DE60002450T2

DE60002450T2 - Eine achsnabeneinheit für schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE60002450T2
Application number: DE60002450T
Authority: DE
Inventors: Roberto Moretti; Silvano Sema; Matteo Genero
Original assignee: SKF Industrie SpA
Current assignee: SKF Industrie SpA
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP4477242B2; EP1159182B1; EP1159182A1; DE60002450D1; AU3283600A; IT1309554B1; US6672681B1; CA2364786C; ITTO990164A1; CA2364786A1; WO2000051869A1; AU753260B2; JP2002542973A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Achsnabeneinheit für Schienenfahrzeuge vom Typ, umfassend ein Achslagergehäuse zum Tragen eines Lagers, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert. Eine derartige Einheit ist in der WO 98/11356 geoffenbart.
Hintergrund
Abgesehen von einer negativen Beeinflussung der Betriebsbereitschaft der Achse vermindert eine mechanische Beschädigung der Achsenstützlager auch die Sicherheit des Fahrzeugs und kann zum Versagen des Lagers mit katastrophalen Folgen, wie einer Entgleisung, führen. Die Hauptstruktur- oder Funktionsdefekte, denen Lager der obenstehenden Art oder das relative Rad ausgesetzt sind, können wie folgt zusammengefasst werden:

– Herstellungs- oder Montagedefekte des Lagers, die einen übermäßigen Spielraum zwischen dessen Bestandteilen (innere und äußere Laufringe, Rollkörper, Haltegehäuse, Abdichtvorrichtungen, Schultern, welche die Axialposition des Lagers in Bezug auf die Achse definieren) hervorrufen; Risse oder Absplitterungen aufgrund von Ermüdung; örtliches Pitting aufgrund eines durch das Lager fließenden, elektrischen Stroms; Rostflecken;
– ungenügende Schmierung der Innenteile des Lagers; verschmutztes oder beeinträchtigtes Schmiermittel;
– Flachstellen auf der Rollfläche eines Rads aufgrund einer Blockierung des Rads während der Fahrt des Schienenfahrzeugs; übermäßige Abnutzung des Radprofils im Bereich des Schienenkontakts;
– Axialspiel des Rads in Bezug auf die Achse, wobei die Rotationsachse des Rads nicht lotrecht zu einer Vertikalebene ist.

Bisher waren Verfahren zur Überprüfung des Zustands der Lager auf in regelmäßigen Abständen stattfindende Wartungseingriffe beschränkt. Bei derartigen Eingriffen werden alle Lager desselben Fahrzeugs ungeachtet ihres Zustands ausgewechselt, einschließlich Lager, die noch zulässig sind und nicht ausgewechselt werden müssen.
Es ist zu verstehen, dass diese Vorgangsweise in erster Linie hohe Arbeitskosten und hohe passive Kosten für das Unbenutztlassen des Fahrzeugs mit sich bringt, vor allem aber keine rechtzeitige Vorhersage oder Detektion des Auftretens von Störungen ermöglicht, bevor das Lager dermaßen beschädigt ist, dass es einen Zustand einer potentiellen Gefahr darstellt. Daher besteht das Risiko, dass ein schadhaftes Lager oder Rad für längere Zeiträume weiterverwendet wird, und zwar bis zu dem vom Wartungsplan für das Auswechseln vorgesehenen Zeitpunkt.
Das U.S.-Patent Nr. 5,433,111 offenbart einen Apparat zur Detektion fehlerhafter Zustände, die mit einem Satz von Schienenfahrzeugrädern und einem Schienenstrang, auf dem ein bestimmtes Schienenfahrzeug fährt, in Verbindung stehen. Der Apparat umfasst Messeinrichtungen zum Erzeugen von Daten, welche die Drehgeschwindigkeit der Räder anzeigen, einen Satz Beschleunigungsmesser, die adaptiert sind zur Erzeugung von Daten, welche eine Bewegung entlang dreier orthogonaler Achsen anzeigen, wobei eine der Achsen im Verhältnis zum Schienenstrang im Allgemeinen vertikal ist, und einen Datenprozessor, der adaptiert ist, auf Basis der Drehgeschwindigkeits- und Bewegungsdaten, die erhalten wurden, einen fehlerhaften Zustand zu detektieren, der mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs in Verbindung steht.
Das U.S.-Patent Nr. 5,381,692 bezieht sich auf ein Überwachungssystem einer Lagerzusammenstellung zum Tragen der Antriebswelle eines Helikopters. Das System besitzt einen Schwingungssensor zum Abgeben von Signalen, welche die von der Lagerzusammenstellung ausgehenden Schwingungen anzeigen, erste Temperaturfühleinrichtungen zum Abgeben von Signalen, welche die Betriebstemperatur der Lagerzusammenstellung anzeigen, und zweite Temperaturfühleinrichtungen zum Abgeben von Signalen, welche die Umgebungstemperatur anzeigen. Ein auf die Schwingungs- und Temperatursignale reagierendes Alarm-Teilsystem gibt ein Alarmsignal ab, das vor einem Zustand der Qualitätsbeeinträchtigung des Lagers warnt.
Offenbarung der Erfindung
sEin Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der rechtzeitigen Vorhersage und/oder Identifizierung des Vorhandenseins eines Defekts sowie der Warnung davor, der Art des Defekts und dessen genauer Lage, wobei insbesondere unterschieden wird, welches Rad des Fahrzeugs oder Zugs von dem Defekt betroffen ist, und wobei noch spezieller unterschieden wird, ob der Defekt das Rad, dessen Lager oder einen der Bestandteile des letzteren betrifft.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer ständigen und in Echtzeit stattfindenden Überwachung der Betriebsbedingung des Lagers, um rechtzeitig Echtzeitinformationen betreffend die Veränderung des Defekts zu erhalten, so dass es möglich ist, bei ernsten Störungen mit Dringlichkeit einzugreifen oder das Eingreifen in Abhängigkeit von der Schwere der detektierten Störung hinauszuzögern, oder die Möglichkeit, nicht einzugreifen, in Betracht zu ziehen, beispielsweise, wenn ein Betriebsdefekt stabilisiert wird oder sich stabilisiert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Optimierung der Wartung, um nur dann einzugreifen, wenn es passend oder notwendig ist, und nur jenes Lager auszuwechseln, das als schadhaft oder abgenutzt erkannt wurde.
Diese und andere Ziele, die nachfolgend besser zu verstehen sind, werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einer Achsnabeneinheit für Schienenfahrzeuge vom Typ, umfassend ein Achslagergehäuse zum Tragen eines Lagers, erzielt, welche; Einheit dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mit Sensoreinrichtungen zum Detektieren einer Schwingung in im Allgemeinen vertikaler Richtung ausgestattet ist, wobei die Sensoreinrichtungen auf einem starr am Lager befestigten, stationären Trägerelement montiert sind und die Sensoreinrichtungen dazu angepasst sind, den detektierten Schwingungsgrad anzeigende Signale zu erzeugen und auf eine elektronische Prozessoreinheit im Schienenfahrzeug oder Zug zu übertragen, wobei die Prozessoreinheit in der Lage ist, in Echtzeit einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall und/oder Schadenszustand, der mit der überwachten Nabeneinheit in Verbindung steht, zu signalisieren.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Nabeneinheit, die mit Schwingungssensoren ausgestattet ist, die in einer für die Detektion der Schwingungen, denen das Lager und das Rad ausgesetzt sind, und für die richtige Charakterisierung der Natur, der Lage und des Ausmaßes möglicher Defekte optimalen Position lokalisiert sind.
Dieses Ziel wird mittels einer Nabeneinheit mit den in den Ansprüchen 2 bis 4 definierten Merkmalen erreicht.
Weitere wichtige Merkmale sind in den anderen Unteransprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen klar hervor aus der rein anhand eines nicht einschränkenden Beispiels dargelegten, detaillierten Beschreibung einiger ihrer Ausführungsformen, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht ist, wobei einige Teile abgebrochen sind und das Innere eines Gehäuses der Lager- und Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt wird;
2 eine perspektivische Ansicht ist, wobei einige Teile abgebrochen sind und das Äußere des Gehäuses der 1 gezeigt wird;
3 eine perspektivische Ansicht im vergrößerten Maßstab eines Sensorträgerbauteils ist, der mit zwei, in verschiedene Richtungen ausgerichteten Schwingungssensoren ausgestattet ist;
4 und 5 Vorderansichten sind, die in schematischer Weise zwei jeweilige Varianten des Sensorträgerbauteils der 3 zeigen; und
6 eine im Querschnitt gezeigte Teilansicht einer weiteren Variante eines Sensorträgers ist.
Methoden zur Durchführung der Erfindung
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 bezeichnet Bezugsziffer 1 allgemein ein im Wesentlichen zylindrisches, in bekannter Weise an einem Schienenfahrzeug zu befestigendes Lagergehäuse zum Tragen eines darin untergebrachten Wälzlagers, das aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt ist.
Ein ringförmiger Metalleinsatz 2, der zum Abdichten des Lagers von der Außenseite angepasst ist, wird mittels Presspassung auf dem (in 6 mit 17 bezeichneten) radial äußeren Laufring des Achslagers befestigt. Vorzugsweise ist der Abdichteinsatz 2 aus einer etwa 2 mm dicken, kaltgeschmiedeten Stahlplatte gebildet.
Ebenfalls unter Bezugnahme auf 3 ist erfindungsgemäß am Abdichteinsatz 2 ein Sensorbauteil 3 angebracht, der eine bidirektionale Beschleunigungsmessvorrichtung enthält, die aus einem in vertikaler Richtung ausgerichteten, ersten Beschleunigungsmesser 4 und einem in horizontaler, axialer Richtung ausgerichteten, zweiten Beschleunigungsmesser 5 zusammengesetzt ist.
Vorteilhafterweise ist der Sensorbauteil 3 in einer auf die Rotationsachse des Lagers vertikal ausgerichteten Position am Abdichteinsatz 2 positioniert, und zwar dort, wo die Schwingungen intensiver sind. Vorzugsweise ist der Sensorbauteil am höheren Teil des Einsatzes (in anderen Worten, bei 12 Uhr) positioniert, d. h. entsprechend dem Bereich, wo die Rollkörper des Lagers die maximale Belastung erfahren.
Der Sensorbauteil 3 bildet einen Grundabschnitt 3a zum Aufliegen auf einer radialen Oberfläche 2a des Abdichteinsatzes 2, und zwar mit einem Paar von Bohrungen 3b, um den Durchgang der jeweiligen (nicht gezeigten) Befestigungselemente zur lösbarer Befestigung des Sensorbauteils 3 am Einsatz 2 zu gestatten.
Die Beschleunigungsmesser 4 und 5 gehören vorzugsweise dem piezoelektrischen Typ an und sind entsprechenden (nicht gezeigten), in den Sensorbauteil eingebauten Verstärkern zugeordnet.
Der Beschleunigungsmesser 4 detektiert vertikale Schwingungen, denen die Lager/Rad-Zusammenstellung ausgesetzt ist. Der Beschleunigungsmesser 5 dient der Detektion horizontaler Schwingungen, die von der Radfelge ausgelöst werden, welche gegen die Schiene schlägt, wenn das Fahrzeug den Gleisstrang entlangrüttelt.
Im in 1 gezeigten Beispiel ist ein weiterer, allgemein mit 6 bezeichneter Sensorbauteil an einer Stelle, die sich von jener, wo der Sensorbauteil 3 befestigt ist, unterscheidet, am Abdichteinsatz 2 montiert. Der Sensorbauteil 6 umfasst Bewegungssensoren, wie z. B. einen Umdrehungsgeschwindigkeitssensor, der den Durchgang der Pole eines sich schnell mit dem rotierenden Laufring des Lagers drehenden, magnetisierten Rings detektiert, sowie möglicherweise andere Bewegungssensoren, wie z. B. einen Sensor zum Detektieren der Drehrichtung.
Im Unterschied zu dem in 1 anhand eines Beispiels Gezeigten können alle Sensoren, mit welchen das Gehäuse ausgestattet ist, in einem einzigen Sensorbauteil 3 eingebaut sein, wie in 3 gezeigt. In diesem Fall besitzt der Abdichteinsatz 2 am Standort des Sensorbauteils 3 eine (nicht gezeigte) Öffnung, um zu ermöglichen, dass die Bewegungssensoren dem vorgenannten magnetisierten Ring zugewandt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist neben den Schwingungs- und Bewegungssensoren auch ein (nicht dargestellter) Temperaturfühler inkludiert, um das Auftreten von Temperaturen, die höher sind als jene des Normalbetriebs, zu signalisieren und um anzuzeigen, dass die Reibung innerhalb des Lagers einen voreingestellten Zulässigkeitsschwellenwert überschreitet.
Die von den verschiedenen Sensoren erzeugten Signale werden durch ein Kabel 7 auf einen am gleichen Gehäuse 1 montierten, mehrpoligen Stecker 8 übertragen.
Vom Stecker 8 werden die verschiedenen Signale von den verschiedenen Sensoren auf eine (nicht dargestellte) elektronische Prozessoreinheit übertragen, die im Schienenfahr-zeug oder Zug angebracht ist. Diese Einheit verarbeitet die empfangenen Signale und ist mit einer geeigneten Software ausgestattet, die adaptiert ist zur Erkennung von fehlerhaften Betriebszuständen, wie z. B. einer übermäßig hohen Temperatur oder unregelmäßigen Schwingungsfrequenzen, die mit festgestellten Defekten zusammenhängen, sowie zum Signalisieren des Vorhandenseins eines Defekts und seiner mit der Zeit erfolgenden Veränderung, sobald ein solcher detektiert wurde.
Wenn zumindest eines der mit einem der überwachten Parameter zusammenhängenden Signale eine vorbestimmte Schwellenstufe überschreitet, erzeugt die Prozessoreinheit ein Alarmsignal, das ein Eingreifen im richtigen Moment zur Beseitigung des Defekts und zur Wiederherstellung von Bedingungen für einen sicheren und korrekten Betrieb ermöglicht.
Die Parameter können gemäß den Erfordernissen oder der Schwere des möglicherweise detektierten Defekts in indifferenter Weise ständig oder periodisch überwacht werden.
Gemäß einer in den 4 und 5 gezeigten, alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Sensorbauteil die Form eines Hohlzylinders 9 haben, der dazu angepasst ist, beispielsweise durch Verschraubung in einer direkt im Gehäuse 1 gebildeten, eingesenkten Befestigungsfläche 10 befestigt zu werden. Eine die obenstehenden Sensoren enthaltende Kapsel 11 ist im Zylinder 9 eingeschlossen.
In der Variante der 4 ist die Befestigungsfläche 10 mit zwei verschiedenen Durchmessern gebildet und dimensioniert, so dass der Sensorbauteil 9 auf gleicher Höhe mit der Außenfläche 12 des Gehäuses 1 bleibt, sobald er in der Befestigungsfläche 10 eingesetzt ist.
In der Variante der 5 ist der zylindrische Bauteil 9 solcherart konstruiert, um vom Gehäuse nach außen zu ragen, und ist durch einen unteren, mit einem Gewinde versehenen Teil 13 an dieses angekoppelt.
In der Variante der 6 ist ein Flanschabschnitt 9a in den Sensorbauteil 9 integriert. Der Flanschabschnitt 9a dient dazu, den Sensorbauteil 9 auf einer Außenfläche 14 des Gehäuses 1 aufliegen zu lassen und zu befestigen, oder, wie im Fall des Beispiels der 6, auf einem Abdeckten 15, der das Gehäuse 1 auf der Außenseite verschließt. Der Flansch-abschnitt 9a besitzt ein Paar Bohrungen 16 (von denen nur eine in. 6 dargestellt ist) zur Unterbringung von Befestigungselementen, zum Beispiel Schrauben oder Bolzen, zur lösbaren Befestigung des Sensorbauteils 9 am Abdeckten 15 Oder am Gehäuse 1). Auf diese Weise ist der Sensorbauteil von außen zugänglich, wobei er zwecks Instandsetzung oder Austausch der Sensoren leicht entfernt werden kann. Weiters ist die Variante der 6 vorteilhaft, da sie auf jede Art von herkömmlicher Achseinheit anwendbar ist. In 6 bezeichnet die Bezugsziffer 17 den äußeren stationären Laufring des Lagers und bezeichnet die Bezugsziffer 18 den inneren Laufring, der sich mit der Achse 19 und einem Impulsring oder phonischen Rad 20 schnell dreht. Ein (nicht dargestellter) Sensor zur Detektion der Umdrehungsgeschwindigkeit der Achse 19 ist im radial inneren Endabschnitt 9b des Sensorbauteils 9 montiert und ragt durch eine Öffnung 15a des Abdeckteils 15, um dem Impulsring 20 betrieblich zugewandt zu sein. Es ist anzumerken, dass der Sensorbauteil 9 auch einen Temperaturfühler und/oder andere Bewegungssensoren bekannter Art unterbringen kann.
Es ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung die Identifizierung der genauen Lage und Natur eines Defekts sowie die Unterscheidung und klare Signalisierung der mehreren, im einleitenden Teil der Beschreibung aufgelisteten Defekte ermöglicht. Die Software der Prozessoreinheit ist in der Lage zu unterscheiden, ob Schwingungen von Defekten der Lager/Rad-Zusammenstellung verursacht werden oder einfach darin begründet sind, dass das Fahrzeug über verbogene Schienen oder Weichen fährt.
Das Plazieren der Schwingungssensoren am Schutzschild der Abdichtvorrichtung erwies sich insbesondere für das Ablesen von Schwingungssignalen als besonders vorteilhaft. Obwohl es nicht wünschenswert ist, in diesem Zusammenhang an irgendeine spezifische Theorie gebunden zu sein, zeigen vom Anmelder durchgeführte Tests, dass der Abdichteinsatz wegen seiner steifen und dünnen Struktur, die eng am Lager befestigt ist, einen idealen Pfad für die Schwingungsübertragung bildet.
Überdies lässt das Plazieren der Sensoren am Abdichteinsatz im Gehäuse etwas Platz frei, der möglicherweise dazu verwendet werden soll, hierin einen Stromerzeuger anzubringen, um zur Analyse der überwachten Signale Strom zur Elektronik zu liefern. Diese Möglichkeit ist von besonderem Interesse für Anmeldungen betreffend Wagen, die keine Stromversorgung haben.
Obwohl hierin nur gewisse Merkmale der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, eröffnen sich dem Fachmann nunmehr zahlreiche Modifikationen, Substitutionen, Veränderungen und Äquivalente. Beispielsweise können die detektierten Signale durch eine Leitungs- oder Radioübertragung auf eine in entfernter Position, z. B. im Fahrerhaus, befindliche, allgemeine Prozessoreinheit übertragen werden.

Claims

Achsnabeneinheit für Schienenfahrzeuge vom Typ, umfassend ein Achslagergehäuse (1) zum Tragen eines Lagers, wobei die Einheit mit Sensoreinrichtungen (4) zum Detektieren einer Schwingung in im Allgemeinen vertikaler Richtung ausgestattet ist, wobei die Sensoreinrichtungen (4) auf einem starr am Lager befestigten, stationären Trägerelement (2) montiert sind und die Sensoreinrichtungen dazu angepasst sind, den detektierten Schwingungsgrad anzeigende Signale zu erzeugen und auf eine elektronische Prozessoreinheit im Schienenfahrzeug oder Zug zu übertragen, wobei die Prozessoreinheit in der Lage ist, in Echtzeit einen unmittelbar bevorstehenden Ausfall und/oder Schadenszustand, der mit der überwachten Nabeneinheit in Verbindung steht, zu signalisieren; dadurch gekennzeichnet, dass das stationäre Trägerelement ein ringförmiger Abdichteinsatz (2) aus Blech ist.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (4) auf dem ringförmigen Abdichteinsatz (2) in einer auf die Rotationsachse des Lagers vertikal ausgerichteten Position montiert sind.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (4) auf dem ringförmigen Abdichteinsatz (2) in einer über der Rotationsachse des Lagers vertikal ausgerichteten Position montiert sind.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (4) in einem Sensorbauteil (3, 9) eingebaut sind, welcher weiters Sensoreinrichtungen (5) zum Detektieren einer Schwingung in horizontaler, axialer Richtung enthält.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiters Sensoreinrichtungen zum Detektieren der Temperatur des Lagers umfasst.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiters Sensoreinrichtungen zum Messen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Achse und/oder der Drehrichtung der Achse umfasst.
Nabeneinheit, wie in einem der Ansprüche 4 bis 6 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass all diese Sensoreinrichtungen in einem einzigen Sensorbauteil (3, 9) untergebracht sind.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen zum Detektieren einer Schwingung in im Allgemeinen vertikaler Richtung einen in vertikaler Richtung ausgerichteten, ersten Beschleunigungsmesser (4) enthalten.
Nabeneinheit, wie im Anspruch 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (5) zum Detektieren einer Schwingung in horizontaler, axialer Richtung einen in horizontaler, axialer Richtung ausgerichteten, zweiten Beschleunigungsmesser (5) enthalten.