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WO2013050244A1 - Verfahren und vorrichtung zur schienenbrucherkennung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schienenbrucherkennung Download PDF

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WO2013050244A1
WO2013050244A1 PCT/EP2012/068395 EP2012068395W WO2013050244A1 WO 2013050244 A1 WO2013050244 A1 WO 2013050244A1 EP 2012068395 W EP2012068395 W EP 2012068395W WO 2013050244 A1 WO2013050244 A1 WO 2013050244A1
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WO
WIPO (PCT)
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rail
sensor
vibration behavior
evaluated
time course
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2012/068395
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English (en)
French (fr)
Inventor
Henrik Kinnemann
Helene KAPS
Lutz SCHAARSCHMIDT
Markus Hecht
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/042—Track changes detection
    • B61L23/044—Broken rails

Definitions

  • the invention relates to a method for rail break detection and a related device.
  • rail breakage detection here includes not only rail breakages but all dangerous structural changes to the rail, in particular also notches, cuts or cracks.
  • Rail breaks can lead to significant accidents in rail transport, rail breakthroughs even large Katastro ⁇ phen. Therefore, there is the need to recognize rail breaks at an early stage so that accidents and large Katastro ⁇ disasters can be avoided through preventive repairs to the rail.
  • track circuits are used for rail break detection.
  • the disadvantage is mainly the lack of reliability of the evaluation and the depen ⁇ dependence of the sensitivity of the weather, especially with regard to snow and rain.
  • a detection of a rail break by means of track circuit is only possible if the rail is already completely broken ⁇ .
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for rail break detection, which eliminate these disadvantages and beyond a larger Sensitivity and a higher reliability of ⁇ evaluation have.
  • the object is achieved by evaluating a chronological progression of a sensor-detected measuring signal, in particular a vibration behavior, of a measuring point on the rail when crossing a rail vehicle with regard to changes with respect to the time profile with intact rail.
  • the object is also achieved by a device in which a sensor for detecting a time profile of a measuring signal, in particular a Schwingverhal ⁇ least, is arranged when crossing a rail vehicle, wherein the sensor with an evaluation device for comparing the current time course with the time course is connected with intact rail.
  • sensors are firmly connected to the rail at discrete points, which detect the vibration behavior at this point.
  • structure-borne sound waves propagate from the wheelbase points. If these structure-borne sound waves pass through the measuring point, vibration components of the structure-borne sound wave can be registered. At cracks and material inhomogeneities, especially perpendicular to the propagation direction of the structure-borne sound waves, they are reflected, so that the measurement signal, in particular the vibration behavior, changes at the measuring ⁇ site. The magnitude of the change depends on the extent of the damage and the relative position between
  • the vibration behavior is detected by means of acceleration sensors.
  • Highly sensitive accelerometers for vibration detection have planning in many areas of technology, in particular for safety-related applications to ⁇ , for example in aviation, proven and therefore for high-security Schienenbrucherken- particularly suitable.
  • the vibration behavior is evaluated according to claim 3 ⁇ frequency analysis
  • the evaluation according to claim 4 in at least a part of the Schallfrequenzberei- ches, in particular in the kHz range, takes place. It would also be possible to evaluate the measuring signal in the time domain. In Feldversu ⁇ chen has shown, however, that in the frequency range of the difference between intact and damaged rail is clearly erkannbar. Certain individual frequencies and frequency bands are particularly strongly affected by changes in the course of the tracks and are therefore used in the evaluation of the
  • the vibration behavior is evaluated when crossing special rail vehicles.
  • the measuring signal or the already evaluated measuring signal can be a broken rail control center fürge ⁇ directs in any manner, for example by radio or wire-bound ⁇ .
  • the measuring signal evaluated at the measuring point is transmitted from the measuring point to the traveling rail vehicle by means of RFID Radio Frequency Identification.
  • This may be a special rail vehicle, which is designed as a measuring vehicle, so that the measuring point only has to include the sensor, while the evaluation device is arranged on the measuring vehicle.
  • the special rail vehicle can also be selected, for example, on the basis of a timetable to ensure that the vibrations are always evaluated by the same type of vehicle.
  • the sensor should be arranged as close as possible to the points system. In this manner, the sensor signal or its unevaluated result via a commonly known switch diagnosis unit to a central monitoring surveil ⁇ can be forwarded and / or be combined with other provided by the switch unit diagnosis results.
  • the sensor is arranged according to claim 11 preferably at a shift ⁇ flux further and / or the rail web. These measuring points result in a particularly pronounced oscillation behavior, resulting in a high sensitivity of the sensory detection of the oscillation behavior. Additional measuring positions with vertical, lateral and / or longitudinal measuring direction relative to the rail cross-section can further improve the measuring sensitivity.
  • ge ⁇ indicates that the sensor and optionally the Auswer ⁇ te Rhein is supplied by the on-propelled rail vehicle with energy.
  • the energy supply can be done, for example, by energy harvesting from rail vehicles traveling over it, for example by means of induction.
  • the method described above is based on the Auswer ⁇ processing of the passive sound propagation in the rail due to the measuring point approaching or removal of this railway vehicles.
  • the method of active acoustic emission can also be used to increase the measurement sensitivity with passive acoustic emission.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the invention
  • FIG. 2 essential components of a device for
  • Oscillation behavior carried out on a measuring point has to ⁇ nearest the oscillation behavior are determined with an intact rail 1. Further measurements of the current oscillation behavior 2, for example with at least one acceleration sensor which is fixedly connected to the rail, are used to broken rail detection by the current oscillation behavior 2 3. If there is no deviation between the two vibrational behaviors 1 and 2 evaluated, for example, by frequency analysis 4, there is no rail break and comparison 3 is carried out again with the next currently determined vibration behavior 2. This cycle is repeated until a deviation 4 of the current vibration behavior 2 of the
  • Oscillation behavior 1 is determined with intact rail. In this case, rail break alarm 5 is triggered, causing no
  • Figure 2 illustrates the essential components of a trackside device for rail break detection.
  • An acceleration sensor 6 is fixedly connected to the foot or the web of a rail 7.
  • the acceleration sensor 6 gistriert an oscillating behavior when crossing a railway vehicle is not ⁇ asked.
  • the measurement signal is evaluated by means of frequency analysis 8 and stored according to method step 1 in FIG. 1 in a zero signature memory 9. A prerequisite that the zero signature is recorded when it is ensured that on the slide to be monitored ⁇ nenabites no rail break is present.
  • the measurement signal evaluated by means of frequency analysis 8 is fed to a second memory 10 in that a control unit 11 switches a switch 12 for connecting the measuring device 6/8 to the second memory 10.
  • Both memories 9 and 10 are connected to a difference calculator 13, which triggers rail break alarm 5 upon detection of a difference by means of the control unit 11.
  • the control unit 11 may additionally or alternatively be connected to a remote diagnostic device 14.
  • the entire trackside device is preferably powered by energy harvesting 15 by a traveling rail vehicle with energy.
  • the corresponding alarm signal is preferably transmitted by means of RFID to the overrunning rail vehicle ⁇ convincing and forwarded via a communication interface of the rail vehicle to a rail breakage monitoring center.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung. Um hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit unabhängig von Witterungsbedingungen zu erreichen, ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens einer Messstelle an der Schiene (7) bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) ausgewertet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schienenbrucherkennung sowie eine diesbezügliche Vorrichtung. Unter dem Begriff Schienenbrucherkennung sind hier nicht nur Schienendurchbrü- che, sondern alle gefährlichen Strukturveränderungen an der Schiene, insbesondere auch Kerben, Einschnitte oder Anbrüche subsumiert .
Schienenbrüche können zu erheblichen Unfällen im Eisenbahnverkehr führen, Schienendurchbrüche sogar zu großen Katastro¬ phen. Daher besteht das Erfordernis, Schienenbrüche bereits in einem frühen Stadium zu erkennen, so dass durch vorbeugende Reparaturen an der Schiene Unfälle und große Katastro¬ phen vermieden werden können.
Bei einem bekannten Verfahren werden Gleisstromkreise zur Schienenbrucherkennung verwendet. Nachteilig sind vor allem die mangelnde Zuverlässigkeit der Auswertung und die Abhän¬ gigkeit der Messempfindlichkeit von Witterungseinflüssen, insbesondere bezüglich Schneefall und Regen. Außerdem ist eine Detektion eines Schienenbruches mittels Gleisstromkreis erst dann möglich, wenn die Schiene bereits komplett durch¬ gebrochen ist.
Bekannt ist außerdem ein Wirbelstromverfahren, bei dem ein Schienenfahrzeug Wirbelströme in die Schiene induziert und durch Schienenbrüche verursachte Anomalien auswertet. Dieses Wirbelstromverfahren ist jedoch nur bei langsamer Fahrt über den zu überprüfenden Schienenbereich möglich, so dass der reguläre Eisenbahnverkehr behindert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung anzugeben, welche diese Nachteile beseitigen und darüber hinaus eine größere Messempfindlichkeit und eine höhere Zuverlässigkeit der Aus¬ wertung aufweisen.
Die Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, einer Messstelle an der Schiene bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene ausgewertet wird.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, bei der an der Schiene ein Sensor zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufes eines Messsignals, insbesondere eines Schwingverhal¬ tens, bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges angeordnet ist, wobei der Sensor mit einer Auswertevorrichtung zum Vergleich des aktuellen zeitlichen Verlaufs mit dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene verbunden ist.
Entlang der Schiene werden an diskreten Punkten Sensoren fest mit der Schiene verbunden, welche das Schwingverhalten an diesem Punkt erfassen. Bei Überfahrt des Schienenfahrzeugs breiten sich von den RadaufStandspunkten ausgehend Körperschallwellen aus. Durchlaufen diese Körperschallwellen die Messstelle, können Schwingungsanteile der Körperschallwelle registriert werden. An Rissen und Materialinhomogenitäten, vor allem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Körperschallwellen, werden diese reflektiert, so dass sich das Messsignal, insbesondere das Schwingverhalten, an der Mess¬ stelle ändert. Die Größenordnung der Änderung hängt von dem Ausmaß der Schädigung und von der relativen Lage zwischen
Messstelle, Schädigungsort und Anregungsort ab. Bei ausrei¬ chender Empfindlichkeit des Sensors und entsprechender
Beabstandung der Sensoren entsteht ein Frühwarnsystem für beginnende Schienenbrüche. Dadurch können Reparaturarbeiten vor der Entstehung akut gefährlicher Zustände durchgeführt werden. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass keine Abhängigkeit von Witterungsbedingungen besteht. Zuverlässigkeit und Ver- fügbarkeit der beanspruchten Schienenbrucherkennung sind wesentlich höher als bei bekannten Verfahren.
Gemäß Anspruch 2 wird das Schwingverhalten mittels Beschleu- nigungssensoren erfasst. Hochempfindliche Beschleunigungssensoren zur Vibrationsdetektion haben sich auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auch für sicherheitsrelevante An¬ wendungen, zum Beispiel in der Luftfahrt, bewährt und sind deshalb für die hoch sicherheitsrelevante Schienenbrucherken- nung besonders geeignet.
Vorzugsweise wird das Schwingverhalten gemäß Anspruch 3 mit¬ tels Frequenzanalyse ausgewertet, wobei die Auswertung gemäß Anspruch 4 in mindestens einem Teil des Schallfrequenzberei- ches, insbesondere im kHz-Bereich, erfolgt. Möglich wäre auch eine Auswertung des Messsignals im Zeitbereich. In Feldversu¬ chen hat sich jedoch gezeigt, dass im Frequenzbereich der Unterschied zwischen intakter und geschädigter Schiene deutlicher erkannbar ist. Dabei sind bestimmte Einzelfrequenzen und Frequenzbänder besonders stark von schienenbruchabhängigen Änderungen betroffen und daher bei der Auswertung des
Schwingverhaltens zu bevorzugen.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass das Schwingverhalten bei Überfahrt spezieller Schienenfahrzeuge ausgewertet wird. Prinzipiell kann das Messsignal oder das bereits ausgewertete Messsignal auf jede Weise, zum Beispiel per Funk oder draht¬ gebunden, an eine Schienenbruchüberwachungszentrale weiterge¬ leitet werden. Vorzugsweise wird das an der Messstelle ausge- wertete Messsignal gemäß Anspruch 6 mittels RFID - Radio Fre- quency Identification - von der Messstelle an das überfahrende Schienenfahrzeug übertragen. Dabei kann es sich um ein spezielles Schienenfahrzeug handeln, welches als Messfahrzeug ausgebildet ist, so dass die Messstelle lediglich den Sensor umfassen muss, während die Auswerteeinrichtung auf dem Messfahrzeug angeordnet ist. Das spezielle Schienenfahrzeug kann aber auch beispielsweise anhand eines Fahrplanes ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Schwingungen immer vom gleichen Fahrzeugtyp ausgewertet werden.
Wenn sich im Überwachungsbereich des Sensors eine Weichenan- läge befindet, sollte der Sensor gemäß Anspruch 10 möglichst nahe an der Weichenanlage angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Sensorsignal oder dessen ausgewertetes Ergebnis über eine häufig vorhandene Weichendiagnoseeinheit an eine Überwa¬ chungszentrale weitergeleitet werden und/oder mit anderen von der Weichendiagnoseeinheit bereitgestellten Ergebnissen kombiniert werden.
Der Sensor ist gemäß Anspruch 11 vorzugsweise an einen Schie¬ nenfuß und/oder Schienensteg angeordnet. Bei diesen Messstel- len ergibt sich ein besonders ausgeprägtes Schwingverhalten, so dass eine hohe Empfindlichkeit der sensorischen Erfassung des Schwingverhaltens resultiert. Zusätzliche Messpositionen mit vertikaler, lateraler und/oder longitudinaler Messrichtung relativ zum Schienenquerschnitt können die Messempfind- lichkeit weiter verbessern.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Sensor und gegebenenfalls die Auswer¬ teeinrichtung durch das überfahrende Schienenfahrzeug mit Energie versorgt wird. Eine eigene Stromversorgung an der
Messstelle ist dadurch nicht erforderlich. Die Energieversorgung kann zum Beispiel durch ein Energy-Harvesting aus darüberfahrenden Schienenfahrzeugen, beispielsweise mittels Induktion, erfolgen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren beruht auf der Auswer¬ tung der passiven Schallausbreitung in der Schiene infolge sich der Messstelle nähernder oder von dieser entfernender Schienenfahrzeuge. Es ist jedoch auch möglich, gemäß Anspruch 13 Schallwellen in einem Abstand zum Sensor aktiv in die Schiene zu induzieren. Auf diese Weise ist eine Schienen- brucherkennung auch möglich, wenn kein Schienenfahrzeug die Messstelle passiert. Außerdem kann die Messempfindlichkeit bedarfsgerecht eingestellt, insbesondere erhöht, werden. Das Verfahren der aktiven Schallemission kann auch genutzt werden, um die Messempfindlichkeit bei passiver Schallemission zu steigern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrensablaufes und
Figur 2 wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach Figur 1. Um eine Schienenbrucherkennung mittels Auswertung des
Schwingverhaltens an einer Messstelle durchzuführen, muss zu¬ nächst das Schwingverhalten bei intakter Schiene ermittelt werden 1. Weitere Messungen des aktuellen Schwingverhaltens 2, beispielsweise mit mindestens einem Beschleunigungssensor, der fest mit der Schiene verbunden ist, dienen der Schienenbrucherkennung, indem das aktuelle Schwingverhalten 2 mit dem Schwingverhalten 1 bei intakter Schiene verglichen wird 3. Falls keine Abweichung zwischen den beiden, zum Beispiel durch Frequenzanalyse ausgewerteten Schwingverhalten 1 und 2 auftritt 4, liegt kein Schienenbruch vor und der Vergleich 3 wird mit dem nächsten aktuell ermittelten Schwingverhalten 2 erneut ausgeführt. Dieser Kreislauf wiederholt sich bis eine Abweichung 4 des aktuellen Schwingverhaltens 2 von dem
Schwingverhalten 1 bei intakter Schiene festgestellt wird. In dem Fall wird Schienenbruchalarm 5 ausgelöst, wodurch ohne
Verzögerung entsprechende Sicherheitsmaßnahmen, zum Beispiel Streckensperrung und/oder Reparatur der defekten Schiene, eingeleitet werden können. Figur 2 veranschaulicht die wesentlichen Komponenten einer streckenseitigen Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung. Ein Beschleunigungssensor 6 ist fest mit dem Fuß oder dem Steg einer Schiene 7 verbunden. Der Beschleunigungssensor 6 re- gistriert ein Schwingverhalten bei Überfahrt eines nicht dar¬ gestellten Schienenfahrzeuges. Das Messsignal wird mittels Frequenzanalyse 8 ausgewertet und gemäß dem Verfahrensschritt 1 in Figur 1 in einem Nullsignaturspeicher 9 abgelegt. Vor- aussetzung ist, dass die Nullsignatur aufgezeichnet wird, wenn sichergestellt ist, dass auf dem zu überwachenden Schie¬ nenabschnitt kein Schienenbruch vorliegt. Für die laufende Überwachung wird das mittels Frequenzanalyse 8 ausgewertete Messsignal einem zweiten Speicher 10 zugeführt, indem eine Steuereinheit 11 einen Schalter 12 zur Verbindung der Messvorrichtung 6/8 mit dem zweiten Speicher 10 umschaltet. Beide Speicher 9 und 10 sind mit einem Differenzrechner 13 verbunden, der bei Feststellung einer Differenz mittels der Steuereinheit 11 Schienenbruchalarm 5 auslöst. Die Steuereinheit 11 kann gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mit einer Wei- chendiagnoseeinrichtung 14 verbunden sein. Die gesamte streckenseitige Einrichtung wird vorzugsweise mittels Energy- Harvesting 15 durch ein überfahrendes Schienenfahrzeug mit Energie versorgt.
Bei Schienenbruchalarm 5 wird das entsprechende Alarmsignal vorzugsweise mittels RFID an das überfahrende Schienenfahr¬ zeug übertragen und über eine Kommunikationsschnittstelle des Schienenfahrzeuges an eine Schienenbruchüberwachungszentrale weitergeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Schienenbrucherkennung,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, einer Messstelle an der Schiene (7) bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Schwingverhalten mittels Beschleunigungssensoren (6) er- fasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Schwingverhalten mittels Frequenzanalyse (8) ausgewertet wird .
4. Verfahren nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Frequenzanalyse (8) in mindestens einem Teil des
Schallfreqenzbereiches , insbesondere im kHz-Bereich, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Schwingverhalten bei Überfahrt spezieller Schienenfahrzeuge ausgewertet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
Messwerte mittels RFID - Radio Frquency Identification - von der Messstelle an das überfahrende Schienenfahrzeug übertra- gen werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
an der Schiene (7) ein Sensor zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufes eines Messsignals, insbesondere eines Schwingver¬ haltens, bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges angeordnet ist und dass der Sensor mit einer Auswertevorrichtung zum Vergleich (3) des aktuellen zeitlichen Verlaufes mit dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Sensor als Beschleunigungssensor (6) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Auswertevorrichtung Mittel zur Frequenzanalyse (8) auf¬ weist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Sensor in der Nähe einer Weiche angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Sensor an einem Schienenfuß und/oder Schienensteg ange- ordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Sensor und gegebenenfalls die Auswertevorrichtung durch das überfahrende Schienenfahrzeug mit Energie versorgt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
Mittel zur Induzierung von Schallwellen in die Schiene (7) vorgesehen sind.
PCT/EP2012/068395 2011-10-07 2012-09-19 Verfahren und vorrichtung zur schienenbrucherkennung Ceased WO2013050244A1 (de)

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