DE10062602A1

DE10062602A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Komponenten von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE10062602A1
Application number: DE2000162602
Authority: DE
Inventors: Mario Saeglitz; Yong Guo
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: DB Fernverkehr AG
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: DE10062602B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, wobei das Beschleunigungsverhalten wenigstens einer Fahrzeugkomponente überwacht wird, indem ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente ausgewertet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass aus dem Beschleunigungssignal die Signalanteile (56) der Raddrehzahlharmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile (58) zur Dimensionsreduktion und Normierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signalanteilen (58') auf die normierten Signalanteile (56') der Raddrehzahlharmonischen geschlossen werden kann, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelten Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmonischen mit gemessenen (normierten) Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal (68) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten, wobei der Zustand wenigstens einer Fahrzeugkomponente zum Bei spiel anhand deren Beschleunigungsverhaltens erfasst wird und das erfasste Beschleunigungsverhalten mit einem zu erwartenden Beschleunigungsverhalten vergli chen wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So ist beispielsweise bekannt, ver schiedene Fahrzeugkomponenten eines Schienenfahrzeu ges, beispielsweise Radsatz, Fahrgestell, Wagenkasten oder dergleichen, mit Beschleunigungssensoren zu bestücken, mittels denen das Beschleunigungsverhalten einzelner Fahrzeugkomponenten erfasst werden kann. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz von Schienenfahrzeu gen treten durch den Rad-Schiene-Kontakt bekannter maßen Schwingungsanregungen auf, die durch die Beschleunigungssensoren erfassbar sind. Unregelmäßig keiten, zum Beispiel Schadstellen an Rädern oder Dämpfersystemen, führen zu einem veränderten Be schleunigungsverhalten der Fahrzeugkomponenten. Die ses veränderte Beschleunigungsverhalten ist mittels der Beschleunigungssensoren detektierbar. Die von den Beschleunigungssensoren gelieferten Messsignale kön nen im Zeit- und/oder Frequenzbereich ausgewertet werden. Um einen Schadens- beziehungsweise Fehlerfall zu detektieren ist bekannt, zuvor zu bestimmten Scha dens- beziehungsweise Fehlerfällen aus den Beschleu nigungssignalen entwickelte Merkmale abzuspeichern und diese mit den aktuellen Werten der Merkmale zu vergleichen. Weichen die aktuellen Merkmalswerte von den erwarteten Merkmalswerten ab und/oder sind in Übereinstimmung mit den zuvor ermittelten, bestimmten Schadens- beziehungsweise Fehlerereignissen zugeord neten Merkmalswerten, kann auf das Vorliegen eines Schadens beziehungsweise eines Fehlers erkannt wer den.

Bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen zeigte sich, dass für eine umfassende Überwa chung/Diagnose mindestens einer. Komponente eines Schienenfahrzeuges mehrere Merkmale je Sensorsignal benötigt werden. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass die unterschiedlichen Merkmale häufig für sich isoliert genutzt werden; sollten doch mehre re Merkmale zur Lösung der Überwachungs-/Diagnose aufgabe verknüpft werden, so geschieht dies häufig auf Basis der Erfahrung des Entwicklers "manuell" durch Vorgabe von Verknüpfungsregeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mittels denen in einfacher Weise die Über wachung des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und die Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfah ren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass aus dem Ist-Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente die Signalanteile der Raddrehzahlharmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile mittels der herausgefilter ten Raddrehzahlharmonischen derart abgeglichen wer den, dass nachfolgend von den übrigen Signalanteilen auf die zugehörigen Raddrehzahlharmonischen geschlos sen werden kann, und die derart über die übrigen Signalanteile ermittelten Raddrehzahlharmonischen mit gemessenen Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charak terisierendes Signal erzeugt wird, ist vorteilhaft möglich, dass Überwachungsverfahren deutlich zu ver einfachen, da insbesondere durch unterschiedliche Oberbauarten bedingt auftretende große Streuungen der Beschleunigungssignale für die Überwachung weniger relevant sind. Bei diesem Verfahren der Über wachung/Diagnose stellen die Amplituden sämtlicher verwendeten Frequenzlinien Merkmale dar, die durch Anwendung einer Reihe von Verfahrensschritten (Ana lyse zur Dimensionsreduktion, Normierung, Neuronale Netze) miteinander in Beziehung gesetzt werden (Modellbildung).

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass Mittel vorgesehen sind, mittels denen aus dem Ist-Beschleunigungssignal die Signal anteile der Raddrehzahlharmonischen und die übrigen Signalanteile herausfilterbar sind und mittels denen die übrigen Signalanteile mittels der Raddrehzahl harmonischen derart abgleichbar sind, dass nachfol gend von den übrigen Signalanteilen auf die zugehöri gen Raddrehzahlharmonischen schließbar ist, und die derart über die übrigen Signalanteile ermittelbaren Raddrehzahlharmonischen mit messbaren Raddrehzahl harmonischen vergleichbar sind und hieraus ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal erzeugbar ist, lässt sich in einfacher Weise eine Vorrichtung bereitstellen, mittels der eine zuverlässige Über wachung des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und Diagnose von Schienenfahrzeugkomponenten möglich ist.

Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine zustands bezogene Instandhaltung der Schienenfahrzeuge. Das Überwachungsverfahren kann hierdurch insbesondere in einfacher Weise in eine Onboard-Diagnose der Schie nenfahrzeuge integriert werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Schie nenfahrzeug und

Fig. 2a und 2b ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen des Fahrverhal tens des Schienenfahrzeuges.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Schienenfahrzeug 10. Bei dem hier dargestellten Schienenfahrzeug 10 handelt es sich beispielsweise um einen Mittelwagen eines Hochgeschwindigkeitszuges. Die Erfindung wird lediglich beispielhaft anhand die ses Mittelwagens erläutert. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung ohne weiteres auf andere Schienen fahrzeuge, beispielweise Triebfahrzeuge, Steuerwagen, Güterwagen oder dergleichen, übertragen.

Das Schienenfahrzeug 10 umfasst einen Wagenkasten 12, der auf zwei Laufdrehgestellen 14 und 16 gelagert ist. Die Laufdrehgestelle 14 und 16 umfassen jeweils Radsätze 18, 20, 22 und 24. Der allgemeine Aufbau derartiger Schienenfahrzeuge 10, insbesondere die Ankopplung des Wagenkastens 12 an die Laufdreh gestelle 14 und 16 beziehungsweise die Lagerung der Radsätze 18, 20, 22 und 24 an den Laufdrehgestellen 14 und 16 über sekundäre beziehungsweise primäre Feder-/Dämpfersysteme, ist allgemein bekannt, so dass hierauf im Einzelnen im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden soll.

Die Radsätze 18, 20, 22 und 24 sind an Drehgestell rahmen 26 und 28 angeordnet. Die Radsätze 18, 20, 22 und 24 umfassen Räder 30, die über hier angedeutete Radsatzlager 32 gelagert sind.

Während des Einsatzes des Schienenfahrzeuges 10 rol len die Radsätze 18, 20, 22 und 24 über einen Fahr weg. Je nach Fahrgeschwindigkeit und Zustand des Fahrweges (Oberbau) erfährt das Schienenfahrzeug 10 eine Schwingungsanregung. Diese Schwingungsanregung führt zu einem Schwingungsverhalten einzelner Kompo nenten des Schienenfahrzeuges 10. Entsprechend der Schwingungsanregung erfahren die Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 eine Beschleunigung in den drei Raumrichtungen, also in x-Richtung (Fahrtrichtung), y-Richtung (vertikal zur Fahrtrichtung) und z-Rich tung (quer zur Fahrtrichtung).

Während des Einsatzes der Schienenfahrzeuge 10 können Schäden und/oder Fehler an einzelnen Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 auftreten, die zu einer Beein flussung des Schwingungsverhaltens einzelner Kompo nenten führen. Im Rahmen der vorliegenden Beschrei bung soll beispielsweise auf Fehler beziehungsweise Schäden der Räder 30 Bezug genommen werden, die bei spielsweise als eine Flachstelle, eine Polygonbildung unterschiedlicher Ordnung, eine Riffelbildung an einer Radlauffläche, Ausbröckelungen und/oder Risse am Radkranz oder dergleichen auftreten können. Ent sprechend tatsächlich vorhandener Fehler und/oder Schäden wird das Schwingungsverhalten der einzelnen Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 beeinflusst, so dass die Beschleunigungen in den drei Raumrichtungen ebenfalls entsprechend beeinflusst sind.

Gegenstand der Erfindung ist das Erfassen und Auswer ten von auf die Radsatzlager 32, vorzugsweise in Fahrtrichtung (x-Richtung), einwirkenden Beschleuni gungen zur Erkennung von insbesondere Fehlern und/oder Schäden an den Radsätzen 18, 20, 22 bezie hungsweise 24.

Hierzu sind den Radsatzlagern 32 jeweils schematisch angedeutete Schwingungsaufnehmer 34, 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 zugeordnet. Die Schwingungsaufnehmer 34 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 sind beispielsweise von Beschleunigungssensoren gebildet, die eine in x-Rich tung - und entgegengesetzt - wirkende Beschleunigung auf die Radsatzlagergehäuse detektieren. Es wird deutlich, dass jedem Radsatzlagergehäuse des hier dargestellten Schienenfahrzeuges 10 jeweils ein Schwingungsaufnehmer (Beschleunigungssensor) 34, 36, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 zugeordnet ist, so dass insgesamt - gemäß dem Beispiel - acht Beschleuni gungssignale zur Auswertung zur Verfügung stehen.

Die einzelnen Beschleunigungssignale besitzen bekann termaßen einen bestimmten Verlauf, beispielsweise hinsichtlich ihrer Frequenz, ihrer Amplitude sowie der Änderung von Amplitude und/oder Frequenz über der Zeit.

In Fig. 2 ist in einem Blockschaltbild das erfin dungsgemäße Verfahren verdeutlicht, wobei Fig. 2a eine so genannte Lernphase und Fig. 2b eine so genannte Anwendungsphase zeigt.

Nachfolgend wird von der Auswertung der von einem der Beschleunigungssensoren, beispielsweise vom Beschleu nigungssensor 34, gelieferten Signale ausgegangen. Dieses vom Beschleunigungssensor 34 gelieferte Signal wird einer Transformation 52, beispielsweise einer Fast-Fourier-Transformation, zugeführt, mittels der die Signale in den Frequenzbereich übertragen werden. An die Fast-Fourier-Transformation 52 schließt sich ein Teiler 54 an, mittels dem die Frequenzsignale in eine Gruppe der Raddrehzahlharmonischen 56 und in eine Gruppe der übrigen Signalanteile 58 geteilt wer den. Die übrigen Signalanteile 58 werden einer Ana lyse zur Dimensionsreduktion (zum Beispiel Haupt komponentenanalyse) und Normierung 60 zugeführt und auf diese Art und Weise vorverarbeitet. Hierbei wer den beispielsweise die Signale der Schwellenfach frequenz eliminiert, da die Amplitude dieser Frequenz sehr stark schwankt und wenig zu einer Überwachung der Radsätze beitragen kann. Die Gruppe der Raddreh zahlharmonischen 56 wird ebenfalls einer Normierung 62 zugeführt. Die vorverarbeiteten übrigen Signal anteile 58' und die normierten Signale der Drehzahl harmonischen 56' werden einer Analyseeinrichtung 64 zugeführt, die beispielsweise mittels der Modellrech nungen auf Basis neuronaler Netze durchführbar sind. Durch die Analyseeinrichtung 64 können nunmehr die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile 58' zu den Signalen 56' der normierten Raddrehzahlharmonischen in Relation gesetzt werden. Die hierbei gefundene Beziehung zwischen den Raddrehzahlharmonischen 56 und den übrigen Signalanteilen 58 wird bei der in Fig. 2b verdeutlichten Anwendungsphase eingesetzt.

Wie Fig. 2b verdeutlicht, werden bei der Anwendungs phase sowohl die aus dem gemessenen Ist-Beschleuni gungssignal ermittelten Raddrehzahlharmonischen 56 als auch die von dem Analysebauelement 64 aus der Gruppe der übrigen Signalanteile 58 ermittelten Rad drehzahlharmonischen 70 einem Vergleicher 66 zuge führt. Dieser Vergleicher 66 vergleicht die Amplitu denwerte der gemessenen Raddrehzahlharmonischen (aus dem Signal 56) und die Amplitudenwerte der berechne ten Raddrehzahlharmonischen (aus den übrigen Signal anteilen 58) und liefert bei Überschreiten einer vor gebbaren Differenz zwischen den jeweiligen Amplitudenwerten ein Signal 68, das als charakte ristisches, ereignisauslösendes Signal für das Fahr verhalten des Schienenfahrzeuges 10 auswertbar ist. Ist beispielsweise ein vorgebbarer Schwellwert über schritten, kann eine Alarmmeldung generiert werden, die auf einen Fehler und/oder Schaden des überwachten Rades schließen lässt. Ferner kann auch bei Unter schreiten eines vorgebbaren Schwellwertes generiert werden, dass auf ein normales Fahrverhalten schließen lässt.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So sind auch beispielsweise Überwachungen von weniger oder mehr als acht Beschleunigungssensoren und ande ren Komponenten des Schienenfahrzeuges 10 als den Radsatzlagern 32 möglich. Auch ist vorstellbar eine Ausführung dieses Verfahrens unter Nutzung anderer Signaltypen als die Beschleunigung, so zum Beispiel auf Basis von Kraft- oder Wegsignalen.

Bezugszeichenliste

10

Schienenfahrzeug

12

Wagenkasten

14

,

16

Laufdrehgestelle

18

,

20

,

22

,

24

Radsätze

26

,

28

Drehgestellrahmen

30

Räder

32

Radlager

34

,

36

,

40

,

42

,

44

,

46

,

48

,

50

Schwingungsaufnehmer

52

Fast-Fourier-Transformation

54

Teiler

56

Raddrehzahlharmonische

56

' normierte Raddrehzahlharmonische

58

übrige Signalanteile

58

' vorverarbeitete übrige Signalanteile

60

Normierung

62

Normierung

64

Analyseeinrichtung

66

Vergleicher

68

Signal

70

Signal

Claims

1. Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Schienenfahr zeugkomponenten, wobei das Beschleunigungsverhalten wenigstens einer Fahrzeugkomponente überwacht wird, indem ein aktuell gemessenes Beschleunigungssignal der wenigstens einen Fahrzeugkomponente ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Beschleu nigungssignal die Signalanteile (56) der Raddrehzahl harmonischen herausgefiltert werden, die übrigen Signalanteile (58) zur Dimensionsreduktion und Nor mierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signalanteilen (58') auf die normierten Signalanteile (56') der Raddrehzahl harmonischen geschlossen werden kann, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelten Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmo nischen mit gemessenen (normierten) Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden und über den Vergleich ein das Fahrverhalten charak terisierendes Signal (68) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Beschleunigungssignal einer Fast- Fourier-Transformation (52) und anschließend einem Teiler (54) zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich der Signal anteile (58') mit den Signalanteilen (56') über eine Modellrechnung, insbesondere auf Basis eines neuro nalen Netzes, erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbildung in einer Lernphase des Überwachungssystems erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anwendungsphase des Überwachungssystems die durch die Modellrechnung erhaltenen Signalanteile (70) der Raddrehzahlharmoni schen mit den aktuell gemessenen Signalanteilen (56') der Raddrehzahlharmonischen verglichen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmmeldung, gege benenfalls gekoppelt mit einer Abhilfemaßnahme, gene riert wird, wenn das charakterisierende Signal (68) einen zu definierenden Schwellwert übersteigt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben Beschleunigungs signalen auch andere Signale (zum Beispiel Kraft, Weg, Temperatur) zur Merkmalsbildung genutzt werden.

8. Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und zur Diagnose von Schienenfahr zeugkomponenten, mit wenigstens einem an wenigstens einer Fahrzeugkomponente zugeordneten Beschleuni gungsaufnehmer und einer Auswerteeinrichtung zum Aus werten der von den wenigstens einem Beschleunigungs aufnehmer gelieferten Signale gekennzeichnet durch Mittel, mittels denen aus dem aktuell gemessenen Beschleunigungssignal die Signalanteile (56) der Rad drehzahlharmonischen und die übrigen Signalanteile (58) herausfilterbar sind und mittels denen die übri gen Signalanteile (58) zum Zwecke der Dimensions reduktion und Normierung vorverarbeitet werden, dass nachfolgend von den vorverarbeiteten übrigen Signal anteilen (58') auf die zugehörigen Raddrehzahlharmo nischen (56') schließbar ist, und die derart über die vorverarbeiteten übrigen Signalanteile (58') ermittelbaren Raddrehzahlharmonischen (70) mit mess baren Raddrehzahlharmonischen (56) vergleichbar sind und hieraus ein das Fahrverhalten charakterisierendes Signal (68) erzeugbar ist.