Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von in einer Eisenbahnschiene wirkenden Kräften gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.
Vorrichtungen zum Messen von in Eisenbahnschienen wirkenden Kräften können beispielsweise als Radlastwaagen oder Flachstellenortungsanlagen Verwendung finden und sind beispielsweise aus der DE-OS 3 309 908 oder der EU-OS 0 099 001 bekannt.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird die Radaufstandskraft über die Dehnungen bestimmt, die von ihr in der Schiene verursacht werden. Hierzu sind gemäss dem Stand der Technik Dehnungsmessstreifen am Steg der Schiene etwa in Höhe der neutralen Faser befestigt. Zur Eliminierung des Einflusses von Biegungen des Schienenprofils um die Längsachse ist es darüber hinaus bei den bekannten Vorrichtungen die Regel, dass an beiden Seiten des Stegs Dehnungsmessstreifen befestigt sind. Ferner ist es - wie in der DE-OS 3 309 908 gezeigt worden ist, von Vorteil, innerhalb eines Schwellenfaches zwei Messstellen jeweils auf beiden Seiten der Schiene vorzusehen. Da jede Messstelle aus ein bis zwei Dehnungsmessstreifen besteht, ist bei den bekannten Vorrichtungen eine verhältnimässig grosse Zahl von Dehnungsmessstreifen und damit ein grosser Aufwand für die Auswerteelektronik erforderlich.
Dies bedeutet, dass nach dem bekannten Stand der Technik zum Aufbau einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mindestens vier Dehnungsmessstreifen (Paare) erforderlich sind, die auf beiden Seiten des Stegs der Eisenbahnschiene anzubringen und so zu einer Messbrücke zu verschalten sind, dass die durch den "Sinuslauf" des Zuges am Schienenkopf angreifenden Seitenkräfte des Rades eliminiert werden.
Diese Dehnungsmessstreifen werden bislang entweder an der Schiene direkt angeklebt oder auf eine Metall-Trägerplatte aufgebracht, die dann an der Schiene angeschweisst wird. Ferner ist es auch noch bekannt, die Dehnungsmessstreifen mittels einer Spannvorrichtung anzupressen.
Die beiden erstgenannten Befestigungsmethoden haben den Nachteil, dass die Dehnungsmessstreifen, die in einer genau definierten Lage zur Schiene angebracht werden müssen, nachträglich nicht mehr nachjustiert werden können. Darüber hinaus ist ein Austausch bzw. ein Entfernen der Dehnungsmessstreifen nicht möglich. Das Anpressen mittels einer Spannvorrichtung erfordert andererseits einen verhältnismässig grossen Aufwand, der insbesondere bei Anlagen mit vielen Messstellen aus Kostengründen oft nicht möglich ist.
Ferner ist es aus der GB-PS 1 518 359 bekannt, in einer Eisenbahnschiene eine Durchgangsbohrung vorzusehen, in die eine Hülse mit Dehnungsaufnehmer eingesetzt ist. Die Dehnungsaufnehmer messen die Verformung der Hülse, die durch Anlage an der belasteten Schiene entsteht.
Nachteilig bei diesem, bei der Formulierung der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 2 vorausgesetzten Stand der Technik ist jedoch, dass die Krafteinleitung auf die Hülse nicht definiert erfolgt, da die Hülse nicht nur im Bereich der neutralen Faser, sondern an willkürlichen Stellen der Durchgangsbohrung mehr oder weniger flächig anliegt. Damit werden mit dieser bekannten Vorrichtung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit nicht die in der neutralen Faser wirkenden Kräfte gemessen.
Aus der US-PS 3 741 327 ist eine Radlastwaage bekannt, bei welcher in einem separierten Schienenstück Sackbohrungen vorgesehen sind, an deren Stirnseite jeweils Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Die Sackbohrungen sind dabei so ausgerichtet, dass sie möglichst nahe an die vertikale neutrale Faser des Schienenstückes heranreichen. Diese Einrichtung bedarf jedoch einer aufwendigen Änderung des Gleisbettes sowie des Einsatzes eines zusätzlichen, separierten Schienenstückes und ist somit nicht oder nur mit erheblichem Aufwand in eine vorhandene Schienenstrecke einbaubar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen von in einer Eisenbahnschiene in Vertikalrichtung wirkenden Kräfte der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine Montage vor Ort ermöglicht und eine genaue Messung der in der vertikalen neutralen Faser auftretenden Kräfte erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäss ist erkannt worden, dass es möglich ist, eine Vorrichtung zum Messen der in Vertikalrichtung wirkenden Kräfte in eine Ausnehmung in der Eisenbahnschiene, die so klein ist, dass sie die Stabilität der Schiene nicht beeinträchtigt, derart einzubringen bzw. zu gestalten, dass sie nur die in der neutralen Faser wirkenden Kräfte misst. Mit Vertikalrichtung ist die Richtung senkrecht zur Längsachse der Eisenbahnschiene, unabhängig von der Einbaulage der Eisenbahnschiene, gemeint.
Trotzdem muss die Ausnehmung nur einen Durchmesser von etwa 15 bis 30 mm haben. Beispielsweise erlaubt die Deutsche Bundesbahn Bohrungen in der neutralen Faser von Eisenbahnschienen mit einem Durchmesser von bis zu 33 mm.
Dieser erfindungsgemässe Grundgedanke lässt sich sowohl in der im Anspruch 1 als auch in der im Anspruch 2 beanspruchten Weise realisieren.
Einen einfachen Ein- und Ausbau der Dehnungsaufnehmer gewährleisten in jedem Falle die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Lösungen:
Erfindungsgemäss ist eine Hülse aus einem elastisch verformbaren Material vorgesehen, die in die Ausnehmung einsetzbar ist. In die Hülse sind der oder die Dehnungsaufnehmer so eingesetzt, dass sie die Verformung diametral gegenüberliegender Bereiche der Hülse in der vertikalen neutralen Faser erfassen. Die Anordnung des oder der Dehnungsaufnehmer in einer Hülse hat den Vorteil, dass die Dehnungsaufnehmer leicht nachträglich an der Schiene angebracht und darüber hinaus auch nachträglich justiert werden können.
Überraschenderweise ist der mechanische Aufwand für die Hülse wesentlich geringer als der für die bekannten Spannvorrichtungen für aussen an der Schiene angebrachte Dehnungsmessstreifen, da die Hülse in eine Ausnehmung in der Schiene eingesetzt und dort nur "eingespannt" werden muss.
Dabei zeichnet sich die Anordnung gemäss Anspruch 1 durch einen besonders einfachen Aufbau aus: Die elastische Verformung kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Vorrichtung stark unterkühlt in die Ausnehmung in der Schiene eingesetzt wird. Bei Erreichen der Temperatur der Schiene spannt sich die Vorrichtung von selbst. Ferner ist es auch möglich, eine mit entsprechendem "Übermass" gefertigte Vorrichtung unter elastischer Verformung in die Schiene "einzupressen".
Weiterhin sind die Dehnungsaufnehmer durch die Anordnung in einer Hülse, die sich wiederum in einer Ausnehmung befindet, besonders gut gegen mechanische Einflüsse aller Art geschützt.
Übereinstimmend haben die erfindungsgemässen Vorrichtungen nach den Patentansprüchen 1 und 2 den Vorteil, dass der oder die Dehnungsaufnehmer direkt die Verformung in der vertikalen neutralen Faser messen; damit kann die Zahl der erforderlichen Dehnungsaufnehmer gegenüber dem Stand der Technik gemäss der DE-OS 3 309 908 bzw. EU-OS 0 099 001 halbiert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtungen gemäss Anspruch 1 und 2 ist, dass eine grosse Messgenauigkeit mit den erfindungsgemässen Vorrichtungen erzielbar ist, da die tatsächlichen im Inneren der Schiene auftretenden Kräfte direkt gemessen werden können und nicht durch eine Substraktion der auf der Innen- und Aussenseite der Schiene gemessene Kräfte ermittelt werden müssen.
Gegenüber dem Stand der Technik gemäss der GB-PS 1 518 359 ergibt sich ferner der Vorteil, dass durch die linienförmige Anlage im Bereich der neutralen Faser bzw. die Anpressung an den Boden des Sacklochs tatsächlich nur die in der neutralen Faser wirkenden Kräfte erfasst werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch die in Anspruch 3 gekennzeichnete Anpressung einer Erhöhung der Hülse an die Innenfläche der Ausnehmung im Bereich der vertikalen neutralen Faser der Schiene ist es möglich, Dehnungen der Schiene beiderlei Vorzeichens, also auch Dehnungen zu messen, die zu einer "Vergrösserung der Ausnehmung" führen.
Selbstverständlich ist es möglich, die gemäss den Ansprüchen 1 und 2 vorgesehene Hülse beispielsweise in eine als Sackloch ausgebildete Ausnehmung einzusetzen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn gemäss Anspruch 4 die Ausnehmung eine Durchgangsbohrung ist, da dann die durch die Ausnehmung verursachte "Störung" der in der Schiene wirkenden Kräfte symmetrisch zur Schienen-Längsachse ist, so dass die Lage der vertikalen neutralen Faser erhalten bleibt.
Zur Bestimmung der in der Eisenbahnschiene wirkenden Kräfte durch Messung von Verformungen der Schiene können im Prinzip die bekannten Anordnungen von Dehnungsaufnehmern verwendet werden, wie sie von aussen an der Schiene angebrachten Aufnehmern bekannt sind:
Beispielsweise ist es möglich, mit einem vertikal angeordneten Aufnehmer zu messen. Besonders vorteilhaft ist jedoch die im Anspruch 5 gekennzeichnete Anordnung, da durch sie die durch Biegungen der Schiene verursachten Dehnungen eliminiert werden können.
Als Dehnungsaufnehmer können die verschiedensten bekannten Aufnehmer zum Einsatz kommen, beispielsweise gemäss Anspruch 6 piezoelektrische Elemente oder gemäss Anspruch 8 Lichtwellenleiter, deren Verformung interferometrisch gemessen wird.
Eine besonders kostengünstige Ausführung ergibt sich, wenn gemäss Anspruch 7 als Dehnungsaufnehmer Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Der bzw. die Dehnungsmessstreifen sind hierzu auf einem Steg aufgebracht, der in der Hülse im Bereich der vertikalen neutralen Faser vorgesehen ist. Der Steg ist dabei so bemessen, dass er sich durch die Verformung der Hülse ebenfalls nur verformt, ohne dabei zu "knicken". Die Verwendung einer Hülse hat nicht nur den Vorteil, dass die Dehnungsaufnehmer leicht ausgewechselt werden können, sie hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Dehnungsaufnehmer leicht justiert werden können.
Der gemäss Anspruch 9 vorgesehene Anschlag an der Hülse stellt sicher, dass bei in die Schienen eingesetzter Hülse die Dehnungsaufnehmer in der Ebene der vertikalen neutralen Faser angeordnet sind. Zur Justierung der Dehnungsaufnehmer in der Ebene der neutralen Faser kann die Hülse gemäss Anspruch 10 eine Markierung aufweisen, die die Lage des bzw. der Dehnungsaufnehmer relativ zur Horizontal- bzw. Vertikalrichtung angibt. Bevorzugt ist die Markierung gemäss Anspruch 11 so ausgebildet, dass in sie eine Montageleere für die Hülse eingreifen kann. Durch eine derartige Montageleere wird die Justierung der Aufnehmer in der Ebene der vertikalen neutralen Faser weiter vereinfacht.
In den Ansprüchen 12 und 13 ist eine einfache Ausgestaltung der Hülse angegeben, die sicherstellt, dass die in der Schiene wirkenden Kräfte ohne Verfälschung auf die Dehnungsaufnehmer übertragen werden.
Die erfindungsgemäss vorgesehene Ausnehmung in der Eisenbahnschiene ist so zu bemessen, dass die Dehnungsaufnehmer in die Ebene der vertikalen neutralen Faser zu liegen kommen. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Ausnehmung symmetrisch zur horizontalen neutralen Faser angeordnet ist, die Ausnehmung kann auch einen Abstand von dieser haben (Anspruch 14). Mit dem Begriff horizontal ist die Richtung der Längsachse der Eisenbahnschiene gemeint. Ein derartiger Abstand ist dann entsprechend von der Auswerteeinheit zu berücksichtigen.
Ferner ist es natürlich auch möglich - wie in Anspruch 15 angegeben - innerhalb eines Schwellenfaches, d.h. zwischen zwei Schwellen, zwei Messstellen, d.h. zwei Ausnehmungen vorzusehen, und die Signale der Messwertaufnehmer in der in der DE OS 3 309 908 beschriebenen Weise zueinander in Bezug zu setzen. Bezüglich der hiermit erzielten Vorteile wird auf den Inhalt der DE-OS 3 309 908 verwiesen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 bis 4 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung, die sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Aufbringung der Vorspannung der Anlagefläche unterscheiden
Fig. 5 eine Montagelehre für den Einbau der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten erfindungsgemässen Vorrichtungen und
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Eine nur teilweise dargestellte Schiene 1, in der die in ihr wirkenden Kräfte gemessen werden sollen, weist eine Ausnehmung 2 auf. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Ausnehmung 2 eine Durchgangsbohrung mit einer Mittelachse 3. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung beträgt etwa 20 mm.
In die Ausnehmung 2 ist eine Hülse, die pauschal mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist, eingesetzt. Die Hülse 4 weist an ihrem einen Ende einen Tiefenanschlag 5 auf; ferner sind ein Krafteinleitungsring 6 und ein Klemmring 7 vorgesehen. Der Krafteinleitungsring 6 weist eine Erhöhung 6a auf, während der Klemmring 7 keilförmig ausgebildet ist. Die Aussenkonturen des Krafteinleitungsrings 6 und des Klemmrings 7 sind so bemessen, dass durch den Eingriff des Klemmrings 7 in den zwischen dem Krafteinleitungsring 6 und der Hülse 4 vorhandenen Spalt die Erhöhung 6a des Krafteinleitungsrings 6 so gegen die Schiene 1 gedrückt wird, dass er an der Schiene 1 im Bereich deren neutraler vertikaler Faser 8 angenähert linienhaft anliegt.
Ferner weist die Hülse 4 auf ihrem dem Tiefenanschlag 5 gegenüberliegenden Ende ein Aussengewinde 10 auf, auf das eine (Spann-) Mutter 11 aufgeschraubt ist. Auf dem Klemmring 7 ist ein weiteres Aussengewinde 13 vorgesehen, auf das eine (Löse-) Mutter 14 aufgeschraubt ist. In der Hülse 4 befindet sich ein Steg 15 auf dem nur schematisch dargestellte Dehnungsmessstreifen 16 befestigt sind, die als Dehnungsaufnehmer verwendet werden.
Weiterhin sind in der Hülse 4 eine Kabelaustrittsöffnung 17 für die Aufnehmeranschlüsse und eine Ausnehmung 18 vorgesehen, in die eine beispielsweise in Fig. 5 dargestellte Montagelehre eingesetzt werden kann. Eine Abdeckung 19, die auf einen Wulst 20 der Hülse 4 aufgerastet ist, deckt insbesondere die elektrischen Zufuhrleitungen usw. der erfindungsgemässen Vorrichtung ab.
Zum Einbau der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird wie folgt vorgegangen: Die Vorrichtung wird zunächst so in die Ausnehmung 2 in der Schiene 1 eingesetzt, dass der Tiefenanschlag 5 an der Flanke der Schiene 1 anliegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich der Steg 15 bzw. die auf ihm angebrachten Dehnungsmessstreifen 16 in der Ebene der vertikalen neutralen Faser 8 der Schiene 1 befinden. Durch Verdrehen der Spann-Mutter 11 wird der Klemmring 7 in Richtung eines Pfeils 9 verschoben, so dass die Erhöhung des Krafteinleitungsrings 6 in Anlage an der Schiene 1 im Bereich deren neutraler Faser 8 kommt. Um Verformungen sowohl mit positiven als auch mit negativen Vorzeichen messen zu können, wird die Spann-Mutter 11 so weit verdreht, dass eine gewisse Vorspannung der Hülse 4 und damit des Stegs 15 erzeugt wird.
Die Dicke des Stegs 15 ist dabei so bemessen, dass der Steg durch die auf ihn wirkenden Kräfte nur in der Ebene der neutralen Faser 8 verformt, jedoch nicht senkrecht zu dieser Ebene, d.h. in Richtung der Achse 3 geknickt wird.
Durch den Tiefenanschlag 5 ist sichergestellt, dass sich der Steg 15 bzw. die Dehnungsmessstreifen 16 in der Ebene der vertikalen neutralen Faser 8 befinden. Die Orientierung des oder der Dehnungsmessstreifen in der Ebene der neutralen Faser 8 kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass beim Einbau die in Fig. 5 gezeigte Montagelehre verwendet wird. Diese Montagelehre weist zwei Führungszapfen 30 auf, die in die Ausnehmungen 18 zweier erfindungsgemässer Vorrichtungen eingesetzt werden, die zu einer Messstelle gehören. Damit ist sichergestellt, dass die einzelnen Vorrichtungen nicht "verdreht" eingebaut werden können, so dass der oder die Dehnungsaufnehmer genau die gewünschte Orientierung in der Ebene der neutralen Faser 8 haben.
Gleichzeitig fixiert die Spannschraube 31 der Montagelehre die Vorrichtung in Richtung ihrer Mittelachse 3, bevor sie durch Spannen der Schraube 11 in der Ausnehmung 2 "festgeklemmt" werden.
Die Dehnungsmessstreifen 16 können in gleicher Weise auf dem Steg 15 angebracht werden, wie dies von Vorrichtungen bekannt ist, bei denen die Dehnungsmessstreifen auf der Oberfläche der Schiene aufgebracht werden. Beispielsweise können bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Dehnungsmessstreifen verwendet werden, deren Achsen einen 90 DEG -Winkel zueinander und einen 45 DEG -Winkel zur Vertikalrichtung einschliessen.
Da die Anordnungen bekannt sind, muss auf die Ausbildung und Anordnung der Dehnungsaufnehmer und insbesondere der Dehnungsmessstreifen genausowenig wie auf die der nachgeschalteten Auswerteeinheit näher eingegangen werden.
Wenn jeweils zwei erfindungsgemässe Vorrichtungen, die innerhalb eines Schwellenfaches (Schwellenabstand) angeordnet sind, eine Messstelle bilden, kann die Abdeckung 19 einstückig für beide Vorrichtungen ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich ein besonders wirkungsvoller Schutz für die Kabelführung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist nicht nur einfach einzubauen, sondern auch einfach wieder zerstörungsfrei auszubauen: Hierzu wird die Spann-Mutter 11 gelöst und die Löse-Mutter 14 verdreht. Durch die Anlage der Löse-Mutter 14 an der Flanke der Schiene 1 wird der Klemmring 7 in Richtung eines Pfeiles 12 zurückgezogen, so dass er ausser Eingriff mit dem Krafteinleitungsring 6 kommt. Hierdurch ist die Vorrichtung in der Ausnehmung 2 der Schiene 1 nicht mehr "festgeklemmt", so dass sie ohne weiteres aus der Ausnehmung 2 entnommen werden kann. Die Demontage kann dadurch erleichtert werden, dass beim Einbau der Hülse 4 die Hohlräume mit einem hitzebeständigen Fett ausgefüllt werden.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen Abwandlungen des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Dabei sind gleiche Teile mit den selben Bezugszeichen versehen, so dass auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann.
Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Klemmring mit einem Innengenwinde 21 versehen, das auf das Aussengewinde 22 auf Hülse 4 aufschraubbar ist. Um das Spannen und Lösen der Vorrichtung zu vereinfachen, ist das äussere Ende des Klemmrings 7 als Kronenmutter ausgebildet. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich dadurch, dass bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schraubeingriff in etwa in der Ebene der neutralen Faser 8 erfolgt, während er bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ausserhalb der Ebene der vertikalen neutralen Faser erfolgt.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Klemmring 7 mit mehreren Schrauben 24, von denen in Fig. 4 nur eine dargestellt ist, gespannt.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf Spannelemente usw. verzichtet werden kann. Die Vorrichtung weist wiederum eine Hülse bzw. eine Büchse 4 auf, die in die Durchgangsbohrung 2 der Schiene 1 einsetzbar ist. Die Hülse 4 weist an ihrer Umfangsfläche eine umlaufende Erhöhung 41 auf, mit der sie an der Innenfläche der Durchgangsbohrung 2 anliegt. Im Bereich der umlaufenden Erhöhung 41 ist in der Hülse 4 ein Steg 15 vorgesehen, auf dem nicht dargestellte Dehnungsaufnehmer aufgebracht sind. Ferner ist an der Hülse 4 ein Tiefenanschlag 5 angebracht, mit dem die Hülse 4 an der Schiene 1 anliegt. Der Abstand der Anschlagfläche des Anschlages 5 von der umlaufenden Erhöhung 41 ist so gewählt, dass die umlaufende Erhöhung 41 und damit der Steg 15 in der Ebene der neutralen Faser der Schiene 1 liegen.
Der Durchmesser der Hülse im Bereich der umlaufenden Erhöhung 41 ist geringfügig grösser als der Durchmesser der Durchgangsbohrung 2, während der Durchmesser der Hülse 4 geringfügig kleiner als der Durchmesser der Bohrung 2 ist. Damit wird die Hülse 4 im Bereich der Erhöhung 41 beim Einsetzen in die Schiene 1 elastisch verformt und in der Bohrung 2 festgeklemmmt. In der Schiene 1 in Vertikalrichtung wirkende Kräfte werden somit über die Erhöhung 41 auf den Steg 15 übertragen, auf dem die Dehnungsaufnehmer aufgebracht sind. Da sich der Steg in der neutralen Faser der Schiene 1 befindet, kann die nicht im einzelnen dargestellte Auswerteeinheit aus dem Ausgangssignal der Dehnungsaufnehmer die in Vertikalrichtung in der neutralen Faser der Schiene 1 wirkenden Kräfte berechnen.
Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, eine Hülse bzw. eine Büchse in einer Ausnehmung in der Schiene mittels elastischer Verformung der Hülse festzuklemmen, sind natürlich die verschiedensten Modifikationen möglich:
Beispielsweise kann an Stelle einer Durchgangsbohrung eine andere Ausnehmung, beispielsweise ein Sackloch verwendet werden. Auch ist es möglich, die Erhöhung 41 nicht umlaufend auszuführen, sondern sie so zu gestalten, dass die Hülse 4 nur eine teilweise linienförmige Anlage an der Innenfläche der Ausnehmung 2 hat.
Ferner kann an der Hülse eine Markierung angebracht werden, die die Ausrichtung der Dehnungsaufnehmer erlaubt.
Auch können anstelle der bei den Ausführungsbeispielen beschriebenen Dehnungsmessstreifen andere Dehnungsaufnehmer, beispielsweise piezoelektrische Elemente verwendet werden.
The invention relates to a device for measuring forces acting in a railroad track according to the preambles of claims 1 and 2.
Devices for measuring forces acting in railroad tracks can be used, for example, as wheel load scales or flat position detection systems and are known, for example, from DE-OS 3 309 908 or EU-OS 0 099 001.
In these known devices, the wheel contact force is determined via the strains that they cause in the rail. For this purpose, according to the prior art, strain gauges are attached to the web of the rail approximately at the level of the neutral fiber. To eliminate the influence of bends in the rail profile around the longitudinal axis, it is also the rule in the known devices that strain gauges are attached to both sides of the web. Furthermore, as has been shown in DE-OS 3 309 908, it is advantageous to provide two measuring points on each side of the rail within a threshold compartment. Since each measuring point consists of one or two strain gauges, a relatively large number of strain gauges is required in the known devices and thus a great deal of effort is required for the evaluation electronics.
This means that according to the known state of the art to build a device according to the preamble of claim 1, at least four strain gauges (pairs) are required, which are to be attached to both sides of the web of the railroad track and are to be connected to a measuring bridge so that the the "sinusoidal movement" of the train on the rail head acting side forces of the wheel are eliminated.
Up to now, these strain gauges have either been glued directly to the rail or applied to a metal carrier plate, which is then welded to the rail. Furthermore, it is also known to press the strain gauges by means of a clamping device.
The first two fastening methods mentioned have the disadvantage that the strain gauges, which must be attached to the rail in a precisely defined position, can no longer be readjusted. In addition, the strain gauges cannot be replaced or removed. Pressing on by means of a clamping device, on the other hand, requires a relatively large amount of effort, which is often not possible for reasons of cost, particularly in systems with many measuring points.
Furthermore, it is known from GB-PS 1 518 359 to provide a through hole in a railroad track, into which a sleeve with an expansion sensor is inserted. The strain gauges measure the deformation of the sleeve caused by contact with the loaded rail.
A disadvantage of this state of the art, which is assumed in the formulation of the preambles of claims 1 and 2, is that the application of force to the sleeve is not defined, since the sleeve not only in the area of the neutral fiber, but at arbitrary points in the through hole fits less flat. With this known device, the forces acting in the neutral fiber are therefore not measured with a certain probability.
A wheel load balance is known from US Pat. No. 3,741,327, in which blind bores are provided in a separate rail piece, strain gauges being arranged on the end face of each. The blind holes are aligned so that they come as close as possible to the vertical neutral fiber of the rail section. However, this device requires a complex change in the track bed and the use of an additional, separated rail section and is therefore not or can only be installed in an existing rail section with considerable effort.
The invention has for its object to provide a device for measuring forces acting in the vertical direction in a railroad track of the type mentioned, which allows simple assembly on site and allows accurate measurement of the forces occurring in the vertical neutral fiber.
According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing parts of patent claims 1 and 2. According to the invention, it has been recognized that it is possible to insert or design a device for measuring the forces acting in the vertical direction in a recess in the railroad track, which is so small that it does not impair the stability of the rail, in such a way that it only measures the forces acting in the neutral fiber. The vertical direction means the direction perpendicular to the longitudinal axis of the railroad rail, regardless of the installation position of the railroad rail.
Nevertheless, the recess only has to have a diameter of approximately 15 to 30 mm. For example, the Deutsche Bundesbahn permits drilling in the neutral fiber of railroad tracks with a diameter of up to 33 mm.
This basic idea according to the invention can be implemented both in the manner claimed in claim 1 and in the manner claimed in claim 2.
In any case, the solutions specified in claims 1 and 2 ensure simple installation and removal of the strain transducers:
According to the invention, a sleeve made of an elastically deformable material is provided which can be inserted into the recess. The strain sensor or strain gauges are inserted into the sleeve in such a way that they detect the deformation of diametrically opposite regions of the sleeve in the vertical neutral fiber. The arrangement of the one or more strain gauges in a sleeve has the advantage that the strain gauges can be easily retrofitted to the rail and can also be subsequently adjusted.
Surprisingly, the mechanical outlay for the sleeve is considerably less than that for the known tensioning devices for strain gauges attached to the outside of the rail, since the sleeve is inserted into a recess in the rail and only has to be "clamped" there.
The arrangement according to claim 1 is characterized by a particularly simple construction: the elastic deformation can be achieved, for example, by inserting the device into the recess in the rail in a strongly supercooled manner. When the temperature of the rail is reached, the device tensions itself. Furthermore, it is also possible to "press" a device manufactured with a corresponding "oversize" into the rail with elastic deformation.
Furthermore, the expansion sensors are particularly well protected against mechanical influences of all kinds by the arrangement in a sleeve, which in turn is located in a recess.
Correspondingly, the devices according to the invention have the advantage that the strain transducer (s) directly measure the deformation in the vertical neutral fiber; the number of required strain transducers can thus be halved compared to the prior art according to DE-OS 3 309 908 or EU-OS 0 099 001.
A further advantage of the devices according to the invention according to claims 1 and 2 is that a high measurement accuracy can be achieved with the devices according to the invention, since the actual forces occurring inside the rail can be measured directly and not by subtracting the inside and outside of the Forces measured on the rail must be determined.
Compared to the prior art according to GB-PS 1 518 359 there is also the advantage that only the forces acting in the neutral fiber are actually detected by the linear arrangement in the area of the neutral fiber or the pressure on the bottom of the blind hole.
Further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Due to the pressing of an increase in the sleeve on the inner surface of the recess in the region of the vertical neutral fiber of the rail, it is possible to measure elongations of the rail of both signs, that is to say also elongations which lead to an "enlargement of the recess".
Of course, it is possible to insert the sleeve provided according to claims 1 and 2, for example, into a recess designed as a blind hole. However, it is particularly advantageous if, according to claim 4, the recess is a through hole, since then the "disturbance" caused by the recess of the forces acting in the rail is symmetrical to the longitudinal axis of the rail, so that the position of the vertical neutral fiber is retained.
In principle, the known arrangements of strain transducers, as are known from the outside of the transducers, can be used to determine the forces acting in the railroad track by measuring deformations of the rail:
For example, it is possible to measure with a vertical sensor. However, the arrangement characterized in claim 5 is particularly advantageous since it can be used to eliminate the strains caused by bending the rail.
A wide variety of known sensors can be used as strain sensors, for example according to claim 6 piezoelectric elements or according to claim 8 optical waveguides, the deformation of which is measured interferometrically.
A particularly cost-effective design results if, according to claim 7, strain gauges are used as strain sensors. For this purpose, the strain gauge (s) are applied to a web which is provided in the sleeve in the region of the vertical neutral fiber. The web is dimensioned such that it also only deforms due to the deformation of the sleeve without "kinking". The use of a sleeve not only has the advantage that the strain gauges can be easily replaced, it also has the advantage that the strain gauges can be easily adjusted.
The stop provided on the sleeve according to claim 9 ensures that when the sleeve is inserted into the rails, the expansion sensors are arranged in the plane of the vertical neutral fiber. In order to adjust the strain transducers in the plane of the neutral fiber, the sleeve can have a marking according to claim 10, which indicates the position of the strain transducer (s) relative to the horizontal or vertical direction. The marking is preferably designed in such a way that a mounting void for the sleeve can engage in it. The assembly of the transducers in the plane of the vertical neutral fiber is further simplified by such an assembly empty.
In claims 12 and 13, a simple embodiment of the sleeve is specified, which ensures that the forces acting in the rail are transmitted to the strain transducers without falsification.
The recess provided according to the invention in the railroad track is to be dimensioned such that the strain transducers come to lie in the plane of the vertical neutral fiber. However, it is not necessary that the recess is arranged symmetrically to the horizontal neutral fiber, the recess can also be at a distance from it (claim 14). The term horizontal means the direction of the longitudinal axis of the railroad track. Such a distance must then be taken into account accordingly by the evaluation unit.
Furthermore, it is of course also possible - as stated in claim 15 - within a threshold compartment, i.e. between two thresholds, two measuring points, i.e. to provide two recesses and to relate the signals from the sensors in the manner described in DE OS 3 309 908. With regard to the advantages achieved with this, reference is made to the content of DE-OS 3 309 908.
The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing, in which:
1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention,
FIGS. 2 to 4 further exemplary embodiments of the device according to the invention, which differ from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 with regard to the application of the pretension of the contact surface
Fig. 5 shows an assembly jig for the installation of the inventive devices shown in Figs. 1 to 4 and
Fig. 6 shows another embodiment of the invention.
1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention. A rail 1, only partially shown, in which the forces acting in it are to be measured has a recess 2. In the illustrated embodiments, the recess 2 is a through hole with a central axis 3. The diameter of the through hole is approximately 20 mm.
In the recess 2, a sleeve, which is generally referred to with the reference numeral 4, is inserted. The sleeve 4 has a depth stop 5 at one end; a force transmission ring 6 and a clamping ring 7 are also provided. The force introduction ring 6 has an elevation 6a, while the clamping ring 7 is wedge-shaped. The outer contours of the force application ring 6 and the clamping ring 7 are dimensioned such that the engagement 6 of the force application ring 6 and the sleeve 4 presses the elevation 6a of the force application ring 6 against the rail 1 by the engagement of the clamping ring 7 in the gap between the force application ring 6 and the sleeve 4 Rail 1 in the area of the neutral vertical fiber 8 is approximately linear.
Furthermore, the sleeve 4 has an external thread 10 on its end opposite the depth stop 5, onto which a (clamping) nut 11 is screwed. A further external thread 13 is provided on the clamping ring 7, onto which a (release) nut 14 is screwed. In the sleeve 4 there is a web 15 on which strain gauges 16, only shown schematically, are fastened, which are used as strain gauges.
Furthermore, a cable outlet opening 17 for the transducer connections and a recess 18 are provided in the sleeve 4, into which a mounting template, for example shown in FIG. 5, can be inserted. A cover 19, which is snapped onto a bead 20 of the sleeve 4, covers in particular the electrical supply lines etc. of the device according to the invention.
The procedure for installing the device shown in FIG. 1 is as follows: The device is first inserted into the recess 2 in the rail 1 in such a way that the depth stop 5 rests on the flank of the rail 1. This ensures that the web 15 or the strain gauges 16 attached to it are located in the plane of the vertical neutral fiber 8 of the rail 1. By turning the clamping nut 11, the clamping ring 7 is displaced in the direction of an arrow 9, so that the increase in the force introduction ring 6 comes into contact with the rail 1 in the region of its neutral fiber 8. In order to be able to measure deformations with both positive and negative signs, the clamping nut 11 is rotated to such an extent that a certain pretensioning of the sleeve 4 and thus of the web 15 is generated.
The thickness of the web 15 is dimensioned such that the web deforms only in the plane of the neutral fiber 8 due to the forces acting on it, but not perpendicular to this plane, i.e. is buckled in the direction of axis 3.
The depth stop 5 ensures that the web 15 or the strain gauges 16 are located in the plane of the vertical neutral fiber 8. The orientation of the strain gauge (s) in the plane of the neutral fiber 8 can be ensured, for example, by using the assembly template shown in FIG. 5 during installation. This assembly template has two guide pins 30 which are inserted into the recesses 18 of two devices according to the invention which belong to a measuring point. This ensures that the individual devices cannot be installed “twisted”, so that the strain sensor or sensors have exactly the desired orientation in the plane of the neutral fiber 8.
At the same time, the clamping screw 31 of the assembly jig fixes the device in the direction of its central axis 3 before it is "clamped" in the recess 2 by tightening the screw 11.
The strain gauges 16 can be attached to the web 15 in the same way as is known from devices in which the strain gauges are applied to the surface of the rail. For example, two strain gauges can be used in the exemplary embodiment shown, the axes of which include a 90 ° angle to one another and a 45 ° angle to the vertical direction.
Since the arrangements are known, the design and arrangement of the strain transducers, and in particular the strain gauges, need to be discussed as little as that of the downstream evaluation unit.
If two devices according to the invention, which are arranged within a threshold compartment (threshold distance), form a measuring point, the cover 19 can be formed in one piece for both devices. This results in a particularly effective protection for the cable routing.
The device according to the invention is not only easy to install, but also easy to remove again without destroying it: for this purpose, the clamping nut 11 is loosened and the loosening nut 14 rotated. By the release nut 14 on the flank of the rail 1, the clamping ring 7 is retracted in the direction of an arrow 12 so that it disengages from the force introduction ring 6. As a result, the device is no longer “clamped” in the recess 2 of the rail 1, so that it can be removed from the recess 2 without further notice. Disassembly can be facilitated by filling the cavities with a heat-resistant grease when installing the sleeve 4.
2 to 4 show modifications of the embodiment shown in FIG. 1. The same parts are provided with the same reference numerals, so that a new description can be dispensed with.
In the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 and 3, the clamping ring is provided with an internal winch 21 which can be screwed onto the external thread 22 on sleeve 4. In order to simplify the tensioning and loosening of the device, the outer end of the clamping ring 7 is designed as a crown nut. The two exemplary embodiments differ in that, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the screw engagement takes place approximately in the plane of the neutral fiber 8, while in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 it takes place outside the plane of the vertical neutral fiber.
In the embodiment shown in FIG. 4, the clamping ring 7 is tensioned with a plurality of screws 24, only one of which is shown in FIG. 4.
Fig. 6 shows a further embodiment of the invention, in which clamping elements etc. can be dispensed with. The device in turn has a sleeve or sleeve 4, which can be inserted into the through hole 2 of the rail 1. The sleeve 4 has a circumferential elevation 41 on its circumferential surface, with which it rests on the inner surface of the through-bore 2. In the area of the circumferential elevation 41, a web 15 is provided in the sleeve 4, on which strain gauges, not shown, are applied. Furthermore, a depth stop 5 is attached to the sleeve 4, with which the sleeve 4 rests on the rail 1. The distance between the stop surface of the stop 5 and the circumferential elevation 41 is selected such that the circumferential elevation 41 and thus the web 15 lie in the plane of the neutral fiber of the rail 1.
The diameter of the sleeve in the area of the circumferential elevation 41 is slightly larger than the diameter of the through bore 2, while the diameter of the sleeve 4 is slightly smaller than the diameter of the bore 2. Thus, the sleeve 4 is elastically deformed in the region of the elevation 41 when inserted into the rail 1 and clamped in the bore 2. Forces acting in the rail 1 in the vertical direction are thus transmitted via the elevation 41 to the web 15, on which the expansion sensors are applied. Since the web is located in the neutral fiber of the rail 1, the evaluation unit (not shown in detail) can calculate the forces acting in the vertical direction in the neutral fiber of the rail 1 from the output signal of the strain sensor.
The invention has been described above using exemplary embodiments. Within the framework of the general idea of the invention to clamp a sleeve or a sleeve in a recess in the rail by means of elastic deformation of the sleeve, a wide variety of modifications are of course possible:
For example, a different recess, for example a blind hole, can be used instead of a through hole. It is also possible not to make the elevation 41 all the way round, but to design it in such a way that the sleeve 4 only has a partially linear contact with the inner surface of the recess 2.
Furthermore, a marking can be made on the sleeve, which allows the alignment of the strain gauges.
Instead of the strain gauges described in the exemplary embodiments, other strain transducers, for example piezoelectric elements, can also be used.