CH661695A5

CH661695A5 - Verfahren zur erkennung von flachstellen an schienenraedern.

Info

Publication number: CH661695A5
Application number: CH215983A
Authority: CH
Inventors: Oswald Stoermer; Buerkhart Kuehl
Original assignee: Messerschmitt Boelkow Blohm
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1983-04-21
Publication date: 1987-08-14
Also published as: DE3309908C2; DE3309908A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen.

Ein bisher gebräuchliches Verfahren zur Erkennung von Flachstellen an Schienenrädern besteht darin, dass längs einer Messstrecke isolierte Schienenstücke montiert werden, wobei beim Überfahren dieser Schienenstücke über die Räder und die Achse ein Hochfrequenz-Signalstromkreis geschlossen wird. Befindet sich an dem Schienenrad eine Flachstelle, so kann von einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit an mit einem kurzzeitigen Abheben des Rades im Bereich der Flachstelle gerechnet werden, wodurch der HF-Stromkreis kurzzeitig unterbrochen wird. Mit diesem Verfahren können nur vergleichsweise starke Flachstellen erkannt werden. Da es durch Flachstellen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen sogar zu Schienenbrüchen kommen kann, wäre ein frühzeitiges Erkennen von Flachstellen erforderlich. Weiterhin ist nicht nur das Vorhandensein von Flachstellen, sondern auch die eindeutige Zuordnung zu dem betreffenden Rad des die Messstrecke überfahrenden Zuges erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen zu schaffen, welches eine frühzeitige Erkennung von Flachstellen und deren eindeutige Zuordnung zu dem betreffenden Schienenrad in einem grösseren Geschwindigkeitsbereich ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der obengenannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Radaufstandskraft eines fahrenden Schienenfahrzeuges schon durch geringste Unrundheiten des Schienenrades gestört wird. Andererseits wird die Radaufstandskraft bei fahrenden Schienenfahrzeugen auch durch andere Einflüsse, z.B. Störungen an der Schienenoberfläche, Windkräfte oder durch Schwingungen des federnd gelagerten Waggonteiles ständig verändert. Durch den erfindungsgemäss vorgenommenen Vergleich des von der Messstrecke bzw. -stelle ermittelten Spitzenwertes der Radaufstandskraft und ihres Mittelwertes, der ein Mass für die Aufstandskraft eines flachstellenfreien Rades ist, lassen sich Flachstellen mit hoher Sicherheit erkennen. Durch das Verhältnis zwischen Mittelwert und Spitzenwert der Radaufstandskraft ist ein Faktor gegeben, um den die durch eine Flachstelle hervorgerufene Schlagkraft die normale Radlast überschreitet. Sowohl der durch Differenzbildung zwischen Spitzenwert und Mittelwert ermittelte absolute Wert als auch der durch Verhältnisbildung ermittelte relative Wert der Schlagkraft kann zu der Entscheidung herangezogen werden, wann es sich um ein Rad mit einer oder mehreren unzulässig grossen Flachstel-le(n) handelt. Die Entscheidungsschwelle hierfür kann frei eingestellt werden. Bei Rädern ohne Flachstellen würde der Mittelwert und der Spitzenwert der Radaufstandskraft nur geringfügig auseinanderliegen. Die Differenz bzw. das Verhältnis von Spitzen- und Mittelwert würden dann innerhalb eines zulässigen Toleranzfensters liegen.

Die Bestimmung der Radaufstandskraft kann entweder durch eine Messstelle, die die Länge des Radumfanges hat, erfolgen, oder, insbesondere wenn der Achsabstand geringer als die Länge eines Radumfanges ist, durch mehrere Teilmessstellen. Wird die Bestimmung der Radaufstandskraft mit Teilmessstellen, die auf verschiedene Schwellenfächer verteilt sind, durchgeführt, so ist eine Kombination des Verfahrens zur Flachstellenerkennung mit einem Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast an fahrenden Zügen möglich. Da für die Ermittlung der statischen Radlast jeweils der Mittelwert jeder einzelnen Messstelle erforderlich ist, ist zur Flachstellenerkennung darüber hinaus nur noch eine Spitzenwertauswertung und ein Vergleich zwischen Mittelwert und Spitzenwert der mit jeder Messstelle gemessenen Radaufstandskraft erforderlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer einzelnen Messstelle einer aus mehreren derartigen Messstellen zusammengesetzten Messstrecke zur Erfassung von Spitzenwert und Mittelwert der Radaufstandskraft;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Auswertung der Messwerte sämtlicher Messstellen gemäss Fig. 1;

Fig. 3 die Aufzeichnung des Mittelwertes und des Spitzenwertes mehrerer eine Messstelle überfahrender Schienenräder mit und ohne Flachstellen.

In der Schaltung gemäss Fig. 1 werden für jede Messstelle einer aus mehreren gleichartigen Messstellen zusammengesetzten Messstrecke sowohl der Spitzenwert als auch der

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Mittelwert der Radaufstandskraft des die Messstelle überfahrenden Schienenrades ermittelt und für die weitere Auswertung gespeichert. Die Aufnahme der Radaufstandskraft erfolgt in bekannter Weise mit an der Schiene befestigten Dehnungsmessstreifen (DMS), die so angebracht und zu einer Messbrücke 1 verschaltet sind, dass sich über die Länge eines Schwellenfaches die Radaufstandskraft als Messgrösse ergibt. Durch einen Verstärker 2 erfolgt die Speisung der DMS-Brücke sowie die Verstärkung des Brückenausgangssignals. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers gibt den Verlauf der Radaufstandskraft wieder, wie er aus dem Verlauf der oberen Messkurve in Fig. 3 zu entnehmen ist. Der Spitzenwert der Radaufstandskraft, der beim Überfahren der Messstelle eines Schienenrades aufgetreten ist, wird durch einen Spitzenwertdetektor 3 ermittelt und gespeichert.

Parallel dazu erfolgt durch einen Tiefpassfilter 4 eine Signalaufbereitung des Ausgangssignals des Verstärkers 2 derart, dass sich ein als Mittelwert bezeichneter Signalverlauf entsprechend der unteren Kurve vom Bild 3 ergibt. Die Dimensionierung des Tiefpassfilters 4 muss so erfolgen, dass dieses auch bei der Höchstgeschwindigkeit des eine Messstelle überfahrenden Zuges noch ausreichend einschwingt und bei der niedrigsten Geschwindigkeit noch Schlagkräfte durch Flachstellen genügend herausgefiltert werden. Ein Dynamikbereich von 4—5 für die Geschwindigkeit des Zuges ist hierbei leicht erreichbar und für die praktischen Erfordernisse ausreichend. Dies kann aus dem Vergleich der oberen und unteren Messkurve aus Fig. 3 entnommen werden. In einem weiteren Spitzenwertdetektor 5 wird der Spitzenwert des aus dem Tiefpassfilter 4 entnommenen Mittelwertes der Radaufstandskraft ermittelt und gespeichert.

Zur Auswertung der Radaufstandskräfte ist es weiterhin erforderlich, jedes Rad eines die Messstelle überfahrenden Zuges zu erkennen, so dass eine Radtabelle angelegt werden kann. Hierzu ist ein Schwellwertdetektor 6 vorgesehen, dem das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 4 eingegeben wird. Die Auslösung des Schwellwertdetektors geschieht dabei erst gegen Ende des Messimpulses bei Unterschreiten einer vorgegebenen Schwelle. Das Schwellwertsignal des Schwellwertdetektors 6 wird in einem bistabilen Schalter (Flip-Flop) 7 gespeichert. Es dient als Startsignal für die weitere Signalverarbeitung und zeigt an, dass sowohl ein Spitzenwert, als auch ein Mittelwert der Radaufstandskraft eines Rades eingespeichert wurden. Nachdem die Signale aus 3, 5 und 7 in der in Fig. 2 beschriebenen Weise weiterverarbeitet wurden, werden diese Blöcke durch ein Reset-Signal zurückgesetzt, so dass sie zur Erkennung des nächsten Rades und zur Aufnahme von dessen Radaufstandskräften bereit sind.

In der Schaltung gemäss Fig. 2 erfolgt die Weiterverarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale von n Messstellen einer Messstrecke gemäss Fig. 1 die auf beide Schienen gleichmässig verteilt sind. Hierzu werden in einem Rechner 8, der im wesentlichen einen Mikroprozessor mit EPROM-Programmspeicher und RAM-Speicher für Messwerte und Ergebnisse, sowie Ein-/Ausgabeschnittstellen und Zeitzähler (Timer) aufweist. Die Statussignale aller n Messstellen werden zyklisch von 1 bis n abgefragt. Wenn ein Statussignal m gesetzt, d.h. auf der Messstelle m ein Rad erkannt wurde, dann wird in einem Analogmultiplexer 9 der zu diesem Rad gehörende Spitzenwert zu einem Analog-Digitalwandler 10 durchgeschaltet und gleichzeitig die Ana-log-Digitalwandlung vom Rechner 8 gestartet (STC-Signal). Das Ende der Analog-Digitalwandlung wird durch ein EOC-Signal angezeigt und das gerade erzeugte Digitalwort für den Spitzenwert der Radaufstandskraft im RAM-Speicher des Rechners 8 abgelegt.

Der zu dem Statussignal m gehörende Mittelwert (genauer: Spitzenwert der Mittelwertbildung; sh. Fig. 1) wird ebenfalls über den Analog-Multiplexer 9 dem Analog-Digital-wandler 10 zugeführt und in ein entsprechendes Digitalwort umgewandelt und in dem RAM-Speicher des Rechners 8 abgelegt. Anschliessend wird über ein der Messstelle m zugeordneten Reset-Ausgang des Rechners 8 an die Messstelle m ein Befehl zum Löschen der Speicher für den Spitzenwert, Mittelwert und des Status der entsprechenden Messstelle abgegeben.

Der Abfragezyklus der Statusleitungen durch den Rechner 8 wird daraufhin fortgesetzt. Beim Auffinden eines weiteren Statussignals, also einer von einem Rad überfahrenen Messstelle, findet der gleiche, eben beschriebene Programmablauf statt. Der Multiplexbetrieb ermöglicht es, dass die von den Messstellen der Messstrecke ständig von den verschiedenen Rädern des Zuges eingehenden Messwerte eindeutig den Rädern zugeordnet werden können.

Das Abspeichern der Messwerte im RAM-Speicher des Rechners 8 erfolgt für jede Messstelle in zwei eigenen Tabellen für den Spitzenwert und den Mittelwert der die Messstelle überfahrenden Räder. Die Messwerte einer Messstelle werden dabei in der Reihenfolge ihres Entstehens in der entsprechenden Tabelle abgelegt. Die laufende Nummer des Messwertes in der Tabelle entspricht somit der Nummer der Achse des die Messstrecke überfahrenden Zuges. Aus der Kenntnis, welche Messstelle an welcher Seite der Schiene montiert ist (rechte oder linke Seite in Fahrtrichtung) ergibt sich eine eindeutige Zuordnung zwischen der Nummer eines Wortes in der Tabelle und einem Rad im Zug.

Werden beim Abfragen der Statusleitungen durch den Rechner nach einer vorgegebenen max. Wartezeit keine gesetzten Statusleitungen mehr festgestellt, so wird daraus das Zugende erkannt. Nach Erkennen des Zugendes werden die im RAM-Speicher abgelegten Tabellen der Spitzenwerte und Mittelwerte durch den Rechner ausgewertet.

Für jedes Rad und für jede Messstelle erfolgt die Berechnung der Differenz und des Verhältnisses zwischen Spitzenwert und Mittelwert der Radaufstandskraft. Diese Werte werden mit einem im Rechner ebenfalls gespeicherten max. Toleranzfenster für die Flachstellentiefe verglichen. Wird das Toleranzfenster überschritten, so werden in einer eigenen Flachstellentabelle die beiden Werte für das entsprechende Rad gespeichert; dies kann ebenfalls im RAM-Speicher geschehen. Für den Fall, dass sich an weiteren Messstellen ebenfalls Überschreitungen der durch das Toleranzfenster festgelegten Grenzwerte für ein bestimmtes Rad ergeben, so wird sinnvollerweise nur der höchste Wert aller bisherigen Grenzwertüberschreitungen in der Flachstellentabelle für das entsprechende Rad aufgehoben. Eine Mittelwertbildung über alle den Grenzwert überschreitenden Werte ist hier unzulässig, da z.B. bei einem Rad mit nur einer Flachstelle diese je nach Aufteilung der Messstellen auch nur bei einer Messstelle festgestellt wird. Ausserdem ist die tiefste Flachstelle eines Rades für das Aussondern des betreffenden Schienenfahrzeuges massgeblich.

Nachdem alle Messwerte des RAM-Speichers ausgewertet und mit dem Toleranzfenster verglichen wurden, erfolgt, falls Werte in die Flachstellentabelle für den Zug eingetragen wurden, eine Meldung auf einen Ausgabedrucker 11. Die Ausgabe auf diesen Drucker könnte dabei etwa folgende Form haben:

Achs-Nr. Flachstellen links Flachstellen rechts

AQinkN Qs/Qm AQinkN

5 72 2,3

31 132 2,2

33 105 3,1

78 97 4,5

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dabei bedeuten AQ die Differenz zwischen einem Spitzenwert Qs und einem zugehörigen Mittelwert Qm-

Nach der Auswertung des gesamten Zuges und ggf. der Ausgabe der Flachstellentabelle beginnt der Rechner 8 wieder mit dem zyklischen Abfragen der Statusleitungen der einzelnen Messstellen (= Warten auf den nächsten Zug).

Bei der oben beschriebenen Messstrecke mit Messstellen, deren längenmässiger Messbereich klein gegenüber dem Radumfang ist, müssen die Messstellen an der Schiene derart angeordnet sein, dass sich für eine möglichst grosse Zahl von Radtypen eine lückenlose Abdeckung des Radumfanges ergibt. Dies wird in der Regel durch 20 Messstellen pro Schiene erreicht, die in bis zu drei Gruppen in vorbestimmten Abständen an der Schiene angebracht sind. Ferner könnte durch eine Veränderung der Schwellenfachteilung das Messstellenraster verändert werden.

Für den Fall, dass der Achsabstand der Schienenfahrzeuge grösser ist als der Radumfang eines Schienenrades, genügt eine Messbrücke mit der Messlänge des Radumfanges, also beispielsweise ein auf Druckmessgebern gelagertes separiertes Schienenstück, deren Summensignal anstelle des DMS-Signales einer Einrichtung gem. Fig. 1 eingegeben wird. Die Weiterverarbeitung der jeweiligen Spitzen- und Mittelwerte kann analog zu der in Fig. 2 beschriebenen Weise geschehen, wobei jedoch der Multiplexbetrieb dann entfallen kann, da sich auf der Messstrecke (= separiertes Schienenstück) nur jeweils ein Schienenrad befindet.

In Fig. 3 sind parallel übereinander der Verlauf des ungefilterten Radlastsignals (obere Kurve) sowie des mittels eines Tiefpassfilters gefilterten, einen Mittelwert darstellenden, Radlastsignals (untere Kurve) für eine bestimmte Messstelle einer Messstrecke aufgezeichnet. Zu erkennen ist der Radlastverlauf von vier die Messstelle nacheinander überfahrender Räder 1—4, wobei die Spitzenwerte Qs2 und Qs4 der Räder 2 und 4 erheblich über denen der Räder 1 und 3 liegen. Da die entsprechenden Mittelwerte Qm2 und Qm4 der Räder 2 und 4 mit denen der Räder 1 und 3 vergleichbar sind, kann also aus der Differenz bzw. aus dem Quotienten zwischen Qs und Qm bei den Rädern 2 und 4 auf das Vorhandensein einer Flachstelle geschlossen werden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die Radaufstandskraft auf die Schiene über mindestens einen Radumfang kontinuierlich mittels einer Messstrecke oder abschnittsweise mittels mehrerer, eine Messstrecke bildende Messstellen gemessen wird,

b) dass aus den derart gewonnenen Messwerten jeweils ein der Aufstandskraft eines flachstellenfreien Rades entsprechender Mittelwert (Qm) und mindestens ein Spitzenwert (Qs) ermittelt werden und c) dass der Mittelwert mit dem bzw. den Spitzenwerten) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Mittelwert (Qm) mittels Tiefpassfilterung gewonnen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient und/oder die Differenz aus Mittelwert (Qm) und Spitzenwert (Qs) der Radaufstandskraft mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radaufstandskraft durch Messung der elastischen Verformung der Schiene an mehreren Messstellen ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale elastische Verformung der Schiene mittels an den Schienen angeordneten Dehnungsmessstreifen (DMS) gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Messstellen längs einer Schiene mindestens dem Quotienten aus dem Radumfang und der wirksamen Messlänge einer Messstelle entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus mehreren Messstellen zusammengesetzten Messstrecke die Messung der Radaufstandskraft mehrerer, die Messstrecke gleichzeitig überfahrender Schienenräder die jedem Schienenrad zugeordneten Messwerte der einzelnen Messstellen einem Rechner im Multiplexbetrieb zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Radaufstandskraft (Qm bzw. Qs) eine Radlastwaage verwendet wird, welche die Radlast mindestens über die Länge eines Radumfanges kontinuierlich oder abschnittsweise misst.