DD251730A1 - Verfahren und anordnung zur messung der rollinie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung der Rollinie nach WICKENS. Die erfindungsgemaesse Anordnung arbeitet derart, dass von an einem Messrahmen angebrachten Aufnahmekoepfen drei verschiedene Relativkoordinaten bestimmt werden. Eine elektronische Auswerteschaltung verknuepft diese Koordinaten in geeigneter Weise und vergleicht sie mit der tiefpassgefilterten Gleisrichtung als Referenz, so dass die Rollinie als wegabhaengige Funktion erzeugt wird. Die Aufnahmekoepfe arbeiten beruehrungslos auf der Basis fotoelektrischer Wandlerelemente, vorzugsweise CCD-Zeilen. Zur Erhoehung der Zuverlaessigkeit und zur Mittelwertbildung koennen fuer jede Relativkoordinate mehrere Aufnahmekoepfe vorhanden sein. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung von mechanisch-optischen sowie elektronischen Bauteilen für die berührungslose kontinuierliche Messung der von WiCKENS definierten Rollinie während der Fahrt eines Schienenfahrzeuges. Die Anwendung bietet sich insbesondere im Bereich der rechnerischen Ermittlung von Fahrzeugkenngrößen auf der Basis realer Ausgangswerte der Fahrbahn und bei der Gleislagebeurteilung für konventionelle Bahnen an, wo eine stationäre Auswertung dieser Daten zu zeitaufwendig ist und bisher übliche Verfahren nur begrenzte Informationsmengen liefern können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß zur Messung der Rollinie bisher ein aufwendiges stationäres Meßverfahren eingesetzt wurde. Der Meßablauf ist in der Dissertation von Strothmann „Horizontale Störfunktion eines Gleises — Messung und Anwendung ",TU Braunschweig, Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik, 1977, beschrieben. Von Nachteil ist bei diesem Verfahren neben seiner stationären Anwendung die Notwendigkeit diverser Hilfseinrichtungen wie Laser-Richtungsreferenz, eines speziellen Meßradsatzes, die manuelle Handhabung der Gerätetechnik, die maximale Meßlänge von nur etwa 1200m sowie die Notwendigkeit einer Streckensperrung. Damit scheidet das Verfahren für eine ständige Praxisanwendung bei den Eisenbahnverwaltungen aus. Außerdem kann bei diesem Verfahren nicht die Schienenbelastung durch die Fahrzeuge in die Messung einbezogen werden.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Firma Jenzer AG Meßtechnik, Geroldswill/Schweiz, eine Anordnung zur Radstellungsmessung anbietet (ZEV Glasers Annalen 101 [J977] 8/9, S.391-394).

Diese basiert auf der Auswertung zweier unabhängiger Wegmessungen mittels IR-Diode umd Empfänger. Da jedoch die Außenseiten von Rad und Schiene angetastet werden, ergeben sich Probleme beim Befahren von Weichen und Kreuzungen. Außerdem ist mit diesem Verfahren keine Erfassung des für die Rollinie erforderlichen Radaufstandspunktes möglich. Es ist weiterhin bekannt, daß gemeinsam von der Firma Waggon-Union GmbH, Berlin (West) und der TU Hannover eine Anordnung zur Aufnahme des Rad/Schiene-Berührungsbereichs im Weichenabschnitt entwickelt wurde. (ETR 34 [1985] 6, S.482; VDI-Bericht Nr.510: Dynamik schneller Bahnsysteme, 1984, S.261-266). Mittels Winkelauslegern vor bzw. hinter dem Radsatz werden über Umlenkspiegel die Rad/Schiene-Berührungen auf einen 16mm-Film aufgezeichnet. Zur Synchronisation von aufgenommenen Daten und Wegstrecken dienen Lichtschranken und Reflexionsfolien am Gleis. Von Nachteil ist die erst anschließende Auswertung des 16mm-Films durch Digitalisierung. Selbst bei automatischer Umsetzung ist eine on line-Verarbeitung (Rechnereingabe) zur Berechnung der Roilinienkoordinaten nur sehr zeitverzögert möglich. Außerdem wurde das Verfahren vor allem für die kurzzeitige Aufnahme der Rad/Schiene-Berührungsgeometrie (Weichendurchfahrten) entwickelt, so daß längere Messungen mit wesentlich größeren anfallenden Datenmengen die Speicherkapazität des Films überschreiten und die Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter senken würden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, die es ermöglicht, die von WICKENS definierte Rollinie quasikontinuierlich während der Fahrt des Schienenfahrzeuges bei den üblichen Fahrgeschwindigkeiten zu messen und eine sofortige Aussage zu dieser Fahrbahnkenngröße zu erhalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Rollinie zu schaffen, die es gestattet, die bisher verwendete stationäre Meßmethode zu ersetzen. Dabei werden die Messungen berührungslos durchgeführt, automatisierter Echtzeitbetrieb durch automatisierte Aufnahme- und Verarbeitungstechnik ermöglicht und die Gleisbelastung durch die Fahrzeuge einbezogen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch optische Systeme die für die Rollinie erforderlichen Koordinaten erfaßt, in elektrische Größen umgewandelt und unter Anwendung moderner elektronischer Rechentechnik verarbeitet werden. Durch den Einsatz von CCD-Elementen wird dabei sowohl eine hohe Auflösung als auch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit möglich.

Die Anordnung gliedert sich in die mechanisch-optischen und die elektrischen Komponenten.

Die mechanischen Komponenten nehmen sowohl die optischen Elemente auf, welche der Umlenkung der Lichtwege dienen, vorzugsweise Spiegel oder Lichtleitfasern, als auch die lichtwandelnden Einrichtungen, vorzugsweise schnelle Fotoelemente oder CCD-Zeilen. Weiterhin tragen die mechanischen Komponenten die erforderlichen Beleuchtungs- und Fokussiereinrichtungen, vorzugsweise modulierbare Halogen- bzw. Xenonblitzlampen sowie Prismen- und Linsensysteme. Die elektrischen Komponenten bestehen aus Modulatoren für die Beleuchtungseinrichtungen, den Fotohalbleitern, vorzugsweise CCD-Elemente, den Auswerteschaltungen und einem Mikrorechner zur Ermittlung der wegabhängigen Koordinaten der Rollinie. Die Funktionsweise ist derart, daß durch lichtempfindliche Wandlerelemente jeweils Relativkoordinaten (Rad/Schiene-Kontaktpunkt zu Meßrahmen; Radrückflanke zu Meßrahmen; Fahrkante der Schiene zu Meßrahmen) bestimmt werden, die unter Anwendung schneller Arithmethik (Mikrorechner) mit der tiefpaßgefilterten Gleisrichtung als Referenz verglichen und als wegabhängige Koordinatenpunkte ausgegeben werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Hierbei zeigt Fig. 1 die Gesamtanordnung aller Wandlerelemente am Meßradsatz 1 mit den optischen Strahlengängen 7. Der Meßrahmen 2 ist gemäß UlC-Vorschriften in der erforderlichen Mindesthöhe über Schienenoberkante, vorzugsweise an den Achslagergehäusen, befestigt. Es handelt sich beim Meßrahmen um eine extrem steife Leichtbaukonstruktion, vorzugsweise aus Titanlegierungen mit X-Querschnitt. Der Meßrahmen nimmt sämtliche Lichtquellen und -empfänger auf und dient als einheitliches Bezugsnormal aller Messungen. Die am Meßrahmen befestigten Einrichtungen 3 zur Ermittlung der Fahrkante nach DD-WP 234648 sind vorzugsweise über Lichtleitfasern verbunden, so daß eine Auswertung des Mittelwertes der Helligkeitssprünge und damit der Abstände Meßrahmen — Fahrkante möglich ist. Dankbar ist aber auch die Ausrüstung jedes Aufnahmekopfes mit Wandlerelementen und eine rein elektrische Mittelwertberechnung.

Mit dem Entfernungsmeßkopf 5 wird die Relativverschiebung zwischen Radsatz und Meßrahmen bestimmt. Das Funktionsprinzip des Meßkopfes, dargestellt in Fig. 2, ist derart, daß von zwei schräg zueinander angeordneten fokussierten Lichtemitterdioden 12 auf die Spurkranzrückflanke (==Abbiidungsebene 9,10) zwei Lichtpunkte definierten Durchmessers entsprechend den Strahlengängen 14 projiziert werden. Der Abstand der Lichtpunkte verändert sich, wenn die Austrittsebene 8 der Lichtpunkte ihren Abstand zur Spurkranzrückflanke ändert, proportional. Letztere Abstandsänderung wird somit durch die Lichtpunkte angezeigt und mittels Linsensystem 11 auf fotoelektrische Wandlerelemente 13, vorzugsweise eine CCD-Zeile, übertragen und in elektrische Impulse umgesetzt.

Die Lichtquelle 6 und der Aufnahmekopf 4 dienen der Ermittlung des Kontaktpunktes von Rand und Schiene sowie seiner Entfernung vom Meßrahmen. Dabei zeigt Fig.3 die Art und Weise der Abtastung der Kontaktzone und die elektrische Wandlung der optischen Information. Die Rad/Schiene-Kontaktzone 17 wird durch einen Lichtstreifen 16, der von der fokussierten Lichtquelle 6 erzeugt wird, beleuchtet. Dieser Lichtstreifen hat einen definierten Abstand ζ (20) zur senkrechten

Meßrahmenebene 15. Der Kontaktpunkt Rad/Schiene bildet sich als Dunkelzone ab, während die Umgebung heller erscheint. Die Lichtmenge φ (18) wird vom Wandlerelement in eine proportionale elektrische Spannung umgesetzt. Deren zeitlicher Verlauf wechselt im Bereich der Kontaktzone von H auf L-Potential. Der L-Impuls wird anschließend invertiert und im Verhältnis 1:2 geteilt. Die Impulslücke liefert so den Mittenabstand y (19) der Kontaktzone zum Ende des Abtastfeldes. Mit diesem variablen Abstand und dem festen Abstand Aufnahmekopf zu Meßrahmenebene ist die Relativkoordinate der Entfernung des Kontanktpunktes zur Meßrahmenebene bestimmt.

Die drei Relativkoordinaten liegen als elektrisch analoge Signale vor und werden mittels einer Schaltung nach Fig.4 zur wegabhängigen Koordinate der Rollinie verknüpft. Die Schaltung ist bis auf geringe Unterschiede bei der vorzeichenbehafteten Mittelwertbildung symmetrisch für linkes und rechtes Rad aufgebaut. Sie kann aus diskreten Elementen bestehen oder als Mikrorechnerprogrammablauf vorliegen.

Als Referenz dient das analoge Signal der Gleisrichtungsmessung 21, das durch einen Tiefpaß 25 gefiltert wird. Anschließend erfolgt mit den A/D-Umsetzern 26 eine Digitalisierung der drei Relativkoordinaten und der Richtungsreferenz. Aus den Signalen der Richtungsreferenz und des Abstandes Fahrkante zu Meßrahmen wird mittels Addierer 27 eine neue Summenkoordinate gebildet. Unter Einsatz der Subtrahierschaltung 28 erfolgt die Bildung einer Differenzkoordinate aus den Relativkoordinaten vom Abstand Kontaktpunkt Rad/Schiene zu Meßrahmen und vom Abstand Spurkranzrückflanke zu Meßrahmen. Die Differenzkoordinaten von linker und rechter Seite werden durch Addierer und Teiler 1:2 (30) gemittelt, auf der linken Seite durch den Invertierer 29 geleitet und mit den Differenzkoordinaten aus 23 und 24 verknüpft; auf der rechten Seite wird dazu entgegengesetzt die Differenzkoordinate invertiert und mit dem gemittelten Signal verknüpft. Anschließend erfolgt auf linker und rechter Seite gleichermaßen eine Summation der Summenkoordinaten aus 21 und 22 mit den verknüpften Differenzsignalen aus 23 und 24. Beide nun vorhandenen Summensignale (links und rechts) werden anschließend durch Summierer und Teiler 1:2 gemittelt. Die Zusammenfassung mit der Wegmarke s ergibt dann die wegabhängige Koordinate der Rollinie h^ynis). Das Gesamtsystem wird mit einem variablen Takt getriggert, dessen Regelung proportional zur Fahrgeschwindigkeit erfolgt, so daß die Wegmarkenabstände s stets konstant bleiben.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Rollinie unter Einsatz optischer und elektronischer Bauelemente sowie anschließender Auswertung mittels elektronischer Schaltungen, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils für die rechte und die linke Schiene gleichzeitig mittels lichtempfindlicher Wandlerelemente die Relativkoordinaten Rad/Schiene-Kontaktpunkt zu Meßrahmen, Radrückflanke zu Meßrahmen, Fahrkante der Schiene zu Meßrahmen bestimmt, in elektrische Größen umgewandelt, unter Anwendung schneller Arithmetik mit der tiefpaßgefilterten Gleisrichtung als Referenz verglichen und als wegabhängige Koordinatenpunkte ausgegeben werden.

2. Verfahren zur Messung der Rollinie nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß zur Bestimmung der Relativkoordinate Rad rückflanke zu Meßrahmen ein spezieller Meßkopf eingesetzt wird, der den Abstand zweier auf die Radrückflanke projizierter Lichtpunkte mittels Triangulation und anschließender lichtelektrischer Wandlung in eine dem Abstand Radrückflanke zu Meßrahmen laufzeitproportionale elektrische Impulsgruppe umformt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet dadurch, daß an einem Meßrahmen (2), der einen Radsatz (1) mit definiertem Laufflächenprofil umgibt, symmetrisch zur Radsatzachse je ein Entfernungsmeßkopf (5), eine Einrichtung zur Ermittlung der Fahrkante gemäß · DD-WP 234648 (3) und eine Lichtquelle (6) bzw. ein Aufnahmekopf (4) angeordnet sind, wobei die Auswertung der elektrischen Signale mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung erfolgt.

4. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß eine fokussierte Lichtquelle (4) die Rad/ Schiene-Kontaktzone mit einem Lichtstreifen (16) definierter Abmessung und definierten Abstandes (20) zur Meßrahmenebene (15) beleuchtet sowie einem Aufnahmekopf (6), wobei Lichtquelle (4) und Aufnahmekopf (6) in einer senkrechten Ebene liegen und zur Schienenoberfläche unter einem bestimmten Winkel geneigt sind.

5. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß der Entfernungsmeßkopf (5) aus zwei schräg zueinander angeordneten fokussierten Lichtemitterdioden (12) und fotoelektrischen Wandlerelementen, vorzugsweise eine CCD-Zeile (13) sowie einer vorgesetzten Linse (12) besteht.

6. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß die der Auswertung dienende Schaltungsanordnung in den Signalzweigen der Richtungsfrequenz (21) und der Relativkoordinaten (22), (23) und (24) A/D-Umsetzer aufweist, wobei der Zweig der Richtungsfrequenz davor noch einen Tiefpaß (25) enthält, die Zweige (21) und (22) mit einem Addierer (27), die Zweige (23) und (24) über einem Subtrahierer (28) zusammengefaßt sind, denen ein weiterer Addierer (27) und ein Teiler 1:2 (30) nachgeschaltet sind, sich auf der rechten Seite ein Inverter (29) hinter der Verzweigungsstelle (31) und auf der linken Seite ein Inverter (29) nach dem Teiler 1:2 (30) befinden, in den Zweigen (23) jeweils zwei weitere Addierer (27) angeordnet sind, deren Ausgänge auf einen Addierer (27), einen nachfolgenden Teiler 1:2 (30) und eine Addierer (27), der die Wegmarkenverknüpfung realisiert, geschaltet sind, wobei die gesamte Schaltung mit einem zentralen Takt versorgt wird.