DE10101601A1

DE10101601A1 - Spurkranzdetektor

Info

Publication number: DE10101601A1
Application number: DE2001101601
Authority: DE
Inventors: Paul Matthias Arnoczky
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-08-01
Also published as: AU4090402A; WO2002055983A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Diagnose von Eisenbahnrädern mit einer dem Schienenkörper (2) angeordneten Näherungsmeßvorrichtung (1). Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienennetz mit einer derartigen Anordnung und ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Eisenbahnrädern. Um Verschleiß an Eisenbahnrädern automatisch erkennen zu können, wird eine Näherungsvorrichtung (1) derart am Schienenkörper befestigt, daß ein Signal (U) in Abhängigkeit vom Zustand der Eisenbahnräder generiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Diagnose von Eisen bahnrädern mit einer dem Schienenkörper zugeordneten Nähe rungsmeßvorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienennetz mit einer derartigen Anordnung und ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes und insbesondere der Abnutzung von Eisenbahnrädern.

Eisenbahnrädern bedürfen insbesondere bei ständig steigenden Geschwindigkeiten einer regelmäßigen Überprüfung. Die Eisen bahnräder unterliegen einem natürlichem Radverschleiß, der sich in unterschiedlichen Formen bemerkbar macht. Eine regel mäßige manuelle Kontrolle des Verschleißes der Räder ist sehr teuer, aufwendig und unzuverlässig.

In der US 4524932 wird ein Eisenbahnraddetektor beschrieben, der mittels eines Hallsensors ein Signal zur Zählung der über diesen Sensor bewegten Eisenbahnrädern erzeugt.

Die Detektion von Verschleißerscheinungen an Eisenbahnrädern geht jedoch über das bloße Zählen von Eisenbahnrädern hinaus.

Die Primärerscheinung von natürlichem Radverschleiß ist eine Spurkranzverlängerung. Durch Abnutzung der Lauffläche des Ra des wird der Spurkranz höher, wodurch erheblicher Schaden, bspw. ein Herausspringen des Wagens aus dem Schienenkörper beim Durchfahren von Weichenanordnungen verursacht werden kann.

Des weiteren kann eine Veränderung der Laufflächen eines Ei senbahnrades auch zu einer Spurkranzverschmälerung führen, wodurch der Spurkranz, der das Rad in der Schiene hält, ausbre chen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Anordnung anzugeben, mittels derer eine automatische Kontrolle des Zustandes des Spurkranzes von Eisenbahnrädern ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Anordnung zur Diagnose eine von Eisenbahnrädern mit dem Schie nenkörper zugeordneten Näherungsmeßvorrichtung dazu vorgesehen ist, ein vom Zustand der Eisenbahnräder abhängiges Signal zu generieren.

Die Näherungsmeßvorrichtung erzeugt ein vom Zustand des Eisen bahnrades abhängiges elektrisches Signal. Dabei liegt der Er findung der Gedanke zugrunde, daß ein schadhaftes Rad insbe sondere an seinem Spurkranz Schäden aufweist. Diese Schäden lassen sich mittels einer erfin dungsgemäßen Näherungsmeßvorrichtung detektieren. Wenn die Ei senbahnräder die erfindungsgemäße Anordnung passieren, wird dabei ein von der Höhe des Spurkranzes abhängiges elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal läßt sich bezüglich des Zustan des der Eisenbahnräder automatisch auswerten. Auch andere Schäden am Spurkranz, wie Ausbrüche, lassen sich vorzugsweise mittels der Anordnung detektieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nä herungsmeßvorrichtung am Schienenkörper befestigt und enthält wenigstens zwei miteinander gekoppelte oder gegeneinander mon tierte induktive Näherungssensoren. Die Näherungssensoren, be stehend aus einer Meßspule und einer Kompensationsspule, bil den vorzugsweise einen induktiven Teiler oder eine induktive Halbbrücke und sind insbesondere vorzugsweise mit einem abge schirmten Verbindungskabel mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden. Die Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise mit einem Mehrkanalmeßverstärker und/oder Signalverarbeitungskomponente gekoppelt oder versehen. Vorzugsweise ist die Näherungsmeßvor richtung an die Verarbeitungseinheit gekoppelt. Der Mehrkanal meßverstärker und die Signalverarbeitungskomponenten arbeiten vorzugsweise mit einer Trägerfrequenz in einem Bereich zwi schen 1 kHz bis 10 kHz und insbesondere vorzugsweise bei 5 kHz.

Die durchfahrenden Eisenbahnräder induzieren in der Meßspule eine Spannung. Die Größe der Amplitude der induzierten Span nung ist proportional zum Abstand zwischen Spurkranz und Nähe rungsmeßvorrichtung. Diese Spannung wird der Verarbeitungsein heit zugeführt, die daraus den exakten Abstand zwischen Nähe rungsmeßvorrichtung und Spurkranz berechnet.

Dabei ist ein Wert für eine maximale Abweichung des Abstandes zwischen Spurkranz und Näherungsmeßvorrichtung in der Verar beitungseinheit einstellbar. Bei Überschreiten des Wertes für die maximale Abweichung wird von der Anordnung eine Meldung o der ein Alarm ausgelöst und eine zentrale Überwachungsstelle informiert.

Die Anordnung mißt die Induktivitätsveränderung der Meßspule in einer unausgeglichenen Brückenschaltung. Der ohmsche Zweig der Brückenschaltung befindet sich beispielsweise in der Ver arbeitungseinheit. Ein in der Verarbeitungseinheit befindli cher Prozessor optimiert automatisch den Zustand der Brücke. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß ein automatisch arbeiten des Diagnosesystem zur Überprüfung des Spurkranzes von Eisen bahnrädern, welches mit hoher Zuverlässigkeit gegen äußere Einflüsse und hoher Genauigkeit arbeitet.

Zusätzlich zur Erzeugung dieses Signals zur Überwachung des Verschleißes der Spurkränze von Eisenbahnrädern, kann dieses Signal auch zur Zählung der Räder bzw. Achsen benutzt werden.

Die Näherungssensoren sind vorzugsweise im Winkel von 90° zu einander angeordnet und insbesondere vorzugsweise gegen äußere Magnetfelder abgeschirmt. Ferner sind diese vorzugsweise in E poxidharz vergossen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Schienennetz mit einer Anordnung zur Diagnose von Zuständen von Eisenbahnrädern mit einer Näherungsmeßvorrichtung gelöst, welche derart am Schienenkörper befestigt ist, ein Signal in Abhängigkeit vom Zustand der Eisenbahnräder zu generieren, wobei insbesondere vorzugsweise die Näherungsmeßvorrichtung wenigstens zwei mit einander gekoppelte induktive Näherungssensoren aufweist, wo bei die Näherungssensoren vorzugsweise gegeneinander auf den beiden Schienen montiert oder angeordnet sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ausgangssignale zum nächsten Ankunftsort des Zuges übertragen und können dort entweder durch eine weitere Anordnung zur Di agnose bestätigt werden oder direkt als Indiz für die weitere Wartung der Eisenbahnräder des Zuges benutzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Anordnungen zur Diagnose am Schienkörper derart angeord net, daß zu einer Achse gehörende Eisenbahnräder jeweils mit Näherungsmeßvorrichtungen überprüft werden, wobei jedoch die Auswertung der induzierten Spannungen in einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit vorgenommen wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Eisenbahnrädern gelöst, bei dem eine Näherungsmeßvorrichtung an einem Schienenkörper be festigt wird, um in Abhängigkeit vom Zustand der Eisenbahnrä der ein Signal zu erzeugen. Das Signal wird vorzugsweise von wenigstens zwei miteinander gekoppelten induktiven Näherungs sensoren erzeugt.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei ne Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Näherungsmeßvorrichtung zum Schienenkörper,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ausgangssi gnale, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Montageanordnung von Spurkranzdetektoren.

Fig. 1 zeigt die Näherungsmeßvorrichtung 1, welche derart am Schienenkörper 2 angeordnet ist, ein Signal zu erzeugen, wel ches den Zustand des Spurkranzes 3 von Eisenbahnrädern angibt. In Abhängigkeit vom Abstand x zwischen der Näherungsmeßvor richtung 1 und dem Spurkranz 3 wird in der Näherungsmeßvor richtung eine Spannung induziert, die zur Verarbeitungseinheit 10 übertragen wird, in der der exakte Abstand x mit einer Ge nauigkeit von 0,2 mm berechnet wird. Aus diesem Abstand x wird dann die Höhe S des Spurkranzes 3 berechnet. Die Höhe S des Spurkranzes sollte innerhalb des Bereiches von S_min und S_max liegen. Ein Über- bzw. Unterschreiten dieses Wertes kann zu Unfällen beim Betrieb führen. Die Näherungsmeßvorrichtung wird auf einer Grundplatte 4 befestigt. Mittels variabler Unterla gen 5 wird der Abstand x zwischen Oberkante der Näherungsmeß vorrichtung und dem Sollmaß des Spurkranzes bei der Montage justiert. Die Oberkante der Näherungsmeßvorrichtung ist paral lel zur Schienensohle 6 montiert. Der Abstand S_o zwischen der Oberkante der Näherungsmeßvorrichtung und der obersten Kante der Schienenkrone beträgt etwa 65-70 mm. Der Abstand S_o zwi schen der Oberkante der Näherungsmeßvorrichtung und der obers ten Kante der Schienenkrone hängt vom Verschleiß der Schiene ab. Mit der Nutzungszeit der Schienen wird der Wert kleiner.

Deshalb muß der Wert regelmäßig kontrolliert und eingestellt werden. Diese Einstellung kann jedoch in gewissen Maßen auch durch eine automatische Kalibrierung in der Verarbeitungsein heit durch Nachberechnen der Kennlinie der Näherungsmeßvor richtung vorgenommen werden. Der Abstand d zwischen der Me ßachse 7 der Näherungsmeßvorrichtung und der inneren Kante 8 der Schiene 2 beträgt etwa 20-22 mm. Die Näherungsmeßvorrich tung ist mittels einer Schraubverbindung 9 an der Grundplatte 4 fixiert.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung der Anordnung zur Diagnose von Eisenbahnrädern. Dabei enthält die Näherungsmeß vorrichtung 1 die Meßspule 11 und die Kompensationsspule 12, die in einer induktiven Halbrükkenschaltung miteinander gekop pelt sind. Die Verarbeitungseinheit 10 enthält einen Zweika nalmeßverstärker 13, dem die in der Meßspule 11 und der Kom pensationsspule 12 induzierten Spannungen zugeführt werden. Der Meßverstärker 13 ist symmetrisch aufgebaut und nimmt die Anpassung der Spulen 11 und 12 zueinander vor. Weiterhin ist mittels des Meßverstärkers 13 die Empfindlichkeit der Meßkanä le einstellbar. Die Signalverarbeitungskomponenten 14 enthal ten die entsprechend notwendigen Spannungsversorgungseinheiten 15 und eventuell notwendige Filter 16 zur Entstörung der An ordnung. Insbesondere ist ein Prozessor 17 enthalten, der die Berechnung des Abstandes x vornimmt. Daraus wird die Höhe S des Spurkranzes und gegebenenfalls andere berechenbare Angaben und eine entsprechende Ausgabe und Protokollierung, gegebenen falls Speicherung der Ausgangssignale in einer Speichereinheit 18, vorgenommen und eine entsprechende Übertragung an eine Auswerteeinheit 19 oder Überwachungsstelle gesteuert. Die Aus gabe oder Protokollierung kann sowohl auf einem Monitor 201 oder einem Drucker 202 erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist insbesondere die Anga be der Anzahl der detektierten Achsen, die entsprechende Num mer der mangelhaften Achse und/oder des Rades, die Fahrtrich tung und die Geschwindigkeit des Zuges feststellbar.

Derartige Anordnungen zur Diagnose werden beispielsweise in Rangierbahnhöfen eingesetzt. Bevor ein Zug in den Rangierbahn hofeinfährt, werden die Räder überprüft. Das Resultat wird bei der Rangierung berücksichtigt und die Waggons mit den man gelhaften bzw. abgenutzten Rädern werden auf ein Nebengleis gelenkt. Dabei kann die erfindungsgemäße Anordnung auch in Kombination mit anderen Diagnoseeinrichtung benutzt werden, mit denen Formveränderungen am Rad oder Laufflächenschäden de tektiert werden.

Des weiteren kann eine Abschirmung an den Landesgrenzen erfol gen. Dabei wird an der Grenze eine entsprechende Messung mit der erfindungsgemäßen Anordnung vorgenommen und die Meßresul tate bspw. per Modem oder Funk in den Rangierbahnhofübertra gen, in dem der Zug eintrifft und rangiert wird. Dort können die nicht in dem jeweiligen Land gewarteten Schienenfahrzeuge aus dem Verkehr gezogen werden, sofern problematische Radzu stände detektiert werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Ausgangssignale oder Meßresultate der erfindungsgemäßen Anordnung zur Diagnose von Eisenbahnrädern.

Auf der Abszisse 21 des Diagramms ist die induzierte Spannung dargestellt. Die Spurkranzhöhe S in mm ist auf der Ordinate dargestellt. Die Spurkranzhöhe S wird mittels der Kennlinie 23 über den entsprechenden Spannungen, die in der Meßspule indu ziert werden, dargestellt. Dabei ist die Näherungsmeßvorrich tung derart kalibriert, daß die induzierte Spannung um null Volt schwankt, so daß ein neues Rad P2 eine negative Spannung U₂ induziert. Mit andauerndem Betrieb steigt der Verschleiß des Spurkranzes und die Höhe S nimmt im Regelfall zu, so daß mit Überschreiten des Nullwertes ein Rad in den Bereich kommt, in dem eine Auswechslung oder Überarbeitung des Rades erfolgen muß. Ein neues Rad weist etwa eine Spurkranzhöhe S von 27 mm auf, welche sich im Laufe der Nutzung des Rades vergrößert.

Ein Grenzwert P1 ist hier exemplarisch bei S = 38 mm angegeben, bei der in der Meßspule eine positive Spannung U₁ induziert wird. Wenn die Anordnung zur Diagnose einen Abstand x und dar aus eine Spurkranzhöhe S berechnet, die 38 mm oder größer ist, wird eine Meldung oder ein Alarmsignal generiert. Auch ein Spurkranz der auf Grund von Laufflächenveränderungen eine Re duzierung der Spurkranzhöhe S erfahren hat und unterhalb von Smin liegt, induziert eine Spannung deren Wert eine Meldung o der einen Alarm nach sich zieht.

Um eine zuverlässige Näherungsmeßvorrichtung zu betreiben ist es notwendig diese zu kalibrieren. Dazu muß die Kennlinie der Näherungsmeßvorrichtung aufgenommen werden. Eine periodische oder gegebenenfalls andauernde Kontrolle/Kalibrierung der Nä herungsmeßvorrichtung garantiert einen zuverlässigen Betrieb.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Montage anordnung von Spurkranzdetektoren 30. Es sind vier Detektoren 30 dargestellt, die jeweils in Paaren angeordnet sind. Ein Paar Detektoren 30 sind diejenigen Detektoren, die an Schienen 31 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Detektoren an der ei nen Schienen 31 sind für die Detektion der Räder, die auf die sen Schienen laufen, wohingegen die Detektoren der anderen Schiene für die Räder auf der anderen Schiene sind. Die in Längsrichtung einer Schiene angeordneten Detektoren sind bei spielsweise in einem Abstand von 1,8 m angeordnet. Die Verwen dung von jeweils zwei Detektoren je Schiene erhöht die Meßsi cherheit für die Spurkranzdetektion. Die vier Detektoren zäh len die Anzahl der Achsen, die bei jedem Detektor übereinstim men muß. Die Durchrollzeit zwischen den in Längsrichtung der Schienen angeordneten Detektoren kann für die Zuggeschwindig keitsberechnung verwendet werden. Die Detektoren sind, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, zwischen den Schienen angeordnet und zwar vorzugsweise in einem jeweils gleichen Abstand zur jewei ligen Schiene.

Bezugszeichenliste

1

Näherungsmeßvorrichtung

2

Schienenkörper oder Schiene

3

Spurkranz

4

Grundplatte

5

Unterlagen

6

Schienensohle

7

Meßachse

8

Innere Kante der Schiene

9

Schraubverbindung

10

Verarbeitungseinheit

11

Meßspule

12

Kompensationsspule

13

Meßverstärker

14

Signalverarbeitungskomponenten

15

Spannungsversorgung

16

Filter

17

Mikroprozessor

18

Speichereinheit

19

Auswerteeinheit oder Überwachungsstelle

201

Monitor

202

Drucker

21

Abszisse

22

Ordinate

23

Kennlinie

30

Detektor

31

Schiene

32

Schienenauflage
S Spurkranzhöhe
S_min

Minimale Spurkranzhöhe
S_max

Maximale Spurkranzhöhe
x Abstand zwischen Näherungsmeßvorrichtung und Spurkranz
d Abstand zwischen Meßachse

7

und innerer Kante

8

der Schiene
P2 Spurkranzhöhe neues Rad
P1 Spurkranzhöhe abgenutztes Rad

1

Längsabstand zweier Detektoren

Claims

1. Anordnung zur Diagnose von Eisenbahnrädern mit einer dem Schienenkörper (2) zugeordneten Näherungsmeßvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungsmeßvorrichtung (1) dazu vorgesehen ist, ein vom Zustand der Eisenbahnräder abhän giges Signal (U) zu generieren.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungsmeßvorrichtung am Schienenkörper befestigt ist und wenigstens zwei miteinander gekoppelte oder gegeneinander an geordnete induktive Näherungssensoren (11, 12) enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungsmeßvorrichtung derart angeordnet ist, ein von einer Spurkranzhöhe (S) der Eisenbahnräder abhängiges Signal zu ge nerieren.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungsmeßvorrichtung an eine Verarbeitungs einheit (10) mit einem Mehrkanalmeßverstärker (13) und/oder Signalverarbeitungskomponenten (14) gekoppelt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Näherungssensoren eine Meßspule (11) und eine Kompensations spule (12) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (11) und die Kompensationsspule (12) als Halbbrücke geschaltet sind, wobei der ohmsche Zweig in der Verarbeitungs einheit (10) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Halbbrücke durch die Eisenbahnräder hervorgerufene und von der Spurkranzhöhe abhängige Induktivitätsänderung meßbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungssensoren im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungssensoren magnetisch abgeschirmt und/oder in Epoxid harz vergossen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit einer Trägerfrequenz von ungefähr 5 kHz arbei tet.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei ne automatische Kompensation von Veränderungen in der Abstim mung der Näherungssensoren vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Anordnung erzeugte Ausgangssignale zu einer Auswerteein heit (18) mit Anzeigeeinheit (19) übertragbar sind.

13. Schienennetz mit einer Anordnung zur Diagnose von Zustän den von Eisenbahnrädern mit einer dem Schienenkörper (2) zuge ordneten Näherungsmeßvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Näherungsmeßvorrichtung (1) dazu vorgesehen ist, ein vom Zustand der Eisenbahnräder abhängiges Signal (U) zu gene rieren.

14. Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Eisen bahnrädern bei dem eine Näherungsmeßvorrichtung (1) an einem Schienenkörper (2) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Näherungsmeßvorrichtung in Abhängigkeit vom Zustand der Eisenbahnräder ein Signal erzeugt wird.