Verfahren zum Ermitteln einer Stellkraft basierend auf

Schallemissionsmessungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines Weichenantriebs einer Schienenweiche. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Weichenantriebssystem mit einem Messsystem zum Durchführen eines derartigen Verfahrens und mit einem Weichenantrieb zum Verstellen von Weichenzungen einer Schienenweiche .

Zum Umstellen von Weichen werden manuell oder elektrisch betätigte Weichenantriebe als wichtigste Bahninfrastruktur- elemente eingesetzt. Die erforderliche auf eine Stellstange wirkende Stellkraft wird mit Hilfe einer einstellbaren Stell- kraftkupplung realisiert. Über die Lebensdauer des Weichenantriebs, welche bis zu 25 Jahre beträgt, kann sich die ab Werk eingestellte Stellkraft verändern. Die Stellkraft kann im Laufe der Lebensdauer des Weichenantriebs abnehmen. Da die

Stellkraft sicherheitsrelevant für den Betrieb der Weiche und des Weichenantriebs ist, muss die Stellkraft kontrolliert bzw. durch Messungen überprüft werden. Bisher musste die Stellkraft von Weichenantrieben regelmäßig geprüft werden. Hierfür muss eine Wartung eines Weichenantriebs organisiert und durchgeführt werden. Eine Messung der Stellkraft erfolgt vor Ort mit einem Messgerät und einem Kraftmessbolzen. In Abhängigkeit von dem Messergebnis erfolgt ein Nachstellen der Stellkraftkupplung oder ein Austausch des gesamten Weichenantriebs.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Ermitteln einer Stellkraft eines Weichenantriebs vorzuschlagen, bei dem ein direkter Eingriff in einen Betrieb des Weichenantriebs vermieden wird. Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängi ^¬ gen Patentansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen .

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Analysieren eines Weichenantriebs einer Schienenweiche bereitge ^¬ stellt. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Sensor zum Messen von Schallwellen vorgesehen. Der Sensor kann an einem Außen- gehäuse oder in dem Außengehäuse des Weichenantriebs angeord ^¬ net sein. Es werden anschließend Messsignale des mindestens einen Sensors während eines Stellbetriebs des Weichenantriebs aufgezeichnet. Die Messsignale können verstärkt werden. Ba ^¬ sierend auf den aufgezeichneten Messsignalen des mindestens einen Sensors wird eine Stellkraft einer Stellkraftkupplung des Weichenantriebs ermittelt.

Als ein Sensor kann beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor verwendet werden, welcher die bei einem Betrieb des Wei- chenantriebs erzeugten Schallwellen und Schwingungen messen kann. Insbesondere kann ein akustischer Oberflächenwellen- Sensor als der mindestens eine Sensor verwendet werden. Der ^¬ artige Sensoren können preiswert und robust gegenüber äußeren Einflüssen ausgeführt sein, sodass sie für einen Einsatz im Bereich von Schienenfahrzeugen und Schienennetzen verwendet werden können. Die von den Komponenten des Weichenantriebs erzeugten Schwingungen und Schallwellen können sich über Befestigungselemente und das Außengehäuse ausbreiten und dort gemessen werden.

Es können insbesondere die Schwingungen eines Weichenantriebsmotors, der mechanischen Stellwegelemente (z. Bsp.

Stellschieber, Kugelrollspindel) , der Stellkraftkupplung und von Wellen und Lagern gemessen werden. Der mindestens eine Sensor kann basierend auf Messsignalen einer definierten Anzahl an Umstellvorgängen Stcllbctrieben kalibriert werden. Eine Kalibrierung kann vorzugsweise abhängig von einer defi- nierten Soll-Stellkraft der Stellkraftkupplung und von verwendeten Komponenten im Weichenantrieb sein.

Eine unzureichend gewartete Stellkraftkupplung ist schwergän- giger als eine optimal funktionierende Stellkraft-kupplung . Folglich muss der Weichenantriebsmotor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um das notwendige Drehmoment für die schwergängige Stellkraftkupplung aufzubringen. Die vom Weichenantriebsmotor erzeugten Schwingungen sind, entsprechend einer bekannten Motorlaufkurve des Weichenan ^¬ triebsmotors, von seiner Drehzahl abhängig. Basierend auf den ermittelten Messsignalen des mindestens einen Sensors kann ein Belastungsgrad des Weichenantriebsmotors und damit auch der Stellkraftkupplung bestimmt werden. Insbesondere können durch die ermittelten Messsignale des mindestens einen Sen ^¬ sors Abweichungen von einem üblichen Stellbetrieb frühzeitig detektiert werden. Durch das Verfahren kann eine kontaktlose Überprüfung einer aktuellen Stellkraft der Stellkraftkupplung des Weichenantriebs durchgeführt werden. Eine manuell durchgeführte Über ^¬ prüfung der Stellkraftkupplung, welche auch einen direkten Eingriff in den Betrieb des Weichenantriebs darstellt, kann somit vermieden werden. Des Weiteren können durch das Verfahren Rückwirkungsabweichungen bei einer Ermittlung der Stellkraft der Stellkraftkupplung minimiert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der min- destens eine Sensor an einer Außenseite des Außengehäuses des Weichenantriebs lösbar angeordnet. Durch eine äußere Befesti ^¬ gung des mindestens einen Sensors sind keine Änderungen an dem Außengehäuse und somit an bestehenden Sicherheitsnachwei ^¬ sen des Weichenantriebs erforderlich. Die Stellkraft kann so- mit ohne notwendige Designänderung des bestehenden Weichenantriebes gemessen werden. Somit können auch bereits in Betrieb genommene Weichenantriebe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah ^¬ ren überprüft oder nachgerüstet werden. Durch eine technisch einfache Befestigung des mindestens ei ^¬ nen Sensors am Außengehäuse des Weichenantriebs ist eine Im ^¬ plementierung für beliebige elektromechanische Weichenan- triebsmotoren mit Stellkraftkupplungen möglich. Beispielsweise kann der mindestens eine Sensor über mindestens einen Mag ^¬ net, einen das Außengehäuse umgreifenden Riemen bzw. Schelle oder über eine Klemmverbindung lösbar an dem Außengehäuse angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der mindes- tens eine Sensor an das Außengehäuse temporär oder dauerhaft geklebt werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden gespeicherte Messsignale mehrerer Umstellvorgänge des Wei- chenantriebs zum Ermitteln eines Wartungsbedarfs der Stell- kraftkupplung miteinander verglichen. Durch einen Vergleich mehrerer zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführten Messungen durch den mindestens einen Sensor kann eine Tendenz oder eine Abweichung in dem Stellbetrieb detektiert werden. Eine Abwei- chung in der Schwingungs- bzw. Schallcharakteristik des

Stellbetriebs kann ein Indiz für einen technischen Defekt oder einen zukünftigen technischen Defekt sein. Es können somit Ursachen für eventuelle Defekte frühzeitig ermittelt und beseitigt werden, wodurch Kosten für einen Ausfall des Wei- chenantriebs oder einen Austausch mehrerer Komponenten vermieden werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Wartungsbedarf der Stellkraftkupplung bei einem Unter- schreiten eines minimalen Sollwerts der ermittelten Stellkraft ermittelt. Es kann basierend auf den durch den mindes ^¬ tens einen Sensor ermittelten Messsignalen und einer entsprechenden Kalibrierung des mindestens einen Sensors eine Stell ^¬ kraft der Stellkraftkupplung berechnet werden.

Ein Wartungsbedarf kann signalisiert werden, wenn die berechnete Stellkraft einen definierten Sollwert überschreitet oder unterschreitet. Beispielsweise kann ein Wartungsbedarf signa- lisiert werden, wenn der Sollwert der Stellkraft um einen Faktor von 1,2 unterschritten wird.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wer- den gespeicherte Messsignale mehrerer Stellbetriebe des Wei ^¬ chenantriebs zum Ermitteln eines Verschleißzustands der

Stellkraftkupplung verwendet. Basierend auf mehreren überwachten bzw. überprüften Stellbetrieben des Weichenantriebs kann eine Tendenz bezüglich der Schwingungscharakteristik des Weichenantriebs gemessen werden. Hierdurch kann unabhängig von den Komponenten des Weichenantriebs eine ereignisbezogene optimierte Wartung realisiert werden. Es können somit War ^¬ tungskosten reduziert und eine Verfügbarkeit des Weichenan ^¬ triebs erhöht werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wer ^¬ den gespeicherte Messsignale mehrerer Umstellvorgänge des Weichenantriebs zum Erstellen einer Zustandsprognose der Stellkraftkupplung verwendet. Es können basierend auf den Messsignalen Modelle des Weichenantriebs und der Verschleiß ^¬ teile, wie beispielsweise der Stellkraftkupplung, erstellt werden. Hierdurch kann eine prädiktive Zustandsprognose er ^¬ stellt werden, welche Aussagen über einen Wartungsaufwand oder einen geltenden Zustand gegenüber einem Kunden oder ei- nem Dienstleister ermöglicht. Insbesondere kann hierdurch ein kontinuierliches Stellkraftmonitoring realisiert werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird basierend auf der erstellten Zustandsprognose der Stellkraft- kupplung ein zukünftiger Wartungszeitpunkt ermittelt. Anhand von zeitlich versetzten Messsignalen kann ein Trend bzw. eine Änderung der Stellkraft detektiert werden. Daraus kann ein Zeitpunkt abgeschätzt werden, wann eine Wartung des Weichen ^¬ antriebs vorteilhaft oder notwendig sein kann. Es können so- mit bestehende Servicemodelle durch faktenbasierte Datenana ^¬ lyse des überwachten Weichenantriebs überprüft oder angepasst werden . Insbesondere können die ermittelten Informationen über den überwachten Weichenantrieb mit weiteren Diagnosedaten, wie beispielsweise aus dem Programm Sidis W compact, kombiniert und zum Optimieren bestehender Diagnoseprogramme verwendet werden. Es kann somit eine genauere Risiko, Zustands -und

Verfügbarkeitsbewertung der untersuchten Weichenantriebe erfolgen .

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wer ^¬ den die Messsignale des mindestens einen akustischen Sensors kontinuierlich oder zeitlich diskret aufgezeichnet. Hierdurch kann eine Langzeitüberwachung von Weichenantrieben realisiert werden. Basierend auf den durch die Langzeitüberwachung ermittelten Daten bzw. Informationen können präzise Performancedaten von Stellkraftkupplungen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungseinflüssen und

betrieblichen Nutzungsintensitäten gewonnen werden. Diese Daten können für eine Weiterentwicklung und für konstruktive Verbesserungen von Weichenantrieben genutzt werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Messsignale des mindestens einen Sensors auf einer exter ^¬ nen Servereinheit gespeichert und bereitgestellt. Hierdurch können die ermittelten Messsignale bzw. die daraus berechne ^¬ ten Stellkräfte von unterschiedlichen Stellkraftkupplungen zentral gesammelt und ausgewertet werden.

Insbesondere kann der mindestens eine Sensor mit einer Aus ^¬ werteelektronik gekoppelt sein, welche die ermittelten Mess- signale direkt auf die externe Servereinheit übertragen kann. Hierdurch kann eine örtlich unabhängige Auswertung der Messsignale des mindestens einen Sensors ermöglicht werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Weichenan- triebssystem mit einem Messsystem zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und mit einem Weichenantrieb zum Ver ^¬ stellen von mindestens zwei Weichenzungen einer Schienenweiche bereitgestellt. Der Weichenantrieb weist einen Weichenan- triebsmotor zum direkten oder indirekten Antreiben einer mit mindestens einer Weichenzunge verbundenen Stellstange über eine Stellkraftkupplung auf. Des Weiteren weist der Weichenantrieb eine Antriebselektronik zum Ansteuern und Regeln des Weichenantriebmotors auf, dabei sind zumindest der Weichenan ^¬ triebsmotor und die Stellkraftkupplung in einem Außengehäuse des Weichenantriebs angeordnet. Erfindungsgemäß ist an dem Außengehäuse mindestens ein Sensor zum Messen von Schallwel ^¬ len anbringbar und von einer Messelektronik auswertbar, wobei anhand von Messsignalen des mindestens einen Sensors eine

Stellkraft der Stellkraftkupplung während eines Stellbetriebs des Weichenantriebs messbar ist.

Das Messsystem kann insbesondere mindestens einen Sensor auf ^¬ weisen, welcher auf eine beliebige Oberfläche in oder am Wei ^¬ chenantrieb anbringbar ist. Der mindestens eine Sensor ist mit einer Messelektronik verbunden, wobei die Messelektronik die Messsignale des mindestens einen Sensors zumindest vor ^¬ verstärken und aufzeichnen kann.

Die Messelektronik kann mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verbunden sein, sodass die aufgezeichneten Messsignale des mindestens einen Sensors an eine externe Servereinheit übertragen werden können. Alternativ kann die Messelektronik die aufgezeichneten Messsignale des mindestens einen Sensors auf einem Speichermedium, wie beispielsweise eine Speicherkarte, Festplatte oder Cloud, ablegen.

Das Messsystem kann als ein tragbares System zum gezielten Überprüfen definierter Weichenantriebe oder als eine Nach- rüstlösung zum dauerhaften Integrieren in einen Weichenantrieb ausgeführt sein. Dabei kann das Messsystem mit der An ^¬ triebselektronik des Weichenantriebsmotors gekoppelt sein, sodass Messsignale gezielt nur während Stellbetrieben aufge- zeichnet werden.

Vorzugsweise kann der mindestens eine Sensor an dem Außenge ^¬ häuse angeordnet werden. Der mindestens eine Sensor kann in einem Sensorgehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt ausgeführt sein, sodass auch eine Montage oder Anordnung des mindestens einen Sensors an einer Außenseite des Außengehäuses des Wei ^¬ chenantriebs möglich ist. Hierdurch muss das Außengehäuse zum Durchführen von Messungen weder geöffnet noch in seinem

Stellbetrieb unterbrochen werden.

Durch das Weichenantriebssystem kann somit ein Messsystem ohne einen direkten Eingriff in einen Stellbetrieb eines Wei- chenantriebs positioniert und betrieben werden.

Die Messsignale können vorzugsweise zeitlich veränderliche Amplituden von Schwingungen und Schallwellen sein, welche über Befestigungen und Halterungen von Komponenten in dem Au- ßengehäuse des Weichenantriebs bis zu dem mindestens einem Sensor wandern und dort registriert werden können.

Nach einem Ausführungsbeispiel des Weichenantriebssystems ist der mindestens eine Sensor ein Oberflächenwellen-Sensor. Der mindestens eine Sensor kann vorzugsweise ein auf dem Piezo- Effekt basierender Sensor sein. Die an dem mindestens einem Sensor ankommenden Schwingungen und Schallwellen können ein piezoelektrisches Substrat des mindestens einen Sensors me ^¬ chanisch anregen, wodurch der Anregung entsprechende Span- nungsimpulse erzeugt und ausgewertet werden können. Insbeson ^¬ dere können die Schwingungen und Schallwellen akustische Oberflächenwellen sein, welche sich an Materialoberflächen ausbreiten können. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich durch die Erläuterung der folgenden stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele. Hierbei zei- gen FIG 1 eine perspektivische Darstellung eines Weichenan ^¬ triebssystems gemäß einem ersten Ausführungsbei ^¬ spiel,

FIG 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Weichenantriebs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.

Die FIG 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Wei ^¬ chenantriebssystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel Das Weichenantriebssystem 1 besteht hier aus einem Weichenan trieb 2 und einem an dem Weichenantrieb 2 angeordneten Mess ^¬ system 4.

Der Weichenantrieb 2 weist ein Außengehäuse 6 auf, welches zum Veranschaulichen der Komponenten geöffnet ist. Der Weichenantrieb 2 weist einen Weichenantriebsmotor 8 auf. Der Weichenantriebsmotor 8 ist ein Elektromotor und treibt einen Stellschieber 10, der mit einer Stellstange verbunden ist, an . Der Weichenantriebsmotor 8 treibt die Stellstange 10 indirekt über ein nicht dargestelltes Getriebe und über eine, auf ei ^¬ ner Kugelrollspindel montierten Stellkraftkupplung 12 an.

Durch die Stellkraftkupplung 12 kann eine definierte Stell- kraft auf die Stellschieber 10 aufgebracht werden. Die Stell- kraftkupplung 12 kann insbesondere Schäden an dem Weichenantriebsmotor 8 und dem Getriebe verhindern, wenn die Stellschieber 10 blockiert wird während eines Umstellvorganges. Der Weichenantriebsmotor 8 wird von einer Antriebselektronik 14 gesteuert, wenn ein Signal zum Durchführen eines Stellbetriebs von einer Leitzentrale (Stellteil im Stell ^¬ werk) eingeht. Der Stellschieber (Die Stellstange) 10 ist gemäß dem Ausfüh ^¬ rungsbeispiel mit einer Weichenzunge 16 verbunden und kann die Weichenzunge 16 quer zu einer Schienenrichtung S der Schiene 18 auslenken (bewegen) .

Das Messsystem 4 besteht aus einem Sensor 20 und einer Messelektronik 22. Der Sensor 20 ist ein SAW(Surface Acoustic Wafes ) -Sensor 20 und ist mithilfe eines nicht dargestellten Magneten an einer Außenfläche des Außengehäuses 6 des Wei ^¬ chenantriebs 2 positioniert.

Der Sensor 20 ist mit der Messelektronik 22 gekoppelt, sodass die vom Sensor 20 ermittelten Messsignale von der Messelekt- ronik 22 aufgezeichnet und verarbeitet werden können.

In der FIG 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 30 zum Analysieren eines Weichenantriebs 2 gemäß ei ^¬ nem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt.

In einem ersten Schritt 31 wird der Sensor 20 an oder in dem Außengehäuse 6 des Weichenantriebs 2 angeordnet.

Anschließend wird der mindestens eine Sensor 20 mit der Mess- elektronik 22 verbunden 32.

Die Messsignale des mindestens einen Sensors 20 werden von der Messelektronik 22 empfangen und nach einer Verstärkung und Filterung gespeichert 33.

In einem weiteren Schritt wird basierend auf den aufgezeichneten Messsignalen eine Stellkraft der Stellkraftkupplung 12 ermittelt bzw. berechnet 34. Dies kann insbesondere durch zu ^¬ vor eine durchgeführte Kalibrierung des mindestens einen Sen- sors 20 und der Messelektronik 22 realisiert werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Bezugs zeichen

1 Weichenantriebssystem

2 Weichenantrieb

4 Messsystem

6 Außengehäuse

8 Weichenantriebsmotor

10 Stellschieber (Stellstange)

12 Stellkraftkupplung

14 Antriebselektronik

16 Weichenzunge

18 Schiene

20 Sensor

22 Messelektronik

30 Verfahren

31 Anordnen des mindestens einen Sensors

32 Verbinden des mindestens einen Sensors mit einer Mess- elektronik

33 Empfangen und Speichern von Messsignalen

34 Ermitteln einer Stellkraft

S Schienenrichtung