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Einrichtung zur Ermittlung von Unebenheiten in vertikaler Richtung bei Schienen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung von Unebenheiten in vertikaler Richtung bei
Schienen mittels eines die Schienenoberfläche abtastenden Messorgans.
Die Ursache von vertikalen Unebenheiten bei Schienen kann in einer mangelhaften Beschaffenheit des
Gleisunterbaues, wie z. B. unregelmässiger Verdichtung des Gleisschotters unter den Schwellen usw. liegen.
Die Schienen selbst können aber auch eine unebene Oberfläche, beispielsweise sogenannte Riffel, besitzen.
Auch stellt jede Stosslücke zweier Schienen eine derartige Unebenheit dar. Alle diese Unebenheiten beeinträchtigen die Laufruhe des Schienenfahrzeuges und können durch Anregen von Schwankungen und
Schwingungen Ursache für Unfälle sein. Sie bewirken weiterhin Stösse auf die Fahrzeugräder, die infolge der Wechselwirkung auch auf die Schiene zurückwirken und somit eine weit höhere Beanspruchung der
Schiene sowie des Fahrzeuges selbst zur Folge haben, was wiederum die Ursache von Achsbrüchen oder Radreifenrissen usw. zur Folge haben kann.
Im wesentlichen kann man die lotrechten Schienenfehler nach ihren Dimensionen in zwei Gruppen einteilen : in die langwelligen, sogenannten Einsenkungsfehler, und die kurzwelligen, zu denen beispielsweise die sogenannten Riffel gehören.
Es sind bereits mechanische Vorrichtungen bekannt geworden, die in ein Gleismessfahrzeug eingebaut die Schienenoberfläche abtasten und eventuelle Unebenheiten zur Anzeige bringen bzw. registrieren. Eine dieser bekannten zur Messung von Einsenkungen verwendeten Einrichtungen besteht aus einem dreiachsigen Fahrgestell, dessen beide äusseren Achsen starr miteinander verbunden sind und so eine Messbasis bilden. Die vertikalen Abweichungen der mittleren Achse, die das eigentliche Messorgan bildet, von der Messbasis, sind ein Mass für die Unebenheiten und werden über Seilzüge auf einen mechanischen Schreiber übertragen. Bei einer solchen Einrichtung bleiben Bewegungen des Wagenkastens, die z. B. durch Fliehkräfte, Kurvenüberhöhungen und Schwingungen hervorgerufen werden können, ohne Einfluss auf die Messung.
Bedingt durch die drei Achsen der Einrichtung wird jedoch jede Unebenheit dreimal aufgezeichnet. Die Aufzeichnungen zufolge der Auslenkung der beiden äusseren, die Massbasis bildenden Achsen erfolgen in entgegengesetzter Richtung wie die Aufzeichnung zufolge der Auslenkung der Messachse.
Diese Vielzahl von Aufzeichnungen macht den Messschrieb unübersichtlich. Besonders nachteilig ist jedoch, dass Unebenheiten, die länger als die Messbasis sind, z. B. langgezogene Einsenkungen, nicht oder nur unvollständig messtechnisch erfasst werden. Weiterhin haben die mechanischen Elemente der Einrichtung eine gewisse Trägheit des Messvorganges zur Folge, die die Geschwindigkeit des Messfahrzeuges, wenn man Messfehler vermeiden will, auf einen verhältnismässig niederen Wert begrenzt. Die mechanischen Elemente, insbesondere die Seilzüge, verschleissen sehr schnell, weshalb zur Vermeidung von Fehlmessungen ein hoher Aufwand an Material und Arbeitszeit zum häufigen Überprüfen und Austauschen der Elemente erforderlich ist. Auch wirken sich die Massen und Eigenfrequenzen der Elemente nachteilig auf die Genauig- keit und die Schreibfrequenz aus.
Exakte Messungen sind aus diesen Gründen bei normaler Zuggeschwindig- keit, also unter normalen Betriebsbedingungen, nicht durchführbar. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass besondere Massnahmen zum Ausgleich der Bewegungen des Fahrzeugkastens erforderlich sind, da die Messgrössen einerseits zwar von Auswirkungen der Kastenbewegungen frei bleiben müssen, anderseits jedoch in den Kasten hinein übertragen werden müssen.
Es ist weiterhin bereits bekannt, kurzwellige Unebenheiten der Schienenoberfläche selbst, beispielsweise sogenannte Riffel, das sind periodisch wiederkehrende Einkerbungen, deren Ursache noch nicht eindeutig geklärt ist, durch optische Mittel aufzunehmen und durch diese optischen Mittel über Relais eine Schreibvorrichtung ein-bzw. abzuschalten. Diese Einrichtungen arbeiten j edoch so träge, dass mit ihnen nur markiert wird, ob derartige Unebenheiten vorhanden sind oder nicht, nicht jedoch die Zustandsform der einzelnen Unebenheiten selbst. Die Schreibvorrichtung zeichnet daher lediglich rechteckförmige Impulse auf, deren Länge der Länge der fehlerbehafteten Strecke entspricht, deren Höhe jedoch zufolge der Schaltung durch
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Relais immer gleich ist und daher keinen Schluss auf die Höhe der Unebenheiten zulässt.
Weiterhin lassen schon Schattierungen auf der Schiene, wie Farbflecke, Laub u. dgl. die optischen Mittel ansprechen und verursachen damit falsche Messergebnisse.
Weiterhin ist eine Einrichtung bekannt, mit deren Hilfe Risse im Material der Schienen, Bohrungen, auch Schienenstösse ermittelt und durch Aufbringen einer Farbmarkierung gekennzeichnet werden. Zur Steuerung der Markierung werden hier elektrische, die Schienen abtastende Messglieder verwendet.
Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden, und erreicht dies dadurch, dass die Einflüsse der Unebenheiten auf das Messorgan mittels eines oder mehrerer vertikaler Auslenkungen bzw. durch diese verursachte Kraftwirkungen in entsprechende elektrische Kriterien umwandelnder Messglieder, wie Weg-, Spannungs-, Kraft- oder Beschleunigungsmesser, ermittelt werden. Eine derartige Einrichtung arbeitet praktisch trägheitslos, so dass nichtnur eine exakte Aufzeichnung vorhandener Unebenheiten, sondern auch eine Messung bei jeder vorkommenden Zuggeschwindigkeit möglich ist. Dies ist besonders deswegen vorteilhaft, weil die Beanspruchungen zufolge von Unebenheiten geschwindigkeitsabhängig sind.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind bei Anordnung des Messorganes als an der mittleren Achse eines dreiachsigen Fahrgestelles gelagertes Rad als Messglieder elektrische Wegmesser den Federn aller drei Achsen parallelgeschaltet. An Stelle der Wegmesser können auch Spannungsmesser oder Kraftmesser an den Federn selbst angeordnet werden. Die Weg- bzw. Spannungs- bzw. Kraftmesser ermitteln die Unebenheiten, die das Messorgan an der Schiene abtastet, in Form von Auslenkungen der Federn bzw. von Spannungen oder Kräften in denselben.
Durch geeignete Schaltung der Messglieder in einer an sich bekannten elektrischen Vergleichsschaltung, z. B. einer Messbrücke-sowohl in Voll- als auch in Teilbrückenschaltung-, indem man die Messglieder der äusseren Achsen in einen Leitungszweig und die der mittleren Achse, also des Messorgans, in den andern Leitungszweig einfügt, wird auf elektrischem Wege eine Messbasis eingeführt, so dass die starre Verbindung zwischen den beiden äusseren Achsen bei den bekannten Einrichtungen entfällt. Als Messglieder können auch induktive Wegmesser in an sich bekannter Transformatorschaltung in geeigneter Vergleichsschaltung verwendet werden.
Zwar tritt auch bei dieser Ausführungsform, bedingt durch die Verwendung von drei Achsen, noch eine dreimalige Aufzeichnung jeder Unebenheit auf, jedoch sind die Aufzeichnungen zufolge der Auslenkung der beiden äusseren Achsen, die sogenannten Gegenzacken, nur etwa halb so gross wie die Aufzeichnung zufolge der Auslenkung der mittleren Achse, der eigentlichen Messachse, wodurch die Übersichtlichkeit des Messschriebes verbessert wird.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist ein mit einer seismischen Masse versehener Schwingwegmesser am Messorgan angebracht. Hiebei wird die Messbasis durch die seismische Masse gebildet, so dass
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Vereinfachung wird bei dieser Anordnung jede Unebenheit im Messschrieb nur noch einmal aufgezeichnet ; die durch die beiden äusseren Achsen bei einem dreiachsigen Fahrgestell verursachten Aufzeichnungen entfallen. Massgebend ist bei dieser Ausführungsform die Eigenfrequenz des Schwingwegmessers. Legt man diese sehr niedrig, so werden auch sehr langwellige Unebenheiten exakt aufgezeichnet, wenn man die Geschwindigkeit des Messfahrzeuges nicht extrem niedrig wählt. Die kurzwelligen Unebenheiten, z. B.
Riffel, erscheinen hiebei im Messschrieb als Überlagerungen der Aufzeichnung der langwelligen Unebenheiten. Durch Wahl einer entsprechend hohen Eigenfrequenz des Schwingwegmessers kann man aber auch erreichen, dass die kurzwelligen Unebenheiten allein aufgezeichnet werden. Durch Anpassung der Eigenfrequenz und/oder der Geschwindigkeit des Messfahrzeuges kann man somit die Aufzeichnung im Bedarfsfall auf Unebenheiten bestimmter Länge erstrecken bzw. begrenzen. In jedem Falle erfolgt die Aufzeichnung jeder einzelnen Unebenheit linear und exakt, so dass die Aufzeichnungen Aufschluss über Grösse und Art der Unebenheiten geben.
Schliesslich ist es nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Anordnen eines elektrischen Beschleunigungsmessers am Messorgan in einer Weise, dass er nur auf Beschleunigungen anspricht, die senkrecht zur Schienenebene wirken, möglich, die durch die Unebenheiten verursachten, auf die Räder und Schienen wirkenden Kräfte zu ermitteln. Da die Masse des Messorganes bekannt ist, kann der durch den Beschleunigungsmesser gesteuerte Messschrieb direkt in Krafteinheiten geeicht werden. Der Messschrieb gibt zwar auch bei dieser Ausführung Aufschluss über die Länge und Höhe der Unebenheiten, die Aufzeichnung ist jedoch nicht linear. Weiterhin muss bei dieser Ausführung zur Beurteilung der Messung die Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ermöglicht mit sämtlichen Ausführungsformen exakte Rückschlüsse auf die Grösse der Lücken von Schienenstössen. Damit kann man Schienenwanderungen, die verschieden grosse Stosslücken verursachen, feststellen.
Es ist besonders vorteilhaft, mehrere erfindungsgemässe Ausführungsformen zu kombinieren, so dass man mit einer einzigen Messfahrt mehrere synchrone Messschriebe aufnehmen kann, die nebeneinander aufgezeichnet Aufschluss geben, beispielsweise über verschiedenartige Unebenheiten und die durch sie verursachten Beanspruchungen.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine dreiachsige Ausführung ; Fig. 2 ein Schaltbild für die Messglieder gemäss
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Fig. 1 und Fig. 3 ein Schaltbild für Messglieder mit Transformatorschaltung ; die Fig. 4 a und 4 b zeigen in Vorder-und Seitenansicht eine kombinierte Ausführung mit Schwingweg- und Beschleunigungsmesser.
Die Einrichtung nach Fig. 1 besteht in an sich bekannter Weise aus einem dreiachsigen Fahrgestell, dessen einzelne Räder über Abfederungen mit dem Wagenkasten verbunden sind. Je drei miteinander spurende Räder 1-3 gehören zu einer Messeinrichtung. Ihren Abfederungen 4-6 sind elektrische Messglieder 7-9 zugeordnet. Bei Verwendung elektrischer Wegmesser sind diese den jeweiligen Abfederungen mechanisch parallel geschaltet und ermitteln die Auslenkung der Abfederungen beim Überfahren einer Unebenheit. Verwendet man als Messglieder elektrische Spannungsmesser, so werden diese direkt an den Federn angebracht, um Spannungsänderungen in denselben beim Überfahren von Unebenheiten festzustellen.
Verwendet man elektrische Kraftmesser, so sind diese in den Kraftzug zwischen Rad und Wagenkasten einzufügen, um die beim Überfahren einer Unebenheit auftretende Kraft zu messen.
Die Messglieder 7-9 werden in eine bekannte elektrische Vergleichsschaltung so eingefügt, dass die Auslenkungen der Räder 1 und 3 mit denen des Messorganes, des Rades 2, verglichen werden. Auf diese Weise wird durch die Messglieder 7 und 9 eine elektrische Messbasis gebildet, auf welche die in den Messgliedern 8 ermittelten Messwerte bezogen werden. Als Messglieder können alle bekannten elektrischen Weg-, Spannungs- bzw. Kraftmesser verwendet werden, gleich, ob sie auf ohmscher, induktiver, kapazitiver, piezoelektrischer oder sonstiger Grundlage wirken. Von der Wirkungsweise der Messglieder hängt die Ausgestaltung der Vergleichsschaltung ab. Verwendbare Schaltungen sind ebenfalls bekannt.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung in Form einer Messbrücke ist beispielsweise für auf ohmscher Grundlage arbeitende elektrische Messglieder, z. B. elektrische Widerstandsdehnungsmessstreifen, geeignet. Die Brücke wird an den Klemmen 10 und 11 gespeist. Die Messglieder 7 und 9 sind hiebei in den einen und die Messglieder 8 in den andern Brückenzweig eingefügt. Durch Unebenheiten verursachte Auslenkungen des Rades 2 als Messorgan gegenüber der durch die Räder 1 und 3 gebildeten Messbasis, die sich in Form von Wegen, Spannungen oder Kräften den Messgliedern mitteilen, treten als Differenzspannung an den Klemmen 12 und 13 auf und werden in bekannter Weise zur Anzeige und/oder Registrierung benutzt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind induktive Messglieder verwendet. Jedes Messglied besitzt zwei gegeneinander geschaltete Primärwicklungen a und b und eine Sekundärwicklung c. Alle drei Wicklungen besitzen einen gemeinsamen, verschiebbaren Kern d. Bei Auslenkung eines Rades beim Überfahren einer Unebenheit wird der Kern d des dem Rad zugeordneten Messgliedes entsprechend verstellt. Während in seiner ursprünglichen Stellung der Anteil der Wicklung a an der Induktion in der
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und 20 einen Ausgleichsstrom als Mass für die relative Auslenkung zur Verfügung.
In den Fig. 4 a und 4 b ist eine Kombination zweier weiterer Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Mittels eines Schwingwegmessers 22 werden die Unebenheiten, die das Rad 21 als Messorgan abtastet, naturgetreu aufgezeichnet und gleichzeitig werden mittels eines Beschleunigungsmessers 23 die durch dieselben Unebenheiten verursachten Beschleunigungen, die ein Mass für die durch die Unebenheiten verursachten Kräfte sind, ermittelt. Ein besonderer Vorteil dieser Kombination ist die gleichzeitige Aufzeichnung von Ursache und Wirkung in parallelen Messschrieben, wodurch eine gute Vergleichsmöglichkeit geschaffen wird. Selbstverständlich ist auch jede der beiden Einrichtungen für sich getrennt verwendbar.
Am Achslagergehäuse des Rades 21 ist ein Schwingwegmesser 22 angebracht, der in bekannter Weise eine seismische Masse besitzt. Diese hat das Bestreben, in Ruhelage zu verharren, so dass sie eine Messbasis bildet, gegenüber welcher Auslenkungen des Rades 21 und damit des Achslagers gemessen werden können. Wenn man den Schwingwegmesser 22 nur genügend tief abstimmt, können beispielsweise auch langwellige Unebenheiten aufgezeichnet werden. Die kurzwelligen treten hiebei als Überlagerung der langwelligen Unebenheiten auf. Durch Abstimmung auf höhere Frequenz kann jedoch auch erreicht werden, dass nur höherfrequente Schwingungen, also beispielsweise nur die kurzwelligen Riffel, aufgezeichnet werden.
Bringt man zwei derart verschieden abgestimmte Schwingwegmesser am gleichen Achslagergehäuse an, so kann man gleichzeitig kurz-und langwellige Unebenheiten getrennt voneinander aufzeichnen.
Der Beschleunigungsmesser 23 ist ebenfalls am Achslagergehäuse angebracht, u. zw. derart, dass er nur Beschleunigungen misst, die senkrecht zur Schienenoberfläche durch deren Unebenheiten erteilt werden.
An sich kann er auch zu Messungen der Unebenheiten selbst dienen, jedoch sind seine Aufzeichnungen nicht linear. Da aber die durch eine Unebenheit auszulenkende Masse, nämlich diejenige des Rades, der Achse und der starr mit diesen verbundenen Teile, bekannt ist, kannman die Aufzeichnungen des Beschleunigungsmessers direkt zur Beurteilung der durch die Unebenheiten verursachten Kraftwirkungen auf Fahrzeug und Schiene heranziehen. Bei der Beschleunigungsmessung ist die Fahrgeschwindigkeit zu berücksichtigen.