Bremssteuereinrichtung für eine Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs, Bremsanlage, Schienenfahrzeug sowie Verfahren zum Durchführen einer Zustandsanalyse eines Schienenfahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremssteuereinrichtung für eine Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs, eine Bremsanlage für ein Schienenfahrzeug mit einer Bremssteuereinrichtung, ein Schienenfahrzeug sowie Verfahren zum Durchführen einer Zustandsanalyse eines Schienenfahrzeugs. Moderne Schienenfahrzeuge, insbesondere Hochgeschwindigkeitszüge, können erheblichen Belastungen und Gefährdungen durch äußere Umstände unterliegen. Um während der Fahrt auftretende Probleme zu identifizieren, wie beispielsweise eine Entgleisung, sind häufig spezielle Sensoreinrichtungen vorgesehen. Beim Analysieren eines Zustands des Schienenfahrzeugs ist dabei einerseits darauf zu achten, dass ein Gefährdungszustand rechtzeitig entdeckt wird. Andererseits soll ein zuverlässiger und pünktlicher Fahrbetrieb nicht durch Fehlalarme gefährdet werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Zustandsanalyse eines Schienenfahrzeugs während einer Fahrt und/oder zwischen Fahrten zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Schienenfahrzeug einen oder mehrere Wagen mit oder ohne eigenen Antrieb und/oder ein Zugfahrzeug in beliebiger Kombination bezeichnen. Insbesondere kann ein Schienenfahrzeug Triebwagen aufweisen. Eine Bremsanlage kann eine hydraulische, insbesondere eine elektro- hydraulische, oder eine pneumatische, insbesondere eine elektropneumatische, oder eine elektrische oder elektromechanische Bremsanlage sein. Die Bremsanlage kann mindestens eine entsprechende Bremsvorrichtung und gegebenenfalls eine Steuereinrichtung umfassen. Eine pneumatische oder hydraulische Bremsvorrich- tung oder Bremsanlage kann allgemein als eine druckbetätigte Bremsvorrichtung oder Bremsanlage angesehen werden. Analog kann eine elektrische oder elektromechanische Bremsvorrichtung oder Bremsanlage als elektrisch betätigte Bremsvorrichtung oder Bremsanlage bezeichnet werden. Eine druckbetätigte oder elektrisch betätigte Bremsvorrichtung kann eine sogenannte kraftschlussabhängige Bremsvorrichtung sein, welche mindestens eine Reibbremseinrichtung aufweist und ihre Bremskraft über einen Rad-Schiene-Kontakt zu übertragen vermag. Eine solche Bremsvorrichtung kann auch als kraftschlussabhängige Reibungsbremsvorrichtung bezeichnet werden. Typische Beispiele für kraftschlussabhängige Reibungsbremsvorrichtungen sind Scheibenbremsvorrichtungen, Klotzbremsvorrichtungen oder kombinierte Klotz/Scheibenbremsvorrichtungen. Bremsvorrichtungen wie Schienenbremsen, welche ihre Bremskraft nicht über einen Rad-Schiene-Kontakt übertragen, sondern einen eigenen Reibkontakt mit der Schiene herstellen, sind in diesem Sinne nicht als kraftschlussabhängige Bremsen anzusehen. Eine elektropneumatische oder elektrohydraulische Bremsanlage kann insbesondere elektrisch ansteuerbare Ventile wie Magnetventile oder elektrisch ansteuerbare Vorsteuerventile aufweisen. Eine elektrische oder elektromechanische Bremsvorrichtung kann durch einen elektrischen Strom zu einer Bremsung betätigbar sein. Eine druckbetätigte, insbesondere eine hydraulische oder pneumatische, oder eine elektrisch betätigte Bremsvorrichtung kann zur Bremsung eines einzelnen Rades und/oder einer Achse des Schienenfahrzeugs vorgesehen sein. Eine druckbetätigte Bremsvorrichtung wie eine hydraulische oder pneumatische Bremsvorrichtung oder eine elektrische oder
elektromechanische Bremsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Reibbremseinrichtung mit einem zugeordneten Krafterzeuger wie einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder oder einem elektrisch betätigbaren Aktuator aufweisen. Der Krafterzeuger betätigt bei Beaufschlagung mit einem Druck oder bei Versorgung mit einem elektrischen Strom die zugeordnete Reibbremseinrichtung. Es kann eine Hauptsteuerventileinrichtung der Bremsanlage vorgesehen sein, die einen Bremsdruck für eine oder mehrere pneumatische oder hydraulische Bremsvorrichtungen bereitzustellen vermag. Eine Hauptsteuerventileinrichtung kann dazu ausgebildet sein den Bremsdruck, nach Maßgabe einer elektronischen Steuerein- richtung bereitzustellen, beispielsweise nach Maßgabe einer Bremssteuereinrichtung. Es kann vorgesehen, dass die Hauptsteuerventileinrichtung es vermag, einen Vorsteuerdruck in einen Bremsdruck umzusetzen, beispielsweise durch Druckverstärkung und/oder Umsetzung des Drucks auf ein größeres Volumen. Eine Bremsvorrichtung kann allgemein zur Bremsung eines einzelnen Rades und/oder einer Radchse des Schienenfahrzeugs vorgesehen sein. Eine Reibbremseinrichtung kann beispielsweise eine Scheibenbremse mit einer Bremsscheibe sein, die dadurch betätigt wird, dass über eine Bremszange eine oder mehrere Reibbremselemente wie Bremsbacken mit einem Bremsbelag in Kontakt mit der Bremsscheibe gebracht werden, um auf diese Art eine Bremswirkung zu erzeugen. Eine Reibbremseinrich- tung kann auch einen Bremsklotz mit einem Bremsbelag aufweisen, der durch einen Krafterzeuger wie einen pneumatischen Zylinder derart betätigbar ist, dass der Bremsklotz mit einer Radlauffläche in Kontakt kommt, um Bewegungsenergie in Wärme umzusetzen und das zu bremsende Rad abzubremsen. Es ist vorstellbar, dass eine Reibbremseinrichtung jeweils zum Bremsen eines einzelnen Rades oder einer Achse vorgesehen ist. Ein auf den Krafterzeuger oder den pneumatischen oder hydraulischen Zylinder ausgeübter Druck kann als Bremsdruck bezeichnet werden. Ein zum Betätigen einer elektrisch betätigten Bremsvorrichtung bereitgestellter elektrischer Strom kann als Bremsstrom bezeichnet werden. Die bei Betätigen einer Reibbremseinrichtung durch den Krafterzeuger ausgeübte Kraft kann als Bremskraft bezeichnet werden. Die Bremskraft hängt von dem ausgeübten Bremsdruck oder dem wirkenden Bremsstrom sowie von der Konstruktion und Funktions-
weise der Reibbremsvorrichtung ab. Als Bremsmoment kann das Moment bezeichnet werden, das auf das Rad beziehungsweise zum Bremsen ausgeübt wird. Das Bremsmoment hängt insbesondere von der Bremskraft und von der Radgeometrie ab, insbesondere von einem Raddurchmesser. Eine Bremskraft kann auf ein ruhen- des oder bewegtes Rad ausgeübt werden. Wird eine Bremskraft auf ein bewegtes Rad ausgeübt, wird ein Bremsmoment erzeugt. Durch Ausüben einer Bremskraft auf eine Reibbremseinrichtung wird auf die Reibbremseinrichtung, insbesondere in eine Kontaktfläche zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Elementen eines Reibpaars, eine bestimmte Belastung in Form einer Bremskraft und/oder einem Bremsmoment ausgeübt. Ein Reibpaar kann allgemein einen Bremsbelag und Reibflächen umfassen, wie eine Radlauffläche oder eine Bremsfläche einer Bremsscheibe, die bei einer Bremsung in reibenden Kontakt miteinander gebracht werden. Eine Bremssteuereinrichtung kann eine elektronische Steuereinrichtung für eine Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs sein. Die Bremssteuereinrichtung kann beispielsweise ein Gleitschutzrechner, ein Bremsrechner oder eine andere zur Steuerung der Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs ausgebildete Steuereinrichtung sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremssteuereinrichtung für eine Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs, wobei die Bremssteuereinrichtung zum Empfang von Schwingungsdaten mit einer schwingungsempfindlichen Sensoreinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Die Bremssteuereinrichtung ist dazu eingerichtet, aus den Schwingungsdaten mindestens ein periodisches Signal zu identifizieren und auf den Schwingungsdaten basierende Vergleichsdaten zu speichern. Ferner ist die Brems- Steuereinrichtung dazu ausgebildet, basierend auf den Vergleichsdaten und/oder dem mindestens einen periodischen Signal eine Zustandsanalyse des Schienenfahrzeugs durchzuführen. Somit kann die Bremssteuereinrichtung gespeicherte Daten, welche Zustände des Fahrzeugs beschreiben, für eine Zustandsanalyse heranziehen. Im Rahmen dieser Beschreibung können quasi-periodische Signale im Wesentlichen als periodische Signale angesehen werden. Eine Quasi-Periodizität eines Signals kann insbesondere auf eine sich ändernde Fahrzeuggeschwindigkeit
und/oder auf eine sich ändernde Raddrehzahl zurückzuführen sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Zu- standsanalyse von der Sensoreinrichtung erhaltene Schwingungsdaten mit den Vergleichsdaten zu vergleichen. Insbesondere können aktuelle Schwingungsdaten und/oder das mindestens eine periodische Signal mit Vergleichsdaten verglichen werden. Vergleichsdaten können in einem bestimmten Format gespeicherte Schwingungsdaten sein. Es ist vorstellbar, dass Vergleichsdaten bearbeitete und/oder modifizierte Schwingungsdaten sind. Insbesondere können auf Schwingungsdaten basierende Berechnungen zu Vergleichsdaten führen. Vergleichsdaten können insbesondere auf der Fahrtgeschwindigkeit und/oder einer oder mehreren Raddrehzahlen basieren, die den Schwingungsdaten zugeordnet sein können. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Schwingungsdaten basierend auf zugeordneten Raddrehzahldaten und/oder Fahrtgeschwindigkeitsdaten zu filtern, um ein von einer Raddrehzahl unabhängiges und/oder von der Fahrtgeschwindigkeit unabhängiges Signal zu erhalten, auf welchem die Vergleichsdaten basieren können. Insbesondere können Daten auf eine gemeinsame Zeitbasis und/oder Radumdrehungszahlbasis normiert werden. Schwingungsdaten und Sensoren einer Sensoreinrichtung können insbesondere einer Bremseinrichtung, beispielsweise einer Bremszange, einer Aufhängung einer Bremseinrichtung, einem Bremsklotz oder einer Aufhängung einer oder mehrerer Bremseinrichtungen an einem Drehgestell eines Fahrzeugs zugeordnet sein. Schwingungsdaten können die Schwingungen an einem oder mehreren solcher Orte repräsentieren oder erfassen. Insbesondere können Schwingungsdaten mechanischen Schwingungen von Bestandteilen des Fahrzeugs, eines Drehgestells, einer Radaufhängung, eines Rades und/oder einer Bremseinrichtung zugeordnet sein. Vergleichsdaten können jeweils einzelnen Sensoren und/oder Orten im Fahrzeug zugeordnet sein. Periodische Signale können beispielsweise Fehlstellen an einem oder mehreren Rädern repräsentieren, die sich durch Schwingungen bemerkbar machen können. Eine derartige Fehlstelle kann beispielsweise eine Unebenheit an einer Radlauffläche oder an einer Brems- fläche einer Scheibenbremse sein. Die Zustandsanalyse kann insbesondere während einer ungebremsten Fahrt wie einer Normalfahrt durchgeführt werden, wäh-
rend das Fahrzeug nicht gebremst wird oder zumindest eine der Sensoreinrichtung zugeordnete Bremseinrichtung nicht betätigt ist. Eine Zustandsanalyse kann auch durchgeführt werden, während das Fahrzeug ruht, etwa als Teil einer Wartung. Dabei kann auf gespeicherte Daten zurückgegriffen werden. Es kann vorgesehen sein, bei ruhendem Fahrzeug eine umfassendere Analyse durchzuführen, bei der eine größere Datenmenge analysiert wird, als während der Fahrt. Sind die typischen periodischen Schwingungszustände eines Fahrzeugs bekannt, lassen sich durch Vergleich mit den durch ein oder mehrere periodische Signale oder deren Spektrum repräsentierten periodischen Signalen einerseits neu auftauchende periodische Signale identifizieren und andererseits aktuelle nicht-periodische Ereignisse von besonderer Relevanz erkennen. Dazu können insbesondere Amplituden von Signalen mit den Vergleichsdaten verglichen werden. Zum Identifizieren periodischer Signale können Schwingungssignale mit einer Zeitbasis beispielsweise in eine Frequenzbasis transformiert werden, um ein Frequenzspektrum zu erhalten. Es können Frequenzspektren zu unterschiedlichen Zeitpunkten, etwa in vorgegebenen Intervallen, ermittelt und als Vergleichsdaten gespeichert werden. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf eines Frequenzspektrums aufgezeichnet werden. Dabei kann eine Fourier-Transformation verwendet werden, insbesondere eine Fast- Fourier-Transformation (FFT). Die Vergleichsdaten können insbesondere periodi- sehe Signale sein, die aus den Schwingungsdaten identifiziert wurden. Es ist vorstellbar, dass basierend auf periodischen Signalen Fehlstellen identifiziert und angezeigt werden. Dies kann insbesondere für die Wartung relevant sein. Es ist auch vorstellbar, dass basierend auf den Vergleichsdaten eine Entwicklung von periodischen Signalen über längere Zeiträume verfolgt wird. Die Bremssteuerein- richtung kann etwa dazu ausgebildet ein, zu überwachen, ob sich die Amplitude derartiger periodischer Signale, die auf eine Fehlstelle hinweisen können, im Verlauf längerer Zeit vergrößert. Es kann vorgesehen sein, dass dann, wenn eine Amplitude eines periodischen Signals einen Schwellenwert überschritten hat, ein Warnsignal ausgegeben wird, welches auf einen erhöhten Wartungsbedarf und/oder die Not- wendigkeit einer sofortigen Handlung hinweist. Andererseits kann es zweckmäßig sein, Fehlstellen, die periodische Signale mit einer geringen, nicht sicherheitsrele-
vanten Amplitude erzeugen, zum Einordnen von zeitlichen Verläufen und zum Identifizieren ungewöhnlicher, eventuell nicht-periodisch auftretender Signale zu verwenden. Dazu können insbesondere Korrelationsanalysen durchgeführt werden. Die Bremssteuereinrichtung kann allgemein zur Ansteuerung einer oder mehrerer Bremseinrichtungen ausgebildet sein. Insbesondere kann die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet sein, eine druckbetätigte oder elektrisch betätigte Bremsanlage mit einer oder mehreren entsprechenden druckbetätigten oder elektrisch betätigten Bremsvorrichtungen und entsprechenden Reibbremseinrichtungen zu steuern oder regeln. Die Bremssteuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die beschriebene Schwingungsüberwachung parallel zu einer zusätzlichen Überwachung des Schienenfahrzeugs beziehungsweise der Bremsanlage des Schienenfahrzeugs vorzunehmen. Insbesondere bietet die Bremssteuereinrichtung eine Möglichkeit, eine zusätzliche Redundanzebene für die Beobachtung und Überwachung der Bremsanlage und/oder des Fahrzeugs bereitzustellen. Durch eine geeig- nete Transformation können die Vergleichsdaten eine Vergleichsbasis für Signale repräsentieren, die während einer Fahrt zu erwarten sind. Mit dieser Vergleichsbasis können neu auftretende Signale verglichen werden. Abweichungen von einer solchen Vergleichsbasis, die beispielsweise einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigen, können gegebenenfalls als Indizien für ein bestimmtes Ereignis oder einen bestimmten Zustand des Fahrzeugs und/oder als Auslöser für eine eventuelle Steuermaßnahme des Fahrzeugs dienen. Es kann etwa vorgesehen sein, dass in Antwort auf ein Warnsignal und/oder ein Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes das Schienenfahrzeug durch die Bremssteuereinrichtung abgebremst wird.
Es kann zweckmäßig sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgelegt ist, bei der Zustandsanalyse auf von der Sensoreinrichtung empfangenen Schwingungsdaten basierende Daten mit gespeicherten Vergleichsdaten zu vergleichen. Dazu können die Schwingungsdaten und/oder Vergleichsdaten insbesondere in das gleiche Format transformiert werden. Ferner kann vorgesehen sein, eventuelle Filterungen, insbesondere mit Bezug auf Geschwindigkeit und/oder Raddrehzahl
vorzunehmen, um Datensätze mit gleicher oder vergleichbarer Normierung zu erzeugen.
Die Sensoreinrichtung kann mindestens einen schwingungsempfindlichen Sensor zum Erfassen eines Bremsmomentes und/oder einer Bremskraft umfassen, die von einer Reibbremseinrichtung ausgeübt werden. Die Reibbremseinrichtung kann eine Reibbremseinrichtung einer druckbetätigten oder elektrisch betätigten Bremsvorrichtung sein, insbesondere einer kraftschlussabhängigen Bremsvorrichtung. Ein derartiger schwingungsempfindlicher Sensor kann insbesondere einer druckbetätig- ten oder elektrisch betätigten Bremsvorrichtung, einer Reibbremseinrichtung und/oder einem Drehgestell zugeordnet sein, an dem mindestens eine Reibbremseinrichtung aufgehängt ist. Es können auch Sensoren für mehr als eine Bremsvorrichtung beziehungsweise mehr als eine Reibbremseinrichtung vorgesehen sein. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn ein Sensor einer Reibbremseinrichtung zugeordnet ist, so dass er die von dieser einen Reibbremseinrichtung erzeugte Bremskraft beziehungsweise ein zugeordnetes Bremsmoment erfassen kann. Wird eine derartige Reibbremseinrichtung nicht betätigt, kann der Sensor während einer Fahrt erzeugte Schwingungen und Vibrationen aufnehmen und an die Bremssteuereinrichtung übermitteln. Eine Zustandsanalyse beziehungsweise die Identifikation periodischer Signale oder das Speichern von Vergleichsdaten kann insbesondere während eines Zustande erfolgen, in dem eine zugeordnete Reibbremseinrichtung nicht betätigt ist, da dann die Schwingungen und Vibrationen nicht durch mit der Bremsung verbundene Signale überlagert werden, die in der Regel wesentlich größere Amplituden aufweisen als mechanische Schwingungen während der Fahrt. Die Bremssteuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine Zustandsanalyse während einer Bremsung basierend auf Schwingungsdaten von Sensoren durchzuführen, die während der Bremsung nicht betätigten Bremsvorrichtungen oder Reibbremseinrichtungen zugeordnet sind. Beispielsweise kann während einer Fahrt eine Bremsung unter Einsatz einer verringerten Anzahl von Reibbremseinrichtungen oder vollständig ohne Reibbremseinrichtung durchgeführt werden, etwa wenn eine Wirbelstrombremse eingesetzt wird. Es ist auch vorstellbar, dass eine Magnetschie-
nenbremse oder andere Art von Bremse verwendet wird, ohne dass eine druckbetätigte oder elektrisch betätigte Bremsanlage eingesetzt werden muss. In den Schwingungssensoren der nicht betätigten Bremseinrichtungen schlagen sich dann gegebenenfalls periodische Signale nieder, die durch die betätigten Bremsvorrich- tungen erzeugt werden, und die auf mögliche Probleme oder Fehlstellen dieser betätigten Bremsanlagen hinweisen können. Es ist auch vorstellbar, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, während einer Bremsung mindestens eine bestimmte Reibbremseinrichtung eines Bremssystems nicht zur Bremsung anzusteuern und Schwingungsdaten mindestens eines dieser mindestens einer Reibbremseinrichtung zugeordneten Sensors zur Zustandsanalyse zu empfangen und zu verarbeiten. Beispielsweise kann eine derartige Ansteuerung gezielt durch die Bremssteuereinrichtung erfolgen, um auch während einer Bremsung geeignete Schwingungsdaten zu erhalten. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, während einer Bremsung mindestens eine Reib- bremseinrichtung unbetätigt zu lassen. Somit trägt diese Reibbremseinrichtung nicht zu einer Bremsung bei. Während der Bremsung können von einem dieser mindestens einen unbetätigten Reibbremseinrichtungen zugeordneten Sensorschwingungsdaten an die Bremssteuereinrichtung übermittelt werden, aus denen die Bremssteuereinrichtung periodische Signale identifiziert und welche als Basis für Vergleichsdaten dienen können. Auf diese Art können beispielsweise Fehlstellen bei anderen Bremseinrichtungen ermittelt werden, ohne dass dafür zusätzliche Sensoren notwendig sind. Insbesondere kann die zeitliche Entwicklung von Fehlstellen auf diese Art während Bremsungen mit geringer Bremswirkung überwacht werden. Die Bremssteuereinrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, Bremsparame- ter, mit denen eine Bremsung angesteuert wird, als Vergleichsdaten zu speichern. Beispielsweise können ein einer oder mehreren Reibbremseinrichtungen bereitgestellter Bremsdruck oder Bremsstrom und/oder Daten bezüglich eines zeitlichen Verlaufs des Bremsdrucks oder Bremsstroms als Bremsparameter angesehen werden. Derartige Daten können mit anderen, auf Schwingungsdaten basierenden Vergleichsdaten gespeichert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, für die Bremsung relevante Daten, wie
beispielsweise eine Verzögerung und/oder eine ausgeübte Bremskraft und/oder eine Raddrehzahländerung zu einer Filterung von Vergleichsdaten heranzuziehen oder als Teil der Vergleichsdaten abzuspeichern. Die Sensoreinrichtung kann mindestens einer Reibbremseinrichtung zugeordnet sein. Somit ergibt sich eine feste Zuordnung von Schwingungsdaten zu einer Reibbremseinrichtung, was eine detaillierte Analyse der Schwingungsdaten beziehungsweise des Zustande des Schienenfahrzeugs ermöglicht.
Bei einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung mit mindestens einem Raddrehzahlsensor verbunden oder verbindbar ist. Ein derartiger Raddrehzahlsensor kann insbesondere einem Rad zugeordnet sein, welches durch eine einem Sensor der Sensoreinrichtung zugeordnete Reibbremseinrichtung bremsbar ist. Somit ergibt sich eine direkte Zuordnung zwischen einer gemessenen Raddrehzahl eines bestimmten Rades und zugehörigen Schwingungsdaten. Es kann vorgesehen sein, dass ein Raddrehzahlsensor Raddrehzahldaten an die Bremssteuereinrichtung übermittelt oder zu übermitteln vermag. Basierend auf Raddrehzahldaten von mehr als einem Raddrehzahlsensor kann beispielsweise eine Fahrtgeschwindigkeit ermittelt werden. Es ist auch vorstellbar, dass die Bremssteuereinrichtung zum Empfangen von Fahrtgeschwindigkeitsdaten mit einer weiteren Steuereinrichtung, einer geeigneten Sensoreinrichtung und/oder einem GPS-Empfänger verbunden oder verbindbar ist.
Es kann zweckmäßig sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Zustandsanalyse basierend auf Streckendaten durchzuführen, welche eine von dem Schienenfahrzeug befahrene Strecke betreffen. Somit können äußere Umstände berücksichtigt werden, die sich auf Schwingungsdaten auswirken könnten, wodurch sich die Qualität der Zustandsanalyse verbessert. Streckendaten können beispielsweise auf GPS-Daten oder anderen Satelliten-Positionsdaten, auf Karten- daten und/oder topographischen Daten basieren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Streckendaten Höhenunterschiede und/oder eine Steigung und/oder ein
Gefälle betreffen, welche bei der Zustandsanalyse berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Vergleichsdaten basierend auf den Streckendaten gespeichert werden, etwa indem Schwingungsdaten basierend auf Streckendaten gefiltert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ver- gleichsdaten entsprechende Streckendaten, insbesondere Positionsdaten umfassen, so dass sich neben einem zeitlichen Verlauf der Schwingungsdaten oder der Vergleichsdaten auch eine räumliche Abhängigkeit der Entwicklung der Schwingungsdaten oder Vergleichsdaten speichern und rekonstruieren lässt. Eine Strecke kann in unterschiedliche Streckenabschnitte unterteilt sein, denen jeweils bestimmte Vergleichsdaten zugeordnet sind. Beispielsweise kann jeweils einem Streckenabschnitt ein durchschnittliches Frequenzspektrum und/oder eine andere Art von Vergleichsbasis zugewiesen sein, die beispielsweise während einer typischen Fahrt über diesen Streckenabschnitt in Form von Vergleichsdaten gespeichert wurde. Im Vergleich mit einer derartigen Vergleichsbasis für den zugeordneten Streckenab- schnitt können dann besonders zuverlässig herausragende Amplituden oder nichtperiodische Signale identifiziert werden. Ein Streckenabschnitt kann beispielsweise ein Abschnitt sein, in dem ein Gefälle oder eine Steigung im Wesentlichen konstant ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Streckenabschnitt derart definiert ist, dass die zu erwartende auf ihm zu fahrende Geschwindigkeit im Wesentlichen konstant ist. Ein Streckenabschnitt kann einen Anfangs- und einen Endpunkt haben. Ein Anfangs- oder Endpunkt kann beispielsweise durch einen Punkt definiert sein, an dem sich eine Steigung oder ein Gefälle ändert. Ein Anfangs- oder Endpunkt kann auch durch den Beginn einer besonders geraden oder besonders kurvenreiche Strecke oder den Beginn oder das Ende einer Bremsstrecken, beispielsweise vor einem Bahnhof oder einem Bahnübergang bestimmt sein. Streckenabschnitte können vorbestimmt sein und/oder basierend auf bekannten Streckendaten durch die Bremssteuereinrichtung oder eine übergeordnete Steuereinrichtung während einer Fahrt definiert werden. Bei einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Zustandsanalyse eine Entgleisung mindestens eines
Rades basierend auf einem nicht-periodischen Signal der Sensoreinrichtung festzustellen. Ein derartiges Signal kann sich in Schwingungsdaten und/oder in Vergleichsdaten zeigen. Die Zustandsanalyse kann in diesem Fall insbesondere während der Fahrt erfolgen, also eine Fahrtzustandsanalyse sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, ein nicht-periodisches Signal mit Vergleichsdaten, insbesondere mit Amplituden von Vergleichsdaten zu vergleichen. Beispielsweise kann das nichtperiodische Signal mit Amplituden von in den Vergleichsdaten enthaltenen periodischen Signalen verglichen werden. Auf eine Entgleisung kann beispielsweise geschlossen werden, wenn für ein Rad oder mehr als ein Rad eine starke Abwei- chung von bisherigen periodischen Signalen in Bezug auf Amplitude und/oder Spektrum vorliegt. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung ein derartiges nicht-periodisches Signal mit vorgegebenen theoretisch oder experimentell ermittelten gespeicherten Entgleisungsdaten vergleicht, um auf eine Entgleisung zu schließen. Es kann zweckmäßig sein, wenn die Bremssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, über mindestens eine zusätzliche, redundant zur schwingungsempfindlichen Sensoreinrichtung betriebenen oder betreibbaren Entgleisungssensoreinrichtung eine Entgleisungsanalyse durchzuführen. Ob eine Entgleisung tatsächlich vorliegt, kann beispielsweise aufgrund einer Plausibilitätsüberprüfung der Signale der Entgleisungssensoreinrichtung und/oder der schwingungsempfindlichen Sen- soreinrichtung erfolgen. Dadurch wird eine verbesserte Entgleisungsdetektion ermöglicht. Insbesondere ermöglicht eine direkte Zuordnung von Sensoren der schwingungsempfindlichen Sensoreinrichtung zu einzelnen Rädern oder einzelnen Reibbremseinrichtungen eine verbesserte Identifizierung eines Ortes einer Entgleisung und/oder eines zeitlichen Ablaufs einer Entgleisung. So kann beispielsweise in den Vergleichsdaten gegebenenfalls erkannt werden, wann welche Räder oder welche den Rädern zugeordneten Achsen entgleisten.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Bremsanlage für ein Schienenfahrzeug mit einer hierin beschriebenen Bremssteuereinrichtung. Die Bremsanlage kann allge- mein jede Art von geeigneter Bremsvorrichtung aufweisen, wie beispielsweise eine Magnetschienenbremse oder eine Wirbelstrombremse. Insbesondere kann die
Bremsanlage eine oder mehrere druckbetätigte oder elektrisch betätigte Bremsvorrichtungen, die insbesondere kraftschlussabhängige Bremsvorrichtungen sein können, und/oder andere Bremsvorrichtungen umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremsanlage die Schwingungssensoreinrichtung aufweist. Die Bremssteu- ereinrichtung kann zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Bremsvorrichtungen der Bremsanlage ausgebildet und/oder verbunden sein.
Ferner ist ein Schienenfahrzeug mit einer hierin beschriebenen Bremsanlage und/oder einer hierin beschriebenen Bremssteuereinrichtung vorgesehen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Durchführen einer Zustandsanalyse eines Schienenfahrzeugs mit den Schritten des Empfangens, durch eine hierin beschriebene Bremssteuereinrichtung, von Schwingungsdaten, die von einer schwingungsempfindlichen Sensoreinrichtung übermittelt werden und des Identifi- zierens, durch die Bremssteuereinrichtung, mindestens eines periodischen Signals in den Schwingungsdaten, sowie des Speicherns, durch die Bremssteuereinrichtung, von auf den Schwingungsdaten basierenden Vergleichsdaten. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Durchführens, durch die Bremssteuereinrichtung, einer Zustandsanalyse des Fahrzeugs basierend auf den Vergleichsdaten und/oder dem mindestens einen periodischen Signal. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung bei der Zustandsanalyse auf von der Sensoreinrichtung empfangenen Schwingungsdaten basierende Daten mit gespeicherten Vergleichsdaten vergleicht. Die Sensoreinrichtung kann mindestens einen schwingungsempfindlichen Sensor umfassen, der ein Bremsmoment und/oder eine Bremskraft zu erfassen vermag, die von einer Reibbremseinrichtung ausgeübt werden. Die Sensoreinrichtung kann mindestens einer Reibbremseinrichtung zugeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Bremssteuereinrichtung die Zustandsanalyse basierend auf Streckendaten durchführt, welche die von dem Schienenfahrzeug gefahrene Strecke betreffen. Die Bremssteuereinrichtung kann bei der Zustands- analyse eine Entgleisung mindestens eines Rades basierend auf einem nichtperiodischen Signal der Sensoreinrichtung feststellen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Bremsanlage eines Schienenfahrzeugs mit einer Bremssteuereinrichtung; und
Figur 2 schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer Zustandsanalyse eines Schienenfahrzeugs.
Figur 1 zeigt schematisch eine Bremsanlage 10 eines Schienenfahrzeugs, die in diesem Beispiel eine pneumatische Bremsanlage ist. Mechanische und pneumatische Verbindungen und Leitungen sind mit durchgezogenen Linien dargestellt, während elektrische Verbindungen oder Kommunikationskanäle gestrichelt dargestellt sind. Die Bremsanlage 10 ist dazu vorgesehen, Räder 12 und 13 des Schienenfahrzeugs zu bremsen. In diesem Beispiel ist vorgesehen, dass sich die Räder 12 und 13 auf unterschiedlichen Radachsen befinden. Dem ersten Rad 12 ist ein erster Bremsklotz 14 zugeordnet. Dem zweiten Rad 13 ist ein zweiter Bremsklotz 15 zugeordnet. Jeder der Bremsklötze 14, 15 weist einen Bremsbelag auf, der dann, wenn der Bremsklotz mit dem Bremsbelag an die Lauffläche des zugeordneten Rades 12, 13 gedrückt wird, das zugeordnete Rad abbremst. Dabei unterliegt der Bremsbelag einem Verschleiß, der sich unter anderem im Abrieb des Bremsbelags niederschlägt. Der Bremsklotz 14 ist durch einen Krafterzeuger 16 zum Bremsen betätigbar. Der Krafterzeuger 16 ist über eine Versorgungsleitung mit einer Hauptsteuerventileinrichtung 20 verbunden. Über die Hauptsteuerventileinrichtung 20 kann dem Krafterzeuger 16 Druckluft zugeführt werden. Ähnlich ist dem Brems- klotz 15 ein Krafterzeuger 17 zugeordnet, der ebenfalls über die Hauptsteuerventileinrichtung 20 mit Druckluft zur Betätigung des Krafterzeugers versorgt werden
kann, um den Bremsklotz 15 mit der Radlauffläche des Rades 13 in Kontakt zu bringen. Die Hauptsteuerventileinrichtung 20 ist mit einer Druckluftvorratseinrichtung 22 verbunden, aus der sie Druckluft entnehmen kann, um sie bei einer Bremsung den Krafterzeugern 16, 17 bereitzustellen. Ferner ist eine als Bremsrechner ausge- bildete elektronische Bremssteuereinrichtung 24 vorgesehen, welche es vermag, die Hauptsteuerventileinrichtung 20 anzusteuern. Dazu kann die Hauptsteuerventileinrichtung 20 insbesondere eine oder mehrere Magnetventile aufweisen, die durch die Bremssteuereinrichtung 24 ansteuerbar sind. Aus Gründen der Übersicht sind die elektrischen Steuerleitungen für die dem zweiten Rad zugeordneten Komponenten nicht dargestellt. Sie sind allerdings mit den dem ersten Rad zugeordneten Steuerleitungen vergleichbar. Dem ersten Rad 12 ist ferner ein Belastungssensor 18 zugeordnet, der es vermag, eine bei einer Bremsung auf den Bremsklotz 14 ausgeübte Belastung, beispielsweise eine Bremskraft und/oder ein Bremsmoment, zu ermitteln. Ein derartiger Belastungssensor kann beispielsweise einen oder mehrere Dehnungsstreifen aufweisen. Der Sensor 18 ist zur Übertragung von Daten an die elektronische Bremssteuereinrichtung 24 angeschlossen. Ferner ist dem Rad 12 ein erster Raddrehzahlsensor 30 zugeordnet, welcher die Drehzahl des Rades 12 zu erfassen vermag. Auch dieser Sensor ist zur Datenübertragung mit der elektronischen Steuereinrichtung 24 verbunden. Analog ist dem zweiten Rad ein zweiter Belastungssensor 19 zugeordnet, welcher eine auf den Bremsklotz 15 ausgeübte Belastung wie eine Bremskraft und/oder ein Bremsmoment zu ermitteln vermag. Die Sensoren 18, 19 bilden einen Teil einer schwingungsempfindlichen Sensoreinrichtung. Darüber hinaus ist dem zweiten Rad 13 auch ein zweiter Raddrehzahlsensor 32 zugeordnet. Die Krafterzeuger 16, 17 können jeweils pneumatische Zylinder umfassen, die bei Beaufschlagung mit einem Bremsdruck eine Bremskraft auf den zugeordneten Bremsklotz 14, 15 ausüben. Die Krafterzeuger 16, 17 können jeweils eine durch die elektronische Steuereinrichtung 24 ansteuerbare Ventileinrichtung aufweisen, über die ein durch die Hauptsteuerventileinrichtung 20 bereitgestellter Hauptbremsdruck individuell für den jeweiligen pneumatischen Zylinder der Krafter- zeuger 16, 17 eingestellt werden kann. Somit können insbesondere die Krafterzeuger 16, 17 nach Maßgabe der elektronischen Steuereinrichtung 24 unterschiedliche
Bremsdrücke an die Bremsklötze 14, 15 anlegen und somit die Reibbremseinrichtungen asymmetrisch betätigen. In der Figur 1 kann der Krafterzeuger 16 mit dem Bremsklotz 14 als erste Reibbremseinrichtung angesehen werden. Der Krafterzeuger 17 und der zweite Bremsklotz 15 können als zweite Reibbremseinrichtung angesehen werden. Es versteht sich, dass beide Reibbremseinrichtungen zugehörige Bremsgestänge, Aufhängungen und Leitungen aufweisen können, die nicht gezeigt sind, und als Teile pneumatischer Bremsvorrichtungen angesehen werden können. Statt als Klotzbremsen können die Reibbremseinrichtungen auch als Scheibenbremsen ausgebildet sein. Auch in diesem Fall kann jeweils ein Belas- tungssensor wie ein Bremskraftsensor vorgesehen sein, welcher eine bei der Bremsung ausgeübte Bremskraft zu erfassen und an die elektronische Bremssteuereinrichtung 24 zu übertragen vermag. Die Bremssteuereinrichtung 24 ist dazu ausgebildet, Daten von den Sensoren 18 und 19 zu empfangen und basierend auf diesen Daten jeweils eine Belastung der zugeordneten Reibbremseinrichtung des ersten Rades 12 beziehungsweise des zweiten Rades 13 zu ermitteln und zur Steuerung und/oder Überwachung eines Bremsvorgangs zu verwenden. Sind die Reibbremseinrichtungen nicht betätigt, nehmen die Sensoren 18, und 19 mechanische Schwingungen auf, die sich im Bereich der zugeordneten Reibbremseinrichtung entwickeln und ausbreiten. Die Bremssteuereinrichtung 24 ist dazu ausgebil- det, Schwingungsdaten von den Sensoren 18, 19 zu empfangen, die diesen mechanischen Schwingungen entsprechen. Insbesondere wirken die überwachten Reibbremseinrichtungen als federnde Masse, deren Schwingungen durch die Sensoren 18, 19 aufgenommen werden können. In diesen Schwingungsdaten im nicht gebremsten Zustand schlagen sich beispielsweise Fehlstellen der Radlaufflä- che oder andere periodische Ereignisse nieder. Die Bremssteuereinrichtung 24 ist dazu ausgebildet, periodische Signale in den Schwingungsdaten zu identifizieren und jeweils dem entsprechenden Sensor 18, 19 beziehungsweise der zugeordneten Reibbremseinrichtung zuzuordnen. Ferner berechnet die Bremssteuereinrichtung 24 basierend auf den Schwingungsdaten Vergleichsdaten, die sie abspeichert. Dabei können Daten, insbesondere Spektren von Schwingungsdaten, als Vergleichsdaten in regelmäßigen Intervallen abgespeichert werden, um einen zeitlichen Verlauf des
Schwingungsspektrums überwachen zu können, insbesondere der darin enthaltenen periodischen Signale. Zweckmäßigerweise werden die Signale unter Berücksichtigung der Daten von den Raddrehzahlsensoren normiert, so dass sie unabhängig von der Raddrehzahl sind. Alternativ oder zusätzlich können Vergleichsdaten und/oder Schwingungsdaten bezüglich der Fahrtgeschwindigkeit normiert werden. Aus den Vergleichsdaten kann beispielsweise streckenabschnittsweise eine Vergleichsbasis aus den Vergleichsdaten bestimmt werden. Beispielsweise kann für bestimmte Streckenabschnitte ein Vergleichsdatendurchschnitt ermittelt werden, etwa ein Durchschnittsspektrum. Die Streckenabschnitte können dabei beispiels- weise für eine bestimmte Strecke so definiert werden, dass ein Streckenabschnitt im Wesentlichen die gleiche Steigung beziehungsweise das gleiche Gefälle aufweist. Bei einer Änderung der Steigung oder des Gefälles kann ein neuer Streckenabschnitt definiert werden. Streckenabschnitte können sich auch bis oder von vorgesehenen Haltestellen erstrecken. Ein Streckenabschnitt kann auch durch eine gültige vorgeschriebene Maximalgeschwindigkeit oder Minimalgeschwindigkeit definiert sein, die auf ihm konstant gültig ist. Dadurch ergeben sich Basisdaten für bestimmte Streckenabschnitte, die einen abschnittsweisen Vergleich von aktuellen Schwingungsdaten ermöglichen, um den aktuellen Fahrtzustand besser analysieren und einschätzen zu können.
In Figur 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer Zu- standsanalyse eines Schienenfahrzeugs dargestellt. Das Schienenfahrzeug kann insbesondere eine Bremsanlage nach Figur 1 aufweisen. In einem Schritt S10 erfasst eine schwingungsempfindliche Sensoreinrichtung Schwingungsdaten. Insbesondere kann die Sensoreinrichtung Schwingungsdaten einer Reibbremseinrichtung oder einer Aufhängung einer Reibbremseinrichtung erfassen. Das Erfassen von Schwingungsdaten kann insbesondere während einer Fahrt des Schienenfahrzeugs durchgeführt werden, wenn die zugeordnete Reibbremseinrichtung nicht betätigt ist. Die Sensoreinrichtung übermittelt die Schwingungsdaten an eine Bremssteuereinrichtung. In einem Schritt S12 empfängt die Bremssteuereinrichtung die Schwingungsdaten. In einem darauf folgenden Schritt S14 identifiziert die
Bremssteuereinrichtung periodische Signale in den Schwingungsdaten. Dazu können im Schritt S14 beispielsweise geeignete Transformationen wie eine Fourier- Transformation von Schwingungsdaten durchgeführt werden. Es ist auch vorstellbar, dass die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, bereits transformierte Schwin- gungsdaten in der Frequenzdomäne bereitzustellen. Ferner erzeugt die Bremssteuereinrichtung in Schritt S14 auf den Schwingungsdaten basierende Vergleichsdaten. Die Vergleichsdaten können beispielsweise identifizierte periodische Signale umfassen. Es ist vorstellbar, dass Vergleichsdaten aus bearbeiteten Schwingungsdaten, beispielsweise transformierten Schwingungsdaten, erzeugt werden. Die Vergleichs- daten können beispielsweise Daten zur zeitlichen und/oder räumlichen Zuordnung von Schwingungsdaten und/oder Angaben umfassen, welcher Reibbremseinrichtung und/oder welcher Position im Fahrzeug die Schwingungsdaten zugeordnet sind. Zum Erzeugen der Vergleichsdaten kann die Bremssteuereinrichtung geeignete mathematische Berechnungen durchführen. In einem Schritt S16, der auf den Schritt S14 folgt, speichert die Bremssteuereinrichtung die Vergleichsdaten ab. Die Daten können beispielsweise in einem volatilen oder nichtvolatilen Speicher der Bremssteuereinrichtung oder in einem externen Speicher gespeichert werden. Nach dem Schritt S16 wird ein Schritt S18 durchgeführt, in dem die Bremssteuereinrichtung eine Zustandsanalyse des Fahrzeugs basierend auf den Vergleichsdaten durchführt. Die Zustandsanalyse kann während der Fahrt erfolgen. Eine derartige Fahrtzustandsanalyse kann kontinuierlich oder in regelmäßigen Intervallen, insbesondere während einer ungebremsten Fahrt durchgeführt werden. Es ist auch vorstellbar, dass die Zustandsanalyse nachträglich oder während eines Stopps des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Bremsanlage
12 erstes Rad
13 zweites Rad
14 erster Bremsklotz
15 zweiter Bremsklotz
16 erster Krafterzeuger
17 zweiter Krafterzeuger
18 erster Bremskraftsensor
19 zweiter Bremskraftsensor
20 Hauptsteuerventileinrichtung
22 Druckluftvorratseinrichtung
24 Bremssteuereinrichtung
30 erster Raddrehzahlsensor
32 zweiter Raddrehzahlsensor