AT502214B1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der entgleisungsgefahr von schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

2 AT 502 214 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen.

Ein kosteneffizienter und sicherer Bahnbetrieb ist nur durch genaue Kenntnis des Zustandes von Gleis und Fahrzeug möglich. Die Beurteilung der Fahrsicherheit spielt hierbei eine zentrale Rolle. Aus dem Fahrzeugverhalten können der resultierende Ressourcenverbrauch und Veränderungen am Oberbau abgeleitet werden. Es sind ortsfeste Meßstrecken zur Erfassung von Schienenbelastungen bekannt, die eine Wägestrecke in einem Gleisabschnitt umfassen. Die Schienen stützen sich auf Wägezellen ab, die z.B. in Wägeschwellen eingebaut sind, welche so ausgelegt sind, daß sie für Biegemomente und Querkräfte unempfindlich sind.

Die EP 1 521 072 A1 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Kräften aus elastischen Verformungen zumindest einer Schiene und eines Oberbaues. Meßelemente sind auf der Unterseite des Schienenkopfes und an der Oberseite des Schienenfußes angeordnet, was den Nachteil der unpräzisen Messung der horizontalen Verschiebungskräfte ergibt.

Die JP 2002/236065 A beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der quer zur Schienenrichtung wirkenden Horizontalkraft, wobei vier symmetrisch auf beiden Seiten der Schiene gekreuzt angeordnete Meßstreifenpaare die Horizontalkräfte messen, indem jeweils vier Meßstreifenpaare eine Wheatstone-Brücke bilden, die bei Verschiebungen ein entsprechend großes Signal liefert. Diese Anordnung erlaubt weder die Ermittlung eines quasi-kontinuierlichen Signalverlaufes noch zeigt sie Instabilitäten oder Gleisverschiebungskräfte an.

Die DE 103 47 812 A1 beschreibt eine Kraftmeßvorrichtung zur Erfassung der Schienenbelastung, die zwischen mindestens einer Schiene und deren Schwelle angeordnet ist. Meßelemente am Schienenkopf, Schienensteg oder Schienenfuß sind nicht vorgesehen.

Die JP-01-254466A offenbart eine Meßvorrichtung zur Bestimmung eines Entgleisungskoeffizienten. Diese Vorrichtung erfordert es, zwei Meßwerte in ein Verhältnis zu setzen, wodurch sich die Meßgenauigkeit gegenüber einer Vorrichtung, die mit nur einem Meßwert arbeitet, verdoppelt.

Die US 4,702,104-A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Radverformungen von Schienenfahrzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der einleitend angegebenen Art zu schaffen, mit denen auch Entgleisungsrisikofaktoren mit Hilfe einer ortsfesten Meßstelle zuverlässig erfaßt und ausgewertet werden können und dabei die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der Entgleisungsgefahr mit Hilfe einer Meßstrecke aus einer Reihe von an den Schienen angebrachten Meßelementen, wobei Meßelemente auf beiden Seiten der Schiene Spannungen aufnehmen, und wobei von einem den Schienenfuß abstützenden Meßelement auf die Schiene aufgebrachte, entsprechend dem Radaufstandspunkt in horizontaler Richtung wandernde Horizontal- und Vertikalkräfte aufgenommen werden, und von allen Meßelementen entsprechende elektrische Signale einer elektronischen Signalauswerteeinrichtung zugeführt werden, zeichnet sich dadurch aus, daß von am Schienenkopfaußenrand und auf beiden Schienenfußrändern angebrachten Meßelementen quasi-kontinuierliche Signale abgeleitet werden, welche die Bewegung der Schiene in der Horizontalrichtung angeben, und daß sodann in der Auswerteeinrichtung aus den übermittelten Signalen ein quasikontinuierliches Informationsarray gebildet wird, das Instabilitätsneigungen von Fahrzeugen und Gleisverschiebekräfte anzeigt.

Vorzugsweise wird ein Informationsarray aus mehreren Informationszellen derart gebildet, daß sich ihre Signalanteile quasi stetig aneinanderfügen, wobei bevorzugt die Schieneneinsenkun- 3 AT 502 214 B1 gen und auch die horizontalen Schienenbewegungen in relevante Anteile zerlegt und in der unmittelbaren Umgebung des Radaufstandspunktes berücksichtigt werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Meßstrecke aus einer Reihe von an den Schienen angebrachten Meßelementen und einer mit diesen verbundenen elektronischen Signalauswerteeinrichtung, wobei die Meßelemente auf beiden Seiten der Schiene angebracht und als Dehnungsmeßstreifen zur Aufnahme von Spannungen ausgebildet sind, und der Schienenfuß von einem Meßelement abgestützt ist, welches die Horizontal- und Vertikalkräfte in einem in horizontaler Richtung wandernden Radaufstandspunkt aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente am Schienenkopfaußenrand (SKR) und an beiden Schienenfußaußenrändern (SKR) als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind, welche Horizontalverschiebungen aufnehmen, und daß das den Schienenfuß abstützende Meßelement mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil aufweist, der mit einer Schwelle verbindbar ist, wobei diese Teile parallel und horizontal übereinander angeordnet sind, und daß zwischen den Kraftein- und Kraftausleitungsteilen mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen ist, wobei der Krafteinleitungsteil durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet ist, und beide Teile seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden sind, in denen vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind, wobei das obere Meßsenkungspaar zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte und des Radaufstandspunktes vorgesehen ist.

Im Rahmen der Erfindung werden zweckmäßig als Meßelemente Dehnungsmeßstreifen aufgebracht. Dabei können am Schienensteg in der neutralen Faser Dehnungsmeßstreifen unter einem negativen und einem positiven 45°-Winkel zur neutralen Faser aufgebracht sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das den Schienenfuß abstützende Meßelement mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil aufweist, der mit einer Schwelle verbindbar ist, wobei diese Teile parallel und horizontal übereinander angeordnet sind, und daß zwischen den Kraftein- und Kraftausleitungsteilen mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen ist, wobei der Krafteinleitungsteil durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet ist und beide Teile seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden sind, in denen vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind, wobei das obere Meßsenkungspaar zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Die Fig. 1a und 1b jeweils einen schematischen Querschnitt durch ein den zugehörigen Schienenfuß abstützendes Meßelement gemäß der Erfindung samt Meßanzeigediagramm, wobei unterschiedliche Krafteinleitungsfälle dargestellt sind, Fig. 2 eine schematische Teildarstellung der Schienenmeßstrecke, Fig. 3a eine schematische perspektivische Teildarstellung einer Schiene mit den an dieser aufgebrachten Meßelementen, und Fig. 3b ein Kräftediagramm.

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein unterhalb der Schiene S angeordnetes Y/Q-Kraftmeßelement, das es ermöglicht, Kräfte in Y und Q-Richtung aufzuzeichnen, die von einem Rad stammen und über die Schiene S eingeleitet werden. Der Fuß des Meßelementes entspricht im Bereich der Schienenbefestigung beispielsweise exakt jenem eines „UIC-60“ Schienenquerschnittes. Zur Befestigung des Meßelementes ah der Schiene werden Standard-Schienenbefestigungselemente (Spannklemme, elastische Zwischenlage, Winkelführungsplatte) einer Stahltrogschwelle oder eines Adapters in fester Fahrbahn verwendet.

Claims (5)

1. 4 AT 502 214 B1 Das den Schienenfuß abstützende Meßelement weist mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil auf, der mit einer Schwelle verbindbar ist. Diese Teile sind parallel und horizontal übereinander angeordnet. Zwischen dem Krafteinleitungsteil- und dem Kraftausleitungsteil ist mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen. Der Krafteinleitungsteil ist durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet, und beide Teile sind seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden, in dem vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind. Das obere Meßsenkungspaar ist zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte vorgesehen. Im Betrieb wandert der Angriffspunkt der Q-Kraft infolge Bewegungen des Rades R z.B. um ±10 mm in Y-Richtung. Im Falle der Fig. 1a erfolgte die Q-Krafteinleitung mittig, im Falle der Fig. 1b erfolgte eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes in horizontaler Richtung um etwa 10 mm. Die nicht zentrische Krafteinleitung ergibt im Meßdiagramm einen Spannungsanstieg des lastseitigen unteren Meßsenkungskörpers um etwa 0,2 mV/V. Nach den Fig. 3a und 3b sind in der Meßstrecke außerdem an den Schienen S Dehnungsmeßstreifen am Schienenkopfaußenrand SKR zur Aufnahme von Horizontalverschiebungen, auf beiden Seiten des Schienensteges STL in der neutralen Faser zur Aufnahme von traktionsverursachten Längsspannungen, und an den beiden Außenrändern des Schienenfußes SFR zur Aufnahme von Horizontalverschiebungen angebracht. Die gemessenen Signale werden in einer nicht gezeigten elektronischen Auswerteeinrichtung nach vorbestimmten Programmen ausgewertet, wobei eine kontinuierliche Signalauswertung vorgenommen wird, indem in einer nichtlinearen Parametervariation mit problemangepaßten Ansatzfunktionen die Meßdaten approximiert werden. Damit werden die diskreten Daten im Zeit- und Wegbereich kontinuisiert. Die Kräfte werden als dynamisches Signal bei der Überfahrt einer Achse über den gesamten Meßbereich errechnet. Zusätzlich kann der Mittelwert der Bettungssteifigkeit angegeben werden. Sicherheitsrelevante Entscheidungen werden so auf eine objektive und zeitnahe Basis gestellt. Das System ist redundant, weil es ein durch mindestens zwei unterschiedliche Einzelmeßsysteme abgesichertes Meß- und Auswerteverfahren umfaßt. Durch Hochfrequenz-Simulationsunterstützung eines elastischen Fahrweg- und Radsatzmodells wird außerdem ein lernfähiges System ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung sind eindeutige und reproduzierbare Meßergebnisse bereits bei Radabständen > 0,7 m möglich. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen mit Hilfe einer Meßstrecke aus einer Reihe von an den Schienen (S) angebrachten Meßelementen (SKR, STL, SFR, SFM), wobei Meßelemente auf beiden Seiten der Schiene (S) Spannungen aufnehmen, und wobei von einem den Schienenfuß abstützenden Meßelement auf die Schiene aufgebrachte, entsprechend dem Radaufstandspunkt in horizontaler Richtung wandernde Horizontal- und Vertikalkräfte aufgenommen werden, und von allen Meßelementen (SKR, STL, SFR, SFM) entsprechende elektrische Signale einer elektronischen Signalauswerteeinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß von am Schienenkopfaußenrand (SKR) und auf beiden Schienenfußrändern (SFR) angebrachten Meßelementen quasi-kontinuierliche Signale abgeleitet werden, welche die Bewegung der Schiene (S) in der Horizontalrichtung angeben, und daß sodann in der Auswerteeinrichtung aus den übermittelten Signalen ein quasikontinuierliches Informationsarray gebildet wird, das Instabilitätsneigungen von Fahrzeugen und Gleisverschiebekräfte anzeigt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Informationsarray aus mehreren Informationszellen gebildet wird, derart, -daß sich ihre Signalanteile quasi stetig aneinanderfügen, wobei vorzugsweise die Schieneneinsenkungen und auch die horizonta- 5 AT 502 214 B1 len Schienenbewegungen in relevante Anteile zerlegt und in der unmittelbaren Umgebung des Radaufstandspunktes berücksichtigt werden.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Meßstre- 5 cke aus einer Reihe von an den Schienen (S) angebrachten Meßelementen (SKR, STL, SFR, SFM) und einer mit diesen verbundenen elektronischen Signalauswerteeinrichtung, wobei die Meßelemente (SKR, STL, SFR, SFM) auf beiden Seiten der Schiene (S) angebracht und als Dehnungsmeßstreifen zur Aufnahme von Spannungen ausgebildet sind, und der Schienenfuß von einem Meßelement (SFM) abgestützt ist, welches die Horizontal-io und Vertikalkräfte in einem in horizontaler Richtung wandernden Radaufstandspunkt auf nimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente am Schienenkopfaußenrand (SKR) und an beiden Schienenfußaußenrändern (SKR) als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind, welche Horizontalverschiebungen aufnehmen, und daß das den Schienenfuß abstützende Meßelement (SFM) mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit 15 dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil aufweist, der mit einer Schwelle verbindbar ist, wobei diese Teile parallel und horizontal übereinander angeordnet sind, und dass zwischen den Kraftein- und Kraftausleitungsteilen mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen ist, wobei der Krafteinleitungsteil durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungs-20 teil beabstandet ist, und beide Teile seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal aus gerichteten Verformungskörper verbunden sind, in denen vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind, wobei das obere Meßsenkungspaar zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte und des Radaufstandspunktes vorgesehen ist. 25
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelemente am Schienensteg (STL) in der neutralen Faser, wie an sich bekannt, Dehnungsmeßstreifen unter einem negativen und einem positiven 45°-Winkel zur neutralen Faser aufgebracht sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelemente am Schie nensteg (STL) in der neutralen Faser Dehnungsmeßstreifen unter einem 0 Grad Winkel zur neutralen Faser zur Erfassung von Längsspannungen aufgebracht sind. 35 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 40 45 50 55