EP1129002A1 - Verfahren zur erkennung von schäden im schienenverkehr - Google Patents
Verfahren zur erkennung von schäden im schienenverkehrInfo
- Publication number
- EP1129002A1 EP1129002A1 EP99972172A EP99972172A EP1129002A1 EP 1129002 A1 EP1129002 A1 EP 1129002A1 EP 99972172 A EP99972172 A EP 99972172A EP 99972172 A EP99972172 A EP 99972172A EP 1129002 A1 EP1129002 A1 EP 1129002A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- bogie
- damage
- noise
- bogies
- train
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- 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
Definitions
- the invention relates to a method for recognizing damage in rail traffic which affects operational safety and is composed of rail vehicles of the type defined in the preamble of claim 1, in particular high-speed trains.
- the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with the damage occurring at least to the rail vehicles during operation are recognized immediately, so that, if necessary.
- the driver can initiate appropriate measures, such as a Zwangsbre solution, to enlarge to avoid the extent of damage.
- the method according to the invention has the advantage that the bogies of the individual rail vehicles of a train, in particular a high-speed train, combined in bogies are continuously and online monitored for noise and, as a result, damage occurring to the wheels or axle bearings immediately, i.e. immediately with the onset of damage, so that appropriate consequences can be drawn by the driver of the train.
- the method is able to distinguish between damage to the train in the noises recorded on the bogies, i.e. in one or the other bogie, and to distinguish on the track.
- the damage detection is clear and gives both a quantitative and a qualitative statement about the detected damage. Due to the high number of sensors for noise detection in the bogies and the multi-dimensional comparison of the bogie samples in the pattern analysis, the method has a high level of interference immunity and a low false alarm rate.
- a train noise pattern is derived from the entirety of the bogie noise patterns in which, for each bogie noise pattern in spatial association with the bogie, amplitude and phase in different frequency bands, which in their entirety cover the frequency range, as a function of the time is gone. The changes over time on the bogies in all frequency bands are used for the sample analysis.
- the pattern analysis includes information about the track route currently being traveled, which is taken from a digitally stored track network, and according to a further advantageous embodiment of the invention the pattern analysis by means of the driving speed and the known bogie distances, points in time of the occurrence of the same changes in the noise patterns of the bogies are calculated in advance, and if the points in time of the calculation and their actual occurrence for damage in the track section are recognized.
- the identified malfunctions and damage are stored in fault directories, specifically in association with the bogie or the track plan, in order to be able to reproducibly verify the discovered damage for repair measures.
- a sound pick-up is assigned to at least each wheel of the running gear in each bogie and is well coupled to the assigned wheel in terms of sound.
- Structure-borne noise sensors are preferably used as sound recorders, but these can also be replaced by microphones.
- a combination of structure-borne and airborne sound sensors is possible.
- a wheel noise pattern is formed from the output signals of each sound sensor, in which the noise or its frequency spectrum is stored as a function of time.
- the bogie noise pattern is formed by summing and / or logically combining the wheel noise patterns.
- the false alarm rate is drastically reduced by the described derivation of the bogie noise pattern from the total of the wheel noise pattern of a bogie, because on the one hand production-related deviations in the noise behavior of the individual wheels are not interpreted as damage and on the other hand damage-related noise changes on only one wheel do not affect the overall noise of the bogie perish.
- Fig. 1 is a block diagram of a device for detecting damage in rail traffic shown in the drawing.
- Fig. 1 is a block diagram of a device for detecting damage in rail traffic shown in the drawing.
- Fig. 2 is a side view of a bogie of a, railroad cars
- FIG. 3 is a top view of the bogie in FIG. 2;
- FIG. 4 shows a flow diagram for explaining the method for damage detection by means of the device according to FIG. 1,
- FIG. 6 each shows an enlarged illustration of a and 7 bogie noise pattern according to FIG. 5 in undisturbed operation (FIG. 6) and when an accident occurs (FIG. 7)
- Fig. 8 is a simplified representation of a
- Fig. 11 is the same representation as in Fig. 8 with a defect in the track.
- the device shown in the block diagram in FIG. 1 for the detection of damage affecting operational safety in the rail traffic of trains, in particular high-speed trains has a processor 11 which is arranged in a central station 10 which is preferably provided within the drive vehicle of the train and which is connected via a bus interface 12 a bus system 13 and, via a further interface 14, is connected to a signal line 16 leading to the control station 15 of the train.
- the bus system 13 is guided from the central station 10 to the individual bogies 17 of the individual rail vehicles coupled to the train.
- In the central station 10 there are also a plurality of data carriers 18, 19 which are connected to the processor 11.
- information about the train such as wagon type, type of drive vehicle, number of wagons, type of bogies and number of bogies, and information S about the track, such as tunnels, bridges, switches, etc.
- the trains are usually put together more or less variably, the train information is preferably made available from the processor 11 from the processor 11 in order to achieve greater flexibility.
- the disk 19 is used are stored as so-called. Störverzeichnis where detected by the device damage to the train or the track section in association with the respective damage location '.
- Optical and acoustic warning signal generators 20, 21, which are activated in the event of damage by means of control signals generated in the processor 11, and a display unit 22 in the form of a screen on which the type, location and quality of the damage are displayed are arranged in the control station 15.
- the driver can also use an input keyboard 23 communicate with the processor 11, for example enter the train information for the individual train.
- a bogie 17 of a train wagon is shown schematically in FIG. 2 in a side view and in FIG. 3 in a top view.
- the bogie 17 has a two-axle drive with a total of four wheels 24, which are seated in pairs on one of the two axles 29.
- Each axle 29 is mounted in two axle bearings 25 which are received in a frame 26 of the bogie 17.
- the axle bearings 25 are covered with caps 27, in which receiving openings for sensors are provided.
- the bogie 17 can rotate as a whole about a trunnion mounted in the wagon underframe, not shown here, which is received in a centrally arranged slide bearing 28 in the frame 26.
- Each wagon of the train has two bogies 17, so that a large number of bogies 17 are present in the wagon group forming a train.
- a sound pickup 30 is inserted in each receiving opening in the axle caps 27 and is connected via a plug connection 31 to electronics integrated in a housing 32 for preamplification and analog / digital conversion of the electrical output signals of the sound pickup 30.
- the electronics housing 32 are fastened to the frame 26 of the bogie 17 and can be connected to the bus system 13 by means of a plug 33.
- a structure-borne noise transducer is preferably used as the sound pickup 30.
- the use of airborne sound recorders, e.g. microphones, is just as possible as the combination of body and airborne sound recorders.
- each bogie 17 has a total of four sound pickups 30, which are well coupled to the assigned wheel 24 of the drive, so that each sound pickup 30 picks up the noises generated by the assigned wheel 24.
- the output signals of the sound pickups 30 are preamplified and converted digitally, and the digital signals are transmitted to the processor 11 via the broadband bus system 13 and stored there.
- FIG. 4 is only the first and the nth bogie 17 with the four sound transducers 30 per bogie 17 and the four electronics housings 32 for the preamplification and A / D conversion of the output signals of the four Sound transducer 30 shown.
- a wheel noise pattern is formed in the blocks 34, in which the noise or its frequency spectrum (amplitude and phase) is stored as a function of time.
- Such a wheel noise pattern is shown by way of example for the four wheel sound pickups 30 of the first bogie 17 in FIG. 5.
- the amplitude specified here (level in dB) is symbolized by the intensity of the frequency lines.
- the pictorial representation of the wheel noise pattern according to FIG. 5 only serves to facilitate understanding of the process sequence.
- the functions are actually only available as data records.
- the four wheel noise patterns of the wheels 24 belonging to a bogie 17 become a bogie noise pattern by summation and / or logical combination of the four wheel noise patterns formed (block 36 in Fig. 4).
- the bogie noise pattern 37 as is also shown by way of example in FIG. 5, the frequency spectrum is again stored as a function of time, the amplitude (level in dB) being characterized by the intensity of the frequency lines.
- Block 36 works with a suitable algorithm to ensure that a noise anomaly occurring on one of the four wheels 24 is not lost in the summation noise of the four wheels, but is clearly retained in the bogie noise pattern 37.
- This is shown by way of example in FIG. 5 with damage to the third wheel 24 in the bogie 17.
- Wheels No. 1, 2 and 4 of the bogie 17 (seen from left to right in FIG. 5) are fully functional and damage-free and, due to their design and storage, show a typical frequency spectrum, with pronounced, time-constant frequency lines resulting from the resonances of the wheels 24 can. Imbalances in the wheels 24 are also noticeable as frequency lines, which, however, change depending on the speed of the wheel 24.
- Such a wheel noise pattern is typical of the noise generated by the wheel 24 when driving and can be regarded as a so-called "fingerprint" of the wheel 24.
- Fig. 5 it is assumed for the sake of simplicity that all three wheels Nos. 1, 2 and 4 have the same "fingerprint”.
- Wheel no.3 has damage, e.g. an outbreak or a crack in the wheel rim, which leads to a shift in the wheel's natural resonances and has an effect in the frequency spectrum by a shift in one or more frequency lines (cf. the illustration of the wheel noise pattern 35 for the third wheel 24).
- a suitable algorithm in block 36 ensures that this frequency line in the bogie noise pattern is highlighted by a high amplitude (level in dB), as is shown, for example, in bogie noise pattern 37 in FIG. 5.
- FIG. 6 and 7 show further exemplary embodiments of a bogie noise pattern on an enlarged scale.
- the bogie 17 with its drive is completely intact, so that this bogie noise pattern can be regarded as a so-called "fingerprint" of the bogie No. 1.
- Each further bogie No. 2 to n (Fig. -1) usually has a somewhat different independent "fingerprint”.
- Fig. 7 it is assumed that there was damage to the bogie No. 1 about 3.5 seconds ago, e.g. part of a race of a wheel has broken out. This is noticeable by a frequency line with a high level and by the appearance of further harmonics in the frequency spectrum.
- the so-called "fingerprint" of bogie No. 1 for undisturbed operation has changed significantly.
- the basic procedure is to use a pattern analysis to monitor each bogie noise pattern for temporal changes in the noise or its frequency spectrum, and in addition to compare and evaluate the changes over time in the bogie noise patterns that belong to successive bogies 17.
- Conclusions regarding the type and quality of damage occurring on the rail vehicle and / or on the track are then drawn from this sample analysis.
- the type of damage and the Damage quality is displayed in the display unit 22 in the control station 15 and corresponding damage alarms are identified by means of the warning signal generators 20 and 21.
- immediately necessary measures such as train braking, are triggered automatically. If the damage is less serious or the damage ascertained stems from the track route, it is stored in the fault directory of the data carrier 19 in association with the damage locations, either the bogies of the train or the route map of the track route.
- a so-called train noise pattern is first derived in block 38 according to FIG. 4 from all bogie noise patterns of bogies No. 1 to n using the train information Z, in which each bogie noise pattern is spatially assigned to the location of the bogie 17 amplitude and phase are stored in different frequency bands as a function of time within the train.
- Such a train noise pattern for a selected frequency band X is shown by way of example in FIGS. 8-11.
- the amplitude (level in dB) in frequency band X is shown as a function of time for each bogie Nos. 1-16.
- FIG. 10 shows the effect of a defect on chassis No. 5 on the train noise pattern.
- the amplitude (level in dB) of the noise in bogie No. 5 increases significantly and remains largely constant over time. Such a level increase does not occur in the other bogies. This increase in level continues in the frequency bands in which harmonics occur.
- the sample analysis by multi-dimensional comparison of the amplitudes over time, the bogies No. 1- 16 and the frequency bands shows a clear damage to the bogie No. 5. Based on the level and other train information Z, the damage is classified and the quality of the damage in the display unit 22 displayed in control station 15. If the damage is only minor, so that a continuation of the journey is justifiable, this damage is filed in association with the bogie No.
- FIG. 11 schematically shows how a defect in the track section affects the train noise pattern.
- Such a defect in the track section can be caused, for example, in a section of track which is hollow or not sufficiently fastened, a gap in the track section and the like.
- the first bogie passes over the damaged area in the track section, which is subsequently run over by all bogies No. 2-16.
- level in bogie No. 1 which shifts in time over the entire bogies No. 2 - 16.
- the existing ones are also in FIG. 11 . Sampling values are only shown every 2 seconds, so that the level increase in bogies no. 2 - 5 are not visible. After another 2 seconds, bogies No.
- the data sets are evaluated in the frequency domain, which was described in detail above using the amplitude. However, since information is also contained in the phase of the noise, a comparable evaluation of the phase in the frequency spectrum is also carried out. Due to the known relationships between the frequency and target range of signals and the mathematical possibility of transforming the signals from the time range to the frequency range and vice versa, the data sets can also be evaluated in the time range, with no prior transformation into the frequency range being necessary.
Landscapes
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Description
BESCHREIBUNG
Verfahren zur Erkennung von Schäden im Schienenverkehr
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von die Betriebssicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von zu Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, zusammengestellten Schienenfahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Für die Sicherheit im Schienenverkehr ist es unerläßlich, Schäden, die zu erheblichen Betriebsstörungen oder gar zu Unglücken mit Personengefährdung führen können, rechtzeitig zu erkennen. Solche Schäden können sowohl am Zug, und hier in den einzelnen Drehgestellen von Waggons und Antriebsfahrzeug, als auch an der Gleisstrecke, und hier am Gleiskörper oder im Oberbau, auftreten. Bislang führt man hierzu Inspektionen, Wartungen und Kontrollen der Gleisstrecken und des Zugsparks in regelmäßigen Intervallen durch, wobei an sicherheitsrelevanten Fahrzeugteilen, wie den Laufwerken und Rädern der Schienenfahrzeuge, auch Materialprüfungen vorgenommen werden, um Materialermüdungen, Risse und dgl . , die langfristig zu Schäden führen, rechtzeitig zu entdecken. Trotz dieser regelmäßigen und intensiven Kontrollen treten zwischen den Inspektionsintervallen Schäden auf, die bis zur nächsten Inspektion unentdeckt bleiben und eine erhebliche Gefahr für den Schienenverkehr in sich bergen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem zumindest an den Schienenfahrzeugen während des Fahrbetriebs auftretende Schäden sofort erkannt werden, so daß ggfs. der Fahrer entsprechende Maßnahmen, z.B. eine Zwangsbre sung, einleiten kann, um eine Vergrößerung des Schadensausmaßes zu vermeiden.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die in Drehgestellen zusammengefaßten Laufwerke der einzelnen Schienenfahrzeuge eines Zugs, insbesondere eines Hochgeschwindigkeitszugs, fortwährend und online geräuschmäßig überwacht werden und dadurch an den Rädern oder Achslagern auftretende Schäden sofort, d.h. unmittelbar mit Schadenseintritt, auffällig werden, so daß entsprechende Konsequenzen vom Fahrer des Zugs gezogen werden können. Das Verfahren ist dabei in der Lage, in den an den Drehgestellen aufgenommenen Geräuschen zwischen Schäden am Zug, d.h. in dem einen oder anderen Drehgestell, und an der Gleisstrecke zu unterscheiden. Die Schadenserkennung ist eindeutig und gibt sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Aussage über den erkannten Schaden. Bedingt durch die hohe Zahl der in den Drehgestellen vorhandenen Sensoren zur Geräuscherfassung und dem mehrdimensionalen Vergleich der Drehgestellmuster bei der Musteranalyse hat das Verfahren eine hohe Störsicherheit und eine geringe Falschalarmrate.
Zweckmäßiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen .
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird aus der Gesamtheit der Drehgestell-Geräuschmuster ein Zug- Geräuschmuster abgeleitet, in dem für jedes Drehgestell- Geräuschmuster in räumlicher Zuordnung zum Drehgestell Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern, die in ihrer Gesamtheit den Frequenzbereich abdecken, in Abhängigkeit von der Zeit abgelegt ist. Zur Musteranalyse werden die zeitlichen Veränderungen über die Drehgestelle in allen Frequenzbändern herangezogen.
Durch diese Aufbereitung der Drehgestelle-Geräuschmuster zu einem die Zugbesonderheiten berücksichtigenden Zug-Geräuschmuster und die Durchführung der Musteranalyse in dem Zug-Geräuschmuster wird eine weitgehend störsichere und eindeutige Unterscheidung zwischen Schäden am Zug und an der Gleisstrecke mit stark eingeschränkter Fals'chalarmrate möglich. Dabei lassen sich Besonderheiten der Gleisstrecke, z.B. Brücken und Tunnel, eliminieren und führen nicht zu einem Schadensalarm .
Die Falschalarmrate bei der Erkennung von Gleisstreckenschäden wird noch dadurch weiter reduziert, daß gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei der Musteranalyse Informationen über die aktuell befahrene Gleisstrecke einbezogen werden, die aus einem digital abgespeicherten Streckennetz entnommen werden, und gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei der Musteranalyse mittels der Fahrgeschwindigkeit und der bekannten Drehgestellabstände Zeitpunkte des Auftretens gleicher Veränderungen in den Geräuschmustern der Drehgestelle vorausberechnet werden, sowie bei Übereinstimmung der Zeitpunkte der Vorausberechnung und ihres tatsächlichen Auftretens auf Schäden in der Gleisstrecke erkannt wird.
Die erkannten Störungen und Schäden werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Störverzeichnissen abgespeichert, und zwar in Zuordnung zu dem Drehgestell bzw. dem Gleisstreckenplan, um so für Reparaturmaßnahmen die entdeckten Schäden reproduzierbar verifizieren zu können.
Gemäß einer bevorzugten Auführungsform der Erfindung wird in jedem Drehgestell mindestens jedem Rad des Laufwerks ein Schallaufnehmer zugeordnet und schallmäßig gut an das zugeordnete Rad angekoppelt. Als Schallauf ehmer werden bevorzugt Körperschallaufnehmer verwendet, jedoch können diese auch durch Mikrophone ersetzt werden. Eine Kombination von Körper- und Luftschallaufnehmern ist möglich. Aus den Ausgangssignalen eines jeden Schallaufnehmers wird ein Rad- Geräuschmuster gebildet, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum als Funktion der Zeit abgelegt ist. Die Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters erfolgt durch Summation und/oder logische Verknüpfung der Rad- Geräuschmuster. Durch die beschriebene Ableitung der Drehgestell-Geräuschmuster aus der Gesamtheit der Rad-Geräuschmuster eines Drehgestells wird die Falschalarmrate drastisch reduziert, da einerseits fertigungsbedingte Abweichungen im Geräuschverhalten der einzelnen Räder nicht als Schaden interpretiert wird und andererseits schadensbedingte Geräuschänderungen an nur einem Rad nicht im Gesamtgeräusch des Drehgestells untergehen.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Erkennung von Schäden im Schienenverkehr im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Erkennung von Schäden an Zug- und Gleisstrecke im Schienenverkehr,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Drehgestells eines, Zugwaggons ,
Fig. 3 eine Draufsicht des Drehgestells in Fig. 2,
Fig. 4 ein AblaufSchema zur Erläuterung des Verfahrens zur Schadenserkennung mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 5 eine mehr detaillierte Einzelheit des AblaufSchemas zur Illustration eines Schadensfalls,
Fig 6 jeweils eine vergrößerte Darstellung eines und 7 Drehgestell -Geräuschmusters gemäß Fig. 5 im ungestörten Betrieb (Fig. 6) und bei Auftreten eines Störfalls (Fig. 7)
Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung eines
Zug-Geräuschmusters für ein ausgewähltes Frequenzband X bei ungestörtem Betrieb,
Fig. 9 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei Überfahren einer Brücke,
Fig. 10 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei einem Defekt an einem Drehgestell,
Fig. 11 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei einem Defekt in der Gleisstrecke.
Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung zur Erkennung von die Betriebssicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, weist einen in einer vorzugsweise innerhalb des Antriebsfahrzeugs des Zuges vorgesehenen Zentralstelle 10 angeordneten Prozessor 11 auf, der über ein Bus- Interface 12 mit einem Bussystem 13 und über ein weiteres Interface 14 mit einer zu dem Fahrstand 15 des Zuges führenden Signalleitung 16 verbunden ist. Das Bussystem 13 ist von der Zentralstelle 10 aus zu den einzelnen Drehgestellen 17 der zu dem Zug zusammengekoppelten einzelnen Schienenfahrzeuge geführt. In der Zentralstelle 10 sind weiterhin mehrere Datenträger 18, 19 vorhanden, die mit dem Prozessor 11 verbunden sind. Im Datenträger 18 können In ormationen Z über den Zug, wie Waggontyp, Typ des Antriebsfahrzeugs, Anzahl der Waggons, Art der Drehgestelle und Anzahl der Drehgestelle abgelegt sein und sind Informationen S über die Gleisstrecke, wie Tunnel, Brücken, Weichen etc. gespeichert, die vorzugsweise in einem digital abgespeicherten Streckenplan integriert sind. Da in der Regel die Züge meist mehr oder weniger variabel zusmmengestellt werden, werden zur Erzielung einer höheren Flexibilität die Zuginformationen bevorzugt vom Fahrstand 15 aus dem Prozessor 11 zur Verfügung gestellt. Der Datenträger 19 dient als sog. Störverzeichnis, in dem von der Vorrichtung erkannte Schäden am Zug oder an der Gleisstrecke in Zuordnung zu dem jeweiligen Schadensort 'abgespeichert werden .
Im Fahrstand 15 sind optische und akustische Warnsignalgeber 20, 21, die im Schadensfall mittels im Prozessor 11 generierter Steuersignale aktiviert werden, sowie eine Anzeigeeinheit 22 in Form eines Bildschirms angeordnet, auf dem die Art, der Ort und die Qualität des Schadens angezeigt werden. Mittels einer Eingabetastatur 23 kann der Fahrer mit
dem Prozessor 11 kommunizieren, z.B. die Zuginformationen für den individuellen Zug eingeben.
Ein Drehgestell 17 eines Zugwaggons ist schematisch in Fig. 2 in Seitenansicht und in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt. Das Drehgestell 17 weist ein zweiachsiges Laufwerk mit insgesamt vier Rädern 24 auf, die paarweise auf einer der beiden Achsen 29 drehtest sitzen. Jede Achse 29 ist in zwei Achslagern 25 gelagert, die in einem Rahmen 26 des Drehgestells 17 aufgenommen sind. Stirnseitig sind die Achslager 25 mit Kappen 27 abgedeckt, in denen Aufnahmeöffnungen für Meßwertgeber vorgehalten sind. Das Drehgestell 17 kann sich insgesamt um einen im hier nicht dargestellten Waggonuntergestell angebrachten Drehzapfen drehen, der in einem mittig angeordneten Gleitlager 28 im Rahmen 26 aufgenommen ist. Jeder Waggon des Zuges hat zwei Drehgestelle 17, so daß in dem einen Zug bildenden Waggonverbund eine große Anzahl von Drehgestellen 17 vorhanden ist. In jeder Aufnahmeöffnung in den Achskappen 27 ist ein Schallaufnehmer 30 eingesetzt, der über eine Steckverbindung 31 mit einer in einem Gehäuse 32 integrierten Elektronik zur Vorverstärkung und Analog-/ Digital-Wandlung der elektrischen Ausgangssignale des Schallaufnehmers 30 verbunden ist. Die Elektronikgehäuse 32 sind am Rahmen 26 des Drehgestells 17 befestigt und mittels eines Steckers 33 an das Bussystem 13 anschließbar. Als Schallaufnehmer 30 wird bevorzugt ein Körperschallauf ehmer verwendet. Der Einsatz von Luftschallaufnehmern, z.B. Mikrophone, ist ebenso möglich wie die Kombination von Körper- und Luftschallaufnehmern. Jedes Drehgestell 17 weist im Ausführungsbeispiel insgesamt vier Schallaufnehmer 30 auf, die gut an das zugeordnete Rad 24 des Laufwerks angekoppelt sind, so daß jeder Schallaufnehmer 30 die vom zugeordneten Rad 24 erzeugten Geräusche aufnimmt. Die Ausgangssignale der Schallaufnehmer 30 werden vorverstärkt und digital gewandelt,
und die digitalen Signale werden über das breitbandig ausgeführte Bussystem 13 zum Prozessor 11 übertragen und hier gespeichert .
Zur Erkennung von auftretenden Schäden an den
Schienenfahrzeugen oder an der von dem Zug aktuell befahrenen Gleisstrecke werden im Prozessor 11 die abgespeicherten Daten online wie nachstehend beschrieben, bearbeitet. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 4 ein AblaufSchema der Signalverarbeitung dargestellt, wobei die einzelnen Verfahrensschritte in Blöcken zusammengefaßt sind.
Von der Vielzahl der im Zug vorhandenen Drehgestelle 17 ist die Fig. 4 nur das erste und das n-te Drehgestell 17 mit den vier Schallaufnehmern 30 pro Drehgestell 17 sowie den vier Elektronikgehäusen 32 für die Vorverstärkung und A/D-Wandlung der Ausgangssignale der vier Schallaufnehmer 30 dargestellt. Für die übrigen Drehgestelle 17 gilt das gleiche. Aus den im Prozessor 11 abgespeicherten digitalen Ausgangssignalen der vier Schallaufnehmer 30 pro Drehgestell 17 wird in den Blöcken 34 ein Rad-Geräuschmuster gebildet, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude und Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist. Ein solches Rad-Geräuschmuster ist beispielhaft für die vier Rad-Schallaufnehmer 30 des ersten Drehgestells 17 in Fig. 5 dargestellt. Die hier nur angegebene Amplitude (Pegel in dB) ist dabei durch die Intensität der Frequenzlinien symbolisiert. Eine gleiche Darstellung ist für die Phase möglich. Die bildliche Darstellung der Rad- Geräuschmuster gemäß Fig. 5 dient lediglich zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrensablaufs. Die Funktionen liegen in Wirklichkeit nur als Datensätze vor. Aus den vier Rad-Geräuschmustern der einem Drehgestell 17 zugehörigen Räder 24 wird ein Drehgestell -Geräuschmuster durch Summation und/oder logische Verknüpfung der vier Rad-Geräuschmuster
gebildet (Block 36 in Fig. 4) . In dem Drehgestell- Geräuschmuster 37, wie es ebenfalls in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist, ist wiederum das Frequenzspektrum als Funktion der Zeit abgelegt, wobei die Amplitude (Pegel in dB) durch die Intensität der Frequenzlinien charakterisiert ist. Block 36 arbeitet dabei mit einem geeigneten Algorithmus, um sicherzustellen, daß eine an einem der vier Räder 24 auftretende Geräuschanomalie nicht im Summationsgeräusch der vier Räder untergeht, sondern deutlich im Drehgestell - Geräuschmuster 37 erhalten bleibt. Dieses ist beispielhaft in Fig. 5 an einer Schädigung des dritten Rads_ 24 im Drehgestell 17 dargestellt. Die Räder Nr. 1, 2 und 4 des Drehgestells 17 (in Fig. 5 von links nach rechts gesehen) sind voll funktionsfähig und schadensfrei und zeigen aufgrund ihrer Bauart und Lagerung ein typisches Frequenzspektrum, wobei ausgeprägte, zeitkonstante Frequenzlinien von Eigenresonanzen der Räder 24 herrühren können. Unwuchten in den Rädern 24 machen sich ebenfalls als Frequenzlinien bemerkbar, die sich jedoch abhängig von der Drehzahl des Rads 24 verändern. Ein solches Rad-Geräuschmuster ist typisch für das vom Rad 24 beim Fahren erzeugte Geräusch und kann als sog. "Fingerprint " des Rades 24 angesehen werden. In Fig. 5 ist der Einfachheit halber angenommen, daß alle drei Räder Nr. 1, 2 und 4 den gleichen "Fingerprint" besitzen. Rad Nr. 3 weist eine Schädigung, z.B. einen Ausbruch oder eine Rißstelle im Radkranz, auf, was zu einer Verschiebung der Rad- Eigenresonanzen führt und sich im Frequenzspektrum durch eine Verschiebung einer oder mehrerer Frequenzlinien auswirkt (vgl . die Darstellung des Rad-Geräuschmusters 35 für das dritte Rad 24) . Da bei einer einfachen Summation der vier Rad- Geräuschmuster zur Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters die für die Schädigung des dritten Rades 24 charakteristische Frequenzlinie im Frequenzspektrum des Drehgestell - Geräuschmusters unauffällig wäre und möglicherweise nicht
detektiert würde, wird durch einen geeigneten Algorithmus im Block 36 sichergestellt, daß diese Frequenzlinie im Drehgestell -Geräuschmuster durch eine hohe Amplitude (Pegel in dB) hervorgehoben wird, wie dies beispielhaft in dem Drehgestell-Geräuschmuster 37 in Fig. 5 dargestellt ist.
In Fig. 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele für ein Drehgestell-Geräuschmuster vergrößert dargestellt. Zur Verdeutlichung ist zusätzlich noch der Verlauf der Amplitude (Pegel in dB) über der Frequenz für den Zeitpunkt t = 0 eingezeichnet. Bei der Darstellung in Fig. 6 ist angenommen, daß das Drehgestell 17 mit seinem Laufwerk völlig intakt ist, so daß dieses Drehgestell-Geräuschmuster als sog. "Fingerprint" des Drehgestells Nr. 1 angesehen werden kann. Jedes weitere Drehgestell Nr. 2 bis n (Fig. -1) weist in der Regel einen davon etwas abweichenden eigenständigen "Fingerprint" auf. In Fig. 7 ist angenommen, daß vor ca. 3,5 sec eine Schädigung am Drehgestell Nr. 1 stattgefunden hat, z.B. ein Teil eines Laufrings eines Rads ausgebrochen ist. Dies macht sich durch eine Frequenzlinie mit hohem Pegel und durch Auftreten weiterer Harmonischen im Frequenzspektrum bemerkbar. Der sog. "Fingerprint" des Drehgestells Nr. 1 für den ungestörten Betrieb hat sich damit signifikant verändert.
Zur Schadenserkennung wird grundsätzlich so vorgegangen, daß in einer Musteranalyse jedes Drehgestell-Geräuschmuster auf zeitliche Veränderungen im Geräusch oder dessen FrequenzSpektrum überwacht wird, und zusätzlich die zeitlichen Veränderungen in den Drehgestell-Geräuschmustern, die aufeinanderfolgenden Drehgestellen 17 zugehörig sind, miteinander verglichen und bewertet werden. Aus dieser Musteranalyse werden dann Rückschlüsse auf Art und Qualität eines am Schienenfahrzeug und/oder an der Gleisstrecke auftretenden Schadens gezogen. Die Schadensart und die
Schadensqualität werden in der Anzeigeeinheit 22 im Fahrstand 15 angezeigt und entsprechende Schadensalarme mittels der Warnsignalgeber 20 und 21 kenntlich gemacht. Bei Extremschäden werden auch unmittelbar notwendige Maßnahmen, wie z.B. Zugbremsung, automatisch ausgelöst. Sind die Schäden weniger gravierend oder rühren die festgestellten Schäden von der Gleisstrecke her, so werden diese im Störverzeichnis des Datenträgers 19 in Zuordnung zu den Schadensorten, entweder den Drehgestellen des Zugs oder dem Streckenplan der Gleisstrecke, abgespeichert.
Zur Vereinfachung der Musteranalyse wird zunächst im Block 38 gemäß Fig. 4 aus allen Drehgestell-Geräuschmustern der Drehgestelle Nr. 1 bis n unter Verwendung der Zuginformationen Z ein sog. Zug-Geräuschmuster abgeleitet, in dem für jedes Drehgestell-Geräuschmuster in räumlicher Zuordnung zur Lage des Drehgestells 17 innerhalb des Zugs Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern in Abhängigkeit der Zeit abgelegt sind. Ein solches Zug-Geräuschmuster für ein ausgewähltes Frequenzband X ist beispielhaft in den Fig. 8 - 11 dargestellt. Hier sind für den Beispielsfall, daß der Zug insgesamt sechszehn Drehgestelle 17 besitzt, für jedes Drehgestell Nr. 1 - 16 die Amplitude (Pegel in dB) im Frequenzband X als Funktion der Zeit dargestellt. Zur Vereinfachung sind in den Darstellungen der Fig. 8 - 11 von den hierzu aus den Drehgestell-Geräuschmustern durch eine hohe zeitliche Abtastung gewonnenen Abtastwerten nur einzelne Abtastwerte in einem zeitlichen Abstand von 2 sec. dargestellt. Für jedes weitere Frequenzband ist eine gleiche Darstellung vorhanden, so daß die Summe der Frequenzbänder das gesamte Frequenzspektrum von z.B. 1 Hz - 3 bis 4 kHz überdeckt . Die vorstehend beschriebene Musteranalyse zur Schadenserkennung mit Überwachung der zeitlichen Veränderungen in den einzelnen Drehgestell-Geräuschmustern und Vergleich der
zeitlichen Veränderungen in den Drehgestell -Geräuschmustern von aufeinanderfolgender Drehgestellen 17 wird nunmehr in Block 39 durch mehrdimensionalen Vergleich der zeitlichen Veränderungen in der Amplitude (Pegel in dB) über der Zeit, über die Frequenzbänder und über die Drehgestelle durchgeführt. Bei dieser Musteranalyse wird dabei sowohl die Fahrgeschwindigkeit v als auch Streckeninformationen S aus dem Datenträger 18 wie z.B. die Orte von Brücken, Tunnel, Weichen und dgl . , berücksichtigt.
In Fig. 8 wird von einem ungestörten Zugbetrieb ausgegangen. Alle Laufwerke in den Drehgestellen Nr. 1 - 16 laufen ordnungsgemäß. Das Zug-Geräuschmuster zeigt nahezu gleiche zeitkonstante Pegel oder nicht signifikant unterschiedliche Pegel in allen Frequenzbändern.
In der Darstellung des Zug-Geräuschmusters gemäß Fig. 9 sind die Auswirkungen des Überfahrens einer Brücke auf das Zug- Geräuschmuster schematisch dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 2 sec. befinden sich die vier Drehgestelle der ersten beiden Waggons und das vorderste Drehgestell des dritten Waggons als Drehgestell Nr. 5 auf der Brücke. Danach fahren auch die Drehgestelle Nr. 6 - 13 nacheinander auf die Brücke auf, so daß sich nach vier Sekunden alle Drehgestelle Nr. 1 - 13 auf der Brücke befinden. Nach acht Sekunden haben die ersten drei Drehgestelle Nr. 1 - 3 die Brücke wieder verlassen, während die letzten drei Drehgestelle 14 - 16 bereits auf die Brücke aufgefahren sind. Der mehrdimensionale Vergleich der Pegelveränderungen über der Zeit und den Drehgestellen Nr . 1 - 16 in den einzelnen Frequenzbändern läßt erkennen, daß es sich hier nicht um eine Schädigung sondern um eine Besonderheit der Gleisstrecke handelt. Durch zusätzliches Heranziehen der Streckeninformationen S aus dem Datenträger 18 wird bestätigt, daß zu diesen Zeitpunkten, in denen das in Fig. 9 dargestellte
Zug-Geräuschmuster auftritt, der Zug eine Brücke überfahren hat.
In Fig. 10 ist die Auswirkung eines Defekts am Fahrgestell Nr. 5 auf das Zug-Geräuschmuster dargestellt. Die Amplitude (Pegel in dB) des Geräuschs im Drehgestell Nr. 5 wächst signifikant an und bleibt über die Zeit hinweg weitgehend konstant. In den anderen Drehgestellen tritt ein solcher Pegelanstieg nicht auf. Dieser Pegelanstieg setzt sich in den Frequenzbändern, in denen Harmonische diese Frequenz auftritt, fort. Die Musteranalyse durch mehrdimensionalen Vergleich der Amplituden über der Zeit, den Drehgestellen Nr. 1- 16 und den Frequenzbändern ergibt einen eindeutigen Schaden am Drehgestell Nr. 5. Anhand der Pegelhöhe und sonstiger Zuginformationen Z wird der Schaden klassifiziert und die Qualität des Schadens in der Anzeigeeinheit 22 im Fahrstand 15 angezeigt. Ist der Schaden nur geringfügig, so daß eine Weiterfahrt vertretbar ist, wird dieser Schaden in Zuordnung zum Drehgestell Nr. 5 im Störverzeichnis des Datenträger 19 abgelegt. Dabei wird zusätzlich verifiziert, welches Rad 24 des defekten Drehgestells 17 den Schaden aufweist. Hierzu werden die vier Rad-Geräuschmuster des defekten Drehgestells 17 auf schadensbedingte Veränderungen des Geräusches oder seines Frequenzspektrums untersucht (vergl . Fig. 5). Ist der Schaden so beträchtlich, daß eine Weiterfahrt ein unverhältnismäßig hohes Risiko in sich birgt, so wird dem Zugführer dieser Schaden durch zusätzliche akustische und optische Warnsignale angezeigt, so daß dieser eine Bremsung auslöst und den Zug stillsetzt. Die Zwangsbremsung des Zuges kann aber auch automatisiert werden, indem der Prozessor 11 entsprechende Steuersignale zur Auslösung einer Zwangsbremsung generiert .
In Fig. 11 ist εchematisch dargestellt, wie sich ein Defekt in der Gleisstrecke auf das Zug-Geräuschmuster auswirkt. Ein solcher Defekt der Gleisstrecke kann beispielsweise in einem hohl liegenden oder nicht ausreichend befestigten Gleisstück, einen Spalt im Schienenstrang und dgl. begründet sein. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, überfährt zum Zeitpunkt t = 2 sec. das erste Drehgestell die Schadenstelle in der Gleisstrecke, die nachfolgend von allen Drehgestellen Nr. 2 - 16 überfahren wird. Mit Überfahren der Schadstelle tritt ein signifikanter Pegelanstieg im Drehgestell Nr. 1 auf, der sich zeitlich über die gesamten Drehgestelle Nr. 2 - 16 hinwegschiebt. Wie bereits vorstehend ausgeführt ist, sind auch in Fig. 11 die vorhandenen. Abtastwerte nur jeweils alle 2 sec. dargestellt, so daß die Pegelerhöhung in den Drehgestellen Nr . 2 - 5 nicht sichtbar sind. Nach weiteren 2 sec. überfahren die Drehgestelle Nr. 6 und 7 und nach weiteren 2 sec. die Drehgestelle 12 und 13 die Schadensstelle. Der mehrdimensionale Vergleich der Pegeländerungen über die Zeit, die Drehgestelle und die Frequenzbänder ergibt eine zeitliche Wanderung der signifikanten Pegelerhöhung über die Drehgestelle Nr. 1 - 16, so daß der aus dem Zug-Geräuschmuster erkannte Schaden eindeutig der Gleisstrecke zugeordnet wird. Da der momentane Ort des Zugs während der Fahrt bekannt ist, wird der Schaden der Gleisstrecke in Zuordnung zu dem Schadensort im Störverzeichnis des Datenträgers 19 abgelegt, so daß nach off-line Auswertung des Datenträgers 19 ein Reparaturtrupp die definierte Schadensstelle in der Gleisstrecke beheben kann.
Es wird noch einmal darauf verwiesen, daß die in den Fig. 8 - 11 dargestellten Zug-Geräuschmuster ebenso wie die in Fig. 5 - 7 dargestellten Rad-Geräuschmuster und Drehgestell- Geräuschmuster nur zum Zwecke der besseren Verständlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bildlich dargestellt sind.
Diese Geräuschmuster liegen lediglich als Datensätze im Prozessor 11 vor, die mit entsprechenden Auswertealgorithmen abgearbeitet werden.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Datensätze im Frequenzbereich ausgewertet, was vorstehend unter Heranziehung der Amplitude detailliert beschrieben wurde. Da aber auch in der Phase des Geräusches Informationen enthalten sind, wird zusätzlich auch eine vergleichbare Auswertung der Phase im Frequenzspektrum vorgenommen. Aufgrund der bekannten Beziehungen zwischen Frequenz- und Zielbereich von Signalen und der mathematischen Möglichkeit der Transformation der Signale aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich und umgekehrt, können die Datensätze auch im Zeitbereich ausgewertet werden, wobei auf eine vorherige Transformation in den Frequenzbereich verzichtet wird.
Claims
P A T E N T A N S P R Ü C H E
Verfahren zur Erkennung von die Betriebsicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von zu Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, zusammengestellten Schienenfahrzeugen 'mit in Drehgestellen (17) zusammengefaßten, mehrachsigen, ein Radpaar pro Achse aufweisenden Laufwerken, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Ausgangssignalen von jedem Drehgestell (17) zugeordneten Schallaufnehmern (30) ein Drehgestell-Geräuschmuster gebildet wird, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude, Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist, und daß in einer Musteranalyse jedes Drehgestell-Geräuschmuster auf zeitliche Veränderungen überwacht wird und die zeitlichen Veränderungen in mindestens einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Drehgestellen (17) zugehörigen Drehgestell -Geräuschmustern miteinander verglichen und bewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Musteranalyse Rückschlüsse auf die Art und Qualität eines am Schienenfahrzeug und/oder an der Gleisstrecke auftretenden Schadens gezogen werden und daß die Schadensart und -qualität angezeigt und/oder daraus unmittelbare notwendige Maßnahmen zur Schadensbegrenzung differenziert ausgelöst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus allen Drehgestell-Geräuschmustern ein Zug- Geräuschmuster abgeleitet wird, in dem für jedes Drehgestell-Geräuschmuster in räumliche Zuordnung zum Drehgestell (17) Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern, die in ihrer Gesamtheit den Frequenzbereich abdecken, in Abhängigkeit von der Zeit abgelegt sind, und daß zur Musteranalyse die zeitlichen Veränderungen von Amplitude und Phase über die Drehgestelle (17) in allen Frequenzbändern herangezogen werden .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ableitung des Zug-Geräuschmusters Zuginformationen
(Z) , wie Antriebsfahrzeug- und Waggontyp, Anzahl der Waggons, Art der Drehgestelle, Anzahl der Drehgestelle und deren fortlaufende Numerierung, einbezogen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Musteranalyse Informationen
(S) über die aktuelle befahrene Gleisstrecke einbezogen werden, die aus einem digital abgespeicherten Streckennetz entnommen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Musteranalyse mittels der Fahrgeschwindigkeit und der bekannten Drehgestellabstände Zeitpunkte des Auftretens gleicher Veränderungen in den Geräuschmustern der Drehgestelle (17) -vorausberechnet werden und daß bei Übereinstimmung der Zeitpunkte der Vorausberechnung und ihres tatsächlichen Auftretens auf Schaden in der Gleisstrecke erkannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Schadenserkennung anhand des Streckenplans der Schadensort bestimmt und abgespeichert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß erkannte Schäden an den Schienenfahrzeugen und der Gleisstrecke in Störverzeichnissen in Zuordnung zur Drehgestelllage bzw. zum Streckenplan abgelegt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß erkannte Schäden im Fahrstand (15) des Zuges akustisch und/oder optisch angezeigt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Drehgestell (17) mindestens jedem Rad (24) des Laufwerks ein Schallaufnehmer (30) zugeordnet und schallmäßig möglichst gut an das zugeordnete Rad (24) angekoppelt wird, daß aus den Ausgangssignalen eines jeden Schallaufnehmers (30) ein Rad-Geräuschmuster gebildet wird, in .dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude, Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist, und daß die Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters durch Sum ation und/oder logische Verknüpfung der Rad-Geräuschmuster erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen eines Schadens in einem Drehgestell (17) die dem defekten Drehgestell (17) zugehörigen Rad- Geräuschmuster auf schadensbedingte Veränderungen der Geräusche oder Frequenzspektren untersucht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schallaufnehmer (30) unmittelbar am Ausgang der Schallaufnehmer (309 digitalisiert und über ein von einer Zentralstelle (10) des Zuges aus zu den Drehgestellen (17) verlegtes, breitbandiges Bussystem (13) zu einem in der Zentralstelle (10) angeordneten Prozessor (11) übertragen werden und daß in dem Prozessor (11) mit den hier abespeicherten digitalen Ausgangssignalen die Ableitung der Rad-, Drehgestell- und Zug-Geräuschmuster sowie die Durchführung der Musteranalyse online erfolgt und im Schadensfall für die Schadenswarnung und -anzeige und/oder für die Auslösung der
Schadensbegrenzungsmaßnahmen entsprechende Steuersignale generiert werden.
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