AT505488A2

AT505488A2 - Verfahren zur minimierung von laufflächenschäden und profilverschleiss von rädern eines schienenfahrzeugs

Info

Publication number: AT505488A2
Application number: AT0094207A
Authority: AT
Inventors: Peter Dr Dietmaier; Martin Rosenberger; Klaus Dr Six
Original assignee: Siemens Transportation Systems
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-01-15
Also published as: CN101821146A; US20100170415A1; EP2155528A1; US8485109B2; CN101821146B; WO2008155185A1

Description

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Beschreibung

Verfahren zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß von Rädern eines Schienenfahrzeugs 5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß der Räder eines Schienenfahrzeugs mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. 10 zumindest zwei Radsätzen oder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen, wobei während der Fahrt des Schienenfahrzeugs Messdaten von zumindest einer., während der Fahrt des Schienenfahrzeugs variablen Größe aufgenommen 15 werden, welche für die Belastung im Rad-Schiene Kontakt relevant ist.

Weiters betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen und 20 ein Drehgestell eines Schienenfahrzeugs mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Begriff ,Losradsatz' bezeichnet hier ein Paar von Rädern, 25 die z.B. auf einem Achsträger gelagert sind und sich unabhängig voneinander drehen können, d.h. nicht starr miteinander verbunden sind. Unter einem Radsatz versteht man ein über eine Radsatzwelle starr miteinander verbundenes Radpaar. 30

Es ist bekannt, dass Schienenfahrzeuge spurgebunden fahren. Die zur Spurführung erforderlichen Kräfte entstehen im Kontaktbereich von Rad und Schiene, dem Rad-Schiene Kontakt. Diese Kräfte sind allerdings auch für negative Effekte an den 35 Schienen und Rädern verantwortlich. So verursachen

Tangentialkräfte, die immer mit Gleiteffekten und somit mit Reibleistungen verbunden sind, Profilverschleiß durch Materialabtrag. Weiters ermüden die an Rad und Schiene • · ·· • · · · • · · · 200627052 ·· ···· ·· • L · · · • ♦ · · · · • · ·· ·· angreifenden Kräfte bei genügend hohem Kraftniveau den Werkstoff, es kommt zur Rollkontaktermüdung (Rolling Contact Fatigue, RCF). Dadurch entstehen z.B feine Risse in der Schiene und/oder im Rad. Eine typische dadurch verursachte 5 Schadensform an der Schienenoberfläche stellen Head Checks dar. Im Rad können Risse unter der Oberfläche entstehen, nach außen wachsen und zu größeren Ausbröckelungen führen. Die Risse können aber auch an der Oberfläche entstehen, in die Tiefe wachsen und ebenfalls zu Materialausbrüchen führen, wie 10 es z.B. beim bekannten Phänomen des Fischgrätmusters geschieht. Bei oberflächeninitierten Rissen gibt es den Effekt, dass die Anrisse zum Teil durch den erwähnten Profilverschleiß wieder entfernt werden woraus folgt, dass ein gewisses Maß an Profilverschleiß mitunter erwünscht sein 15 kann. Neben den erwähnten Laufflächenschäden treten noch eine Reihe weiterer Schadensformen wie z.B. Flachstellen, Materialauftragung, Laufflächenquerrisse usw. auf.

Dem Rad-Schiene Kontakt kommt daher, beispielsweise auch bei 20 Hochgeschwindigkeitszügen, eine besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zu. Unregelmäßigkeiten am Rad-Schiene Kontakt, beispielsweise durch schwere Beschädigung eines Rades, können zu erheblichen Folgeschäden bis hin zum Entgleisen führen. Aber auch leichte Beschädigungen wie feine 25 Risse können große Schwierigkeiten verursachen, da sie

Instandhaltungsarbeiten erforderlich machen und somit hohe Kosten und Verspätungen im Zugverkehr verursachen können.

Es sind daher eine Reihe mechanischer Vorrichtungen zur 30 Spurführung eines Schienenfahrzeuges bekannt. Viele der bekannten Systeme gehen davon aus, dass bei Bogenfahrten die Radialstellung der Räder im Gleis optimal ist, um die auf die Losradsätze oder Radsätze eines Fahrwerks oder Fahrzeugs wirkenden Kräfte zu reduzieren. Dadurch, wird argumentiert, lassen sich die Reibleistung und damit auch der Profilverschleiß im Rad-Schienekontakt verringern. 35 200627052 ·· ·· • · · · • · · ♦ • · · · •4 ··· ·· • ·

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Beispielsweise beschreibt die EP 0 600 172 Al ein Fahrwerk für Schienenfahrzeuge, bei dem die Radsätze bei Bogenfahrten mittels kraftgeregelter Stellglieder gegen den Drehgestellrahmen ausgedreht werden. Dabei wird aber keine 5 Radialstellung der Radsätze relativ zum Gleis realisiert, sondern nur der Winkel zwischen Radsatz und Fahrwerksrahmen entsprechend der Radialstellung eingestellt. Damit stellt sich zwar in vielen Betriebszuständen ein günstiges Verschleißverhalten ein, jedoch entspricht dieses nicht dem 10 Optimum.

Die DE 44 13 805 Al offenbart ein selbstlenkendes dreiachsiges Laufwerk für ein Schienenfahrzeug, bei dem die äußeren beiden Radsätze mit einer Radialsteuerung versehen 15 sind und der innere Radsatz durch ein aktives Stellglied quer zur Fahrtrichtung beweglich ist. Dadurch werden die Seitenkräfte auf die Außenradsätze vermindert - bei geeigneter Beaufschlagung des aktiven Stellgliedes wirkt auf jeden Radsatz ein Drittel der Fliehkraft. Damit werden alle 20 drei Radsätze zur Steuerung bei Kurvenfahrt herangezogen, die Ausrichtung der Radsätze zur Bogenmitte wird verbessert.

Ein weiteres Verfahren dieser Art findet sich in der EP 1 609 691 Al der Anmelderin. 25

Allen diesen Verfahren ist gemein, dass sie darauf abzielen, die Reibleistung im Rad-Schiene Kontakt und somit den Profilverschleiß zu minimieren. Bei diesen Verfahren wird die Stellung der Räder relativ zum Gleis so beeinflusst, dass 30 Gleiteffekte im Kontaktpunkt vermieden bzw. minimiert werden. Allerdings kommt es auch durch Rollkontaktermüdung zu Schäden an Schiene und Rad. Zur Behebung dieser Schäden kann ein gewisses Maß an Reibleistung durchaus erwünscht sein, da entstandene Risse im Material dadurch an der Oberfläche 35 abgetragen werden können. Ein Minimum an Reibleistung entspricht daher also nicht immer einem optimalen Belastungsverhältnis im Rad-Schiene Kontakt. 200627052 ·· ···· ·♦ • · · · · · ♦ • · · # · · · • · · · # · • · · · · · · ·· · ·· • « · * · · • · · • · · ·· ··

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu schaffen, bei einem Schienenfahrzeug die Belastung im Rad-Schiene-Kontakt so zu optimieren, dass die Lebensdauer sowohl der Räder als auch der Schiene maximiert werden. Dies gelingt 5 durch Minimierung der bewerteten Summe aus Laufflächenschäden aufgrund von Rollkontaktermüdung und Profilverschleiß.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anhand von 10 Messwerten von zumindest einer, während der Fahrt des

Schienenfahrzeugs variablen Größe, die für die Entstehung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß relevant ist, Sollwerte für Parameter, die die Stellung zumindest eines Rades relativ zum Gleis charakterisieren, unter der 15 Voraussetzung ermittelt werden, dass dadurch

Laufflächenschäden und Profilverschleiß an den Rädern des Schienenfahrzeugs minimiert werden, wobei die Stellung des zumindest einen Losradsatzes bzw. Radsatzes gemäß den Sollwerten mittels Steuerung, Regelung oder einer Kombination 20 von beiden eingestellt wird. Für die Entstehung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß relevante Größen, die während der Fahrt eines Schienenfahrzeugs variabel sind, sind beispielsweise 25 Fahrzeuggeschwindigkeit, Zuladungsmasse, Antriebs- und Bremsmomente, Trassierungsdaten wie Bogenradius und Gleisüberhöhung, aber auch Größen im direkten Zusammenhang mit Rad-Schiene Kontaktverhältnissen, wie Kontaktgeometrie und Reibungskoeffizient im Rad-Schiene Kontakt. 30

Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass Parameter, die die Stellung der Räder relativ zum Gleis charakterisieren, unter der Berücksichtigung des aktuellen Zustands des Schienenfahrzeugs derart eingestellt werden, dass die 35 Laufflächenschäden und der Profilverschleiß gemeinsam minimiert bzw. für eine spezielle Situation optimiert werden können. Dies geschieht unter besonderer Berücksichtigung der ···· ··

···· ·· • · · • · · • · · • · · · ·· ·· • ·· ·· ·· 200627052 • · · · • · · · • · · · *··* *··ζ durch Rollkontaktermüdung verursachten Schäden und des durch Reibleistung verursachten Profilverschleißes. Dadurch lässt sich auch berücksichtigen, dass durch etwas erhöhte Reibleistung Schäden, die durch die Rollkontaktermüdung 5 entstanden sind, durch Abrieb beseitigt werden können.

Vorteilhafterweise werden für die möglichen Messwerte die Sollwerte der Parameter mittels eines die Interaktion zwischen dem Schienenfahrzeug und dem Gleis beschreibenden, 10 mathematischen Modells berechnet und in Tabellen einer Datenbank abgespeichert, während der Fahrt des Schienenfahrzeugs werden entsprechend den Messwerten die aktuell einzustellenden Parameter aus den Tabellen der Datenbank entnommen. Bei dem hier verwendeten mathematischen 15 Modell kann es sich beispielsweise um ein Modell für einen quasistationären Bogenlauf eines Schienenfahrzeugs handeln. Durch die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Methode kann der Rechenaufwand während der Fahrt des Schienenfahrzeugs in Grenzen gehalten werden. 20

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden anhand der Messwerte die Sollwerte für die Parameter während der Fahrt des Schienenfahrzeugs von einer Auswerteeinheit mit einem die Interaktion zwischen dem Schienenfahrzeug und dem 25 Gleis beschreibenden, mathematischen Modell berechnet. Diese Ausführungsform hat zum Vorteil, dass dabei keine Datenbank verwendet werden muss und die Berechnung direkt aus den Messwerten heraus erfolgt. Weiters ist das Verfahren auch sehr viel flexibler: Während bei der Ausführungsform mit der 30 Datenbank bei der Hinzunahme von weiteren variablen, die Ergebnisse verbessernden Größen, deren Messwerte für die Berechnung der Sollwerte der Parameter verwendet werden, auch die Datenbankeinträge neu berechnet werden müssten, ist hier nur eine Änderung des mathematischen Modells nötig, was mit 35 sehr viel weniger Aufwand verbunden ist. Günstigerweise handelt es sich bei den Parametern, die die Stellung des zumindest einen Rades relativ zum Gleis 200627052 ·· • · t • · · • · · • · · ·· ·· ·»·· • · •4 • · · · ·· ·· charakterisieren, um die Querverschiebung zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen und/oder um die Winkelstellung zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem 5 Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen. Die Parameter

Querverschiebung und Winkelstellung sind von größtem Einfluss auf die Entstehung von Laufflächenschäden, bedingt durch Rollkontaktermüdung und Profilverschleiß im Rad-Schiene Kontakt. Die Querverschiebung stellt sich bei herkömmlichen 10 Verfahren in Abhängigkeit von einer Reihe von Parametern selbständig ein. Auch die Winkelstellung stellt sich bei herkömmlichen Verfahren selbstständig ein oder wird im Hinblick auf das Profilverschleißverhalten eingestellt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Methode liegt daher in der 15 zusätzlichen Berücksichtigung der Schädigung aufgrund von Rollkontaktermüdung. Durch die Steuerung bzw. Regelung der Querverschiebung und/oder der Winkelstellung lassen sich die Rollkontaktermüdung und die Reibleistung gemeinsam je nach Erfordernis minimieren bzw. optimieren, wodurch die 20 Lebensdauer von Schienenfahrzeugrädern gezielt optimiert werden kann.

Weiters kann es sich bei den Parametern, die die Stellung des zumindest einen Rades relativ zum Gleis charakterisieren, um 25 die Querverschiebung zwischen zumindest einer Losradsatz-bzw. Radsatzachse und der zumindest einen weiteren Losradsatz- bzw. Radsatzachse des Fahrwerks oder Fahrzeugs und/oder um die Winkelstellung zwischen den zumindest zwei Losradsatz- bzw. Radsatzachsen des Fahrwerks oder Fahrzeugs 30 handeln.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird die Querverschiebung zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen bzw. 35 die Querverschiebung zwischen zumindest einer Losradsatz-bzw. Radsatzachse und der zumindest einen weiteren Losradsatz- bzw. Radsatzachse des Fahrwerks oder Fahrzeugs durch zumindest einen ersten Aktuator eingestellt und/oder ·· m 9 ·· • ···· • · • · • Ψ ···· • ·· • · m • • • · • · • • · Λ · • • · J • 9 · Λ • • • · • · • · • · 99 Μ 7 · ·· ·· ·· 200627052 die Winkelstellung zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen bzw. die Winkelstellung zuwischen den zumindest zwei Losradsatz-bzw. Radsatzachsen des Fahrwerks oder Fahrzeugs durch 5 zumindest einen zweiten Aktuator eingestellt. Durch das

Vorsehen von solchen Aktuatoren zur direkten Einstellung der errechneten bzw. der Datenbank entnommenen Werte lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach durchführen. 10 Günstigerweise kann bei Einzelradfahrzeugen als Stellgröße für die Regelung der Radstellung im Gleis ein Antriebs- und Bremsmomenten überlagertes Differenzdrehmoment zwischen den Rädern einer Achse vorgesehen sein. Dadurch kann mittels Vorgabe eines Differenzdrehmoments eine bestimmte Stellung 15 der Räder im Gleis erreicht werden. Es ist denkbar, dadurch einen Aktuator zur Winkeleinstellung einzusparen.

Die oben geschilderte Aufgabe wird weiters mit einem Schienenfahrzeug der eingangs erwähnten Art bzw. einem 20 Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator gegen einen Fahrzeugrahmen querverschiebbar ist, wobei die Ermittlung der Querverschiebung nach einem der oben 25 genannten Verfahren erfolgt und/oder dass der Winkel zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse gegenüber dem Fahrzeugrahmen mittels zumindest einem zweiten Aktuator eingestellt werden kann, wobei die Ermittlung des Winkels nach einem der oben genannten Verfahren erfolgt. 30

In einer Variante der Erfindung kann zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator gegen die zumindest eine weitere Losradsatz- bzw. Radsatzachse des Fahrzeugs querverschiebbar sein, wobei die 35 Ermittlung der Querverschiebung nach einem der oben genannten Verfahren erfolgt und/oder kann der Winkel zwischen den zumindest zwei Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem zweiten Aktuator eingestellt werden, wobei •· ···· 200627052 ·· • · β • · I « · · • · · • · ·· ···· ·· • · · · • ·

die Ermittlung des Winkels nach einem der oben genannten Verfahren erfolgt.

Es ist dabei von Vorteil, wenn oben genannte Aktuatoren als 5 hydraulische, pneumatische oder elektromechanische

Stellglieder ausgeführt sind. Solche Aktuatoren sind relativ einfach in der Herstellung und für andere Anwendungen bereits lange in Gebrauch, sodass ihre Funktion und die Lösung auftretender Probleme gut bekannt sind. 10

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen schematisch: 15

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines 20 Schienenfahrzeugs,

Fig. 3 eine ,Oberflächen-RCF-Index Landkarte',

Fign. 4.1 bis 4.3 beispielhaft ein Fahrwerk eines 25 Schienenfahrzeugs mit zwei Radsätzen mit einem oder mehreren Aktuatoren zur Einstellung einer Querverschiebung,

Fign. 5.1 bis 5.4 ein Fahrwerk aus Fign. 3.1 bis 3.3 mit einem oder mehreren Aktuatoren zur Einstellung eines Winkels, 30 Fig. 6 beispielhaft ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit zwei Losradsätzen.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, bei dem anhand eines Schienenfahrzeugs 101 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt wird. Es kann sich 35 dabei um ein beliebiges Schienenfahrzeug handeln, beispielsweise eines mit zwei oder mehr Radsätzen oder Losradsätzen, das erfindungsgemäße Verfahren ist auch auf ein 200627052 ·· Φ· • · t • · · • · ···· ·· • · · • · · ··

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Drehgestell eines Schienenfahrzeuges mit zumindest zwei Radsätzen oder Losradsätzen anwendbar. Im vorliegenden Anwendungsbeispiel wird die Funktionsweise anhand eines Schienenfahrzeugs 101 mit zwei Radsätzen beschrieben. Jeder 5 Radsatz besteht aus einer Radsatzwelle und zwei Radscheiben, die mehr oder weniger starr mit der Welle verbunden sind; im Gegensatz dazu können sich bei einem Losradsatz die Radscheiben unabhängig voneinander drehen. 10 Während der Fahrt des Schienenfahrzeugs werden mit zumindest einem Sensor 102, 103 Messwerte zumindest einer Größe aufgenommen, die während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 101 variabel und für die Entstehung von Laufflächenschäden relevant ist. Bei dieser variablen Größe kann es sich 15 beispielsweise um Trassierungsdaten wie Bogenradius oder

Gleisüberhöhung, Eigenschaften des Rad-Schiene Kontaktes aber auch um Fahrzeuggeschwindigkeit, Zuladungsmasse, Antriebsund Bremsmomente oder die Querbeschleunigung handeln. Die Querbeschleunigung kann dabei entweder direkt gemessen oder 20 aus anderen Größen berechnet werden (z.B. aus der

Geschwindigkeit, dem Bogenradius und der Gleisüberhöhung). Für die nachfolgend beschriebene Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Querbeschleunigung und der Bogenradius gemessen. Weitere variable Größen können 25 optional aus den oben genannten Möglichkeiten gewählt werden. Grundsätzlich wäre es für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend, mit einem Sensor nur den Bogenradius zu messen. Für jede Kombination von Werten dieser variablen Größen gibt 30 es eine Stellung der Räder relativ zum Gleis, in der die bewertete Summe der zu erwartenden Laufflächenschäden und des durch die auftretende Reibleistung verursachten Profilverschleißes am geringsten ist. Unter Laufflächenschäden werden hier insbesondere Schäden durch 35 Rollkontaktermüdung (RCF) verstanden, die sich z.B. als

Fischgrätmuster und Ausbröckelungen am Rad und in Form von Head Checks an der Schiene zeigen. Neben einer Stellung, in der die Laufflächenschäden und der Profilverschleiß insgesamt 200627052 ···· ·· ···· ·1ί) am geringsten sind, gibt es natürlich auch Stellungen der Räder, in der entweder die zu erwartenden Laufflächenschäden oder der Profilverschleiß für sich alleine betrachtet noch kleiner sind. Prinzipiell lässt sich also durch Vorgabe einer 5 bestimmten Stellung der Räder relativ zum Gleis ein bestimmtes Gesamtschädigungs- bzw. Verschleißverhalten einstellen. Beispielsweise ist auf Strecken mit engen Kurvenradien der Profilverschleiß durch die hohen Reibleistungen relativ hoch, während RCF eine eher 10 untergeordnete Rolle spielt. Die Stellung der Räder relativ zum Gleis lässt sich dann derart einstellen, dass auf diese Tatsache Rücksicht genommen wird.

Die Messwerte der variablen Größe werden einer 15 Auswertevorrichtung 104 übermittelt, die anhand dieser

Messwerte Sollwerte für Parameter ermittelt, die die Stellung der Räder relativ zum Gleis charakterisieren. Bei diesen Sollwerten handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um den Winkel α zwischen den beiden 20 Radsatzachsen und um die relative QuerverSchiebung y der beiden Radsatzachsen zueinander. Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2 schematisch ein Schienenfahrzeug 201 mit einem ersten Radsatz 210 und einem zweiten Radsatz 211 auf einem kurzen Gleisstück mit zwei Schienen 212, wobei die Schienen 25 212 einen Bogen mit einem bestimmten Radius beschreiben. Die

Radsätze 210, 211 stehen in einem Winkel α zueinander, weiters ist eine Querverschiebung y des zweiten Radsatzes 211 gegen den ersten Radsatz 210 realisiert. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass zur Illustrierung obiger Parameter 30 nur die zur Erklärung wichtigsten Teile des Schienenfahrzeugs 201 dargestellt und Winkel α und Querverschiebung y in übertriebener Größe abgebildet sind. Grundsätzlich kann es sich um Parameter unterschiedlichster Art handeln, beispielsweise auch um den Winkel zwischen einer Losradsatz-35 bzw. Radsatzachse und dem Fahrzeug- bzw. Fahrwerksrahmen oder die Querverschiebung einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse gegen den Fahrzeug- bzw. Fahrwerksrahmen. In Fig. 1 sind zur 200627052 »··· • · · · ι#ι ·· ·· 1+1

Einstellung der ermittelten Sollwerte der Parameter zumindest zwei Aktuatoren 106, 107 vorgesehen.

Ein erster Aktuator 106 stellt den Winkel α ein, ein zweiter 5 Aktuator 107 stellt die QuerverSchiebung y ein. Die

Aktuatoren 106, 107 können dabei auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein, beispielhaft seien hier hydraulische, pneumatische oder elektromechanische Stellglieder erwähnt. 10 Die Einstellung der Sollwerte der Parameter erfolgt mit den beschriebenen Aktuatoren 106, 107, was entweder mittels Steuerung oder mittels Regelung geschieht. Daraus ergibt sich die Stellung des Fahrzeuges/Fahrwerkes im Gleis. Bei Fahrzeugen mit Losradsätzen ist grundsätzlich eine 15 zusätzliche Regelung erforderlich, da dort die erwähnte

Stellung im Gleis sehr sensibel gegenüber kleinen Störungen reagiert. Aus diesem Grund ist als weitere Stellgröße für die Regelung ein den Antriebs- und Bremsmomenten überlagertes Differenzdrehmoment vorgesehen, mit dem die Auswirkungen der 20 Störungen ausgeglichen werden können. Ein solches

Differenzdrehmoment wird mit zumindest einem zusätzlichen Antriebsmodul 108 bewirkt.

Die Bestimmung der Sollwerte der Parameter, die die Stellung 25 der Räder zum Gleis charakterisieren, kann in der

Auswertevorrichtung 104 auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die angewandte Vorgehensweise hängt dabei nicht zuletzt davon ab, wie die Schäden durch Rollkontaktermüdung und der Profilverschleiß relativ zueinander bewertet werden. Im 30 vorliegenden Anwendungsbeispiel wird für den Profilverschleiß durch Materialabrieb die jeweils wirkende Reibleistung berechnet, die Schäden aufgrund RCF werden mittels dem Modell von Anders Ekberg et al. ermittelt. Dieses Modell ist beschrieben in „An engineering model for prediction of 35 rolling contact fatigue of railway wheels", Anders Ekberg et al. (Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 25, 2002, 899-909). 200627052 • · ···· ·· • · ι ·· ·· U2

In diesem Modell werden drei Arten von RCF beschrieben: Oberflächeninitiierte Ermüdung bzw. ,surface-initiated fatigue' (in weiterer Folge als Oberflächen-RCF bezeichnet), die von schwerwiegender plastischer Verformung an der 5 Materialoberfläche herrührt und sich in der Entstehung von Anrissen an der Oberfläche und in weiterer Folge in Ausbröckelungen des Laufflächenmaterials äußert; unter der Oberfläche initiierte Ermüdung bzw. ,subsurface-initiated fatigue' (in weiterer Folge als Suboberflächen-RCF 10 bezeichnet), die zu Anrissen unter der Oberfläche und im Weiteren zu massiven Ausbröckelungen führen kann; Ermüdung ausgelöst durch tiefliegende Materialdefekte bzw. ,fatigue initiated at deep material defects'. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nur die ersten zwei Arten von RCF, 15 also Oberflächen-RCF und Suboberflächen-RCF, näher behandelt.

Die Oberflächen-RCF wird mit einem Oberflächen-RCF-Index FIobf quantifiziert, der im Wesentlichen aus der normalisierten Vertikallast v und dem ausgenützten Reibungskoeffizienten μ 20 ermittelt wird. Für Suboberflächen-RCF lässt sich ebenfalls ein Suboberf lächen-RCF-Index FIsub berechnen.

Um nun im vorliegenden Anwendungsbeispiel die durch RCF verursachten Laufflächenschäden und den durch Reibleistung 25 verursachten Profilverschleiß, die für bestimmte Werte der Parameter, die die Stellung der Räder relativ zum Gleis charakterisieren, zu erwarten sind, abschätzen zu können, müssen für die jeweiligen Werte der Parameter die oben genannten Indices und die Reibleistung ermittelt werden. 30

In einer ersten Methode zur Ermittlung des Winkels α und der Querverschiebung y in der Auswertevorrichtung 104 werden anhand der Messwerte der variablen Größen, die von den Sensoren 102, 103 gemessen werden, die Sollwerte für Winkel 35 α und Querverschiebung y einer Datenbank 105 entnommen. Die Einträge der Datenbank 105 werden dabei ,offline', also vor der Fahrt des Schienenfahrzeugs 101, mittels eines Algorithmus', der ein mathematisches Modell beinhaltet, aus 200627052 • · ••Μ ♦· £3 ·♦·♦ ♦· • ♦ « • · < . · · I • · · « ·· ·· möglichen Werten der variablen Größen berechnet. Dabei wird die jeweils passende Paarung aus Winkel α und Querverschiebung y ermittelt, indem die optimale Paarung jeweils für die Schadenseinflüsse Oberlächen-RCF und 5 Suboberflächen-RCF sowie den Profilverschleiß gesucht und dann das Gesamtoptimum ermittelt wird. Unter optimaler Paarung ist dabei diejenige zu verstehen, bei der die jeweils zu erwartenden Schäden bzw. der Profilverschleiß so gering wie möglich sind. Die Paarung, die dann in der Datenbank 105 10 für die Messwerte der variablen Größen abgelegt wird, ist diejenige, bei der die einzelnen Schadenseinflüsse so gering wie möglich sind.

Allerdings kann auch eine Paarung ermittelt werden, bei der 15 die Reibleistung minimiert wird und dafür etwas größere Schäden durch Oberflächen- und Suboberflächen-RCF in Kauf genommen werden oder es können Schäden durch Oberflächen-RCF bei gleichzeit etwas größerer Reibleistung und Suboberflächen-RCF minimiert werden. Die Datenbankeinträge 20 der Paarungen aus Winkel α und Querverschiebung y können für diese oder beliebige andere Voraussetzungen ermittelt werden.

Grundsätzlich gibt es bei einem Schienenfahrzeug mit zwei Radsätzen, wie es hier beschrieben ist, für jeden Rad-Schiene 25 Kontakt eine Paarung aus Winkel α und Querverschiebung y, bei der die Laufflächenschäden und der Profilverschleiß am geringsten sind. Da aber nicht jedes Rad individuell verstellt werden kann, wird üblicherweise eine Paarung gewählt werden, bei der für alle Rad-Schiene Kontakte die 30 geringsten Laufflächenschäden und der geringste

Profilverschleiß auftreten. Dies kann z.B. erfolgen, indem man die Paarung wählt, bei der das Maximum der bewerteten Summe aus Schädigung und Profilverschleiß über alle Rad-Schiene Kontakte ein Minimum einnimmt. Im vorliegenden Fall 35 bedeutet das, dass die Reibleistung, der Oberflächen-RCF-Index FIobf und der Suboberflächen-RCF-Index FIaub beim am höchsten beanspruchten Rad am kleinsten wären. In einer Variante kann auch diejenige Paarung gewählt werden, bei der 200627052 • · • · • · ···· • · ·· ···· .* 14 die Summe der bewerteten Summen aus Schädigung und Profilverschleiß über alle Rad-Schiene Kontakte ein Minimum einnimmt. 5 Zur Verdeutlichung der Vorgehensweise zeigt Fig. 3 ein typisches Berechnungsergebnis in Form einer ,Oberflächen-RCF-Index Landkarte' 301, also eine grafische Darstellung beispielsweise des Oberflächen-RCF-Index für bestimmte Werte der variablen Größen für beliebige Paarungen aus Winkel α 10 und Querverschiebung y. In der Landkarte 301 lässt sich mittels Höhenschichtlinien 302 der Verlauf des Oberflächen-RCF-Index erkennen. Die optimale Paarung aus Winkel α und Querverschiebung y, bei der also der Oberflächen-RCF-Index minimal wäre, ist als Punkt 303 erkennbar. Diese Paarung 15 würde für die der Berechnung zu Grunde liegenden Werte der variablen Größen in der in Fig. 1 erwähnten Datenbank 105 abgespeichert werden.

So wie sich auf der ,Oberflächen-RCF-Index' Landkarte 20 optimale Paarungen aus Winkel α und Querverschiebung y ausmachen lassen, werden solche Paarungen auch für Suboberflächen-RCF-Index und die Reibleistung ermittelt.

Neben der Methode, bei der die Datenbank 105 ,offline' erstellt wird, gibt es auch eine weitere Methode, bei der die 25 Sollwerte der Parameter wie Winkel α und Querverschiebung y »online' ermittelt werden. In diesem Fall wird anhand der Messwerte der variablen Größen in der Auswertevorrichtung 104 während der Fahrt die jeweils optimale Paarung aus Winkel α und QuerverSchiebung y ermittelt. Da ein solches Verfahren 30 relativ rechenintensiv ist, wird, wo möglich, das ,offline'-Verfahren bevorzugt werden.

In einer weiteren Variante lässt sich die Ermittlung der Messgrößen mittels Sensoren 102, 103 noch durch eine 35 zusätzliche Positionsdatenbank 109 ergänzen, wobei in dieser Positionsdatenbank 109 Trassierungsdaten wie z.B. Bogenradius und Gleisüberhöhung gespeichert sind. Wenn es sich dann bei einem der Sensoren 102, 103 um einen GPS-Sensor handelt, der 200627052 • · • · • · » · ···· ·· • ♦ t

···· ·· • · I .· 15 ·,.· » · · < ·· ·Φ die Position des Schienenfahrzeugs 101 unter Ausnutzung eines Satellitenpositionierungssystems, beispielsweise GPS oder Galileo, ermittelt, können anhand dieser Positionsdaten aus der Positionsdatenbank 109 die entsprechenden 5 Trassierungsdaten entnommen werden.

Die Aktuatoren 106, 107 können in unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet sein. Die Fign. 4.1 bis 4.2 zeigen beispielhaft ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs 401 mit 10 zwei Radsätzen und einem Aktuator 402, mit dem eine

Querverschiebung eines Radsatzes realisiert werden kann. In Fig. 4.1 kann dabei ein Radsatz gegen den Fahrwerkrahmen querverschoben werden. In Fig. 4.2 kann eine Querverschiebung eines Radsatzes gegen den anderen realisiert werden, während 15 in Fig. 4.3 eine weitere Variante zur Querverschiebung eines Radsatzes gegen den Fahrwerksrahmen dargestellt ist.

Die Fign. 5.1 bis 5.4 zeigen beispielhaft ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs 501 mit zwei Radsätzen und einem oder mehreren Aktuatoren 502, 502', 502'', 503, mit denen eine 20 Winkelstellung realisierbar ist. Fig. 5.1 zeigt dabei eine Variante, bei der mit einem Aktuator 502 und optional mit einem zweiten Aktuator 502' ein Winkel zwischen dem Radsatz und dem Fahrwerksrahmen realisiert wird. In Fig. 5.2 erfolgt die Einstellung des Winkels mit einem Winkelaktuator 503, der 25 an der Achse des Radsatzes angeordnet ist. In Fig. 5.3 wird mittels eines Aktuators 502 ein Winkel zwischen den Radsätzen des Fahrwerks 501 eingestellt. In Fig. 5.4 ist eine weitere Variante einer Winkeleinstellung eines Radsatzes gegen den Fahrwerksrahmen realisiert. 30

Die Varianten, die in den Fign. 4.1 bis 4.3 und Fign. 5.1 bis 5.4 dargestellt sind, sind natürlich nur beispielhaft zu verstehen, es sind verschiedene andere Varianten denkbar. Die obigen Anordnungen lassen sich auch für Fahrzeuge mit 35 Losradsätzen realisieren, nach Adaption an die spezifischen Merkmale solcher Fahrzeuge. Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 6 ein Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs 601 mit zwei Losradsätzen. In Fig. 6 sind keine Aktuatoren zur Verstellung 200627052 : :: : Γ:: : : -: :: : · : : *·: : ·· ··· 16 ·..··..··..· des Winkels oder der Querverschiebung eingestellt, diese lassen sich aber im Wesentlichen so wie in den Fign. 4.1 bi 5.4 gezeigt anbringen.

Claims

200627052 *··· ·· * · I ··· ·· • · < » · · . ·· · 17 • · • · · < ·· ·· Patentansprüche 1. Verfahren zur Minimierung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß der Räder eines Schienenfahrzeuges (101, 5 201, 401, 501, 601) mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen oder eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, dass *) anhand von Messwerten von zumindest einer, während 10 der Fahrt des Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) variablen Größe, die für die Entstehung von Laufflächenschäden und Profilverschleiß relevant ist, *) Sollwerte für Parameter, die die Stellung zumindest eines Rades relativ zum Gleis charakterisieren, unter 15 der Voraussetzung ermittelt werden, dass dadurch Laufflächenschäden und Profilverschleiß an den Rädern des Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) minimiert werden, wobei *) die Stellung des zumindest eines Losradsatzes bzw. 20 Radsatzes gemäß den Sollwerten mittels Steuerung, Regelung oder einer Kombination von beiden eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 25 für die möglichen Messwerte die Sollwerte der Parameter mittels eines die Interaktion zwischen dem Schienenfahrzeug (101, 201, 401, 501, 601) und dem Gleis beschreibenden, mathematischen Modells berechnet und in Tabellen einer Datenbank (105) abgespeichert werden und während der Fahrt ! 30 des Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) entsprechend den Messwerten die aktuell einzustellenden Parameter aus den Tabellen der Datenbank (105) entnommen werden. 200627052 ···· 4 • · ···♦ ·« ♦ · «
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Messwerte die Sollwerte für die Parameter während der Fahrt des Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) von einer Auswerteeinheit (104) mit einem die Interaktion 5 zwischen dem Schienenfahrzeug (101, 201, 401, 501, 601) und dem Gleis beschreibenden, mathematischen Modell berechnet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 10 gekennzeichnet, dass es sich bei den Parametern, die die Stellung des zumindest einen Rades relativ zum Gleis charakterisieren, um die Querverschiebung (y) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen und/oder um die 15 Winkelstellung (a) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 20 gekennzeichnet, dass es sich bei den Parametern, die die Stellung des zumindest einen Rades relativ zum Gleis charakterisieren, um die Querverschiebung (y) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und der zumindest einen weiteren Losradsatz- bzw. Radsatzachse des 25 Fahrwerks oder Fahrzeugs und/oder um die Winkelstellung (a) zwischen den zumindest zwei Losradsatz- bzw. Radsatzachsen des Fahrwerks oder Fahrzeugs handelt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gakannzaichnat, 30 dass die Querverschiebung (y) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen bzw. die Querverschiebung (y) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse und der 200627052 ♦ ♦ »· • · « • · · » · · * * · · « iS · ·· ·· 19 ·. ···· ·· • · « ···· ·· • · I zumindest einen weiteren Losradsatz- bzw. Radsatzachse des Fahrwerks oder Fahrzeugs durch zumindest einen ersten Aktuator (106) eingestellt wird und/oder die Winkelstellung (a) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse 5 und einem Fahrwerks- oder Fahrzeugsrahmen bzw. die Winkelstellung (a) zwischen den zumindest zwei Losradsatz-bzw. Radsatzachsen des Fahrwerks oder Fahrzeugs durch zumindest einen zweiten Aktuator (107) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einzelradfahrzeugen als Stellgröße für die Regelung der Radstellung im Gleis ein Antriebs- und Bremsmomenten überlagertes Differenzdrehmoment zwischen den Rädern einer Achse vorgesehen ist. 15
8. Schienenfahrzeug (101, 201, 401, 501, 601) mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator (106) 20 gegen einen Fahrzeugrahmen querverschiebbar ist, wobei die Ermittlung der Querverschiebung (y) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 erfolgt und/oder dass der Winkel (a) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse gegenüber dem Fahrzeugrahmen mittels zumindest 25 einem zweiten Aktuator (107) eingestellt werden kann, wobei die Ermittlung des Winkels (a) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 erfolgt.
9. Schienenfahrzeug (101, 201, 401, 501, 601) mit zumindest 30 zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator (106) gegen die zumindest eine weitere Losradsatz- bzw. 200627052 • · a a ♦♦ ·· ·· ·· #· • · · · • ·· a • · · · • · · · ·· aa ··♦· ·· • · « SO * ··#· ·· ·· « Radsatzachse des Fahrzeugs querverschiebbar ist, wobei die Ermittlung der Querverschiebung (y) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 7 erfolgt und/oder dass der Winkel (a) zwischen den zumindest zwei Losradsatz- bzw. 5 Radsatzachsen mittels zumindest einem zweiten Aktuator (107) eingestellt werden kann, wobei die Ermittlung des Winkels (a) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 7 erfolgt.
10. Schienenfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (106, 107) als hydraulische, pneumatische oder elektromechanische Stellglieder ausgeführt sind.
11. Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator (106) gegen den Fahrwerksrahmen querverschiebbar 20 ist, wobei die Ermittlung der Querverschiebung (y) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 erfolgt und/oder dass der Winkel (a) zwischen zumindest einer Losradsatz- bzw. Radsatzachse gegenüber dem Fahrzeugrahmen mittels zumindest einem zweiten Aktuator (107) eingestellt 25 werden kann, wobei die Ermittlung des Winkels (a) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 erfolgt.
12. Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs (101, 201, 401, 501, 601) mit zumindest zwei Losradsätzen bzw. zumindest zwei 30 Radsätzen, dadurch gakannzaichnat, dass zumindest eine der Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem ersten Aktuator (106) gegen die zumindest eine weitere Losradsatz-bzw. Radsatzachse des Fahrzeugs querverschiebbar ist, wobei 200627052 ·· ·· • · · 4 • · · I • · · « • · · I ·· ·· ···· • . β-ι · · · « £1 ·· ·· die Ermittlung der Querverschiebung (y) mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 5 oder 7 erfolgt und/oder dass der Winkel (a) zwischen den zumindest zwei Losradsatz- bzw. Radsatzachsen mittels zumindest einem zweiten Aktuator (107) 5 eingestellt werden kann, wobei die Ermittlung des Winkels (a) mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 5 oder 7 erfolgt.
13. Fahrwerk nach Anspruch 11 oder 12, dadurch 10 gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (106, 107) als hydraulische, pneumatische oder elektromechanische Stellglieder ausgeführt sind. 15