DE19837486A1 - Verfahren zum Erkennen von Schäden an Schienenfahrzeugen und/oder Gleisen - Google Patents

Abstract

Zum Erkennen sich anbahnender Schäden an Schienenfahrzeugen und/oder Gleisen werden auf den Schienenfahrzeugen Sensoren eingesetzt, die auf mechanische Beanspruchungen reagieren und die dabei auf sie einwirkenden mechanischen Energien in hochfrequente elektrische Energien umformen. Solche Sensoren weisen Wandler mit Piezoelementen oder Induktionseinrichtungen auf, die ohne eigene Stromversorgung auskommen. Die Sensoren sind in Masse-Feder-Systeme eingebettet, die einen Teil der auf sie wirkenden mechanischen Beanspruchungen absorbieren. Nur Schock- und Stoßbelastungen oberhalb eines vorgegebenen Mindestwertes wirken auf die Sensoren ein. Welche mechanischen Belastungen von dem Masse-Feder-System absorbiert werden sollen, muß durch Testfahrten auf Referenzgleisen bestimmt werden. Die Ereignismeldungen der Sensoren werden drahtlos an ein ausgewähltes Fahrzeug des Fahrzeugverbandes übermittelt und dort intelligent bewertet, wobei aus dem Umstand, ob einzelne Sensoren oder aufeinanderfolgend alle gleichartigen Sensoren angesprochen haben, auf ein fahrzeugseitiges oder ein streckenseitiges Störungsereignis geschlossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung sich anbahnender oder plötzlich auftretender Schäden an Schienenfahrzeugen und/oder Gleisen, soweit diese Schäden Auswirkungen haben auf die Fahrqualität der Fahrzeuge, unter Verwendung von örtlich auf den Fahrzeugen verteilt angeordne­ ter Sensoren zum Erfassen des Schwingungsverhaltens vorgege­ bener Fahrzeugkomponenten oder -komponentenanordnungen.

Derartige Verfahren sind aus der DE 195 80 680 T1 und 195 80 682 T1 bekannt. Die dort auf den Schienenfahrzeugen verwendeten Sensoren reagieren auf Beschleunigungen, Schwin­ gungen und mechanische Stöße. Die Sensormeldungen werden als elektrische Signale über Leitungsverbindungen an fahrzeugsei­ tige Bewertungseinrichtungen übermittelt. Für das Generieren und Übertragen der Sensormeldungen werden auf den Fahrzeugen Stromversorgungseinrichtungen benötigt. Damit ist es quasi ausgeschlossen, etwaige Schäden an Güterfahrzeugen erkennen zu können.

Aus der älteren internationalen Patentanmeldung PCT/DE 98/00403 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale bekannt, bei der mechanische Primärener­ gie zunächst in niederfrequente elektrische Energie und diese dann in hochfrequente elektrische Energie umgeformt wird. Diese hochfrequente elektrische Energie dient über eine Ko­ dierungseinrichtung zur Erzeugung eines kodierten Signales, das die auf die Anordnung einwirkende mechanische Beanspru­ chung kennzeichnet. Zur Wandlung mechanischer Primärenergie in elektrische Energie werden Piezo-Elemente oder Induktions­ einrichtungen verwendet, die ohne eigene Stromversorgungen auskommen. Die von den Wandlern erzeugten elektrischen Ener­ gien reichen aus, um die kodierten Hochfrequenzsignale per Funk über eine gewisse Entfernung zu übermitteln.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, daß auch für die Verwendung bei Güterfahrzeugen geeignet ist, d. h. auf den Fahrzeugen zum Erzeugen der Sensorsignale ohne eigene Stromversorgung auskommt, nur einen geringen Aufwand für die Bewertung der Sensormeldungen benötigt und eine Differenzie­ rung nach fahrzeugseitigen und streckenseitigen Störungen er­ möglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Danach werden als Sensoren an sich bekannte OFW-Sensoren verwendet, die so in und an den Fahrzeugen angebracht sind, daß erst ab einer bestimmten me­ chanischen Mindestbeanspruchung durch Vibrationen, Stöße und ähnliches Ereignismeldungen ausgegeben werden. Diese Ereig­ nismeldungen werden dahingehend bewertet, ob sie sich unter dem Zuge fortpflanzen oder nur einem oder einigen Sensoren zuzuordnen sind. Im ersten Fall handelt es sich offensicht­ lich um ein streckenseitiges Ereignis, z. B. einen Schienen­ stoß, der überfahren wurde und im zweiten Fall offensichtlich um ein fahrzeugseitiges Ereignis, das Auswirkungen nur auf einen oder einige Sensoren hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend näher erläu­ tert.

Auf den Fahrzeugen eines Fahrzeugverbandes gibt es jeweils in der Nähe vorgegebener Fahrzeugkomponenten mit diesen in Wirk­ verbindung stehende Sensoren, die auf mechanische Beanspru­ chungen wie z. B. Geräusche, Schwingungen, Vibrationen, Stöße und Schläge reagieren. Solche Sensoren sind an sich bekannt. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden speziell ausgebildete Sensoren verwendet, wie sie in der äl­ teren internationalen Patentanmeldung PCT/DE 98/00403 im ein­ zelnen offenbart sind. Dort wird über OFW-Sensoren berichtet, die mechanische Primärenergie in niederfrequente elektrische Energie und diese in hochfrequente elektrische Energie umfor­ men. Diese hochfrequente Energie erzeugt über eine Kodierein­ richtung Hochfrequenzsignale, welche nach Frequenz und/oder Amplitude ein Maß für die auf den jeweiligen Sensor wirkende Primärenergie darstellen. Für das Umformen der mechanischen Energie in die elektrische Energie und die Generierung der Hochfrequenzsignale wird keine gesonderte Energieversorgung benötigt. Vielmehr ist die Anordnung so ausgelegt, daß sie diese Energie über ein Piezoelemenent oder eine Induktions­ einrichtung selbst erzeugt.

Die Sensoren dienen jeweils zur Überwachung einer bestimmten Fahrzeugkomponente wie z. B. einem Achslager oder einer aus mehreren Fahrzeugkomponenten bestehenden Komponentenanordnung wie z. B. einem Drehgestell. Es lassen sich eine Vielzahl un­ terschiedlicher Fahrzeugkomponenten durch entsprechende Sen­ soren überwachen, die auf mechanische Beanspruchungen reagie­ ren. Solche Sensoren können beispielsweise auch zum Überwa­ chen der Fahrzeugaufhängung oder zur Überwachung von Dämp­ fungsgliedern verwendet sein.

Die Sensoren wirken mit in den Fahrzeugen installierten Mas­ se-Feder-Systemen zusammen, die so beschaffen sind, daß erst ab einer vorgebbaren mechanischen Mindestbeanspruchung ent­ sprechende Hochfrequenzsignale = Ereignismeldungen ausgegeben werden. Diese Masse-Feder-Systeme können einstellbar sein oder aber sie sind auf einen bestimmten Anwendungsfall zuge­ schnitten und so dimensioniert, daß alle als normal einzustu­ fenden mechanischen Belastungen der Sensoren absorbiert wer­ den und so nicht zur Ausgabe von Ereignismeldungen führen, welche einen möglicherweise gefährlichen Zustand anzeigen könnten. Die entsprechenden mechanischen Sensorbeeinflussun­ gen, die durch die Masse-Feder-Systeme absorbiert werden sol­ len, lassen sich vorab bei Testfahrten auf Referenzgleisen bestimmen. Die Masse-Feder-Systeme sind dann so auszulegen, daß nur mechanische Beanspruchungen oberhalb des vorgegebenen Grenzwertes zum Ausgeben von Ereignismeldungen führen. Dabei kann für jeden Sensor zum Überwachen einer Fahrzeugkomponente oder Fahrzeugkomponentenanordnung ein anderer Schwellwert vorgegeben werden, je nach dem wie groß die im Normalbetrieb auftretenden als unkritisch anzusehenden mechanischen Beein­ flussungen dort sind.

Die gegebenenfalls ausgelösten Ereignismeldungen werden drahtlos an eine Bewertungseinrichtung übermittelt. Diese Be­ wertungseinrichtung kann sich auf dem Fahrzeug befinden, von dem die Ereignismeldungen stammen, oder auf einem ausgewähl­ ten Fahrzeug des Fahrzeugverbandes. Dorthin sind dann die von den Sensoren generierten Hochfrequenzsignale oder daraus ab­ geleitete Größen zu übertragen und zwar entweder leitungsge­ bunden oder per Funk. Bei einem entsprechenden Aufwand an An­ tennentechnik ist es dabei sogar möglich, die Hochfrequenzsi­ gnale von den einzelnen Fahrzeugen über einen zwischen Schie­ nenbett und Zugunterseite gebildeten Hohlleiter an das ausge­ wählte Fahrzeug zu übertragen. Die Ereignismeldungen sind zur eindeutigen Zuordnung zu den einzelnen Sensoren oder Fahr­ zeugkomponenten mit entsprechenden unveränderlichen Identifi­ kationskennzeichen zu versehen, die wie die Ereignismeldungen von den Sensoren generiert werden können.

Auf den einzelnen Fahrzeugen oder auf dem ausgewählten Fahr­ zeug ist eine intelligente Bewertung der Ereignismeldungen vorgesehen. Dort findet eine zeitliche Bewertung der von ein­ ander entsprechenden Sensoren stammenden Ereignismeldungen statt. Aus dem Umstand, daß solche Ereignismeldungen aufein­ anderfolgend von den über die Fahrzeuge des Fahrzeugsverban­ des verteilt angeordneten Sensoren gemeldet werden, läßt sich eindeutig darauf schließen, daß das dokumentierte Ereignis sich auf die Fahrstrecke bezieht. Ein solches Ereignis kann z. B. das Überfahren eines Schienenstoßes oder eines Weichen­ bereiches sein. Wenn Ereignismeldungen nur einem oder einzel­ nen Sensoren zuzuordnen sind, kann auf ein Ereignis am be­ treffenden Fahrzeug, z. B. eine Flachstelle oder ein schad­ haftes Achslager, geschlossen werden. Auch dann kann es von Vorteil sein, eine Störungsmeldung erst dann aus zugeben, wenn solche Ereignismeldungen häufiger, möglicherweise zyklisch, oder ständig ausgegeben werden.

Das einmalige Auftreten einer Störung an der ersten Achse des ersten Fahrzeugs eines Fahrzeugverbandes kann regelmäßig als streckenseitige Ereignis angesehen werden. Solche Beeinflus­ sungen entstehen, wenn das Führungsfahrzeug einen auf einer Schiene liegenden Fremdkörper, z. B. einen kleineren Stein, zermahlt oder gegen einen auf den Gleisen liegenden Ast fährt, der durch den Aufprall aus dem Lichtraumprofil der Fahrzeuge herausgeschleudert wird. Verkeilen sich dagegen Teile eines solchen Astes oder eines sonstigen Fremdkörpers am Fahrzeug und führen diese zu mechanischen Beanspruchungen irgendwelcher Sensoren, so ist dies aus der örtlichen und zeitlichen Bewertung der Sensorsignale erkennbar.

Als besonders vorteilhaft zur Unterscheidung von Ereignismel­ dungen für das Erkennen streckenseitiger und fahrzeugseitiger Störungen wird die geschwindigkeitsabhängige und/oder achsmu­ sterbezogene Auswertung der Hochfrequenzsignale der einzelnen Sensoren angesehen. Hier läßt sich das Durchreichen einer Störung unter einem fahrenden Zug von der Zugspitze bis zum Zugschluß über die Geschwindigkeit bzw. die Achsmusterfolge eindeutig einem bestimmten Streckengeschehen zuordnen. Die Amplituden der Hochfrequenzsignale und gegebenenfalls auch deren Frequenzen sagen etwas aus über die Art der mechani­ schen Beanspruchung des Sensors und damit auf das mögliche Störgeschehen. So werden sich Sensorbeeinflussungen z. B. durch schadhafte Dämpfungsglieder deutlich unterscheiden von entsprechenden Sensormeldungen bei gebrochenen Fahrzeugauf­ hängungen.

Durch Anordnung eines zusätzlichen Sensors auf dem jeweils letzten Fahrzeug eines Fahrzeugverbandes, der so beschaffen ist, daß er im Gegensatz zu den übrigen Sensoren im Normalbe­ trieb, also ohne Störbeeinflussung, ständig oder häufig Er­ eignismeldungen ausgibt, ist es möglich, auf einem ausgewähl­ ten Fahrzeug des Fahrzeugverbandes das Vorhandensein des Zug­ schlusses zu überwachen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Sensor in ein außerordentlich hartes Masse-Feder-System ein­ zubetten ist, so daß bei den bei Fahrt verursachten Zug­ schwankungen bereits die dann als gefahrlos zu klassifizie­ renden Ereignismeldungen generiert, ausgegeben und übertragen werden.

Zugschlußmeldungen können aber ohne jeglichen Zusatzaufwand auch dadurch gewonnen werden, daß das ausgewählte Fahrzeug die beim Überfahren von Schienenstößen und anderen markanten Gleisorten an den Fahrzeugsensoren zum Überwachen von Rad- und Achslagen auftretenden Stoßbelastungen erfaßt und aufsum­ miert. Solange die Anzahl der dabei detektierten Stöße kon­ stant bleibt, führt der Fahrzeugverband das Zugschlußfahrzeug mit sich.

Weiterhin ist es möglich, bei Verwendung mehrkanaliger diver­ sitär aufgebauter Sensoren nicht nur die mechanische Bean­ spruchung zugehöriger Fahrzeugkomponenten zu erfassen und zu bewerten, sondern auch aus der Phasendifferenz der Hochfre­ quenzsignale auf die Temperatur am Entstehungsort der Ereig­ nismeldungen zu schließen. Solche Sensoren können vorzugswei­ se zum Erfassen von Heißläufern verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erkennung sich anbahnender oder plötzlich auftretender Schäden an Schienenfahrzeugen und/oder Gleisen, soweit diese Schäden Auswirkungen haben auf die Fahrqualität der Fahrzeuge, unter Verwendung von örtlich auf den Fahrzeu­ gen verteilt angeordneten Sensoren zum Erfassen des Schwin­ gungsverhaltens vorgegebener Fahrzeugkomponenten oder -komponentenanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Sensoren wirkenden mechanischen Energien in hochfrequente elektrische Energien umgeformt und hieraus ko­ dierte Hochfrequenzsignale gebildet werden, welche die Größe der auf die Sensoren wirkenden mechanischen Energien sowie die Identität des betreffenden Sensors oder der betreffenden Fahrzeugkomponente bezeichnen, daß die Sensoren mit an den Fahrzeugen installierten Masse- Feder-Systemen zusammenwirken, die so beschaffen sind, daß erst ab einer vorgebbaren mechanischen Mindestbeanspruchung entsprechende Ereignismeldungen ausgegeben werden und daß die Hochfrequenzsignale an eine fahrzeugseitige Be­ wertungseinrichtung übertragen und dort bewertet werden der­ gestalt, daß aus dem Umstand, daß etwaige Ereignismeldungen zeitlich aufeinanderfolgend den über die Fahrzeuge des Fahr­ zeugverbandes verteilt angeordneten Sensoren zuzuordnen sind, auf ein Störungsereignis an der Fahrstrecke und aus dem Um­ stand, daß diese Ereignismeldungen nur einem oder einzelnen Sensoren zuzuordnen sind, auf ein Störungsereignis am betref­ fenden Fahrzeug geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaffenheit der Masse-Feder-Systeme so gewählt ist, daß mechanische Beeinflussungen wie sie sich an den Sen­ soren beim Befahren von in ordnungsgerechtem Zustand befind­ lichen Referenzgleisen bei ordnungsgerechtem Zustand der fahrzeugseitigen Komponenten einstellen im Masse-Feder-System absorbiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzsignale von einer dafür vorgesehenen Emp­ fangseinrichtung auf dem jeweiligen Fahrzeug empfangen und dort ggf. bewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzsignale per Funk oder leitungsgebunden an ein ausgewähltes Fahrzeug des Fahrzeugverbandes übertragen und dort gemeinsam bewertet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzsignale von den Fahrzeugen über einen zwischen Schienenbett und Zug-Unterseite gebildeten Hohllei­ ter an das ausgewählte Fahrzeug übertragen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzsignale zur Unterscheidung von Ereignis­ meldungen für streckenseitige und fahrzeugseitige Störungs­ ereignis in ihrer zeitlichen Folge geschwindigkeitsabhängig und/oder achsmusterbezogen bewertet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem wiederholten Auftreten von Ereignismeldungen an einem Sensor auf eine Störung oder eine sich anbahnende Stö­ rung an mindestens einer von diesem Sensor überwachten Fahr­ zeugkomponente geschlossen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus der zeitlichen Bewertung der Phasendifferenz der Hochfrequenzsignale eines mehrkanalig diversitär aufgebauten Sensors auf die Temperatur am Entstehungsort einer Ereignis­ meldung geschlossen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem letzten Fahrzeug eines Fahrzeugverbandes ein zu­ sätzliches sensorüberwachtes hartes Masse-Feder-System in­ stalliert wird, dessen bei Schwankungen des Zuges ausgelöste Ereignismeldungen in dem ausgewählten Fahrzeug als Zugschluß­ meldungen gewertet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vom ausgewählten Fahrzeug aus dem Vorhandensein einer im­ mer gleichen Anzahl von Ereignismeldungen beim Befahren von Schienenstößen und sonstigen Schienenanomalien auf das Mit­ führen seines Schlußfahrzeugs geschlossen wird.