DE19827982A1 - Radreifen für schienengebundene Fahrzeuge und Einrichtung zur Fehlerüberwachung von Radreifen im laufenden Betrieb - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein besonders ausgebildeter elastisch gelagerter Radreifen für Schienenfahrzeuge und eine Einrichtung zur fortlaufenden Überwachung von Radreifen auf Rißbildung. DOLLAR A Gegenüber bisher bekannten Ausführungsformen wird der Radreifen mit einem ringscheibenförmigen Fortsatz ausgerüstet, der dem Reifenprofil höhere Biegefestigkeit verleiht und es gestattet, Risse, die von Bereichen kleineren Durchmessers ausgehen, durch berührungslose, induktive Wirbelstrom-Sensoren oder andere geeignete Sensoren im laufenden Betrieb sowie das Entstehen gefährlicher Risse im Radreifen frühzeitig zu detektieren. DOLLAR A Damit wird die Betriebssicherheit elastisch gelagerter Radreifen entscheidend erhöht. DOLLAR A Die vorwiegend zu verwendenden berührungslosen induktiven Wirbelstrom-Sensoren können nach dem Stand der Technik dem rauhen Bahnbetrieb entsprechend sehr robust und zuverlässisg ausgeführt werden.

Description

Schienengeführte Fahrzeuge, insbesondere Bahnfahrzeuge, werden mit metallischen Laufrädern ausgerüstet, die auf den Schienen mit geringem Rollreibungskoeffizienten abrollen. Durch mechanische Bremsvorgänge mit Verringern der kinetischen Energie des Fahrzeuges wird die zwischen den Laufrädern und den Schienen bestehende Haftreibung so beansprucht, daß es zu einem Abriß der Haftreibung kommen kann, wodurch das Laufrad nicht mehr abrollt, sondern mit geringer Drehzahl oder im Stillstand auf der Schiene gleitet. Dadurch wird an der Gleitfläche des Rades Material abgetragen und es entsteht eine Flachstelle. Sie bewirkt beim weiteren Lauf des Rades auf der Schienen ein ständiges "Klopfen" bei jeder Radumdrehung, das sowohl die Schiene belastet, die Gebrauchsdauer des Rades verringert, als auch unerwünschte Vibrationen und Geräusche des Bahnfahrzeuges hervorruft. Solchermaßen geschädigte Laufräder müssen ausgebaut und durch Nachdrehen der Lauffläche instandgesetzt werden. Diese Nacharbeiten sind nicht beliebig oft wiederholbar, weil dadurch der Raddurchmesser verändert und die Radkonstruktion geschwächt wird.

Seit vielen Jahrzehnten ist aus diesen Gründen üblich, auf die entsprechend ausgeführten Laufräder Radreifen als Verschleißteile aufzuziehen.

Im Fall erforderlicher Nacharbeiten ist dann lediglich der Reifen hiervon betroffen, Räder und Achsen bleiben lange Zeit betriebsbereit, wenn bei zunehmender Abnutzung des Radreifens dieser ausgetauscht wird.

Um einen zuverlässigen Sitz des Radreifens auf dem Laufrad zu gewährleisten, werden diese seit langer Zeit in warmem bis glühenden Zustand aufgezogen und schrumpfen beim Erkalten fest auf das Rad auf.

Diese technische Lösung ist weltweit bekannt und üblich.

Für Bahnfahrzeuge zur Personenbeförderung, insbesondere für Schnellbahnen und Hochgeschwindigkeitszüge, ist es aus Gründen des Reisekomforts erwünscht, Laufgeräusche und Vibrationen, die durch das Abrollen der Laufräder auf den Schienen, insbesondere beim Passieren von Weichen entstehen, auf ein möglichst geringes Maß zu reduzieren. Um dies zu erreichen, werden Rad reifen nicht auf den Radkörper unmittelbar aufgeschrumpft, sondern durch eine dünne elastische Zwischenschicht vom Radkörper gegen Schwingungsübertragung für einen bestimmten Frequenzbereich isoliert.

Mit dieser Methode ist jedoch ein schwerwiegender Nachteil verbunden, der die Zuverlässigkeit des Radreifens vermindert.

Bei elastisch gelagerten Radreifen der bisher bekannten konstruktiven Bauweise entsteht gegenüber aufgeschrumpften Rad reifen nämlich eine enorme zusätzliche Belastung des Reifenmaterials. Dies wird in Fig. 1 gezeigt.

Mit 1 ist das Laufrad bezeichnet. 2 stellt die elastische Schicht zwischen Laufrad und Reifen 3 dar.

Sie besteht beispielsweise aus Kautschuk. 4 zeigt die Schiene.

Die Radlast G drückt das Rad mit dem Reifen gegen die Schiene. Am Radreifen entsteht die Kraft F in gleicher Höhe. Durch die elastische Lagerung wird durch F die Flächenbelastung der elastischen Schicht so groß, daß sie an dieser Stelle zusammengedrückt und dadurch der Reifen auf Biegung verformt wird.

Bei der Radumdrehung verschiebt sich der Biegungsbereich entlang des gesamten Radreifens. Er unterliegt somit einer ständigen Wechselbeanspruchung.

Bei aufgeschrumpften Radreifen kann diese Belastung deshalb nicht auftreten, weil sich der auf dem Radkörper fest aufsitzende Reifen beim Abrollen nicht verformen kann.

Die Wechsel-Biegebeanspruchung eines elastisch gelagerten Radreifens muß zwangsweise zu einer Verringerung der Gebrauchsdauer führen, da Materialermüdungen im kristallinen Gefüge des Reifenmaterials unvermeidbar sind. Die Folge sind auftretende Risse im Reifenmaterial, die vorwiegend von den Oberflächen ausgehend, fortschreitend den Reifen schädigen.

Durch plötzlichen Bruch des Reifens sind katastrophale Unfälle nicht zu vermeiden.

Um der Gefahr von Materialbrüchen vorzubeugen, werden gegenwärtig von Zeit zu Zeit die Laufräder von Hochgeschwindigkeitszügen auf Rißbildung untersucht. Dafür werden vorwiegend Ultraschall-Riß­ prüfgeräte verwendet, deren Sonden berührend auf dem Radkranz aufgesetzt und auf ihm herumgeführt werden. Mit Hilfe des Ultraschall- bzw. besser Ultravibrations-Reflektionsverfahrens können auch tiefliegende Risse und Unregelmäßigkeiten im Materialgefüge erkannt werden. Beim Überschreiten bestimmter empirisch festgelegter Grenzwerte wird das Rad mit seinem Reifen dann ausgetauscht und nachgearbeitet.

Für solche Prüfungen werden auch induktive Wirbelstrom-Prüfmethoden angewendet, die in einer bestimmten Gerätetechnik ohne Berührung mit dem Werkstück Oberflächenrisse erkennen. Für tiefer unter der Oberfläche liegende Risse sind sie jedoch im allgemeinen nicht brauchbar.

Neueste Entwicklungen haben auch ergeben, daß sich Mikrowellen-Sensoren einsetzen lassen.

Es hat sich gezeigt, daß bei elastisch gelagerten Radreifen Rißbildung sowohl an der außenliegenden Oberfläche, also der Lauffläche, als auch an der Innenfläche, also der dem Laufrad zugekehrten Reifenfläche auftreten kann. Selbst bei sorgfältiger regelmäßiger stationärer Prüfung der Radreifen kann nicht sichergestellt werden, daß in der Betriebszeit, bis zur nächsten Prüfung keine gefährliche Risse entstehen.

Die Unsicherheit in der Zuverlässigkeitsprognose ist deshalb hoch. Es ist somit erforderlich, künftig sensorische Überwachungsgeräte einzusetzen, die während des laufenden Betriebs den Zustand jedes Radreifens ständig überwachen und bei auftretender Rißbildung sofort Warnsignale an den Zug-Leitstand meldet.

Für diese Aufgabe sind nur solche Methoden geeignet, die berührungslos angewendet werden können und die dem rauhen Bahnbetrieb gewachsen sind.

Es ist nicht möglich, von außerhalb des Radbereiches, z. B. von der Schiene her, mit ortsfesten Sensorsystemen zuverlässige Signale über Rißbildung am vorbeirollenden Radreifen zu erzeugen.

Deshalb können dafür vorwiegend nur berührungslose Sensoren an jedem Radlager eingesetzt werden, die während der Drehung des Rades fortlaufend aktiv sind. Solche, vorzugsweise induktiven Wirbelstrom-Sensorsysteme besitzen jedoch nur eine geringe sensorische Eindringtiefe. Sie können deshalb nur solche Risse oder Formänderungen erkennen, die an der Oberfläche auftreten. Solange diese Risse an der Lauffläche oder an der Kante erscheinen, lassen sie sich mit dieser Methode sicher erfassen. Rißbildungen an der inneren Fläche des Reifens sind jedoch mit nicht berührenden induktiven Wirbelstrom-Sensoren und mit anderen berührungslosen Sensoren nicht erkennbar.

Die vorliegende Erfindung hat zum Gegenstand eine konstruktive Form des Radreifens, die sowohl die Wechselbiege-Belastung des Reifens herabsetzt als auch die Möglichkeit schafft, durch gezielte Formgebung auch solche Risse durch nicht berührende Sensoren erfaßbar zu machen, die durch die verbleibende Wechselbelastung an der Innenseite des Radreifens auftreten.

Erfindungsgemäß wird der Radreifen so gestaltet, daß er nicht nur wie ein Band bzw. ein Rohrabschnitt um das Rad mit seinem Schienenführungswulst herumgelegt wird, sondern einen scheibenförmigen Ansatz erhält, der den Querschnitt des Reifens im besonders gefährdeten Lastbereich erheblich verstärkt.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Radreifens gemäß vorliegender Erfindung im Querschnitt.

In Fig. 2 sind bezeichnet mit 5 der Laufradkörper auf der Achse 6 mit dem Lagerzapfen 7, mit 8 der Radreifen auf der elastischen Zwischenschicht 9, mit 10 der ringscheibenförmige Fortsatz des Radreifens auf der Außenseite des Laufrades. Der Radreifen ist am Übergang zum scheibenförmigen Fortsatz innen und außen abgerundet. Diese beiden Stellen sind mit 11 und 12 bezeichnet.

Die Kraftverteilung im Rad reifen und unter Betriebsbedingungen auf der Schiene ist in Fig. 3 dargestellt. Darin sind mit 7 die Lagerzapfen des Laufrades 14, der Führungswulst des Radreifens mit 15, der Radreifen mit dem ringscheibenförmigen Fortsatz mit 16 bezeichnet.

Die Kraft F wirkt auf den Rad reifen und findet im ringscheibenförmigen Fortsatz im Laufe des Kraftflusses einen Materialquerschnitt hohen Flächenträgheitsmoments vor. Die Biegebeanspruchung des auf der Schiene abrollenden Teils des Radreifens wird durch die günstige Kraftverteilung in den ringscheibenförmigen Fortsatz hinein herab gesetzt. Zugleich wird erreicht, daß die höchsten Zugkräfte an der inneren Kante des ringscheibenförmigen Fortsatzes auftreten.

Wenn durch Inhomogenitäten des Materials oder durch Ermüdungserscheinungen in Folge ständiger Wechselbeanspruchung beim Abrollen im Betrieb sich Risse ausbilden könnten, so ist mit hoher Wahrscheinlichkeit davon aus zu gehen, daß sie an der Innenkante des ringscheibenförmigen Fortsatzes zuerst auftreten, weil dort die höchsten Wechsel-Zugbeanspruchung im Material wirken.

An dieser Stelle können jetzt aber berührungslose, vorzugsweise induktive Wirbelstrom-Sensoren angeordnet werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Radreifens, gekennzeichnet durch den ringscheibenförmigen Fortsatz, ermöglicht es somit, gefährliche Risse im Material an den Radreifeninnenseiten rechtzeitig erkennbar zu machen und über Alarmsignale den Zug-Leitstand mitzuteilen, bevor sich ein Riss in Richtung zum Radreifen hin weiter ausbreiten kann.

Fig. 4 zeigt die Anordnung von berührungslosen Riss-Sensoren an einem erfindungsgemäß ausgeführten Radreifen.

In Fig. 4 sind das Laufrad 5 mit dem Lagerzapfen 7 im Radlager 7a dargestellt. Am Radreifen 8 mit seinem ringscheibenförmigen Fortsatz sind die berührungslosen Sensoren, vorzugsweise induktive Wirbel­ strom-Sensoren 18 und 19 angeordnet. Sie tasten beim Umlaufen des Rades fortlaufend die Innenkante des Fortsatzes mit Sensor 19 und die Stirnfläche des Fortsatzes mit Sensor 18 ab.

Zur sofortigen Erkennung von auftretenden Rissen, entstehenden Flachstellen und anderen kraterförmigen Oberflächenschäden der Lauffläche des Radreifens ist ferner ein berührungsloser, vorzugsweise induktiver Wirbelstrom-Sensor 20 angeordnet, der die gesamte Lauffläche beim Radumlauf fortlaufend abtastet.

Die Sensoren 18, 19 und 20 sind auf dem Radlager 7a montiert und mit der Sensorelektronik 21 verbunden, die beim Erkennen von Rissen oder andere Oberflächenfehlern Alarmsignale an Ausgang 22 erzeugt, die zum Zug-Leitstand weitergeleitet werden. Dort können alle Sensoren eines Zuges über einen Zentralrechner überwacht und alle Signale bewertet werden, um gegebenenfalls mit weiteren Sensoren, die Vibrationen und Geräusche detektieren und analysieren, korrelativ miteinander verknüpft zu werden, um einen hohen Grad von Betriebssicherheit durch umfassende redundante Überwachung zu gewährleisten.

Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäß ausgeführten Radreifens zeigt Fig. 5.

In Fig. 5 stellen 13 den Lagerzapfen des Laufrades, 14 das Laufrad selbst, 15 der Schienenführungsansatz des Radreifens und 16 den ,ringscheibenförmigen Fortsatz in axialer Ansicht dar.

Der ringscheibenförmige Fortsatz 16 ist mit Bohrungen 23 versehen, die gegeneinander versetzt so angeordnet sind, daß bei einem am inneren Rand 24 des Fortsatzes auftretender Riss 25 sich nicht mehr ungehindert radial nach außen in Richtung zu Lauffläche des Radreifens ausbreiten kann, sondern bei sinnvoller und dem Kraftfluß im Fortsatz entsprechend angepasster Anordnung in einer der Bohrungen sich totläuft. Die Betriebssicherheit des Radreifens wird durch diese erfindungsgemäße Maßnahme zusätzlich erhöht. Die Detektierbarkeit solcher Risse bereits unmittelbar nach ihrem Entstehen ist auch hier gewährleistet, wenn die Sensoren 18 und 19 wie in Fig. 4 gezeigt entsprechend angeordnet sind.

Fig. 5 stellt nur eine der möglichen konstruktiven Ausbildung des erfindungsgemäßen Radreifens dar. Anstelle runder Bohrungen sind auch andere Durchbrüche in sinnvollen Formen möglich.

Durch die Montage der berührungslosen Sensoren auf dem Lagerblock der Radlagerung lassen sich Relativbewegungen vom Sensor zum Rad reifen hinreichend gering halten.

Claims (10)

1. Radreifen für schienengebundene Fahrzeuge und Einrichtung zur Fehlerüberwachung von Radreifen im laufenden Betrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der Radreifen seitlich außerhalb des Radkörpers mit einem ringscheibenförmigen Fortsatz versehen ist, welcher die Verformfestigkeit des Radreifens unter Last beim Abrollen auf der Schiene erhöht und zugleich ermöglicht, evtl. auftretende Materialrisse oder andere Fehler von der Innenkante des Fortsatzes her und auf seiner Fläche durch risserkennende Sensoren bereits unmittelbar nach dem Entstehen zu detektieren und elektrische Warnsignale zum Zug-Leitstand zu erzeugen.

2. Radreifen und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringscheibenförmige Fortsatz des Radreifens zum Zentrum des Rades hin mit Bohrungen versehen ist, die so angeordnet sind, daß sich an Innenkante des Fortsatzes oder auf seiner Fläche ausbildende Materialrisse, die in Richtung radial nach außen zur Radreifenlauffläche hin fortschreiten können, in den Bohrungen sich totlaufen und somit nicht weiter, die Betriebssicherheit gefährdend vordringen können.

3. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenkante des ringscheibenförmigen Fortsatzes berührungslos wirkende Sensoren angeordnet sind, die vorzugsweise auf dem Lagerblock montiert sind und die beim vorbeidrehen der Kante dort entstehende Risse unmittelbar und fortlaufend detektieren und elektrische Signale erzeugen, die dem Zug-Leitstand zugeführt werden.

4. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß berührungslose Sensoren zur Erkennung von Rissen gegenüber der ringscheiben­ förmigen Außenseite des Fortsatzes angeordnet sind, die entstehende Risse bei der Drehung des Rades unmittelbar und fortlaufend an dieser Fläche detektieren und Signale zur Weiterleitung zum Zug-Leitstand erzeugen.

5. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Lauffläche des Radreifens, vorzugsweise oberhalb des Rades berührungslose Sensoren angeordnet werden, die entstehende Oberflächenfehler un­ mittelbar auf der Außenseite der Lauffläche beim Umlauf des Rades fortlaufend erkennen und elektrische Signale erzeugen, die dem Zug-Leitstand zugeführt werden.

6. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß als berührungslose Sensoren induktive Wirbelstrom-Sensoren verwendet werden.

7. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß induktive Wirbelstrom-Sensoren mit kombinierter Erreger- und Sondenwicklung in einem Gehäuse verwendet werden.

8. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4, und 5 dadurch gekennzeichnet, daß Mikrowellen-Sensoren mit Fähigkeit zum Erkennen von Oberflächenfehler, insbe­ sondere von Rissen angeordnet werden.

9. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß magnetosensive Sensoren, insbesondere Feld- oder Hallsonden sowie magneto­ resistive Sensoren mit Risserkennungsfähigkeiten angeordnet werden.

10. Radreifen und Einrichtung nach Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß risserkennende optischen Sensoren, vorzugsweise Laser-Sensoren angeordnet werden.