Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen während ihres bestimmungsgemässen Einsatzes zu überwachen, indem das Fahrverhalten repräsen- tierende Betriebsparameter erfasst und ausgewertet werden. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels Beschleunigungsaufnehmern einwirkende Schwingungen zu erfassen und die von den Beschleunigungsaufnehmern daraus gene- rierten Signale einer auf dem Schienenfahrzeug integrierten Diagnose-Einrichtung zu- zuführen.

DE 196 11 775 schlägt den Vergleich ortsabhängig ermittelter Beschleunigungsspekt- ren mit einem als Normal definierten"Rüttelprofil"einer vom Schienenfahrzeug zu be- fahrenden Strecke vor. Hierbei werden jedoch nicht einzelne Komponenten des Fahr- zeuges überwacht, sondern es wird lediglich das summarische Spektrum aller Kompo- nenten zusammen untersucht. Auch DE 195 02 670 beschränkt sich auf die Auswer- tung eines auf das gesamte Fahrwerk bezogenen Beschleunigungssignales mit dem Ziel, eine eventuelle Entgleisung des Fahrwerkes zu erkennen.

Aus DE 101 45 433 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Beschleunigungsverhalten wenigstens zweier, einem Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges zugeordneter Schlingerdämpferkonsolen überwacht wird, indem aus beiden Beschleunigungswerten ein Korreiationskoeffizient gebildet, mit einem Sollwert verglichen und bei dessen Über- schreiten eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Das Verfahren nutzt die Dynamik des Fahrwerkes in Bezug auf den Wagenkasten und setzt die hieraus resultierenden Be- schleunigungen an der rechten und linken wagenkastenseitigen Schlingerdämpferkon- sole in geeigneter Weise in Beziehung zueinander. Aufgrund der unterschiedlichen Dy- namik von Fahrwerk und Radsatzführungsbuchse ist dieses Verfahren (inklusive der Anbringungsorte der Sensoren) für eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen jedoch nicht geeignet.

DE 199 53 677 lehrt die Verwendung eines Verfahrens zur Erkennung einer Entglei- sung eines Schienenfahrzeuges, wobei eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Bauelementes des Schienenfahrzeuges verti- kal zu einer Fahrtrichtung ermittelt wird, die Beschleunigung mittels Beschleunigungs- sensor gemessen, zweifach über die Zeit integriert und schliesslich mit einem oberen und/oder unteren Grenzwert verglichen wird. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren, bei dem aus einem gemessenem Beschleunigungssignal und einer im Rahmen der

Berechnung durchzuführenden Elimierung einer linearen Tendenz eine Wegdifferenz abgeschätzt wird. Die auf diese Weise erzielbare Abschätzungsgenauigkeit des Weg- signales ist jedoch in ihrer Diagnosequalität für eine Ankopplung an eine Fahrzeugsteu- erung unzureichend.

Die Führung der Radsätze gegenüber dem Drehgestellrahmen des Schienenfahrzeu- ges stellt eine hochbeanspruchte Systemkomponente dar, die mit diesen bisher be- kannten Diagnosesystemen noch nicht in der erforderlichen Qualität erfasst werden konnte. Bei den aktuellen Baureihen für Hochgeschwindigkeitszüge der ICE-Familie erfolgt die präzise Radsatzführung entweder über zwei am Drehgestellrahmen einge- presste Führungszapfen und hierauf montierte Radsatzführungsbuchsen oder über Radsatzführungbuchsen im Lager der Anlenkung des Schwingenarmes an den Dreh- gestellrahmen. Unabhängig von der jeweiligen konstruktiven Lösung werden für die Radsatzführungsbuchsen Elastomerwerkstoffe eingesetzt, deren werkstoffliche Zu- sammensetzung und Eigenschaften an den Einsatzzweck angepasst sind. Neben der Erzielung eines ruhigen Fahrzeuglaufes steht auch das Ermöglichen einer begrenzten radialen Einstellmöglichkeit der Radsätze während Bogenfahrten im Vordergrund. So- mit unterliegen die Radsatzführungsbuchsen im täglichen Betriebseinsatz vielfältigen verschleissausübenden Einflüssen. In vertikaler Richtung sind sie den Gewichtskräften des Fahrzeuges und dynamischen Kräften aus Fahrbahnunregelmässigkeiten (z. B.

Riffel auf der Schienenoberfläche) ausgesetzt, in horizontaler Längsrichtung wirken Brems-und Beschleunigungskräfte, in transversaler Richtung greifen bei Kurvenfahrten Fliehkräfte an. Diesen Belastungen kann zusätzlich noch eine geringfügige Verdrehung innerhalb der Buchse überlagert sein.

Im Allgemeinen gestaltet sich bei Elastomerteilen der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit bzw. die Angabe einer (Rest-) Lebensdauer sehr schwierig, da hierfür kaum abgesicherte Rechenverfahren existieren. Ebenso ist eine Überwachung der Radsatzführungsbuchsen im eingebauten Zustand durch Kontrolle ihrer Abmessungen nahezu unmöglich, da sie aufgrund der Einbausituation im Drehgestell kaum zugänglich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln. Eine robuste und eisenbahnbetriebstaugliche Konzeption sollen eine hohe Diagnosequalität und verläss- liche Alarmraten sicherstellen.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfin- dungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zustand der Radsatzführungsbuchse des Schienenfahrzeuges-insbesondere das Spiel-durch Auswertung eines im Bereich mindestens eines Radsatzlagers aktuell gemessenen Beschleunigungssignals über- wacht wird, indem aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung eine Abschätzung eines Wegsignals vorge- nommen wird. Dieses abgeschätzte Wegsignal w (t) repräsentiert eine Zustandsgrösse, die mindestens eine Koordinate der aktuellen räumlichen Lage des Radsatzes in Bezug auf die ihn umgebenden übrigen Bauteile des Drehgestells eindeutig beschreibt. Bei einem vergrössertem Spiel der Radsatzführungsbuchse oder aber auch bei unzulässi- gen Steifigkeitsänderungen ist im Betriebszustand eine gegenüber dem Gut-Zustand signifikante Lageveränderung bezüglich dieser Raumkoordinate zu erwarten. Eine Herleitung einer solchen Wegsignalabschätzung aus den Ausgangssignalen von Be- schleunigungssensoren mittels einer Doppelintegration erscheint zunächst jedoch un- möglich, da weder die Anfangsposition noch die Anfangsgeschwindigkeit des Mess- punktes bekannt sind. Die erfindungsgemässe Leistung besteht darin, ein Verfahren aufzuzeigen, das dennoch eine geeignete Abschätzung und Überwachung der räumli- chen Lage der Radsatzführungsbuchsen ermöglicht.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird aus den Wegsignalabschätzungen w (t) mindestens zweier, einem Drehgestell eines Schienen- fahrzeuges zugehörigen Radsätzen die Spannweite des Abstandes dieser Radsätze WS, A zueinander bestimmt (Variante A). Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Signi- fikanz des ermittelten Signales und des damit verbundenen hohen Fehlererkennungs- grades besonders vorteilhaft. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei der Ermittlung von WS, A das Ergebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand WA statisch zwischen den beiden Radsatzlagern bereinigt wird.

Eine vorteilhafte Modifikation des Erfindungsgedankens sieht vor, dass aus der Weg- signalabschätzung w (t) eines Radsatzes die Spannweite des Abstandes zwischen die- sem Radsatz und einem Fixpunkt auf dem zugehörigen Drehgestellrahmen ws, e des Schienenfahrzeuges analysiert wird (Variante B). Im Gegensatz zur vorgenannten Ausführungsform kann nicht nur auf die von einer Unregelmässigkeit in der Radsatzfüh- rung betroffene Seite eines Drehgestells geschlossen werden, sondern es wird eine eindeutige Identifizierung des konkret geschädigten Radsatzführungsbuchsen-Paares eines Radsatzes ermöglicht. Auch in diesem Fall ist bei der Ermittlung von wB das Er-

gebnis um den konstruktiv vorgegebenen Abstand statisch zwischen dem Radsatzlager und dem Fixpunkt am Drehgestellrahmen zu bereinigen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen 4 bis 10 genannten Merkmalen.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe ferner durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass Mittel zur Erfassung des Beschleuni- gungsverhaltens wenigstens einer Radsatzführungsbuchse an mindestens einem Radsatzlagergehäuse des Schienenfahrzeuges vorhanden sind, mittels denen ein ak- tuell gemessenes Beschleunigungssignal erfassbar ist und die Spannweite ws eines aus diesem Beschleunigungssignal durch zweimalige Integration nach jeweils erfolgter Mittelwertbefreiung abgeschätzten Wegsignals w (t) einer Überwachung unterzogen werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur Zustandsdiagnose und Überwachung von Radsatzführungsvorrichtungen an Schienenfahrzeugen bereit- stellen.

Insbesondere kann in bevorzugter Ausgestaltungsweise vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinrichtung zur Überwachung des abgeschätzten Wegsignales integraler Be- standteil einer auf dem Schienenfahrzeug implementierten übergeordneten Vorrichtung zur Überwachung der Fahreigenschaften des Schienenfahrzeuges ist. Dadurch wird ein weiterer Schritt in Richtung eines leistungsfähigen, fahrzeugintegrierten On-board- Diagnosesystems unternommen.

Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Figur 1 näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch (Draufsicht) einen Drehgestellrahmen (1) sowie zwei Radsät- ze (2,3), wobei sich der Drehgestellrahmen über ein primäres Federungssystem (hier zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) und jeweils zwei Radsatz- gern (4,5 ; 6,7) auf den beiden Radsätzen abstützt. In unmittelbarer Umgebung eines Radsatzlagers befinden sich jeweils zwei Radsatzführungsbuchsen.

Bei der ersten Lösungsvariante des erfinderischen Gedankens wird die Spannweite WS, A des Abstandes WA zwischen den beiden Radsätzen überwacht. Für die Abschätzung von WA werden pro Drehgestellseite zwei Beschleunigungssignale benötigt, die von Sensoren stammen, die im Bereich der Radsatzführungsbuchsen (4,5 ; 6,7) an min- destens zwei Radsatzlagergehäusen montiert sind und wenigstens eine parallel zur zu

untersuchenden Raumkoordinate verlaufende Detektionsrichtung aufweisen. Es gilt also : WA (t) = w4 w6 bzw. WA W5 WI Der Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die zu untersu- chende Raumkoordinate mit der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges übereinstimmt.

Da also eine feste Zuordnung zwischen Radsatzführungsbuchsen und Beschleuni- gungssensor besteht, werden in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit für beide dieselben Bezugszeichen verwendet.

Bei der modifizierten Lösungsvariante gemäss Anspruch 3 wird die Spannweite des Abstandes wB zwischen einem Radsatz (2) und einem Fixpunkt (8) auf dem zugehöri- gen Drehgestellrahmen (1) überwacht.

Das (nicht dargestellte) Schienenfahrzeug umfasst eine Datenerfassungs-und Aus- werteinrichtung, die mit den Beschleunigungssensoren verbunden ist. Die Auswertein- heit des Schienenfahrzeuges steuert Warnanzeigen für den Triebfahrzeugführer und/ oder Fehlermeldungen an die Betriebswerke und/oder Aktoren zum Einwirken auf die Fahrzeugsteuerung an. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Datenerfas- sungs-und Auswerteeinrichtungen sind ebenso wie diejenigen von Beschleunigungs- sensoren allgemein bekannt und in diesem Zusammenhang nicht weiter erläutert.

Mittels der Beschleunigungssensoren werden die Beschleunigung der Radsätze (2 ; 3) in Fahrtrichtung erfasst. Aus den hierbei ermittelten Signalen soll nun auf die räumliche Lage der Radsätze in den Radsatzführungsbuchsen (4,5 ; 6,7) geschlossen werden.

Während der Fahrt des Schienenfahrzeuges in Fahrtrichtung weisen die Radsätze zu beliebigen Zeitpunkten jeweils unterschiedliche Abstände WA zueinander auf.

Da die zu untersuchende Raumkoordinate eines Radsatzes in der Regel obere und untere Grenzwerte aufweist, ist davon auszugehen, dass die zugehörigen Weg- Messgrössen innerhalb eines Intervalles um eine Ruhelage schwingen. Unter zusätzli- cher Berücksichtigung des linearen Charakters einer integrierten Konstante und der quadratischen Kurvenform einer integrierten Gerade folgt, dass bei Vorliegen einer Rei- he von Messdaten mit einem von Null abweichenden Mittelwert sowohl die erste als auch die zweite Integrationskurve gegen unendlich streben. Dies lässt sich vermeiden, indem die Signale vor einer Integration vom Mittelwert befreit werden.

Für die Abschätzung der Geschwindigkeits-und Wegsignale aus dem gemessenen Beschleunigungssignal a gelten im Folgenden :

(1) das dynamische Wegsignal weist über einen hinreichend langen Zeitraum einen Mittelwert nahe Null auf (2) der jeweils betrachtete Datenausschnitt enthält eine hinreichende Anzahl von Perio- den der nach der Fourierreihe zerlegten Wegsignal-Komponenten mit der kleinsten nicht zu vernachlässigenden Frequenz Annahme (1) ist in der Regel zum einen durch die Konstruktion zwingend erfüllt und trifft häufig bei Maschinenschwingungen zu, insbesondere wenn sich die Maschinen im stabilen Betriebszustand befinden. Annahme (2) gilt, wenn das interessierende Weg- signal mit hoher Frequenz schwingt bzw. Anteile höherer Frequenz aufweist. Jedes Wegsignal einer typischen Maschinenschwingung kann praktisch als Summe von theo- retisch unendlich vielen Sinus-und Kosinusfunktionen dargestellt werden (Fourierrei- he) : wobei : f = Grundfrequenz C = Fourierkoeffizienten Da das abzuschätzende Wegsignal w (t) um eine Ruhelage schwingt und einen Mittel- wert von Null aufweist, ist der Term 2° vernachlässigbar.

Ferner entstehen durch die Datenfensterung noch Restfehler, die sich jedoch in der Gesamtbetrachtung über alle Frequenzen kompensieren und statistisch betrachtet ei- nen Mittelwert von Null anstreben.

Mit sin (t) = cos (t) und cos (t) =-sin (t) gilt folglich auch, dass die durch (Doppel-)<BR> su 8t Differentiation des als Fourierreihe dargestellten Wegsignales w (t) ermittelten Geschwindigkeits-bzw. Beschleunigungssignale jeweils einen Mittelwert ungefähr von Null aufweisen.

Das Geschwindigkeitssignal v (t) ergibt sich für ein gewähltes Zeitfenster wie folgt aus der Beschleunigung :

wobei v = Geschwindigkeit, vo Geschwindigkeit zum Zeitpunkt to, a Beschleunigung, t = Zeit, At = Dauer zwischen zwei Abtastungen, i Index der Messpunkte n = Anzahl derMesspunktedes Datenausschnitts Da der Mittelwert von v den Wert Null annehmen muss, gilt : Dies bedeutet, dass durch die Integration und die anschliessende Mittelwertbefreiung vo teilweise kompensiert werden kann. Damit ist eine Bestimmung des Geschwindigkeits- signales mit berechenbarer Fehlerschranke möglich.

In analoger Weise wird erfindungsgemäss das Wegsignal aus dem Geschwindigkeits- signal bestimmt.

Abweichend hierzu ist bei Bestimmung der Weggrösse wB (Variante B) zu beachten, dass in diesem Fall, d. h. der Betrachtung des Relativweges zwischen Radsatzlager und Drehgestellrahmen, in erster Näherung auf das als Referenz zu nutzende Beschleuni- gungssignal ad des Drehgestellrahmens verzichtet werden kann. Es konnte nachgewie- sen werden, dass die Differenzgrösse ar-ad wesentlich von ar abhängt, da das Ampli- tudenverhältnis ar/ad große Werte annimmt (z. B. 50 und höher). wobei : ad Beschleunigungssignal des Drehgestells ar = Beschleunigungssignal des Radsatzes Die Beschleunigungen am Drehgestellrahmen sind wesentlich geringer und werden zusätzlich durch niederfrequente Anteile dominiert. Dieses spezifische Schwingungs- phänomen kann nun dahingehend ausgenutzt werden, dass das Signal ar um die linea- re Tendenz und den Offset befreit wird und das resultierende Signal-eine hinreichend kurze Zeitdauer vorausgesetzt-als gute Näherung für die Differenzgrösse ar-ad he- rangezogen werden kann.

Der Ablauf der Signalverarbeitung stellt sich wie folgt dar : die Sensoren im Bereich der <BR> <BR> Radsatzlagergehäuse ( [4 und 5] bzw. [6 und 7] ) liefern die benötigten Beschleuni- gungssignale als Eingangsgrösse. In bevorzugter Weise werden sämtliche Datenverar- beitungsschritte auf eine Datenfensterlänge von 2 Sekunden angewendet.

Bei der Variante A werden jeweils die beiden Beschleunigungssignale einer Drehge- stellseite nach erfolgter Mitttelwertbefreiung eines jeden Einzelsignals zeitsynchron voneinander subtrahiert und der Differenzwert dann weiteren Datenverarbeitungs- schritten unterworfen : Nach Filterung, erster Integration, erneuter Mittelwertbefreiung und zweiter Integration wird anschliessend die gewünschte Spannweite WS, A des abge- schätzten Wegsignals wA bestimmt und zwischengespeichert. Nach Berechnung und Zwischenspeicherung einer ausreichenden Anzahl von Spannweite-Werten wird hier- von der Mittelwert gebildet. Dieser wird dann in der Datenerfassungs-und Auswertein- richtung des Schienenfahrzeuges als Online-Überwachungsgrösse verwendet und kon- tinuierlich gegen einen im Rahmen der Parametrierung bestimmten festen Grenzwert verglichen. Im Rahmen der Versuchsdurchführungen hat es sich als zielführend erwie- sen, einen gleitenden Mittelwert über die 30 aktuellsten Spannweite-Werte zu verwen- den. Dabei wird der jeweils älteste Spannweiten-Wert durch den mit jedem Ablauf eines Datenfensters neu ermittelten jüngsten Spannweite-Wert ersetzt. Dadurch erfolgt eine Glättung der Überwachungsgrösse über die Zeit und die Fehlalarmrate kann durch eine signifikantere Grenzwertfestlegung minimiert werden. Die bei Variante A erzielbare Di- agnosetiefe beschränkt sich auf die Drehgestellseite (in Fahrtrichtung links bzw. rechts), die Zuordnung eines Schadens zu einem Rad kann hierbei nicht erfolgen.

Im Unterschied hierzu entfällt bei der Variante B-bedingt durch die Verarbeitung bzw.

Nutzung jeweils nur eines Beschleunigungssignales-die Subtraktion zweier Beschleu- nigungssignale. Die Diagnosetiefe erstreckt sich hierbei auf die Erkennung schadhafter Führungsbuchsen im Bereich eines Rades.

Bei der Auswertung des Mittelwertes ist ferner zu beachten, dass die Überwachungs- grösse auch im fehlerfreien GUT-Zustand Schwankungen aufweist, die auf den Feder- weg der Radsatzführungsbuchse zurückzuführen ist. Im DEFEKT-Zustand überlagert sich das fehlerbedingt vergrösserte Radsatzführungsspiel diesem systembedingten Grund-Spiel. Es hat sich experimentell erwiesen, dass erst oberhalb einer Minimale- schwindigkeit des Schienenfahrzeuges diese Diskrepanz bzw. Überlagerung in ausrei- chend signifikanter Weise nachgewiesen werden kann. So war beispielsweise bei ei- nem Federweg von 0,3 bis 0,5 mm eine Minimalgeschwindigkeit von 120 km/h erforder- lich.

Eine zweckmässige Weiterbildung der erfinderischen Variante B gemäss Anspruch 5 sieht vor, dass mittels einer automatischen Merkmalsselektion z. B. mittels SVM (Sup- port Vector Machine) eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Auswahl zusätzlicher Merk- male vorgenommen wird. Durch die Nutzung weiterer Merkmale kann die geringere Signifikanz des überwachten Merkmales WB-verursacht durch die Verwendung von Näherungslösungen bei Differenzbildung und bei Doppelintegration-kompensiert wer- den. In zahlreichen Versuchsreihen hat sich jedoch gezeigt, dass das Ergebnis der au- tomatisierten Merkmalsauswahl in hohem Masse vom betrachteten Fahrgeschwindig- keitsbereich sowie von der Mittelungsdauer abhängt. Somit hat es sich als empfeh- lenswert herausgestellt, in abgestuften Geschwindigkeitsbereichen mit jeweils spezifi- schen zusätzlichen Merkmalen zu arbeiten. Die Fehlererkennbarkeitsrate wird hierbei mit Tendenz zu längeren Mittelungsdauern und engeren Geschwindigkeitsbereichen erhöht.

Bezugszeichenliste w (t) abgeschätztes Wegsignal Wi Wegsignal am Ort der Radsatzführungsbuchse i ws Spannweite des Wegsignals w (t) WA Abstand zwischen den Radsätzen eines Drehgestells WB Abstand zwischen Radsatz und Fixpunkt auf Drehgestellrahmen 1 Drehgestellrahmen 2,3 Radsatz 4,5, 6,7 Radsatzführungsbuchse bzw. Beschleunigungssensor 8 Fixpunkt auf Drehgestellrahmen