Fahrwegmonitoring von Rad-Schiene-Systemen
Final Report Abstract
2.1 Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, daß dieses Forschungsvorhaben sehr erfolgreich bearbeitet wurde. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen eine Vielzahl von Anwendungen in der Technischen Dynamik erwarten, Grundlegende Ergebnisse zum Monitoring mit der «(--Transformation In den Arbeiten zum Monitoring und zur Modellvereinfachung wurde die Karhunen- Lo eve-Transformation (KL-lYansformation) bisher auf der Basis von "Schnappschüssen1" mit lediglich einem Zeitintervall berechnet. Mit diesem Ansatz können die einzelnen Zustände instationärer Prozesse jedoch nicht charakterisiert werden. Weiterführende Untersuchungen zur KL-Transformation als Monitoringverfahren für nichtlineare Systeme wurden bis dato nicht angestellt. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein neuer Ansatz zur Berechnung der KL-Transformation eingeführt. Anstelle eines einzelnen Intervalls2 wurde der Zeitverlauf in Abschnitte/ Zeitfenster, sog. "Historien", unterteilt und die KL-Transformation für jede Historie ausgewertet. Zur Bestimmung der optimalen Fensterlänge wurde ein adaptives Verfahren entwickelt, daß auf der Konvergenz der Kovarianzmatrix innerhalb jeder Historie basiert. Mit diesem adaptiven Ansatz kann sogar das Verhalten stark nichtlinearer Systeme in kurzzeit-stationäre Bewegungszustande unterteilt und mit den KLr-Kennwerten eindeutig klassifiziert werden. Durch analytische Untersuchungen wurde nachgewiesen, daß die KL-Transformation als Kern eines nicht-modellgestützten Auswerteverfahrens einerseits hinreichend sensitiv auf strukturelle Veränderungen in den Meßsignalen reagiert und gleichzeitig jedoch robust gegenüber Meßrauschen ist. Demzufolge kann die KL-Transformation ohne weitere Vorfilter als Auswertealgorithmus in einer Meßkette eingesetzt werden. Zusätzlich wurde geklärt, welche Signalstruktur vorliegen muß, damit die Charakteristischen Funktionen der KL-TYansformation mit den Harmonischen der Fourier-lYansformation übereinstimmen. Erkenntnisse zum Fahrwegmonitoring Die bisherigen Methoden zur Kontrolle und Wartung von Gleisanlagen basieren auf dem Prinzip der Einzelinspektionen. Dabei werden die Gleisanlagen nach einem festgelegten Zeitplan unter hohem Kapital- und Personalaufwand mit einem speziellen Meßwagen, der nur während der Betriebspausen fahren darf, auf geometrische Gleislagefehler untersucht. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein neuer Ansatz zur Überprüfung der Gleislagequalität verfolgt, der sich in zwei wesentlichen Punkten von der bisherigen Vorgehensweise unterscheidet: 1. Anstelle von einzelnen Inspektionsfahrten wurde die Gleisanlage von einem im regulären Zugbetrieb verkehrenden U-Bahnwagen aus kontinuierlich vermessen. 2. Die Gleislagequalität wurde anhand der tatsächlich auftretenden, dynamischen Rad/Schiene-Belastungen beurteilt. Die in dieser Arbeit gefundenen Ergebnisse zeigen, 1. daß Laufzustände von Eisenbahnradsätzen mit den "Wichtungsfaktoren'1 a* und "Charakteristischen Funktionen" ^ eindeutig klassifiziert werden können, 2. daß von den dynamischen Belastungen an den Eisenbahnradsätzen auf die Gleislage geschlossen werden kann, und 3. daß mit dem hier eingeführten Mustererkennungsansatz die Gleislage kontinuierlich überwacht werden kann. Fazit: Das Projekt liefert erstmals ein Monitoringverfahren, mit dem die Gleislage anhand physikalisch interpretierbaren Kennwerte aus den dynamischen Lasten überwacht werden kann. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Die von den einzelnen Bahngesellschaften verwendeten Grenz- bzw. Schwellwerte für Abweichungen von der geplanten Gleislage sind in der Norm prDIN EN 13848-5 (2005) festgelegt. Dabei basieren die Vorschriften der prDINEN 13848-5 auf Betrachtungen von stationären Fahrzeugbewegungen. Da jedoch stationäre Laufzustände zu geringeren dynamischen Belastungen führen als transiente Fahrzeugbewegungen, sind die Grenzwerte mit Unsicherheiten behaftet und mit einem Sicherheitsfaktor beaufschlagt. Das hier vorgestellte und untersuchte Monitoringverfahren kann zukünftig helfen, die geometrischen Grenz- bzw. Schwellwerte genauer zu bestimmen. Gleichzeitig kann, wegen des gegenüber den Einzelinspektionen aktuelleren Wissensstands zur Gleislagequalität, gezielter auf Veränderungen der Gleislage reagiert werden. Damit kann das hier untersuchte, kostengünstige Monitoringverfahren einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, die Instandhaltungskosten für Anlagenbetreiber signifikant zu reduzieren. Darüber hinaus sind die zu den Eigenschaften der KL-Transformation gewonnenen Erkenntnisse allgemeingültig, und lassen sich für weitere Arbeiten auf dem Gebiet der Technischen Dynamik übertragen.
Publications
- GLÖSMANN, P.: Monitoring nichtlinearer Rad/Schiene-Systeme mit der Karhunen- Loeve-Transformation. Aachen: Shaker-Verlag, Reihe Mechanik, 2007, Dissertation
- GLÖSMANN, P.; KREUZER, E. SCHLEGEL, V.: Monitoring Subway Tracks via the Dynamics of Passenger Car Wheelsets, In: Ghataora, G, S.; Burrow, M. P, N. (Hrsg.): Railway Foundations. Birmingham: University of Birmingham Press, 2006, S. 126-135.
- GLÖSMANN, P.; KREUZER, E.: Monitoring of Railway Vehicles ¿ Detection of Critical Rolling States. Mach. Dyn. Problems, 29(4), 2005, S. 47-58.
- GLÖSMANN, P.; KREUZER, E.: Monitoring of the Nonlinear Dynamics of Railway Wheelsets. In: PAMM ¿ Proc. of 2006 GAMM Annual Meeting, 2006, S. 1-2.
