| 1. | Verfahren zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamthei ten jeglicher Art, insbesondere solchen Elementen oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind, auf das Auftre ten von Veränderungen, bei dem zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit Me werte von physikalischen Grö en ermittelt wer den, Unterschiede zwischen den ermittelten Me werten ermittelt wer den und aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elemen ten oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu ver schiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische ermittelt werden, Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen ermittelt werden, aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische Schallschwingungen und/oder Schallschwin gungsgemische sind. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Schwingungen und/oder Schwingungsgemische au erhalb der physiologischen Fähigkeit des menschlichen Gehörs angesiedelt sind. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in kurzen Zeitab ständen Me werte einer Grö e ermittelt und miteinander verglichen werden. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in langen Zeitab ständen unter vergleichbaren Betriebszuständen Me werte einer Grö e ermittelt und miteinander verglichen werden. |
| 7. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem aus den ermittel ten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorgehoben und/oder unterdrückt und dem Vergleich zugeführt werden. |
| 8. | Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Hervorhebung oder Unter drückung bestimmter Bänder nach bestimmten Vorgaben fortlaufend verändert wird. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem beim Vergleich der Me werte einer Grö e untersucht wird, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist. |
| 10. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem Unterschiede zwischen einzelnen Schwingungen und/oder Schwingungsge mischen und/oder unterschiedlichen, gemeinsam auftretenden Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder der Stärke einzelner Schwingungen und/oder von Schwingungs gemischen und/oder der Einfallsrichtung einzelner Schwingungen und/oder von Schwingungsgemischen ermittelt werden. |
| 11. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem Frequenzänderungen von Schwingungen und/oder Schwingungs gemischen und/oder Änderungen der Stärke von Schwingungen und/oder Schwin gungsgemischen und/oder Änderungen der Zusammensetzung eines Schwingungsgemisches und/oder die Änderung der Einfallsrichtung von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder anderen Charakteristika von Schwingungen und/oder Schwin gungsgemischen ermittelt werden. |
| 12. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem bei der Verarbei tung der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische mit technischen Mitteln das Verhalten des menschlichen Gehörs nachgeahmt wird. |
| 13. | Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei dem die ermittelten Unterschiede von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen mit einander verknüpft werden. |
| 14. | Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Bedingungen für die Ver knüpfungen intern unverändert festgelegt und/oder extern zugeführt und/oder fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder in einer Datenverarbeitungsanlage in einem fortwährenden Lern proze insbesondere im Sinne der künstlichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder von Hand verändert und/oder aus einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten gewon nen werden. |
| 15. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem bei Auftreten ei ner unzulässigen Veränderung ein Signal ausgegeben wird und/oder ein Eingriff in den Betrieb des Elementes oder der Gesamtheit erfolgt und/oder die unzulässige Veränderung dokumentiert wird. |
| 16. | Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben wird. |
| 17. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Me werte analog verarbeitet werden. |
| 18. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Me werte di gitalisiert und digital verarbeitet werden. |
| 19. | Verfahren nach Anspruch 18, bei dem eine digitalisierter Me wert ge speichert und mit einem anderen digitalisierten Me wert verglichen wird. |
| 20. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das Erschei nungsbild der Oberfläche des Elements oder der Gesamtheit zumindest teilweise optisch abgetastet wird. |
| 21. | Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Oberfläche des Elementes oder der Gesamtheit an einer optischen Abtasteinrichtung vorbeigeführt wird. |
| 22. | Verfahren nach Anspruch 22, bei dem mindestens eine Flanke eines Radreifens optisch abgetastet wird. |
| 23. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem an dem Element oder der Gesamtheit Me werte der magnetischen Permeabilität ermittelt werden. |
| 24. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem an dem Element oder der Gesamtheit Me werte der Temperatur ermittelt werden. |
| 25. | Verfahren nach Anspruch 24, bei dem an dem Element oder der Gesamt heit Me werte der durch örtliche Wirbelströme erhöhten Temperatur er mittelt werden. |
| 26. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem Me werte der Kapazität zwischen dem Element oder der Gesamtheit und einer Ge genelektrode ermittelt wird. |
| 27. | Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Element oder die Gesamtheit beweglich und die Gegenelektrode ortsfest ist. |
| 28. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei dem Elemente von Schienen, Stra en oder Luftfahrzeugen oder Schiffen, von Maschinen, verfahrenstechnischen und energietechnischen Anlagen oder Bauwerken oder diese Gesamtheiten insgesamt überwacht werden. |
| 29. | Verfahren zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienen fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, da die Laufgeräusche der Radrei fen eines Fahrzeugs detektiert und mit den Laufgeräuschen mindestens eines anderen Radreifens des betreffenden Fahrzeugs verglichen werden und da vom Erkennen von markant unterschiedlichen Laufgeräuschen auf das Vorhandensein eines schadhaften Radreifens geschlossen wird. |
| 30. | Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, da die Laufge räusche über den einzelnen Radreifen zugeordnete, akustisch an diese angekoppelte Mikrofone detektiert werden. |
| 31. | Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, da die Laufgeräusche der Radreifen mit den Laufgeräuschen aller übrigen Radreifen des betreffenden Fahrzeugs verglichen werden. |
| 32. | Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, da die Laufge räusche zeitlich versetzt miteinander verglichen werden. |
| 33. | Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, da die Laufgeräusche der einzelnen Radreifen zum Vergleich ihrer Klangmuster digitalisiert und ggf. gespeichert werden. |
| 34. | Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, da ein bitweiser Vergleich der digitalisierten Klangmuster vorgenommen wird, wobei aus dem Grad der jeweiligen Klangmusterabweichung auf den ordnungsge rechten bzw. den störbehafteten Zustand eines Radreifens geschlossen wird. |
| 35. | Vorrichtung zur laufenden Überwachung von Elementen oder Gesamt heiten jeglicher Art auf das Auftreten von Veränderungen, insbesondere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszu ständen ausgesetzt sind, insbesondere unter Durchführung des Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 34, mit mindestens einem Sensor (1, 2) zum Ermitteln von Me werten von physikalischen Grö en zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Element oder der gleichen Gesamtheit, einem Vergleicher (8) zum Ermitteln von Unterschieden der er mittelten Me werte und einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede. |
| 36. | Vorrichtung nach Anspruch 35 mit mindestens einem Sensor (1,2) zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen zur gleichen Zeit an verschie denen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der glei chen schwingungsfähigen Gesamtheit, einem Vergleicher (8) zum Ermitteln von Unterschieden der er mittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede. |
| 37. | Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der der Sensor ein Mikrophon (1, 2) oder ein anderer Schwingungsaufnehmer ist. |
| 38. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, bei der dem Sensor (1, 2) ein Analog/DigitalWandler (3, 4) zum Digitalisieren des Me signals des Sensors nachgeordnet ist. |
| 39. | Vorrichtung nach Anspruch 38, bei der dem Analog/DigitalWandler (3, 4) ein Digitalfilter (5,6) zum Hervorheben und/oder Unterdrücken be stimmter Bänder der ermittelten Schwingungsspektren nachgeordnet ist. |
| 40. | Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, bei der dem Analog/Digital Wandler (3,4) oder dem Digitalfilter (5,6) ein digitaler Vergleicher (8) zum Vergleichen eines digitalisierten Schwingungsspektrums mit einem anderen digitalisierten Schwingungsspektrum nachgeordnet ist. |
| 41. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 40, bei der die Ausgabe einrichtung (10) eine akustische Signaleinrichtung und/oder eine opti sche Anzeigeeinrichtung und/oder eine in den Betrieb des Elementes oder der Gesamtheit eingreifende Steuereinrichtung ist. |
| 42. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 41, bei der mindestens ein Sensor ein optoelektronischer Sensor (13) ist. |
| 43. | Vorrichtung nach Anspruch 42, bei der der optoelektronische Sensor (13) mehrere optoelektronische Sensorelemente (14) in Zeilenanordnung um fa t. |
| 44. | Vorrichtung nach Anspruch 42 oder 43, bei der optoelektronische Sen sorelemente (14) auf einer Spirallinie an einer Seite eines Radreifens (12) montiert sind. |
| 45. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 44, bei der mindestens ein Sensor ein Sensor für die magnetische Permeabilität (15) ist. |
| 46. | Vorrichtung nach Anspruch 45, bei der der Sensor für die magnetische Permeabilität (15) einen Transformator aufweist, dessen magnetischer Kreis das Element (12) oder die Gesamtheit zumindest teilweise einbe zieht, in dessen Primärwicklung (16) ein Wechselstrom eingespeist wird, der in der Sekundärwicklung (17) eine Spannung induziert, die ein Me wert für die magnetische Permeabilität ist. |
| 47. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 46, bei der mindestens ein Sensor ein thermischer Sensor (19, 21) ist. |
| 48. | Vorrichtung nach Anspruch 47, bei der der thermische Sensor (19,21) eine wechselstromdurchflossene Spule (19) umfa t, deren magnetisches Wechselfeld im Element (12) oder in der Gesamtheit Wirbelströme flie en lä t, die zu einer örtlichen Erwärmung führen, und einen thermi schen Differentialsensor (21) zur Ermittlung örtlicher und/oder zeitlicher Temperaturänderungen. |
| 49. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 48, bei der mindestens ein Sensor ein kapazitiver Sensor (22) ist. |
| 50. | Vorrichtung nach Anspruch 49, bei der der Sensor eine im Abstand vom Element (12) oder der Gesamtheit angeordneten elektrisch isolierten Elektrode (22) und dem Element oder der Gesamtheit als Gegenelektrode besteht und kapazitive Wirkung hat. |
| 51. | Vorrichtung nach Anspruch 50, bei der mittels einer dielektrischen Optik eine Fokussierung des elektrischen Feldes zwischen Elektrode (22) und Gegenelektrode auf das Element oder die Gesamtheit vorgenommen wird. |
| 52. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 51, bei dem mindestens ein Sensor (1, 2) mittels Magneteinrichtungen in einem bestimmten Ab stand von der Oberfläche des Elementes oder der Gesamtheit gehalten ist. |
Bei den Elementen oder Gesamtheiten kann es sich insbesondere um Be- standteile von Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen oder Bauwerken oder um diese selber handeln.
Elemente oder Gesamtheiten können erheblichen Beanspruchungen unter- liegen bzw. erhebliche Beanspruchungen auf andere Elemente oder Gesamt- heiten ausüben. Die in der Praxis auftretenden Beanspruchungen umfassen mechanische, mechanisch-thermische sowie tribologische Beanspruchungen, die entweder einzeln oder kombiniert auftreten können. Die kritischen mechanischen Beanspruchungen, die zu den häufigsten Schadensursachen gehören, werden vielfach durch Schwingungen schwingungsfähiger Ele- mente oder Gesamtheiten verursacht.
Unter schwingungsfähigen Elementen werden hier solche Elemente verstan- den, die selbst zumindest teilweise schwingungsfähig sind und solche, die, obwohl selbst nicht oder kaum schwingungsfähig, unter bestimmten Um- ständen zumindest teilweise zum Schwingen angeregt werden können und deshalb Schwingungen verschiedenster Art abgeben, z. B. Schallschwingun- gen.
Zu den schwingungsfähigen Elementen zählen insbesondere feste Elemente aber auch flüssige und gasförmige Medien, die in Rohren und bestimmten Behältern oder beim Ausströmen aus diesen zum Schwingen angeregt wer- den können.
Die schwingungsfähigen Gesamtheiten umfassen mehrere Elemente, die schwingungsfähige Elemente sein können. Diese Gesamtheiten sind ganz oder teilweise schwingungsfähig, wobei die Schwingungsfähigkeit auf ein Element oder mehrere Elemente beschränkt sein kann.
Man ist bestrebt, durch werkstofftechnische und/oder konstruktive Ma nah- men die Beanspruchung kritischer Elemente oder Gesamtheiten zu verrin- gern, kann diese jedoch nicht in jedem Fall ganz unterdrücken. So kann bei- spielsweise eine Schwingneigung nicht immer vollständig unterdrückt wer- den. Deshalb wird angestrebt, da die Elemente oder Gesamtheiten zumin- dest über die geplante Nutzungsdauer ohne Versagen standhalten. Da dieses nicht mit absoluter Sicherheit möglich ist, sind in den Betriebspausen Über- prüfungen notwendig und werden vorsorglich bestimmte Elemente oder Ge- samtheiten ausgetauscht.
Bekannte me technische Überwachungen haben den Nachteil, da die ge- wonnenen Me werte in aller Regel nur einen sehr begrenzten Ausschnitt der insgesamt anfallenden, sehr komplexen Erscheinungen des Beanspru- chungsvorgangs repräsentieren. Deshalb kommt es immer noch viel zu häu- fig zu einem Versagen mit bisweilen katastrophalen Folgen.
So wurde der furchtbare Unfall des ICE bei Eschede im Juni 1998 auf das Versagen eines Radreifens zurückgeführt. Dabei handelte es sich um einen die Lauffläche und den Spurkranz aufweisenden Reifen, der als Verschlei - teil auf den scheibenförmigen Radkörper aus hochwertigem Material aufge- bracht war und daran mittels einer Sicherung gesichert war. Die Räder wur- den bis zu dem Unfall nur einer regelmä igen Sichtkontrolle unterzogen.
Danach wurden die Räder sämtlicher baugleicher ICE einer Materialprüfung mittels Ultraschall unterworfen. Diese Prüfung ist aufwendig und gewährt keinen Schutz vor einem Versagen, das auch mittels Ultraschall nicht zwi- schen zwei Untersuchungen vorhersehbar wäre.
Deshalb betrifft die Erfindung insbesondere ein Verfahren zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienenfahrzeugen. Ein gebrochener Radreifen am Rad eines Schienenfahrzeugs kann zum Entgleisen des Schie- nenfahrzeugs und zu Folgeschäden für Personen und Material führen.
Um zu verhindern, da entgleiste Güterfahrzeuge noch über längere Strecken unerkannt von der fahrenden Lok mitgeschleppt werden, sind elektronische und pneumatische Entgleisungsdetektoren entwickelt worden, die die bei Entgleisungen auftretenden Vertikalbeschleunigungen der Fahrzeuge erfas- sen. Der elektronische Entgleisungssensor unterrichtet den Lokführer von dem eingetretenen Ereignis, während der pneumatische Entgleisungsdetektor bei seinem Ansprechen eine Schnellbremsung des Zuges veranla t (NZZ vom 22.02. 1996"Mehr Sicherheit bei der Bahn").
Die bekannten Entgleisungsdetektoren sind so konzipiert, da sie erst auf das Entgleisen reagieren, das hei t dann, wenn es zur Abwendung des Scha- densereignisses vielfach schon zu spät ist. Wünschenswert wären Detekto- ren, die im Vorfeld von Entgleisungen ansprechen, insbesondere dann, wenn sich Schäden an Radreifen zeigen, die in ihrer Folge zu einem Entgleisungs- vorgang führen könnten. Solche Detektoren mü ten auf den Fahrzeugen vorhanden sein, um jederzeit die Ausgabe entsprechender Meldungen ver- anlassen zu können.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur laufenden Überwachung mit erhöhter Überwachungssicherheit von Elementen oder Gesamtheiten jegli- cher Art zu schaffen, insbesondere solcher Elemente oder Gesamtheiten, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind, auf die Erkennung von Veränderungen, insbesondere die Früherkennung von Schäden.
Die Erfindung zielt insbesondere aber nicht ausschlie lich darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen schadhafter Radreifen an fahrenden Schienenfahrzeugen anzugeben, das eine möglichst frühzeitige Störungserkennung ermöglicht, nämlich sobald ein Radreifen einen Schaden aufweist, der im weiteren Verlauf zu einer Fahrzeugentgleisung führen könnte.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 35 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemä en Verfahren werden - zur gleichen Zeit an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiede- nen Zeiten am gleichen Element oder an der gleichen Gesamtheit Me - werte von physikalischen Grö en ermittelt, - Unterschiede zwischen den ermittelten Me werten ermittelt und - aufgrund ermittelter Unterschiede auf Veränderungen geschlossen.
Gemä einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden - zur gleichen Zeit an verschiedenen schwingungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder der gleichen schwingungs- fähigen Gesamtheit Schwingungen und/oder Schwingungsgemische er- mittelt, - Unterschiede zwischen den ermittelten Schwingungen und/oder Schwin- gungsgemischen ermittelt, - aufgrund ermittelter Unterschiede auf das Auftreten von Veränderungen geschlossen.
Gemä einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Laufgeräusche der Radreifen eines Fahrzeugs detektiert und mit den Laufgeräuschen mindestens eines anderen Radreifens des betreffenden Fahr- zeugs verglichen und wird beim Erkennen von markant unterschiedlichen Laufgeräuschen auf das Vorhandensein eines schadhaften Radreifens ge- schlossen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, da auf eine fahrort- bezogene Vorgabe von Referenzsignalen bei der Laufgeräuschbewertung verzichtet werden kann, weil die jeweils bewerteten Laufgeräusche im we- sentlichen den gleichen gleisseitigen Umfeldbedingungen genügen (durch- gehende Gleise, Weichen, Kreuzungen, Schwellen, Brücken und ähnliches).
Die erfindungsgemä e Vorrichtung hat - mindestens je einen Sensor zum Ermitteln von Me werten von physika- lischen Grö en zu gleicher Zeit an verschiedenen Elementen oder Ge- samtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen Elemente oder an der gleichen Ge- samtheit, - einen Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Me werte und - eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
Gemä einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Vorrichtung - mindestens je einen Sensor zum Ermitteln von Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen zur gleichen Zeit an verschiedenen schwin- gungsfähigen Elementen oder Gesamtheiten mit gleichen und/oder gleichartigen Schwingungen und/oder Schwingungsgemischen und/oder zu verschiedenen Zeiten am gleichen schwingungsfähigen Element oder an der gleichen schwingungsfähigen Gesamtheit, - einen Vergleicher zum Ermitteln von Unterschieden der ermittelten Schwingungen und/oder Schwingungsgemische und - eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Veränderungen aufgrund der ermittelten Unterschiede.
Erfindungsgemä werden also zum Ermitteln von Veränderungen keine vor- gegebenen Referenzwerte herangezogen. Vielmehr bezieht sich die Erfin- dung auf Me werte physikalischer Grö en, die von Elementen oder Gesamt- heiten mit gleichen und/oder gleichartigen Eigenschaften stammen oder die an demselben Element oder an derselben Gesamtheit ermittelt wurden. Dabei genügt Übereinstimmung oder Gleichartigkeit der Me grö en, d. h. der- jenigen Eigenschaften, von denen Me werte ermittelt werden. Aufgrund mehrerer gleichzeitiger oder zeitlich versetzter Messungen kann ermittelt werden, ob eine Veränderung vorliegt, also gewisserma en nach dem "Mehrheitsprinzip". Hierdurch entfallen Probleme der Bereitstellung und der Gültigkeit von Vorgabe-Referenzwerten. Die Bezugnahme auf Me werte von anderen oder denselben Elementen oder Gesamtheiten begünstigt zudem das Erkennen von irrelevanten Veränderungen, beispielsweise aufgrund ver- änderter Betriebszustände in einem zulässigen Bereich.
Die Überwachung ist sowohl bei gleichzeitiger Ermittlung von Me werten an verschiedenen Elementen oder Gesamtheiten als auch bei Ermittlung von Me werten zu verschiedenen Zeiten an demselben Element oder derselben Gesamtheit adaptiv, d. h. pa t sich den Gegebenheiten des Augenblickes an (z. B. bei Schienenfahrzeugen : Geschwindigkeit, Zustand von Schiene und Radreifen). Dies beruht darauf, da sich die Analyse nicht auf statische Re- ferenzwerte abstützt, sondern auf Vergleichswerte, die bei vergleichbaren Betriebszuständen genommen werden. Die gleichzeitige Ermittlung von Me werten erfolgt per se bei vergleichbaren Betriebszuständen. Bei der Er- mittlung in längeren Zeitabständen ist Voraussetzung, da dies unter ver- gleichbaren Betriebszuständen erfolgt. Somit ist die Erfindung besonders für die Überwachung von Maschinen, Anlagen, Fahrzeugen und Bauwerken oder deren Elementen geeignet, die unterschiedlichen Betriebszuständen ausgesetzt sind.
Die Ermittlung und der Vergleich von Me werten, die zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen oder gleichen Elementen oder Gesamtheiten ermit- telt werden, ermöglichen eine Bewertung von Veränderungen. Plötzliche Veränderungen, die beispielsweise auf einer Beschädigung durch ein be- sonderes Ereignis beruhen können, können durch wiederholtes Nehmen von Proben in kurzen Zeitabständen (z. B. Sekunden und darunter) und Verglei- chen der Proben miteinander ermittelt werden. Um allmähliche Verände- rungen, die beispielsweise auf allmählichem Verschlei beruhen, zu erken- nen, werden die Proben in langen Zeitabständen (z. B. Minuten und darüber) genommen und miteinander verglichen. Der Zeitabstand zwischen den Pro- ben kann der zu überwachenden Einrichtung in der Weise angepa t werden, da beim Erkennen von Unregelmä igkeiten der Zeitabstand entsprechend verringert wird. In manchen Fällen ist eine Überwachung in kurzen und in langen Zeitabständen zweckmä ig, etwa bei Strahltriebwerken von Flugzeu- gen.
Das Ergebnis des Vergleichs kann ausgegeben werden. Hierzu können auf- grund des Ergebnisses Daten erstellt werden, die in digitaler oder analoger Form, als akustisches Signal, als Warnsignal oder als Bilddarstellung oder in einer Kombination dieser Darstellungsformen ausgegeben werden. Die Ausgabeeinheit kann also einen akustischen Signalgeber, ein Display oder einen Bildschirm umfassen und/oder in den Betrieb des betreffenden Ele- mentes oder der Gesamtheit eingreifen. Dafür kann beim Vergleich unter- sucht werden, ob eine Vorgabe für den Grad der Übereinstimmung erfüllt ist.
Bei Nichteinhaltung der Vorgabe werden entsprechende Ma nahmen aus- gelöst.
Die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn aufgrund von Unterschieden der an Elementen oder Gesamtheiten ermittelten Me werte eine Beurteilung des Zustandes derselben möglich ist. So kommt über Schienen- und Luft- fahrzeuge hinaus eine Anwendung bei Stra enfahrzeugen und Schiffen in Betracht. Darüber hinaus sind Anwendungen in allen Bereichen des Ma- schinenbaus, der Verfahrenstechnik, Energietechnik, Bautechnik usw. denk- bar, beispielsweise bei der Überwachung von Maschinenelementen, Turbi- nen, Motoren, Gebläsen, Brücken oder von energietechnischen oder verfah- renstechnischen Anlagen.
Die überwachten Veränderungen können insbesondere Veränderungen von Material, Struktur, Betriebsstoffen etc. oder auf Schäden der Elemente oder Gesamtheiten sein oder auch nur Veränderungen ihrer Betriebszustände, beispielsweise in einer Aufwärmphase, bei Belastungsänderung oder bei Veränderungen der Betriebsbedingungen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung knüpft an die Erfahrung erfahrener Fach- leute an, die, zum Beispiel im Maschinenbau, mittels ihres empfindlichen Gehörs Unregelmä igkeiten aus der Geräuschentwicklung erkennen können, bevor es zu Ausfällen kommt. Die Erfindung ahmt diese gehörmä ige Beobachtung nach, indem sie imstande ist, Abweichungen oder Änderungen im spektralen Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über kurze oder län- gere Zeiträume festzustellen. Durch den Einsatz technischer Mittel ist die Er- findung jedoch im Unterschied zum menschlichen Gehör nicht auf Schall- schwingungen beschränkt, sondern bezieht die Überwachung beliebiger Schwingungsarten und Schwingungsgemische ein, die im Betrieb entstehen.
Eine gleichzeitige Überwachung verschiedener schwingungsfähiger Ele- mente oder Gesamtheiten kann beispielsweise an den Radsätzen des ICE oder anderer Schienenfahrzeuge erfolgen. Aufgrund übereinstimmender Bauweise weisen die Radreifen ein- und desselben Fahrzeugs durchweg im unbeschädigten Zustand nahezu übereinstimmende Schwingungen bzw.
Schwingungsgemische auf. Ein ri freier Radreifen wird jedoch einen ande- ren Klang bzw. ein anderes Klanggemisch beim Abrollen auf der Schiene entwickeln als ein gerissener. Folglich lä t sich durch Vergleich gleichzeitig ermittelter Schwingungen bzw. Schwingungsgemische mehrerer Radreifen ermitteln, ob ein Schaden vorliegt. Ferner können die Ermittlung und der Vergleich der Schwingungen bzw. Schwingungsgemische ununterbrochen oder auch stichprobenartig in Zeitabständen erfolgen, so da im Betrieb eine laufende oder quasi-laufende Überwachung des Radreifens gegeben ist.
Angesichts der hohen und noch weiter erhöhten Reisegeschwindigkeit von ICE und vergleichbaren Zügen zugleich mit dem sensibler gewordenen Si- cherheitsbedürfnis der Öffentlichkeit ist eine permanente Überwachung un- erlä lich.
Die ermittelten Schwingungsgemische enthalten in aller Regel Schwin- gungsanteile, die für die Überwachung des betreffenden Elementes oder der betreffenden Gesamtheit ohne Bedeutung sind, diese stören können und un- ter Umständen viel stärker sein können als die Nutzsignale. Um diesem zu begegnen wird mit Mitteln, die in der Nachrichten- und Informationstechnik eingeführt sind, der zu nutzende Schwingungsanteil bzw. werden die zu nut- zenden Schwingungsgemische durch geeignete Filter hervorgehoben und die Störsignale unterdrückt.
Im Fall sehr schwacher Nutzsignale, die u. U. auch nach Filterung keinen ausreichenden Abstand zum Störpegel haben, gibt es eingeführte Verfahren, um durch fortgesetzte Addition des betreffenden Schwingungsgemisches aus Nutzsignal und Störsignalen über statische Methoden das Nutzsignal hervor- zuheben. Je länger die anhaltende Addition gleicher Signalgemische anhält, um so grö er ist die Wahrscheinlichkeit einer sicheren Detektion.
Bei der Überwachung von Radreifen von Schienenfahrzeugen spielt bei- spielsweise nur das Schwingungsgemisch eine Rolle, das vom Radreifen selbst erzeugt wird und nicht das dominierende Abrollgeräusch des Rades auf der Schiene.
Wegen der in dieser Erfindung vorgegebenen Adaptionsfähigkeit werden Filter eingesetzt, deren Charakteristika über die in der Einrichtung vorgege- bene Software fortgesetzt verändert werden.
Hierdurch kann das Selektionsvermögen quantitativ und qualitativ nach be- stimmten Kriterien verändert werden, beispielsweise, um allmählichen Ver- schlei und damit Änderungen des Schwingungsverhaltens des zu überwa- chenden Elementes bzw. der Gesamtheit gerecht zu werden.
Über den erfindungsgemä en Vergleich von Einzelschwingungen und Schwingungsgemischen an verschiedenen Orten zur gleichen Zeit hinaus ist es in manchen Fällen notwendig, mehrere Einzelschwingungen oder mehrere Schwingungsgemische gleichzeitig zu verarbeiten. In diesen Fällen werden parallele Verarbeitungskanäle mit den entsprechenden programmierbaren Filtern eingesetzt.
Dieses kann notwendig sein, wenn die Gefahr besteht, da unterschiedlich aufgebaute Bauteile unabhängig voneinander gleichzeitig geschädigt werden als auch in den Fällen, in denen durch gegenseitige Beeinflussung eine Ge- fährdung hervorgerufen wird.
Die Verarbeitung in unterschiedlich dimensionierten selektiven Kanälen er- möglicht auch eine grob-quantitative Analyse, ob die Materialbeanspruchung von Bauelementen innerhalb des Geltungsbereichs des Hooke'schen Geset- zes bleibt. Innerhalb des Geltungsbereichs ist bekanntlich der Zusammen- hang zwischen Ursache und Wirkung linear, bei Überschreitung der Grenzen nichtlinear. Eine, auch nur kurzzeitige Überlastung macht sich akustisch durch ein unsauberes Geräusch bemerkbar, d. h. durch das Hinzutreten neu erzeugter Schwingungsanteile. Damit ist stets eine anormale Materialbean- spruchung verbunden, die zu verhindern gerade die Aufgabe dieser Erfin- dung ist.
Je nach Ordnungszahl der Übertragungsfunktion, z. B. quadratisch oder ku- bisch, treten zusätzlich harmonische und Kombinationen höherer Ordnung aus Einzelschwingungen auf, die bei Belastungen innerhalb der Grenzen des Hooke'schen Gesetzes nicht vorhanden sind. Z. B. f3 = 2f1 + fz, f = 2fi - f2 usf.
Mit Fang- und Halteschaltungen, die in der Technik seit langem eingeführt sind, hat man die Möglichkeit, laufenden Veränderungen der Frequenz der Einzelschwingungen und der Frequenzlage der Schwingungsgemische zu folgen, die u. U. durch Veränderung der Drehzahl erzeugt werden. Diese Schaltungen sind auch in der Lage, Harmonische und Kombinationsfrequen- zen höherer Ordnung nach gegebenen Kriterien aufzuspüren.
Das erfindungsgemä e Verfahren kann mit technischen Mitteln das Ver- halten des Menschen nachahmen, über das Gehör empfangene Informationen zu verarbeiten. Der Mensch verarbeitet akustische Wahrnehmungen in sehr komplexer Weise. Die unterschiedlichen und verschiedenartigen Anteile der gesamten akustischen Wahrnehmung werden von ihm miteinander verknüpft und aus dem Ergebnis der Verknüpfung bestimmte Reaktionen abgeleitet. In aller Regel besteht die Verarbeitung aus einer Kette aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlicher, Verknüpfungen. Die Art der jeweiligen Verknüpfung und die damit verbundenen Bedingungen sind durch die Art der jeweiligen Aufgabe und die Erfahrung des Menschen bestimmt und werden durch dessen andauernden Lehrproze fortwährend verändert.
Bekannt ist z. B., da das menschliche Gehör insbesondere bei thermodyna- mischen Prozessen imstande ist, Unregelmä igkeiten zu erkennen, bevor eine Me einrichtung solche diagnostiziert. Auch aus den übrigen Bereichen der Maschinen- und Anlagentechnik sind derartige Erfahrungen bekannt und werden ständig mit Erfolg angewendet.
Die Kriterien, nach denen der Mensch handelt, sind weitgehend bekannt und lassen sich nachbilden.
Erfindungsgemä werden zur Hauptsache nachgeahmt und ausgenutzt 1. die Fähigkeit des Menschen, einzelne Töne und Tongemische wahrzu- nehmen und zu bewerten, 2. unterschiedliche, gemeinsam auftretende Töne und Tongemische von- einander zu unterscheiden und getrennt voneinander zu verarbeiten und zu bewerten, 3. die Stärke von Tönen und Tongemischen wahrzunehmen und zu bewer- ten, 4. Veränderungen zu l., 2. und 3. wahrzunehmen und zu bewerten, 5. Wahrnehmungen von Frequenz, Frequenzänderungen, von Stärke und Änderungen der Stärke, der Zusammensetzung eines Tongemisches und dessen Änderung sowie andere Wahrnehmungen miteinander zu ver- knüpfen und zu bewerten, 6. aus dem Vergleich von Tönen und Tongemischen diejenigen Unter- schiede wahrzunehmen und miteinander in einer speziellen Weise zu verknüpfen und zu bewerten, wie sie für die jeweilige Aufgabe von Be- deutung sind, 7. die Einfallsrichtung eines Schallereignisses festzustellen und das Ergeb- nis mit anderen Wahrnehmungen zu verknüpfen.
Darüber hinaus können hier nicht aufgeführte Fähigkeiten des Menschen in bezug auf sein Gehör nachgebildet werden, wie sie in der medizinischen und physiologischen Fachliteratur erwähnt werden.
Die physikalischen Merkmale der in diesen Verfahren ausgenutzten Schwin- gungen und Schwingungsgemische weichen insofern von denen ab, die das menschliche Gehör wahrnehmen und verarbeiten kann, als sie nicht auf Schallschwingungen des Luftschalls, nicht auf den Hörbarkeitsbereich des menschlichen Gehörs, nicht auf dessen Dynamikbereich beschränkt sind und andere frequenzabhängige Eigenschaften aufweisen können, als sie im Prin- zip durch die physiologische Gehörkurve des Menschen dargestellt wird.
Dementsprechend ist ein besonders vorteilhafter Erfindungsaspekt die Ver- knüpfung verschiedenartiger Wahrnehmungen von Schwingungen, z. B. die Wahrnehmung Tonhöhe, verknüpft mit der Wahrnehmung der Stärke eines Eingangssignals und der Wahrnehmung einer bestimmten Veränderung in verschiedenartiger Weise, der Wahrnehmung der Einfallsrichtung, unter Umständen sogar des Ortes der Quelle, sowie die fortlaufende Veränderung der Verknüpfungsbedingungen.
Die Verknüpfung ist im einfachsten Fall einstufig und durch eine einfache Bedingung definiert, z. B. durch Vorgabe eines Grenzwertes. Die umfang- reichste Verarbeitung wäre derzeit die mit Hilfe eines fortwährenden Lern- prozesses z. B. der Künstlichen Intelligenz (KI) oder in einem neuronalen Netz, mit dessen Hilfe die Einrichtung sich einem idealen Ergebnis annähert.
8. Die Bedingungen für die Verknüpfungen werden 8. 1 intern unverändert festgelegt und/oder 8.2 extern zugeführt und/oder 8.3 fortlaufend durch festgelegte Algorithmen ermittelt und/oder 8.4 im Rechner in einem fortwährenden Lernproze z. B. im Sinne der Künstlichen Intelligenz (KI) oder neuronaler Netze ermittelt und/oder 8.5 von Hand verändert und/oder 8.6 in einer Kombination von 8.1 bis 8. 5 festgelegt. Die Einrichtungen gemä diesem Verfahren erlauben Ausbaustufen, die der jeweiligen Aufgabe angepa t werden können. Ausgehend von einem Grundbaustein lassen sich vor allem mit Hilfe der Software die unterschied- lichen Charakteristiken darstellen und nahezu beliebig verändern.
Mit Hilfe eines externen Rechners lassen sich ggfs. die Funktionen bis ins Detail simulieren und erlauben, auf diese Weise die Funktionsfähigkeit zu überprüfen und zu protokollieren.
Hierzu nachfolgend noch einige Grundlagen : Der Mensch vermag mit einiger Aufmerksamkeit Lautstärkeunterschiede von plus minus 3 dB wahrzunehmen.
Mit einem Lautstärkeunterschied von 6 dB wird auch ohne bewu te Auf- merksamkeit beim Hörer eine deutliche Reaktion ausgelöst.
Mit 10 dB wird erfahrungsgemä schon eine gewisse Aufgeregtheit ausge- löst.
Mit 20 dB und mehr wirkt ein Lautstärkeunterschied ausgesprochen alarmie- rend.
Tonhöhenunterschiede vermag ein musikalisch ungeschulter Mensch unge- fähr in Terzschritten wahrzunehmen.
Auch hier gilt, da eine zunehmende Tonhöhenverschiebung sich letztlich alarmierend auswirkt.
Mit einer Kombination aus Lautstärke- und Tonhöhenänderung verstärken sich die Reaktionen gegenseitig.
Sinngemä löst das Auftreten völlig neuer Schwingungsanteile neben dem Abschwächen bisheriger gleichfalls abgestufte Reaktionen aus.
Mit den Erfahrungen vieler Generationen von Betriebsingenieuren, Ent- wicklungsingenieuren und Servicefachleuten darf man davon ausgehen, da die genannten abgestuften Werte von Stärke- und Frequenzänderung in den meisten Anwendungsfällen genügen werden. Sie liegen jedoch nicht unver- änderbar fest und können z. B. bei sensiblen Anlagen innerhalb weiter Gren- zen verschärft werden.
Vergleichsweise Reaktionen treten auf, wenn ein die Aufmerksamkeit erre- gendes Schallereignis aufgrund der Fähigkeit des Menschen zu stereopho- nem, d. h. räumlichem Hören zugleich die Einfallsrichtung und unter Um- ständen sogar den Ort im dreimensionalen Raum erkennen lä t.
Die Erfindung kann sich auch auf die Me werte anderer Eigenschaften des Elementes oder der Gesamtheit beziehen, beispielsweise das Erscheinungs- bild der Oberfläche, die magnetische Permeabilität, die Temperatur, die Er- wärmung, die Kapazität gegenüber einer Gegenelektrode oder die Beschleu- nigung. Diese Eigenschaften können insbesondere durch Materialschäden, beispielsweise Risse, beeinflu t werden. So können Risse an der Oberfläche sichtbar sein, die magnetische Permeabilität oder das Erwärmungsverhalten verändern und die Kapazität bezüglich einer Gegenelektrode beeinflussen.
Beschleunigungswerte lassen insbesondere Rückschlüsse auf Verformungen oder veränderte äu ere Betriebsbedingungen zu.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen eini- ger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Überwachungsvorrichtung im grobschematischen Blockbild, Fig. 2 optische Sensoranordnung einer Überwachungsvorrichtung in Seiten- ansicht ; Fig. 3 Permeabilitäts-Sensoranordnung einer Überwachungsvorrichtung in Seitenansicht ; Fig. 4 Wirbelstrom-Sensoranordnung einer Überwachungsvorrichtung in Seitenansicht ; Fig. 5 Kapazitäts-Sensoranordnung einer Überwachungsvorrichtung im Vertikalschnitt.
Gemä Fig. 1 hat die Vorrichtung zwei Sensoren 1, 2, beispielsweise Mikro- phone. Die Sensoren 1, 2 werden jeweils einem Maschinen- und Anlagen- Element zugeordnet, wobei die Elemente im Betrieb gleiche oder gleichar- tige Schwingungen bzw. Schwingungsgemische oder eine Kombination aus gleichen und gleichartigen Schwingungen bzw. Schwingungsgemischen er- zeugen.
Jeder Sensor 1, 2 speist einen Analog/Digital-Wandler 3,4, der das vom Sensor 1, 2 gelieferte Analogsignal digitalisiert.
Das digitalisierte Me signal wird von den Analog/Digital-Wandlern 3,4 je- weils einem digitalen Filter 5,6 zugeführt. Die Filter 5,6 können aus den ermittelten Schwingungsgemischen bestimmte Bänder nach Lage und Breite hervorheben und andere unterdrücken. Der Filter-Algorithmus und damit die Filtercharakteristiken der beiden Filter 5,6 werden über eine Filtersteuerung 7 gesteuert.
Die gefilterten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische werden von den Filtern 5,6 einem digitalen Komparator 8 zugeführt, z. B. einem Sequenzer.
Als Sequenzer werden neuerdings schnelle Komparatoren bezeichnet, die Sequenzen miteinander vergleichen, z. B. in der Gen-Analyse. Von diesen werden die digitalisierten Schwingungen bzw. Schwingungsgemische bit- weise oder gruppenweise verglichen und überprüft, ob ein bestimmter Grad von Übereinstimmung gegeben ist. Der Vergleichs-Algorithmus wird von einer Komparator-Steuerung 9 gesteuert.
Der Komparator 9 liefert ein Steuersignal an eine Ausgabe-Einheit 10, falls der Vergleich eine Überschreitung der Vorgabewerte zum Ergebnis hat.
Über die Ausgabe-Einheit 10 kann ein Warnsignal akustisch und/oder op- tisch gegeben und/oder automatisch in den Betrieb der zu überwachenden Elemente eingegriffen werden.
Der gesamten Vorrichtung ist eine Proze -Steuerung 11 übergeordnet, über die die Arbeitsweise sämtlicher Vorrichtungsteile 1 bis 10 beeinflu t werden kann.
Es folgen einige Anwendungsbeispiele, die auf Schwingungs- oder Ge- räuschmessungen basieren : Beispiel 1 Ein Schienenfahrzeug ist mit mehreren Mikrofonen versehen, die den Radreifen der einzelnen Räder zugeordnet und akustisch an diese angekop- pelt sind. Die Mikrofone dienen dazu, die Laufgeräusche der einzelnen Radreifen möglichst gegeneinander gekoppelt aufzunehmen. Die Laufgeräu- sche der einzelnen Radreifen werden zum späteren Vergleich ihrer Klang- muster digitalisiert und ggf. gespeichert. In vorgegebenen zeitlichen Abstän- den wird ein bitweiser Vergleich der digitalisierten Klangmuster unter- schiedlicher Radreifen vorgenommen. Üblicherweise wird es dabei nur rela- tiv geringe Klangmusterabweichungen geben, die den ordnungsgerechten Betriebszustand der Radreifen kennzeichnen. Bei einem defekten Radreifen wird der Grad der Klangmusterabweichung verschieden sein von dem der Klangmusterabweichung bei ordnungsgerechtem Zustand der Radreifen. Aus der markanten Klangmusterabweichung wird nun auf den störbehafteten Zu- stand eines der Radreifen geschlossen, deren Laufgeräusche bewertet wer- den.
Insbesondere dann, wenn es nicht gelingt, die Laufgeräusche der Radreifen an den auf der gleichen Welle sitzenden Rädern gegeneinander entkoppelt zu detektieren, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, die Laufgeräusche der Radreifen mit den Radreifen-Laufgeräuschen von auf ei- ner anderen Achse des betreffenden Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugrädern zu vergleichen. Dieser Vergleich findet dabei vorzugsweise zeitlich versetzt statt, weil sich dadurch der Vergleichsaufwand gegenüber einem gleichzeiti- gen Vergleich erheblich vermindert.
Über den Vergleich der Radreifenlaufgeräusche von Rädern verschiedener Fahrzeugachsen lassen sich neben Beschädigungen von Radreifen auch auf andere Ursachen zurückzuführende plötzliche Fahrzeugentgleisungen detek- tieren, die bei ausschlie lichem Vergleich der Radreifenlaufgeräusche von auf der gleichen Welle angeordneten Fahrzeugrädern nicht mit der gebote- nen Sicherheit erkennbar wären ; in einem solchen Fall würden die Radreifen der auf der gleichen Welle angeordneten Fahrzeugräder beim Befahren des Gleisbettes jeweils den gleichen vertikalen Beschleunigungen ausgesetzt sein, so da die geforderte Störungserkennung nicht sichergestellt ist. Aus diesem Grunde sollten die Laufgeräusche eines Radreifens immer minde- stens auch mit den Radreifenlaufgeräuschen mindestens eines an einer ande- ren Fahrzeugachse angeordneten Fahrzeugrades verglichen werden.
Beispiel 2 Das IST-Geräuschspektrum einer Maschinenanlage zum Zeitpunkt ti wird, nachdem es auf den relevanten Frequenzbereich durch Filterung eingeengt worden ist, als Referenz-Spektrum SOLLI gespeichert.
Es wird mit einem IST2-Spektrum verglichen, das zum Zeitpunkt t2 gewon- nen wurde, wobei als Auslösekriterien bestimmte Verknüpfungen von Ab- solutwerten und Veränderungen benutzt werden.
Im nächsten Intervall wird das ISTz-Spektrum als neues Referenzspektrum abgespeichert und mit dem darauffolgenden Spektrum zum Zeitpunkt t3 verglichen und so fort.
Das Ergebnis der Verknüpfung kann entweder zu einer programmierten au- tomatischen Reaktion führen als auch angezeigt und manuell beantwortet werden.
Beispiel 3 Aus der Verknüpfung verschiedenartiger und unterschiedlicher Augen- blickswerte von Frequenz und Stärke eines Geräuschspektrums in Abhän- gigkeit vom jeweiligen Betriebszustand leitet eine Bedienungskraft be- stimmte Reaktionen ab.
Veränderungen nach Art und Wert, wiederum in Abhängigkeit vom augen- blicklichen, jedoch nun veränderten, Betriebszustand, lösen bei der Bedie- nungskraft andere Reaktionen aus.
Aus der Kette von Zuordnungen ermittelt der Rechner den Algorithmus des Lernprozesses.
Auf diese Weise"lernt"die Überwachungseinrichtung, sich auf unterschied- liche Betriebszustände einzustellen, zu interpolieren und im u. U. mehr- dimensionalen Kennlinienfeld zu verschieben und bewertet die unter- schiedlichen und verschiedenartigen Geräusche, wie zuvor der Mensch, als Funktion des jeweiligen Betriebszustandes.
Abweichungen davon werden wiederum miteinander verknüpft und lösen abgestufte selbsttätige Reaktionen aus.
Beispiel 4 In einer Maschinenanlage, die aus gleichartigen Elementen besteht, die unter genau gleichen Arbeitsbedingungen arbeiten, müssen die Geräuschspektren weitgehend übereinstimmen.
Ein Beispiel sind die Laufräder eines Eisenbahnfahrzeugs von genau glei- cher Bauart und gleichem Verschlei zustand, wenn sie auf der gleichen Schiene laufen. Jedes Laufrad erzeugt beim Abrollen auf der Schiene ein Ge- räusch, das sich zusammensetzt aus a) dem eigentlichen Abrollgeräusch auf der Schiene, b) dem Lagergeräusch c) dem Windgeräusch und d) dem Geräusch, das durch die von den Unebenheiten der Schienenober- fläche angeregten Schwingungen der Radkonstruktion, insbesondere des Radreifens, besteht.
Der Radreifen selbst lä t sich als schwingungsfähiges Element recht sauber definieren, selbst wenn die Schwingungsneigung durch konstruktive Ma - nahmen und vom Material her bedämpft wird.
Nach dem erfindungsgemä en Verfahren werden die Laufgeräusche eines bestimmten Eisenbahnfahrzeuges in der Weise miteinander verglichen, in- dem zunächst durch Filterung auf die Schwingungen der Radreifen abgestellt wird.
Der eigentliche Vergleich wird zwischen den Laufrädern ein und desselben Fahrzeugs vorgenommen, die auf der gleichen Schiene laufen, mithin von den gleichen Unebenheiten der Schienenoberfläche angeregt werden.
Im zyklischen Verfahren werden die Laufgeräusche der Radreifen miteinan- der verglichen, wobei die verschiedenartigen Symptome miteinander ver- knüpft und bewertet werden.
Schon eine beginnende Ri bildung führt sofort dazu, da die Schwingnei- gung des Radreifens beeinträchtigt wird und zwischen dem defekten Laufrad und den unversehrten Laufrädern ein signifikanter Geräuschunterschied entsteht.
Beispiel 5 Durch Überwachung eines oder mehrerer Laufräder eines Eisenbahnfahr- zeuges kann auch der Verschlei zustand des Schienenkopfes ermittelt wer- den. Grundsätzlich ist dies durch wiederholte Messungen an nur einem Lauf- rad möglich. Vorteilhaft ist die gleichzeitige Überwachung zweier Laufräder, die hintereinander auf derselben Schiene laufen. Übereinstimmende Ände- rungen der Schwingungen bzw. des Laufgeräusches sind auf die Schiene zu- rückzuführen und ermöglichen Rückschlüsse auf deren Verschlei zustand. So können frühe Schadensentwicklungen festgestellt und rechtzeitige vor- beugende Ma nahmen eingeleitet werden.
Beispiel 6 In einer Anlage der chemischen Industrie werden mehrere Mikrofone als Schwingungsaufnehmer verteilt in einem dreidimensionalen System ange- ordnet.
Je nach Art des Mediums - Gas, hoch- oder niedrigviskose Flüssigkeiten, Dampf - entsteht beim Bruch einer Leitung oder eines anderen Anlagenteils ein typisches Geräusch, das fast immer a) auf das Medium b) u. U. auf den Schadensumfang schlie en lä t.
Durch die stereophone Eigenschaft der hier zum Patent angemeldeten Über- wachungseinrichtung wird ohne merkliche Zeitverzögerung auch der exakte Schadensort definiert.
Wenn im Rechner eine genaue dreidimensionale Zuordnung von Ort und Medium abgelegt ist, ermöglicht die Überwachungseinrichtung im Scha- densfall darüber hinaus durch die sichere Erkennung des Schadensortes die Bestimmung des Gefahrenspotentials.
Gemä Fig. 2 ist seitlich eines Radreifens 12 mit einem Spurkranz 12'eine optische Abtastzeile 13 angeordnet von der Art der Abtastzeilen, die in der FAX-Technik verwendet werden. Stand der Technik ist eine Dichte der ein- zelnen optischen Sensorelemente 14 von 600 dpi entsprechend 23,6 Ele- menten pro Millimeter.
Die Einrichtung macht von der Tatsache Gebrauch, da ein Ri - in Umfangsrichtung eine sehr kleine Ausdehnung hat, - da seine Kanten relativ scharf ausgeprägt sind, - da er, wenn auch mit gewissen Richtungsänderungen, in radialer Rich- tung verläuft, - da die Helligkeitsänderungen, die durch einen Ri hervorgerufen wer- den, jedoch gering sind.
Aufgrund der genannten speziellen Eigenschaften lä t sich ein Ri aufspüren und von anderen Signalen, die z. B. von Verschmutzung herrühren, unter- scheiden.
Die Abtastzeile 13 liegt tangential am inneren Radius des Radreifens 12 an, wodurch eine nutzbare Länge von ungefähr 125 mm entsteht, wenn man von einem Radreifendurchmesser von 710 mm auf der Lauffläche und einem Durchmesser von 650 mm auf dem Stammrad 12"ausgeht, auf dem der Radreifen 12 sitzt. Die Abtastzeile 13 überdeckt deshalb die Seite des Radreifens 12 mit 23,6 125 = 2950 Sensorelementen 14.
Über die Breite in Radialrichtung des abgetasteten Radreifens 12 von 30 mm liefern die 2950 Sensorelemente 14 insgesamt 2950/30 = 98,33 Zeilen pro Millimeter. Mit der typischen Auflösung von 23,6 Sensorelementen 14 pro Millimeter entsprechend einem Punktdurchmesser von 1/23,6 = 0,0423 mm wird jeder Punkt auf dem Radius des Radreifens 12 bei jeder Umdrehung mehr als 4 mal abgetastet.
Durch diese Art der Mehrfachüberlagerung werden auch die schwachen Helligkeitsunterschiede, die sehr dünne Risse erzeugen, sichtbar. Eine zu- sätzliche Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit kann vorgenommen werden, indem man die Abtastung über mehrere Umdrehungen fortsetzt und die Einzelsignale, wie zuvor bei der einmaligen Umdrehung, einander über- lagert. Aus dem Summensignal der mehrfachen Abtastung schält sich das Nutzsignal um so schärfer heraus, je länger die Überlagerung andauert.
Mit ausreichend langer Überlagerungszeit lassen sich Nutzsignale wahrneh- men, die erheblich unter dem Pegel der Störsignale liegen.
Die sehr hohe Auflösung verlangt eine fortgesetzte Kontrolle des Abstandes zwischen der Abtastzeile 13 und dem Radreifen 12. Sie wird hier vorzugs- weise dadurch bewirkt, da die Abtastzeile 13 von Magnethälften in einem bestimmten Abstand in der Schwebe gehalten wird.
Im Fall eines nicht verschmutzten Ri bildes folgt die Verarbeitung dem fol- genden Schema : a) Ein Bildpunkt wird detektiert ; b) durch einmalige Differenzierung dU/dt wird die Schärfe des Signals be- stimmt und mit einem für ein Ri -Signal typischen Wert verglichen ; c) durch zweimaliges Differenzieren d2U/dt2 wird die Breite des Signals be- stimmt und mit einem für ein Ri -Signal typischen Wert verglichen. d) Bleiben b) und c) innerhalb der erlaubten Grenzen, wird für das nachfol- gende Signal ein Zeitfenster festgelegt, in dem ausschlie lich ein"er- laubtes"Signal ausgewertet wird. Die Lage des Zeitfensters entspricht dem weiteren, möglichen Verlauf des Risses. e) Die Detektion eines Bildpunktes wird auf das festgelegte Zeitfenster be- schränkt und beginnt wieder mit a), b) usw. f) Nach jeder punktweisen Detektion eines"erlaubten"Signals wird das Zeitfenster neu festgelegt und führt dazu, da der Ri verfolgt wird. g) Mit jeder Detektion eines"erlaubten"Signals erhöht sich die Wahr- scheinlichkeit, da ein Ri aufgespürt worden ist. h) Bei Erreichen bestimmter Wahrscheinlichkeiten werden entsprechende Ma nahmen ausgelöst. Das Problem der Unterscheidung von Signalen, die von einem Ri ausgehen und solchen, die von der Verschmutzung verursacht werden, wird aufgrund folgender Unterschiede gelöst : Ein Ri -Signal besteht aus einem extrem kurzen Helligkeitseinbruch. Ein solches Signal zeichnet sich durch gro e Flankensteilheit aus. Bei der ein- maligen Differenzierung entsteht ein starkes Signal dU/dt, während ein Signal, das von Verschmutzung ausgeht, in der Regel weichere Flanken hat und deshalb bei der einmaligen Differenzierung ein deutlich schwächeres Signal dU/dt erzeugt.
Eine zusätzliche Unterscheidung ergibt die zweite Differenzierung nach d2U/dt2. Die dabei entstehenden Spannungsspitzen repräsentieren die Dauer des Signals, das als Ri -Signal deutlich kürzer ist als ein solches, das von Verschmutzung erzeugt wird. Zusätzlich wird verlangt, da die zeilenweise nacheinander angebotenen Signale die Kriterien eines Ri bildes erfüllen müssen.
Sobald ein Ri bild bei der fortgesetzten Abtastung durch eine Verschmut- zung gestört ist, wird der Gesamtvorgang neu gestartet, d. h. es wird neu nach einem Ri bild gesucht.
Sobald die fortgesetzte Abtastung und Verarbeitung Hinweise auf einen Ri ergibt, werden entsprechende Ma nahmen ausgelöst.
Im Fall eines zum Teil verschmutzten Ri bildes folgt die Verarbeitung dem folgendem Schema : a) Wie zuvor unter a) bis f) d. h. ein Ri ist erkannt worden. Die Detek- tionswahrscheinlichkeit reicht aber für eine Reaktion noch nicht aus. b) Einer der nachfolgenden Bildpunkte erfüllt nicht die Bedingungen eines Ri -Signals. c) Das Zeitfenster wird aus dem letzten,"erlaubten"Ri -Signal abgeleitet und wegen der möglichen Richtungsänderung entsprechend erweitert. d) Weiter wie b) und c). e) Sobald wieder ein"erlaubtes"Ri -Signal auftritt, beginnt der Vorgang wie unter a) für den Fall eines nicht verschmutzten Ri bildes beschrie- ben, bis die Wahrscheinlichkeit zu einer Reaktion ausreicht.
Fig. 3 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der Veränderung der magnetischen Permeabilität im Ri bereich. Bei Ri bildung ist dort die Per- meabilität verringert. Zu diesem Zweck befindet sich seitlich des Radreifens 12 ortsfest ein Sensor für die magnetische Permeabilität 15. Dieser weist ei- nen Transformator mit Primärwicklung 16 und Sekundärwicklung 17 auf, dessen magnetischer Flu sich bei 18 radial und quer zu einem möglichen Ri über den Radreifen 12 schlie t.
Die Primärwicklung 16 wird von einem nach Frequenz und Stärke optimier- ten Wechselstrom durchflossen und induziert in der Sekundärwicklung 17 eine Spannung, deren Wert von der Stärke des magnetischen Flusses ab- hängt. Bei Auftreten eines Risses ist der magnetische Widerstand erhöht und führt zu einem Spannungseinbruch auf der Sekundärseite. Die Einrichtung setzt einen Transformator 15 voraus, dessen Spaltbreite der Breite eines zu erwartenden Risses entspricht.
Fig. 4 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der örtlichen Erwär- mung als Folge von Wirbelströmen. Im Bereich des Risses ist der für die Stärke des Wirbelstromes ma gebende Querschnitt verringert, so da der Wirbelstrom und damit die Erwärmung zurückgeht.
Die Einrichtung enthält eine ortsfest seitlich des Radreifens im Bereich der Ri gefährdung angebrachte wechselstromdurchflossene Spule 19, deren magnetisches Wechselfeld im Radreifen 12 bei 20 Wirbelströme flie en lä t, die das Material örtlich erwärmen. Die das magnetische Wechselfeld erzeu- gende Spule 12 ist in einer solchen Orientierung zum Radreifen angebracht, da die Ri bildung eine Veränderung der Stärke der Wirbelströme zur Folge hat und verringerte örtliche Temperatur die Folge ist.
Die örtlich und bei Drehung des Rades zeitlich veränderte Temperaturver- teilung wird mit Hilfe eines thermischen Differentialsensors 21 mit Diffe- rentialsensorköpfen 21', 21"festgestellt. Dieser kann ein Infrarot-Sensor sein, wie er für das Aufspüren kleinster Temperaturdifferenzen verwendet wird.
Anstelle einer blo en Temperaturmessung kann der Temperaturgradient über die Zeit ermittelt werden. Diese Bewertung liefert laufend eine Statusmel- dung über den Zustand des betreffenden Lagers. Aus dem Vergleich mehre- rer Lager gleicher Konstruktion und gleicher Belastung ergeben sich zuver- lässige Daten über den Verschlei zustand, bevor es zu Ausfällen kommt.
Fig. 5 zeigt die Feststellung von Rissen durch Messung der Veränderung der Kapazität zwischen dem Radreifen 12 und einer festen Elektrode 22. Diese Einrichtung benutzt zum Aufspüren eines Risses im Radreifen 12 die Ver- änderung des elektrischen Feldes bei 23 und damit die Veränderung der Ka- pazität zwischen einer ortsfesten Elektrode 22 und dem Radreifen 12 als Gegenelektrode. Um eine ausreichende Ansprechempfindlichkeit zu errei- chen, werden die Geometrie der ortsfesten Elektrode 22 und die Frequenz der bei 24 angelegten Wechselspannung optimiert. Mittels einer dielektri- schen Optik kann eine Fokussierung des elektrisches Feldes auf den Radrei- fen 12 vorgenommen werden.
Des weiteren können Veränderungen aufgrund der Messung der Beschleuni- gung mit Hilfe von Beschleunigungsaufnehmern ermittelt werden. Hierbei gibt es insbesondere folgende Möglichkeiten : Bestimmung der Querbeschleunigung des ungefederten Fahrwerkteils : Hier- aus werden Rückschlüsse auf die Schlingerneigung des Fahrzeugs gezogen. Ursachen können Verschlei erscheinungen am Spurkranz des Radreifens sein wie auch Verschlei an der Innenseite des Schienenkopfes. Die Ursache der erhöhten Querbeschleunigung wird durch den Vergleich der Querbe- schleunigung verschiedener Fahrzeuge lokalisiert. Gleiche Querbeschleuni- gung deutet auf Veränderung in der Gleisanlage, unterschiedliche Querbe- schleunigung auf solche am Spurkranz eines bestimmten Fahrzeugs.
Bestimmung der Vertikalbeschleunigung des ungefederten Fahrwerkteils.
Aus dem Verlauf der Vertikalbeschleunigung lassen sich die folgenden Schlüsse ziehen : Beschleunigungsspitzen und -einbrüche, die im Rhythmus der Umdrehungs- frequenz auftreten, schlie en auf Unrundheit des Radreifens. Andere Be- schleunigungen werden von Unregelmä igkeiten im Gleisoberbau erzeugt : Solche mit einem niedrigen ersten Differenzquotienten delta b/delta t rühren aus Lageveränderungen des Oberbaus, wie sie z. B. durch Senkungen des Untergrundes entstehen. Kräftige Werte werden u. a. durch Gleisbrüche er- zeugt. Sie unterscheiden sich signifikant von den Beschleunigungswerten und deren Charakteristika, wie sie beim Überfahren von Weichen und Kreu- zungen entstehen. Niedrige Beschleunigungswerte mit Frequenzen im hohen Tonfrequenzbereich werden von Riffeln in der Lauffläche der Schienen er- zeugt.
Die Vertikalbeschleunigungen aus Veränderungen des Gleisoberbaus werden normalerweise in bestimmten Abständen durch Gleisme wagen erfa t und bilden die Grundlage für Instandhaltungsma nahmen. Die ständige Kontrolle des Gleisoberbaus durch eine im Zugverband ohnehin vorhandene Einrich- tung macht es möglich, da Gleisme wagen nur noch seltener eingesetzt werden müssen. Trotzdem erbringt die ständige Überwachung der Gleislage zuverlässigere Werte über den aktuellen Zustand einer Strecke.
Sämtliche Vorrichtungen können Einrichtungen aufweisen, die die sehr klei- nen Werte der elektrischen und thermischen Erscheinungen über längere Zeit gemeinsam mit den Störsignalen akkumulieren, wodurch der Abstand des jeweiligen Nutzsignals zu den Störsignalen fortgesetzt erhöht wird.
Next Patent: DYNAMIC HOLOGRAPHIC VELOCIMETER FOR MEASURING VIBRATIONS