DE2838224A1

DE2838224A1 - Verfahren und vorrichtung zum feststellen von heisslaeufern

Info

Publication number: DE2838224A1
Application number: DE19782838224
Authority: DE
Inventors: Arthur J Glazar
Original assignee: Servo Corp of America
Current assignee: Servo Corp of America
Priority date: 1977-10-13
Filing date: 1978-09-01
Publication date: 1979-04-19
Also published as: GB2006499A; FR2405851B1; US4113211A; CA1084140A; FR2405851A1; GB2006499B

Description

- 4 Servo Corporation of America, Hicksville N.Y., U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen von Heißlaufern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen von Heißlaufern, d.h. heißgelaufenen Lagern von Eisenbahnrädern, und insbesondere auf eine Diskriminatorschaltung zum Unterscheiden zwischen Anzeigen von Wälzlagern und Anzeigen von Gleitlagern.

Zum Schutz gegen den Ausfall von Lagern von Eisenbahnrädern werden entlang der Eisenbahngleise Heißlaufer-Scanner vorgesehen, welche mittels infrarotempfindlicher Fühler die Lager der vorbeifahrenden Eisenbahnwagen überwachen. Wenn ein überhitztes Lager festgestellt wird, erhält der Zugingenieur ein Signal, um den Zug anzuhalten und den Schaden zu beheben, bevor das Lager ausfällt und ein Entgleisen stattfinden kann. Da ein außerplanmäßiges Anhalten eines Eisenbahnzuges kostspielig und zeitraubend ist und den Fahrplan empfindlich stören kann, ist es wünschenswert, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit solcher Heißläufer-Detektoren soweit als möglich zu verbessern.

Ein Problem,mit welchem die Konstrukteure von solöhen HeißlauferDetektoren konfrontiert sind, besteht darin, daß die Lager von Eisenbahnrädern sowohl Wälzlager als auch Gleitlager sein Können. Während alle Lager der Räder eines Wagens normalerweise von* der gleichen Art sind, können die Radlager von Wagen zu Wagen und von Zug zu Zug unterschiedlich sein. Auf Grund der physikalischen Unterschiede zwischen Wälz- und Gleitlagern sind die Ausgangssignale von Wälzlagern erkennbar höher als die Signale von Gleitlagern, während alle anderen Faktoren gleich sind. Automatische Alarmsysteme, die auf der Feststellung der Amplituden basieren, müssen daher einen Bereich von Amplituden umfassen, der sowohl

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normale Wälzlager als auch überhitzte Gleitlager enthält. Eine Diskussion der Probleme, die bei der Unterscheidung zwischen Wälz- und.Gleitlagern auftreten, ist in der US-PS 3 812 343 enthalten.

Wie in diesem Patent ausgeführt ist, wurde festgestellt, daß es charakteristische Unterschiede zwischen den Wellenformen und Signalen gibt, die von vorbeifahrenden Wälzlagern und Gleitlagern erzeugt werden, wenn sie von einem Heißläufer-Detektor abgetastet werden, beispielsweise dem "Servo Safe" Heißlaufer-Detektorsystem der Anmelderin. Wie aus dieser Patentschrift hervorgeht, können die idealen Wellenformen von Wälz- und Gleitlagern eindeutig voneinander unterschieden werden. Insbesondere sind die von Wälzlagern erzeugten Wellenformen im Idealfall im wesentlichen trapezförmig, während die Wellenformen von Gleitlagern sägezahnförmig sind. Bisher wurde die Unterscheidung zwischen Wälz- und Gleitlagern dadurch erreicht, daß ein Raumpunkt von jeder Wellenform (beispielsweise ein Punkt an einem Drittel der Welle) ausgewählt und die Amplitude der Wellenform an dieser Stelle mit der Maximalamplitude verglichen wurde. Im Idealfall sollte bei Wälzlagern das Verhältnis des Maximalwertes zu dem ausgewählten Punkt 1:1 sein, während für Gleitlager dieses Verhältnis größer als 1:1 sein sollte. In der Praxis wurde ein Verhältnis von 1,4:1 benutzt. Obgleich sich diese Anordnung bewährt hat, können ernste Probleme entstehen, wenn Geräuschsignale auftreten. In der Praxis kann das von Wälzlagern erzeugte Signal oftmals in einer der in Fig. 2 gezeigten Wellenformen aufgenommen werden mit einem oder mehreren durch Geräusche verursachten Spitzen oder Erhebungen.

Das Heißlaufer-Detektor-System muß in der Lage sein, zwischen einem von Geräuschen überlagerten Signal, das von einem intakten Wälzlager stammt, und einem Signal, das von einem heißen Gleitlager stammt, zu unterscheiden. Wenn also die Erhebung in der Wellenform des -Wälzlagers sich bis zum ausgewählten Abtastpunkt

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erstreckt, könnte der Detektor die Wellenform des Wälzlagers als Wellenform eines Gleitlagers interpretieren, und da die Amplituden derart sind, daß sie eine überhitzung eines Gleitlagers an zeigen, würde ein falsches Signal gegeben, das zu einem Anhalten des Zuges führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen verbesserten Diskriminator-Schaltkreis für ein Heißläufer-Detektor-System zu schaffen, der mit hoher Zuverlässigkeit zwischen Signalen, die von Wälzlagern erzeugt werden, und solchen, die von Gleitlagern stammen, unterscheiden kann.

Diese.Aufgäbe wird durch Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst, indem von dem Abtastsystem ein Ausgangssignal erzeugt wird, das eine Amplitude und eine Wellenform hat, die kennzeichnend für die Temperatur und die Art des abgetasteten Lagers sind.

Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens enthält Fühler, die in der Lage sind, ein erstes Signal zu erzeugen, wenn ein Lager in das Empfangsfeld des Scanners eintritt, ein zweites Signal, wenn das Lager das Empfangsfeld verläßt, und ein drittes Signal, welches einen ausgewählten Abschnitt der Gesamt-Wellenform repräsentiert. Das Signal des Scanners wird einer spannungsgeregelten Stromquelle zugeführt, deren Ausgangsstrom über Steuertore zwei Kondensatoren lädt. Die Spannung an jedem Kondensator ist somit das Zeitintegral des Scannersignals, das während des Zeitraumes ausgewertet wurde, während_dessen das Tor aktiviert ist. Der erste Kondensator integriert über die Periode der gesamten Wellenform, wie sie durch das erste und das zweite Signal bestimmt ist. Der zweite Kondensator integriert die Wellenform über einen vorher bestimmten zeitlichen Abschnitt der Wellenformperiode, wie er durch das dritte Signal bestimmt ist. Die integrierten Wellenform-Signale werden dann einem Komparator zugeführt, in welchem das Verhältnis der Integrale der gesamten Welle und des ausgewählten Wellenabschnittes festgestellt wird, aus dem sich ergibt, ob der Scanner ein Wälzlager oder ein Gleitlager abtastet.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein idealisiertes Diagramm der Wellenformen der Ausgangssignale eines Heißlaufer-Detektor-Scanners;

Fig. 2 ein Diagramm ähnlich Fig. 1 mit Wellenformen, die durch Geräusche und dergleichen modifiziert sind; ■ ^;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Diskriminator-

Schaltkreises gemäß der Erfindung; und · ;

Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die Form der Kontrollsignale an verschiedenen Stellen des Schaltkreises hervorgeht.

Es sei nun auf die Zeichnungen und insbesondere·auf Fig. 3 Bezug genommen, in welchem ein Diskriminator-Schaltkreis gemäß der Erfindung dargestellt ist, der mit einem konventionellen Heißläufer-Detektor sy stern, wie beispielsweise dem vorher erwähnten Servosafe-System der Anmelderin, verbunden ist. ' ■

Das Detektor-System weist einen Scanner 10 auf, der einen Infrarot-Fühler 12 und einen Vorverstärker 12a enthält.. Die von einem vorbeifahrenden Rad ausgesandte Strahlung wird durch eine entsprechende Optik 14 aufgenommen, wodurch der Scanner .1.0 die Lager 16 der Räder von Eisenbahnwagen wahrnehmen kann, die auf einem Schienenabschnitt 18 vorbeifahren. Das AuBgäfttjssignal des Scanners 10 wird über eine Leitung 20 dem elektronischen Teil , eines handelsüblichen Heißlaufer-Detektor-Systemp [£?zugeführt, wie es beispielsweise von der Anmelder in vertrieben, iirird. Für ein vorbeifahrendes Wälzlager würde das durch die Leitung 20 übertragene Signal im Idealfall die in Fig. 1 dargestellte Wellenform 24 haben. Für ein vorbeifahrendes Gleitlager würde das Sig<nal die in Fig. 1 dargestellte Wellenform -26 haben.

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Aufgrund von Geräuschfaktoren kann das von einem vorbeifahrenden Wälzlager ausgesandte Signal die in Fig. 2 gezeigten Wellenformen 28 oder 30 haben, d.h. ein erhabener Abschnitt der idealen Wellenform 24 kann während der Übertragung verloren gehen. In ähnlicher Weise kann die tatsächliche Wellenform für das Signal eines Gleitlagers die in Fig. 2 gezeigte Sägezahnform 32 oder 34 annehmen. Während die Wellenformen von Wälz- und Gleitlager-Signalen im Normalfall ohne weiteres unterschieden werden können, kann in einem Extremfall ein einwandfreies Wälzlager eine verzerrte Wellenform erzeugen, die von einem die Wellenform analysierenden Schaltkreis der vorher diskutierten Art so gedeutet v/erden kann, als wenn sie von einem überhitzten Gleitlager stammen würde.

Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal des Scanner 10 einer spannungsgeregelten Stromquelle 40 zugeführt, welche ihrerseits einen zur Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom erzeugt. Der Ausgangsstrom der Stromquelle 40 wird durch Leitungen 42 und 44 und einen Schalter 46 einem Kondensator 48 zugeführt, um diesen aufzuladen. Der Schalter 46 schließt, wenn ein Fühler 36 anzeigt, daß ihn ein Rad passiert hat. Wenn dieses Rad einen zweiten Fühler 38 passiert, öffnet der Schalter 46 und es wird ein zweiter Schalter 50 geschlossen, durch den der aufgeladene Kondensator 48 mit einem Eingang 52 eines Komparators 54 verbunden wird. Der Kondensator 48 wird also aufgeladen, während das Rad sich zwischen den Fühlern 36 und 38 befindet, und er entlädt sich durch den Komparator 54 unmittelbar nach_dem das Rad den Fühler 38 passiert hat. Der Kondensator 48 integriert also die Wellenform des Ausgangssignals des Scanners 10 über den Zeitraum, in welchem sich ein Radlager im Empfangsfeld des Scanners befindet.

Der Ausgangsstrom der Stromquelle 40 wird außerdem durch Leitungen 42 und 56 und einen Schalter 58 einem zweiten Kondensator 60 zugeführt, um diesen während des Zeitraumes aufzuladen, in welchem sich das betreffende Rad zwischen 'den Fühlern 36 und 66 be-

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findet, d.h. der Fühler 36 bewirkt ein Schließen des Schalters 58, wenn'das Rad vorbeifährt. Der Kondensator 60 wird über einen Schalter 64 mit einem zweiten Eingang 62 des Komparators 54 verbunden.' Der Schalter 64 arbeitet gleichzeitig mit dem Schalter 50. Der Zeitraum, in dem der Kondensator 60 aufgeladen wird, kann mechanisch ausgewählt werden, beispielsweise durch Anordnung eines-dritten Radfühlers 66 zwischen den Fühlern 36 und 38. Alternativ kann die Aufladedauer zeitabhängig gesteuert werden. Der Kondensator 60 dient also dazu, den Abschnitt der Wellenform des Ausgangssignals des Scanners 10 während des vorgewählten Zeitraumes der Wellenformperiode zu integrieren. Wenn der Schalter 50 schließt, entlädt sich der Kondensator 48 über den Widerstand 76. Der Spannungsabfall über den Widerstand 76 wird dem Eingang 52 des Komparators 54 zugeführt.

Die Steuersignale für die Schalter 46, 50, 58 und 64 werden von den Fühlern 36 und 38 durch das Detektorsystem 22 und eine Leitung 82 über Torschaltungen 79 erhalten. Ein Signal von dem Fühler 66 wird den Torschaltungen 79 direkt zugeführt. Zu einem Zeitpunkt t, zu dem ein Rad den Fühler 36 passiert, werden die Schalter 46 (SW1) und 58 (SW3) geschlossen. Zum Zeitpunkt t_?, zu dem das Rad den Fühler 66 passiert, wird der Schalter 58 (SW3) geöffnet, während der Schalter 46 geschlossen bleibt. Die Steuersignale für die Schalter 50 (SW2) und 64 (SW4) sind umgekehrt wie die Steuersignale für den Schalter 46 (SW1) und demzufolge werden die Signale für diese Schalter 50 und 64 durch eine Leitung 84 von einem Inverter 81 geliefert, der seinerseits von dem Ausgang 83 der Torschaltungen 79 gespeist wird. Zum Zeitpunkt t_, zu dem das Rad den Fühler 38 passiert, wird der Schalter 46 (SW1) geöffnet und gleichzeitig werden die Schalter 50 (SW2) und 64 (SW4) geschlossen. Die Zeitfolge ist in Fig. 4 dargestellt.

Wenn der Schalter 64 gleichzeitig mit dem Schalter 50 schließt, entlädt sich der Kondensator 60 durch den Schalter 64 über einen Widerstand 77. Der Spannungsabfall über den Widerstand 77 wird

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dem Eingang 62 des !Comparators 54 zugeführt. Die RC-Zeitkonstante ist so gewählt, daß sich die Kondensatoren 48 und 60 während der Zeit, die zwischen aufeinanderfolgenden Rädern zur Verfügung steht, vollständig entladen. Dadurch wird die Notwendigkeit vermieden, einen speziellen Entladestromkreis vorzusehen, um die Kondensatoren für die folgenden Räder bereit zu machen.

Der Komparator 54 vergleicht einen Teil des Flächeninhaltes unter einer Wellenform von Fig. 2 mit dem gesamten Flächeninhalt unter der Wellenform. Da der Vergleich nicht zwischen Amplituden, sondern zwischen Flächeninhalten unter den Wellenformen erfolgt, sind alle Teile der Wellenform, die aufgrund von Geräuschen verloren gingen, unbeachtlich. Da die Anstiegszeit für die Wellenform eines Wälzlagers wesentlich steiler ist als.die vergleichbare Anstiegszeit für ein Gleitlager, ist der Flächeninhalt unter dem ersten Abschnitt der Wellenform, die von einem Wälzlager erzeugt wurde, wesentlich größer als der entsprechende Flächeninhalt einer Wellenform, die von einem Gleitlager erzeugt wurde. Demzufolge kann das Ausgangssingal des Komparators 54 direkt dazu benutzt werden, ein Signal zu erzeugen, aus dem hervorgeht, ob ein vorbeifahrendes Lager ein Wälzlager oder ein Gleitlager ist. Dieses Signal kann dann dazu benutzt werden, Alarm-Schwellenwerte zu setzen.

Da es unmöglich ist, vorher festzustellen, mit welcher Geschwindigkeit ein Zug an dem Scanner TO vorbeifahren wird, ist es wünschenswert, den erfindungsgemäßen Diskriminator-Schaltkreis von der Zuggeschwindigkeit unabhängig zu machen. Dies ist jedoch von untergeordneter Bedeutung, da der Lautstärkenbereich der Komponenten so gewählt werden kann, daß alle praktisch vorkommenden Zuggeschwindigkeiten, beispielsweise zwischen ,8 km/h und 160 km/h, umfaßt werden. Trotzdem kann das System weitgehend unabhängig von der Zuggeschwindigkeit gemacht· werden, indem der Verstärkungsfaktor der spannungsgeregelten Stromquelle 40 entsprechend der■Zuggeschwindigkeit verändert wird. Die Zugge-

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schwindigkeit kann in üblicher Weise mittels eines Geschwindigkeitsmessers 68 festgestellt werden, welcher Signale von zwei Sensoren 70 und 72 erhält, die in Fahrtrichtung vor dem ersten Fflhler 36 angeordnet sind. Die Zeit, die ein Bad braucht, JJmjvön■dem Sensor 70 zu dem Sensor 72 zu gelangen, wird von dem Geschwindigkeitsmesser 68 dazu benutzt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das über eine Leitung 74 der Stromquelle 40 zugeführt wird, um dessen Verstärkungsfaktor zu verändern. Äiaf diese Weise wird^; das Ausgangssignal der Stromquelle. 40 von äer Zuggeschwindigkeit unabhängig. Ein zweites Paar von Badsensoren entsprechend 70 und 72 kann hinter dem Fühler 38 angeordnet werden, um in umgekehrter Richtung fahrende Züge zu erfassen.

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Claims

PATENTANWALT

.-■ ■ ·. /tni-m·-· Postfach 1320

!ng. Eberhardt SPEIDEL _D._{8O35 G a u t}, _{n g} ,

Kanzlei: Waldpromenr de λ Telefon: Münrhen (0 89) 8 f.^r· ^;~ Telegramm: Gernmrkpai Ga.it.';; Patentanwalt E. Speldel · Postfach 1320 · D-8035 Gautlng 2

Datum:

Ihre Zeichen:

Unsere Zeichen. S 1112

Servo Corporation of America, Hicksville, N.Y., USA

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen von Heißläufern

Patentansprüche

Verfahren zur Unterscheidung zwischen Wälzlagern und Gleitlagern in einem Heißlaufer-Detektorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß a) die Lager eines Eisenbahnrades entlang einem Gleisabschnitt mit einem Infrarot-Scanner abgetastet .werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Wellenform hat, die für die Infrarot-Strahlung und die Art des Lagers kennzeichnend ist, b) die Gesamt-Fläche unter der Wellenform bestimmt wird, c) die Fläche unter einem ausgewählten Abschnitt dieser Wellenform bestimmt wird, und schließlich d) die Gesamtfläche und die Fläche unter dem ausgewählten Wellenabschnitt miteinander verglichen werden, um ein Verhältnis zu erhalten, das für die Art des abgetasteten Lagers kennzeichnend ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Infrarot-empfindlichen Scanner aufweist, um Lager

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von vorbeifahrenden Eisenbahnrädern abzutasten und ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Amplitude und Wellenform für die Größe der Infrarotstrahlung und die Art des abgetasteten Lagers kennzeichnend ist, und Fühler zur Erzeugung eines ersten Signals, wenn ein Lager in das Empfangsfeld des Scanners eintritt und eines zweiten Signals, wenn das Lager das Empfangsfeld des Scanners verläßt, gekennzeichnet durch

a) einen Komparator (54) mit einem ersten Eingang (52) und. einem zweiten Eingang (62),

b) einen ersten Schaltkreis zur Verbindung des Ausganges (20) des Scanners (10) mit dem Komparator (54), bestehend aus einem ersten Integrator (48), einem ersten Schalter (4G), der von dem Fühler (36) gesteuert wird, um den Ausgang (20) des Scanners (10) mit dem Integrator (48) zu verbinden, wenn das erste Signal erzeugt wird, und einem von dem Fühler (38) gesteuerten zweiten Schalter (50), um den ersten Integrator (48) mit dem ersten Eingang (52) des Komparators (54) zu verbinden, wenn das zweite Signal erzeugt v.'ii-d

c) Mittel (66) zum Auswählen eines vorbestimmten Zeitpunktes aus dem wellenförmigen Ausgangssignal des Scannern (10J, und

d) einen zweiten Schaltkreis zur Verbindung des Ausganges (20) des Scanners (10) mit dem zweiten Eingang (62) des Komparators (54), bestehend aus einem zweiten Integrator (60), einem dritten Schalter (58), der von dem Fühler (36) gesteuert ist, um den Ausgang (20) des Scanners (10) mit dem zweiten Integrator (60) zu verbinden, wenn das erste Signal erzeugt wird und den Scanner-Ausgang (20) von dem zweiten Integrator (60) zu trennen, wenn der vorbestiitunte Zeitpunkt erreicht ist, und einem vierten Schalter (64), der von dem Fühler (38) gesteuert ist, um den zweiten Integrator (60) mit dem Komparator (54) zu verbinden, wenn das zweite Signal erzeugt wird.

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BAD ORIGINAL
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine spannungsgeregelte Stromquelle (40), die von dem Ausgangssignal
des Scanners (10) gespeist ist und ihrerseits den ersten und zweiten Schaltkreis speist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel
(68,70,72) zur Feststellung der Geschwindigkeit eines Zuges, der das Empfangsfeld des Scanners (10) passiert und Mittel
zum Steuern des Verstärkungsfaktors der spannungsgeregelten
Stromquelle (40) in Abhängigkeit von der Zuggeschwindigkeit.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Fühler (36,38) entlang eines Gleisabschnittes (18) angeordnet sind und daß zur Auswahl des vorbestimmten
Zeitpunktes ein dritter Fühler (66) zwischen den beiden Fühlern (36 und 38) angeordnet ist.

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