskräfte, in transversaler Richtung greifen bei Kurvenfahrten Fliehkräfte an. Diesen Belastungen kann zusätzlich noch eine geringfügige Verdrehung innerhalb der Buchse überlagert sein. Im Allgemeinen gestaltet sich bei Elastomerteilen der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit bzw. die Angabe einer (Rest-)Lebensdauer sehr schwierig, da hierfür kaum abgesicherte Rechenverfahren existieren. Ebenso ist eine Überwachung der Radsatzfuhrungsbuchsen im eingebauten Zustand durch Kontrolle ihrer Abmessungen nahezu unmöglich, da sie aufgrund der Einbausituation im Drehgestell kaum zugänglich sind.DE 196 11 775 proposes the comparison of location-specific acceleration spectra with a "vibration profile" of a route to be traveled by the rail vehicle, which is defined as normal. However, individual components of the vehicle are not monitored here, but only the summary spectrum of all components is examined together DE 195 02 670 is also limited to the evaluation of an acceleration signal relating to the entire undercarriage with the aim of recognizing a possible derailment of the undercarriage DE 101 45 433 discloses a method in which the acceleration behavior 0 of at least two, one car body A rocker damper console assigned to a rail vehicle is monitored by forming a correlation coefficient from the two acceleration values, comparing it with a setpoint value and issuing an alarm message when it is exceeded. The method uses the dynamics of the chassis in relation to the vehicle body and correlates the resulting accelerations on the right and left wagon damper bracket on the car body side in a suitable manner. However, due to the different dynamics of the chassis and wheelset guide bushing, this method (including the location of the sensors) is not suitable for monitoring the wheel set guide bushings. 0 DE 199 53 677 teaches the use of a method for detecting a derailment of a rail vehicle, wherein an acceleration of a component of the rail vehicle that is directly or indirectly in contact with the lane is determined vertically to a direction of travel, the acceleration measured by means of an acceleration sensor, twice over time integrated and finally compared with an upper 5 and / or lower limit. It is a method in which a measured acceleration signal and one in the context of the Calculation to be performed eliminating a linear tendency a path difference is estimated. However, the diagnostic accuracy of the path signal that can be achieved in this way is insufficient in terms of its diagnostic quality for coupling to a vehicle control system. The guidance of the wheel sets in relation to the bogie frame of the rail vehicle represents a highly stressed system component that could not yet be recorded in the required quality with these previously known diagnostic systems. In the current series for high-speed trains of the ICE family, the precise wheelset guidance is carried out either via two guide pins pressed into the bogie frame and wheel set guide bushes mounted thereon or via wheel set guide bushes in the bearing of the linkage of the swing arm to the bogie frame. Regardless of the respective design solution, elastomer materials are used for the wheelset guide bushings, the material composition and properties of which are adapted to the intended use. In addition to achieving smooth vehicle running, the focus is also on enabling a limited radial adjustment of the wheel sets during cornering. Thus, the wheelset guide bushes are subject to a variety of wear-causing influences in daily use. In the vertical direction, they are exposed to the weight forces of the vehicle and dynamic forces from irregularities in the road (e.g. corrugations on the rail surface), in the horizontal longitudinal direction braking and acceleration forces act, in the transverse direction centrifugal forces act when cornering. A slight twist within the bushing can also be superimposed on these loads. In general, it is very difficult to prove sufficient operational strength or to specify a (remaining) service life for elastomer parts, since there are hardly any reliable calculation methods for this. Likewise, monitoring the wheelset guide bushes in the installed state by checking their dimensions is almost impossible, since they are hardly accessible due to the installation situation in the bogie.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln. Eine robuste und eisenbahnbetriebstaugliche Konzeption sollen eine hohe Diagnosequalität und verläss- liehe Alarmraten sicherstellen. Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zustand der Radsatzfuhrungsbuchse des Schienenfahrzeuges - insbesondere das Spiel - durch Auswertung eines im Bereich mindestens eines Radsatzlagers aktuell gemessenen Beschleunigungssignals über- wacht wird, indem aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignals vorgenommen wird. Dieses abgeschätzte Wegsignal w(t) repräsentiert eine Zustandsgrösse, die mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen Bauteile des Drehgestells eindeutig beschreibt. Bei einem vergrössertem Spiel der Radsatzfuhrungsbuchse oder aber auch bei unzulässigen Steifigkeitsänderungen ist im Betriebszustand eine gegenüber dem Gut-Zustand signifikante Lageveränderung bezüglich dieser Raumkoordinate zu erwarten. Eine Herleitung einer solchen Wegsignalabschätzung aus den Ausgangssignalen von Beschleunigungssensoren mittels einer Doppelintegration erscheint zunächst jedoch un- möglich, da weder die Anfangsposition noch die Anfangsgeschwindigkeit des Messpunktes bekannt sind. Die erfindungsgemässe Leistung besteht darin, ein Verfahren aufzuzeigen, das dennoch eine geeignete Abschätzung und Überwachung der räumlichen Lage der Radsatzfuhrungsbuchsen ermöglicht.The invention is therefore based on the object of developing a method for condition diagnosis and monitoring of wheel set guidance devices on rail vehicles and an apparatus for carrying out the method. A robust, railroad-compatible design is intended to ensure high diagnostic quality and reliable alarm rates. This object is achieved in connection with the preamble of patent claim 1 in that the state of the wheel set guide bushing of the rail vehicle - in particular the play - is monitored by evaluating an acceleration signal currently measured in the area of at least one wheel set bearing by using this acceleration signal by means of two integrations an estimation of a path signal is carried out after the mean value has been released. This estimated path signal w (t) represents a state variable that uniquely describes at least one coordinate of the current spatial position of the wheel set in relation to the other components of the bogie surrounding it. With an increased play of the wheel set guide bushing or also with impermissible changes in stiffness, a significant change in position with respect to this spatial coordinate can be expected in the operating state compared to the good state. However, deriving such a path signal estimate from the output signals of acceleration sensors by means of double integration initially seems impossible since neither the starting position nor the starting speed of the measuring point are known. The performance according to the invention consists in demonstrating a method which nevertheless enables a suitable estimation and monitoring of the spatial position of the wheel set guide bushings.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird aus den Wegsignalabschätzungen w(t) mindestens zweier, einem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges zugehörigen Radsätzen die Spannweite des Abstandes dieser Radsätze ws,A zueinander bestimmt (Variante A). Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Signifikanz des ermittelten Signales und des damit verbundenen hohen Fehlererkennungs- grades besonders vorteilhaft. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei der Ermittlung von WS,A das Ergebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand wA statisch zwischen den beiden Radsatzlagern bereinigt wird.According to a particular embodiment of the subject matter of the invention, the range of the spacing of these wheel sets w s , A from one another is determined from the path signal estimates w (t) of at least two wheel sets associated with a bogie of a rail vehicle (variant A). This method is particularly advantageous due to the high significance of the signal determined and the associated high degree of error detection. In this context it should be noted that in the determination of W S, A the result to the design clearance w A stat i SCH is adjusted between the two wheel set bearings.
Eine vorteilhafte Modifikation des Erfindungsgedankens sieht vor, dass aus der Weg- Signalabschätzung w(t) eines Radsatzes die Spannweite des Abstandes zwischen diesem Radsatz und einem Fixpunkt auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen WS,B des Schienenfahrzeuges analysiert wird (Variante B). Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform kann nicht nur auf die von einer Unregelmässigkeit in der Radsatzführung betroffene Seite eines Drehgestells geschlossen werden, sondern es wird eine eindeutige Identifizierung des konkret geschädigten Radsatzführungsbuchsen-Paares eines Radsatzes ermöglicht. Auch in diesem Fall ist bei der Ermittlung von wB das Er- gebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand wstatjScrι zwischen dem Radsatzlager und dem Fixpunkt am Drehgestellrahmen zu bereinigen.An advantageous modification of the inventive concept provides that the range of the distance between this wheel set and a fixed point on the associated bogie frame W S, B of the rail vehicle is analyzed from the path signal estimate w (t) of a wheel set (variant B). In contrast to the aforementioned embodiment, it is not only possible to draw conclusions about the side of a bogie which is affected by an irregularity in the wheel set guidance, but also to enable the specifically damaged pair of wheel set guide bushings of a wheel set to be identified. In this case too, when determining w B Result to clean the constructive distance w stat j Scrι between the wheelset bearing and the fixed point on the bogie frame.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen 4 bis 10 genannten Merkmalen.Further preferred refinements of the method according to the invention result from the other features mentioned in subclaims 4 to 10.
Erfindungsgemass wird die Aufgabe ferner durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass Mittel zur Erfassung des Beschleunigungsverhaltens wenigstens einer Radsatzfuhrungsbuchse an mindestens einem Radsatzlagergehäuse des Schienenfahrzeuges vorhanden sind, mittels denen ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal erfassbar ist und die Spannweite ws eines aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung abgeschätzten Wegsignals w(t) einer Überwachung unterzogen werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen bereitstellen.According to the invention, the object is further achieved by a device with the features mentioned in claim 11. As a result of the fact that means for detecting the acceleration behavior of at least one wheelset guide bushing on at least one wheelset bearing housing of the rail vehicle are available, by means of which a currently measured acceleration signal can be detected and the range w s of a path signal w (t) estimated from this acceleration signal by double integration after the mean value has been released. can be subjected to monitoring, an apparatus for condition diagnosis and monitoring of wheelset guiding devices on rail vehicles can be provided in an advantageous manner.
Insbesondere kann in bevorzugter Ausgestaltungsweise vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinrichtung zur Überwachung des abgeschätzten Wegsignales integraler Bestandteil einer auf dem Schienenfahrzeug implementierten übergeordneten Vorrichtung zur Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist. Dadurch wird ein weiterer Schritt in Richtung eines leistungsfähigen, fahrzeugintegrierten On-board- Diagnosesystems unternommen.In particular, it can be provided in a preferred embodiment that an evaluation device for monitoring the estimated path signal is an integral part of a higher-level device implemented on the rail vehicle for monitoring the driving properties of the rail vehicle. This takes a further step in the direction of a powerful, vehicle-integrated on-board diagnostic system.
Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Figur 1 näher erläutert.The idea of the invention is explained in more detail below in an exemplary embodiment with reference to the associated FIG. 1.
Figur 1 zeigt schematisch (Draufsicht) einen Drehgestellrahmen (1 ) sowie zwei Radsätze (2, 3), wobei sich der Drehgestellrahmen über ein primäres Federungssystem (hier zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) und jeweils zwei Radsatzlagern (4, 5; 6, 7) auf den beiden Radsätzen abstützt. In unmittelbarer Umgebung eines Radsatzlagers befinden sich jeweils zwei Radsatzfuhrungsbuchsen.Figure 1 shows schematically (top view) a bogie frame (1) and two wheel sets (2, 3), the bogie frame extending over a primary suspension system (not shown here for the sake of clarity) and two wheel set bearings (4, 5; 6, 7) ) is supported on the two wheel sets. There are two wheelset guide bushings in the immediate vicinity of a wheelset bearing.
Bei der ersten Lösungsvariante des erfinderischen Gedankens wird die Spannweite WS,A des Abstandes wA zwischen den beiden Radsätzen überwacht. Für die Abschätzung von wA werden pro Drehgestellseite zwei Beschleunigungssignale benötigt, die von Sensoren stammen, die im Bereich der Radsatzfuhrungsbuchsen (4, 5; 6, 7) an min- destens zwei Radsatzlagergehäusen montiert sind und wenigstens eine parallel zur zu untersuchenden Raumkoordinate verlaufende Detektionsrichtung aufweisen. Es gilt also: wΛ(t) = w4(t) - w6(t) bzw. wA(t) = w5(t) - w7 (t)In the first variant of the inventive idea, the range W S, A of the distance w A between the two wheel sets is monitored. For the estimation of w A , two acceleration signals are required per bogie side, which originate from sensors which are mounted in the area of the wheelset guide bushings (4, 5; 6, 7) on at least two wheelset bearing housings and at least one parallel to it have investigating spatial coordinate extending detection direction. The following therefore applies: w Λ (t) = w 4 (t) - w 6 (t) or w A (t) = w 5 (t) - w 7 (t)
Der Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die zu untersuchende Raumkoordinate mit der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges übereinstimmt. Da also eine feste Zuordnung zwischen Radsatzfuhrungsbuchsen und Beschleunigungssensor besteht, werden in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit für beide dieselben Bezugszeichen verwendet. Bei der modifizierten Lösungsvariante gemäss Anspruch 3 wird die Spannweite des Abstandes wB zwischen einem Radsatz (2) und einem Fixpunkt (8) auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen (1 ) überwacht.For the sake of simplicity, it is assumed below that the spatial coordinate to be examined corresponds to the direction of travel of the rail vehicle. Since there is a fixed assignment between the wheelset guide bushings and the acceleration sensor, the same reference numerals are used in FIG. 1 for the sake of clarity. In the modified solution variant according to claim 3, the span of the distance w B between a wheel set (2) and a fixed point (8) on the associated bogie frame (1) is monitored.
Das (nicht dargestellte) Schienenfahrzeug umfasst eine Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung, die mit den Beschleunigungssensoren verbunden ist. Die Auswertein- heit des Schienenfahrzeuges steuert Warnanzeigen für den Triebfahrzeugführer und / oder Fehlermeldungen an die Betriebswerke und / oder Aktoren zum Einwirken auf die Fahrzeugsteuerung an. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtungen sind ebenso wie diejenigen von Beschleunigungssensoren allgemein bekannt und in diesem Zusammenhang nicht weiter erläutert.The rail vehicle (not shown) comprises a data acquisition and evaluation device which is connected to the acceleration sensors. The evaluation unit of the rail vehicle controls warning displays for the driver and / or error messages to the depot and / or actuators to act on the vehicle control. The structure and mode of operation of such data acquisition and evaluation devices, like those of acceleration sensors, are generally known and are not further explained in this context.
Mittels der Beschleunigungssensoren werden die Beschleunigung der Radsätze (2; 3) in Fahrtrichtung erfasst. Aus den hierbei ermittelten Signalen soll nun auf die räumliche Lage der Radsätze in den Radsatzfuhrungsbuchsen (4, 5; 6, 7) geschlossen werden. Während der Fahrt des Schienenfahrzeuges in Fahrtrichtung weisen die Radsätze zu beliebigen Zeitpunkten jeweils unterschiedliche Abstände wA zueinander auf.The acceleration of the wheel sets (2; 3) in the direction of travel are recorded by means of the acceleration sensors. From the signals determined in this way, the spatial position of the wheel sets in the wheel set guide bushings (4, 5; 6, 7) should now be inferred. While the rail vehicle is traveling in the direction of travel, the wheel sets are each at different distances w A from one another.
Da die zu untersuchende Raumkoordinate eines Radsatzes in der Regel obere und untere Grenzwerte aufweist, ist davon auszugehen, dass die zugehörigen Weg- Messgrössen innerhalb eines Intervalles um eine Ruhelage schwingen. Unter zusätzlicher Berücksichtigung des linearen Charakters einer integrierten Konstante und der quadratischen Kurvenform einer integrierten Gerade folgt, dass bei Vorliegen einer Reihe von Messdaten mit einem von Null abweichenden Mittelwert sowohl die erste als auch die zweite Integrationskurve gegen unendlich streben. Dies lässt sich vermeiden, indem die Signale vor einer Integration vom Mittelwert befreit werden. Für die Abschätzung der Geschwindigkeits- und Wegsignale aus dem gemessenen Beschleunigungssignal a gelten im Folgenden: (1 ) das dynamische Wegsignal weist über einen hinreichend langen Zeitraum einen Mittelwert nahe Null aufSince the spatial coordinate of a wheel set to be examined generally has upper and lower limit values, it can be assumed that the associated displacement measurement variables oscillate around a rest position within an interval. With additional consideration of the linear character of an integrated constant and the quadratic curve shape of an integrated straight line, it follows that when a series of measurement data with a non-zero mean value are available, both the first and the second integration curve tend towards infinity. This can be avoided by removing the mean value from the signals before integration. The following applies to the estimation of the speed and distance signals from the measured acceleration signal a: (1) the dynamic path signal has a mean value close to zero over a sufficiently long period of time
(2) der jeweils betrachtete Datenausschnitt enthält eine hinreichende Anzahl von Perioden der nach der Fourierreihe zerlegten Wegsignal-Komponenten mit der kleinsten nicht zu vernachlässigenden Frequenz(2) the data section considered in each case contains a sufficient number of periods of the path signal components broken down according to the Fourier series with the smallest frequency that cannot be neglected
Annahme (1 ) ist in der Regel zum einen durch die Konstruktion zwingend erfüllt und trifft häufig bei Maschinenschwingungen zu, insbesondere wenn sich die Maschinen im stabilen Betriebszustand befinden. Annahme (2) gilt, wenn das interessierende Wegsignal mit hoher Frequenz schwingt bzw. Anteile höherer Frequenz aufweist. Jedes Wegsignal einer typischen Maschinenschwingung kann praktisch als Summe von theoretisch unendlich vielen Sinus- und Kosinusfunktionen dargestellt werden (Fourierreihe):Assumption (1) is generally fulfilled on the one hand by the design and often applies to machine vibrations, especially when the machines are in a stable operating state. Assumption (2) applies if the path signal of interest oscillates at a high frequency or has components of a higher frequency. Each path signal of a typical machine vibration can be represented practically as the sum of theoretically infinitely many sine and cosine functions (Fourier series):
w( = ^+∑(α* -cos( - * - - ')+ß* -sin(2π - k -f - t))w (= ^ + ∑ ( α * - cos ( - * - - ') + ß * -sin (2π - k -f - t))
wobei: f = Grundfrequenz α, ß = Fourierkoeffizientenwhere: f = fundamental frequency α, β = Fourier coefficient
Da das abzuschätzende Wegsignal w(t) um eine Ruhelage schwingt und einen Mittel- ot wert von Null aufweist, ist der Term — vernachlässigbar.Since the path signal w (t) to be estimated swings around a rest position and has an average ot value of zero, the term - is negligible.
Ferner entstehen durch die Datenfensterung noch Restfehler, die sich jedoch in der Gesamtbetrachtung über alle Frequenzen kompensieren und statistisch betrachtet ei- nen Mittelwert von Null anstreben.Furthermore, due to the data windowing, residual errors still arise, which, however, are compensated for in the overall view across all frequencies and, statistically, strive for an average of zero.
Mit — sin(t) = cos(t) und — cos(t) = -sin(t) gilt folglich auch, dass die durch (Doppel-) δt δtWith - sin (t) = cos (t) and - cos (t) = -sin (t) it also applies that the by (double) δt δt
Differentiation des als Fourierreihe dargestellten Wegsignales w(t) ermitteltenDifferentiation of the path signal w (t) represented as a Fourier series
Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungssignale jeweils einen Mittelwert ungefähr vonSpeed and acceleration signals each have an average value of approximately
Null aufweisen. Das Geschwindigkeitssignal v(t) ergibt sich für ein gewähltes Zeitfenster wie folgt aus der Beschleunigung: f=f0+/Δr vι - v(fo + Z'Δ = \ atdt +v0 Have zero. The speed signal v (t) results from the acceleration for a selected time window as follows: f = f 0 + / Δr v ι - v ( f o + Z ' Δ = \ a t dt + v 0
wobei v = Geschwindigkeit, v0 = Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t0, a = Beschleunigung, t = Zeit,where v = speed, v 0 = speed at time t 0 , a = acceleration, t = time,
Δt = Dauer zwischen zwei Abtastungen, i = Index der Messpunkte n = Anzahl der Messpunkte des DatenausschnittsΔt = duration between two scans, i = index of the measuring points n = number of measuring points of the data section
Da der Mittelwert von v den Wert Null annehmen muss, gilt:Since the mean of v must assume the value zero, the following applies:
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
Dies bedeutet, dass durch die Integration und die anschliessende Mittelwertbefreiung v0 teilweise kompensiert werden kann. Damit ist eine Bestimmung des Geschwindigkeits- signales mit berechenbarer Fehlerschranke möglich.This means that v 0 can be partially compensated for by the integration and the subsequent exemption from the mean value. This makes it possible to determine the speed signal with a calculable error barrier.
In analoger Weise wird erfindungsgemass das Wegsignal aus dem Geschwindigkeitssignal bestimmt.According to the invention, the path signal is determined in an analogous manner from the speed signal.
Abweichend hierzu ist bei Bestimmung der Weggrösse wB (Variante B) zu beachten, dass in diesem Fall, d.h. der Betrachtung des Relativweges zwischen Radsatzlager und Drehgestellrahmen, in erster Näherung auf das als Referenz zu nutzende Beschleunigungssignal ad des Drehgestellrahmens verzichtet werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Differenzgrösse ar - ad wesentlich von ar abhängt, da das Amplitudenverhältnis ar / ad große Werte annimmt (z.B. 50 und höher). wobei: ad = Beschleunigungssignal des Drehgestells ar = Beschleunigungssignal des RadsatzesIn a departure from this, when determining the path size w B (variant B), it should be noted that in this case, ie considering the relative path between the axlebox bearing and the bogie frame, the acceleration signal a d of the bogie frame to be used as a reference can be dispensed with. It could be shown that the difference size a r - a d depends essentially on a r , since the amplitude ratio a r / a d takes on large values (eg 50 and higher). where: a d = acceleration signal of the bogie a r = acceleration signal of the wheelset
Die Beschleunigungen am Drehgestellrahmen sind wesentlich geringer und werden zusätzlich durch niederfrequente Anteile dominiert. Dieses spezifische Schwingungsphänomen kann nun dahingehend ausgenutzt werden, dass das Signal ar um die linea- re Tendenz und den Offset befreit wird und das resultierende Signal - eine hinreichend kurze Zeitdauer vorausgesetzt - als gute Näherung für die Differenzgrösse ar - aά herangezogen werden kann. Der Ablauf der Signalverarbeitung stellt sich wie folgt dar: die Sensoren im Bereich der Radsatzlagergehäuse ([4 und 5] bzw. [6 und 7]) liefern die benötigten Beschleunigungssignale als Eingangsgrösse. In bevorzugter Weise werden sämtliche Datenverarbeitungsschritte auf eine Datenfensterlänge von 2 Sekunden angewendet. Bei der Variante A werden jeweils die beiden Beschleunigungssignale einer Drehgestellseite nach erfolgter Mitttelwertbefreiung eines jeden Einzelsignals zeitsynchron voneinander subtrahiert und der Differenzwert dann weiteren Datenverarbeitungsschritten unterworfen: Nach Filterung, erster Integration, erneuter Mittelwertbefreiung und zweiter Integration wird anschliessend die gewünschte Spannweite ws,A des abge- schätzten Wegsignals wA bestimmt und zwischengespeichert. Nach Berechnung und Zwischenspeicherung einer ausreichenden Anzahl von Spannweite-Werten wird hiervon der Mittelwert gebildet. Dieser wird dann in der Datenerfassungs- und Auswerteinrichtung des Schienenfahrzeuges als Online-Überwachungsgrösse verwendet und kontinuierlich gegen einen im Rahmen der Parametrierung bestimmten festen Grenzwert verglichen. Im Rahmen der Versuchsdurchführungen hat es sich als zielführend erwiesen, einen gleitenden Mittelwert über die 30 aktuellsten Spannweite-Werte zu verwenden. Dabei wird der jeweils älteste Spannweiten-Wert durch den mit jedem Ablauf eines Datenfensters neu ermittelten jüngsten Spannweite- Wert ersetzt. Dadurch erfolgt eine Glättung der Überwachungsgrösse über die Zeit und die Fehlalarmrate kann durch eine signifikantere Grenzwertfestlegung minimiert werden. Die bei Variante A erzielbare Diagnosetiefe beschränkt sich auf die Drehgestellseite (in Fahrtrichtung links bzw. rechts), die Zuordnung eines Schadens zu einem Rad kann hierbei nicht erfolgen. Im Unterschied hierzu entfällt bei der Variante B - bedingt durch die Verarbeitung bzw. Nutzung jeweils nur eines Beschleunigungssignales - die Subtraktion zweier Beschleu- nigungssignale. Die Diagnosetiefe erstreckt sich hierbei auf die Erkennung schadhafter Führungsbuchsen im Bereich eines Rades.The accelerations on the bogie frame are significantly lower and are also dominated by low-frequency components. This specific oscillation phenomenon can now be exploited in such a way that the signal a r is freed from the linear tendency and the offset and the resulting signal can be used as a good approximation for the difference quantity a r - a ά - provided the duration is sufficiently short , The signal processing sequence is as follows: the sensors in the area of the axlebox bearing housings ([4 and 5] or [6 and 7]) supply the required acceleration signals as an input variable. All data processing steps are preferably applied to a data window length of 2 seconds. In variant A, the two acceleration signals on one side of the bogie are subtracted from each other after the mean value has been released from each bogie and the difference value is then subjected to further data processing steps: after filtering, first integration, renewed mean value exemption and second integration, the desired range w s, A des is then displayed - Estimated path signal w A determined and buffered. After calculating and temporarily storing a sufficient number of span values, the mean value is formed. This is then used in the data acquisition and evaluation device of the rail vehicle as an online monitoring variable and is continuously compared against a fixed limit value determined during the parameterization. In the course of carrying out the tests, it has proven expedient to use a moving average over the 30 most recent span values. The oldest span value is replaced by the most recent span value determined each time a data window is run. As a result, the monitoring variable is smoothed over time and the false alarm rate can be minimized by setting the limit value more significantly. The diagnostic depth that can be achieved with variant A is limited to the bogie side (left or right in the direction of travel); damage cannot be assigned to a wheel. In contrast to this, subtraction of two acceleration signals is omitted in variant B due to the processing or use of only one acceleration signal in each case. The depth of diagnosis extends to the detection of damaged guide bushes in the area of a wheel.
Bei der Auswertung des Mittelwertes ist ferner zu beachten, dass die Überwachungsgrösse auch im fehlerfreien GUT-Zustand Schwankungen aufweist, die auf den Federweg der Radsatzfuhrungsbuchse zurückzuführen ist. Im DEFEKT-Zustand überlagert sich das fehlerbedingt vergrösserte Radsatzführungsspiel diesem systembedingten Grund-Spiel. Es hat sich experimentell erwiesen, dass erst oberhalb einer Minimalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges diese Diskrepanz bzw. Überlagerung in ausreichend signifikanter Weise nachgewiesen werden kann. So war beispielsweise bei einem Federweg von 0,3 bis 0,5 mm eine Minimalgeschwindigkeit von 120 km/h erforder- lieh. Eine zweckmässige Weiterbildung der erfinderischen Variante B gemäss Anspruch 5 sieht vor, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion z.B. mittels SVM (Support Vector Machine) eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl zusätzlicher Merkmale vorgenommen wird. Durch die Nutzung weiterer Merkmale kann die geringere Signifikanz des überwachten Merkmales wB - verursacht durch die Verwendung von Näherungslösungen bei Differenzbildung und bei Doppelintegration - kompensiert werden. In zahlreichen Versuchsreihen hat sich jedoch gezeigt, dass das Ergebnis der automatisierten Merkmalsauswahl in hohem Masse vom betrachteten Fahrgeschwindigkeitsbereich sowie von der Mittelungsdauer abhängt. Somit hat es sich als empfeh- lenswert herausgestellt, in abgestuften Geschwindigkeitsbereichen mit jeweils spezifischen zusätzlichen Merkmalen zu arbeiten. Die Fehlererkennbarkeitsrate wird hierbei mit Tendenz zu längeren Mittelungsdauern und engeren Geschwindigkeitsbereichen erhöht.When evaluating the mean value, it should also be noted that the monitoring variable shows fluctuations even in the faultless GOOD condition, which is due to the spring travel of the wheel set guide bushing. In the DEFECTIVE state, the enlarged wheel set guidance game overlaps this system-related basic game. It has been shown experimentally that this discrepancy or overlay can only be demonstrated in a sufficiently significant manner above a minimum speed of the rail vehicle. For example, with a spring travel of 0.3 to 0.5 mm, a minimum speed of 120 km / h was required. An expedient development of variant B according to the invention provides that, by means of an automatic feature selection, for example by means of SVM (Support Vector Machine), a selection of additional features depending on the driving speed is made. By using additional features, the lower significance of the monitored feature w B - caused by the use of approximate solutions for difference formation and double integration - can be compensated for. In numerous test series, however, it has been shown that the result of the automated feature selection depends to a large extent on the vehicle speed range under consideration and on the averaging duration. It has therefore proven to be advisable to work in graded speed ranges with specific additional features in each case. The error detectability rate is increased with a tendency towards longer averaging times and narrower speed ranges.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
w(t) abgeschätztes Wegsignalw (t) estimated path signal
Wj Wegsignal am Ort der Radsatzfuhrungsbuchse iWj path signal at the location of the wheelset guide bush i
Ws Spannweite des Wegsignals w(t) wA Abstand zwischen den Radsätzen eines Drehgestells wB Abstand zwischen Radsatz und Fixpunkt auf DrehgestellrahmenWs range of the travel signal w (t) w A distance between the wheelsets of a bogie w B distance between the wheelset and fixed point on the bogie frame
1 Drehgestellrahmen1 bogie frame
2, 3 Radsatz2, 3 wheelset
4, 5, 6, 7 Radsatzfuhrungsbuchse bzw. Beschleunigungssensor 8 Fixpunkt auf Drehgestellrahmen 4, 5, 6, 7 wheelset guide bush or acceleration sensor 8 fixed point on bogie frame

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrich- tungen an Schienenfahrzeugen,1. method for condition diagnosis and monitoring of wheel set guidance devices on rail vehicles,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass der Zustand der Radsatzfuhrungsbuchse (4, 5, 6, 7) des Schienenfahrzeuges - insbesondere das Spiel - durch Auswertung eines im Bereich mindestens einesthat the condition of the wheel set guide bushing (4, 5, 6, 7) of the rail vehicle - in particular the play - by evaluating one in the area of at least one
Radsatzlagers aktuell gemessenen Beschleunigungssignals überwacht wird, indem aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignales w(t) vorgenommen wird, das als Zustandsgrösse mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes (2, 3) in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen Bauteile desThe currently measured acceleration signal of the wheelset bearing is monitored by making an estimate of a path signal w (t) from this acceleration signal by means of two integrations after the mean value has been freed in each case, which as a state variable is at least one coordinate of the current spatial position of the wheelset (2, 3) with respect to the surrounding other components of the
Schienenfahrzeuges eindeutig beschreibt.Rail vehicle clearly describes.
2. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus den Wegsignalabschätzungen w(t) mindestens zweier, einem Drehgestell des Schienenfahrzeuges zugehöriger Radsätze (2, 3) die Spannweite ws,A des Abstandes dieser Radsätze zueinander bestimmt wird.2. A method for the diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices according to claim 1, characterized in that from the travel signal estimates w (t) at least two wheel sets (2, 3) belonging to a bogie of the rail vehicle determine the span w s , A of the distance between these wheel sets becomes.
3. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der Wegsignalabschätzung w(t) eines Radsatzes (2) die Spannweite WS,B des Abstandes zwischen diesem Radsatz und einem Fixpunkt (8) auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen (1 ) des Schienenfahrzeuges bestimmt wird.3. A method for diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices according to claim 1, characterized in that from the travel signal estimate w (t) of a wheel set (2) the span WS, B of the distance between this wheel set and a fixed point (8) on the associated bogie frame ( 1) of the rail vehicle is determined.
4. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleunigungssignal lineare Tendenzen und der Offset aus Anfahr- und Bremsvorgängen des Schienenfahrzeuges eliminiert werden.4. A method for diagnosing and monitoring wheel set guiding devices according to claim 3, characterized in that linear tendencies and the offset from starting and braking processes of the rail vehicle are eliminated from the acceleration signal.
5. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl zusätzlicher Merkmale vorgenommen wird.5. A method for diagnosing and monitoring wheel set guiding devices according to at least one of claims 3 or 4, characterized in that by means of an automatic feature selection, a travel speed-dependent selection of additional features is carried out.
6. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des zweifach integrierten Beschleunigungssignals innerhalb eines bevorzugten Integrationsintervalls Δ t = 2 Sekunden durchgeführt wird.6. Method for diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation of the double integrated acceleration signal is carried out within a preferred integration interval Δ t = 2 seconds.
7. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrationsintervalle Δ t,, Δ ti+1 sequentiell aneinanderhängend beginnen.7. The method for diagnosing and monitoring wheel set guiding devices according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the integration intervals Δ t ,, Δ t i + 1 begin sequentially contiguously.
8. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus meh- reren durch zweifache Integration des Beschieunigungssignals über die sequentiell aufeinanderfolgenden Integrationsintervalle Δ tj ermittelten Spannweiten ws,j(t) der Wegsignale Wj(t) Mittelwerte gebildet werden, die kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen mit einem im Rahmen der Parametrierung bestimmten Grenzwert verglichen werden und dass in Abhängigkeit vom Überschreiten dieser vordefi- nierten Grenzwerte Alarmierungsprozeduren ausgelöst werden.8. A method for the diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that spans w s, j (t) of the path signals Wj determined by several integrations of the acceleration signal over the sequentially successive integration intervals Δ tj (t) mean values are formed which are compared continuously or at predefinable time intervals with a limit value determined in the course of the parameterization and which trigger alarm procedures as a function of the exceeding of these predefined limit values.
9. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren erst ab einer Mindestgeschwindigkeit des Eisenbahnfahrzeuges akti- viert wird.9. Method for diagnosis and monitoring of wheel set guiding devices according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the diagnostic method is only activated from a minimum speed of the railway vehicle.
10. Verfahren zur Diagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach mindestens einem der Anprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als integraler Bestandteil eines auf dem Schienenfahrzeug implementierten ü- bergeordneten Verfahrens zur Diagnose und Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges angewendet wird. 10. Method for diagnosing and monitoring wheel set guiding devices according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the method is used as an integral part of a higher-level method implemented on the rail vehicle for diagnosis and monitoring of the driving properties of the rail vehicle.
11. Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen, gekennzeichnet durch Mittel zur Erfassung des Beschleunigungsverhaltens wenigstens einer Radsatzfuhrungsbuchse (4, 5, 6, 7), mittels denen ein im Bereich mindestens eines Radsatzlagers des Schienenfahrzeuges aktuell gemessenes Beschleunigungssignal erfassbar ist und die Spannweite einer aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweiliger Mittelwertbefreiung gewonnenen Weggröße einer Über- wachung auf Grenzwert-Überschreitung unterzogen werden kann.11.Device for status diagnosis and monitoring of wheelset guidance devices on rail vehicles, characterized by means for detecting the acceleration behavior of at least one wheelset guidance bush (4, 5, 6, 7), by means of which an acceleration signal currently measured in the area of at least one wheelset bearing of the rail vehicle can be detected and the span a path variable obtained from this acceleration signal by double integration after the respective release of the mean value can be monitored for exceeding the limit value.
12. Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung zur Überwachung des Wegsignales integraler Bestandteil einer auf dem Schienen- fahrzeug implementierten übergeordneten Vorrichtung zur Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist. 12. Device for condition diagnosis and monitoring of wheelset guidance devices according to claim 11, characterized in that an evaluation device for monitoring the path signal is an integral part of a higher-level device implemented on the rail vehicle for monitoring the driving properties of the rail vehicle.
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