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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Spurkranzdurchmessers
von sich längs zweier
paralleler Fahrschienen bewegenden Rädern von Schienenfahrzeugen,
insbesondere von Güterwagen,
sowie eine Schwerkraftablaufanlage unter Verwendung des Verfahrens
gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 6.
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Allgemein
bekannt sind Güterwagen
als Schienenfahrzeuge, deren Räder
mittels einer Radachse paarweise verbunden sind und die auf zwei parallelen
Fahrschienen abrollen. Zur Führung
weisen die Räder
bezogen auf das Fahrschienenpaar innenseitig einander gegenüberliegende
Spurkränze auf.
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Weiter
ist es bekannt, Kolbengleisbremsen an den Fahrschienen unterhalb
der Spurkränze
anzuordnen, um die Güterwagen
abzubremsen. Dabei drückt
der Spurkranz jeweils auf eine Kolbenstange, die einen daran angeordneten
Kolben innerhalb einer Kolben-Zylinder-Einheit verschiebt, wobei
kinetische Energie des Güterwagens
in Wärme
umgewandelt wird.
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Kolbengleisbremsen
werden insbesondere in Schwerkraftablaufanlagen eingesetzt, die
beispielsweise zur Zusammenstellung von Güterzügen mittels Verteilweichen
dienen. Schwerkraftablaufanlagen weisen ein Gefälle auf, so dass die Güterwagen
durch die Hangabtriebskraft angetrieben werden. Durch die Kolbengleisbremsen
kann erreicht werden, dass die Güterwagen
im Bereich der Verteilweiche mit konstanter Geschwindigkeit laufen
und im Auslauf der Schwerkraftablaufanlage mit zulässiger nur
noch sehr geringer Geschwindigkeit aufeinander auffahren.
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Die
insbesondere bauart- und verschleißbedingte Schwankungsbreite
der Spurkranzdurchmesser von ca. 300 mm bis ca. 1100 mm erschwert
die Geschwindigkeitsregelung mittels Kolbengleisbremsen in Ablaufanlagen
erheblich.
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Die
Verwendung von Kolbengleisbremsen hat dabei den Nachteil, dass die
Bremswirkung abhängig
vom Spurkranzdurchmesser der Räder
ist. Um zu verhindern, dass es aufgrund der unterschiedlichen Spurkranzdurchmesser
auf der Gefällestrecke,
insbesondere im Weichenbereich, zu Einholvorgängen und Eckstößen der
Güterwagen
kommt, wird die zeitliche Ablauffolge aller Güterwagen in der Schwerkraftablaufanlage
relativ groß gewählt. Die Leistung
(Bergleistung) der Ablaufanlage ist so deutlich gemindert. Nur mit
Vorabkenntnis der Raddurchmesser der nacheinander ablaufenden Güterwagen kann
die zeitliche Ablauffolge aller Güterwagen so gesteuert werden,
dass sowohl mit großen
als auch mit kleinen Spurkranzdurchmessern ein leistungsfähiger störungsfreier
Betrieb der Anlage sichergestellt ist.
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Ferner
ist aus der
DE 40 18
999 A1 ein induktiv wirkender Radsensor für Schienenfahrzeuge
bekannt, der innenseitig an dem Fahrschienenpaar angeordnet ist.
Diese Radsensoren, die je zwei längs der
Fahrschienen beabstandete Radsensoren aufweisen, werden häufig in
Form von Doppelradsensoren zur Achszählung verwendet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, durch
das der Spurkranzdurchmesser mit geringem Aufwand selbsttätig mit
hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, sowie eine Schwerkraftablaufanlage
unter Anwendung des Verfahrens.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist bezogen auf das Verfahren durch die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale und bezogen auf die Schwerkraftablaufanlage
durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gegeben. Die kennzeichnenden
Merkmale der Unteransprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Die
Lösung
sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass auf beiden Seiten einer
Fahrschiene je ein das Rad erfassender Radsensor unterhalb der auf der
Fahrschiene abrollenden Räder
angeordnet ist, ein Laufkreis-Radsensor unterhalb des Laufkreises und
ein Spurkranz-Radsensor unterhalb des Spurkranzes, wobei mittels
der beiden Radsensoren bei einem darüberrollenden Rad je ein Sensorsignal
erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf jeweils am Anfang stetig
ansteigt oder abfällt
und am Ende umgekehrt wieder stetig abfällt bzw. ansteigt, dass für jedes
Sensorsignal jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Über- und
anschließenden
Unterschreiten zumindest eines vorgegebenen Schwellwertes erfasst wird,
aus der anhand der Radgeschwindigkeit zu jedem Raddurchmesser eine
Sehnenlänge
ermittelt wird, eine Laufkreis-Sehnenlänge für den Laufkreis und eine Spurkranz-Sehnenlänge für den Spurkranz, und
dass aus der Laufkreis-Sehnenlänge
sowie aus einem aktuell vorgegebenen Laufkreis-Hilfswert der Laufkreisdurchmesser
und aus der Spurkranz-Sehnenlänge
und einem anhand des Laufkreisdurchmessers neu vorzugebenden Spurkranz-Hilfswert der
Spurkranzdurchmesser berechnet wird, wobei der neue Spurkranz-Hilfswert
dadurch bestimmt wird, dass aus dem Laufkreisdurchmesser unter Verwendung
einer vorgegebenen mittleren Spurkranzhöhe ein vorläufiger Spurkranzdurchmesser
berechnet wird, aus dem anhand des jeweils aktuellen Spurkranz- Hilfswerts eine vorläufige Spurkranz-Sehnenlänge zur
Berechnung des neuen Spurkranz-Hilfswerts ermittelt wird.
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Ein
einfaches Verfahren ergibt sich, wenn der neue Spurkranz-Hilfswert durch Korrektur
des jeweils aktuellen Spurkranz-Hilfswerts
ermittelt wird, wobei der Korrekturfaktor die aus der Zeitdifferenz berechnete
Spurkranz-Sehnenlänge
dividiert durch die vorläufige
aus der mittleren Spurkranzhöhe
abgeleitete Spurkranz-Sehnenlänge
ist.
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Der
Laufkreisdurchmesser wird jeweils durch Lösung folgender Gleichung berechnet:
R2 = (R-hs)2 + (se/2)2 mit 2R = Raddurchmesser, hs = vorgegebener
Laufkreis-Hilfswert und se = Laufkreis-Sehnenlänge und der Spurkranzdurchmesser
(2Rs) jeweils durch Lösung
der Gleichung berechnet wird: Rs2 = (Rs-hss)2 + (ses/2)2 mit
hss = neuer Spurkranz-Hilfswert und ses = ermittelte Spurkranz-Sehnenlänge, wobei
sich der neue Spurkranz-Hilfswert hss aus hss = hss'(ses/ses') ergibt, mit ses' = vorläufige Spurkranz-Sehnenlänge und
hss' = aktuell vorgegebener Spurkranz-Hilfswert,
wobei für
ses' gilt Rs'2 = (Rs'-hss')2 + (ses'/2)2 mit 2Rs' =
2R + 2Shv, wobei Shv die vorgegebene mittlere Spurkranzhöhe ist.
Der Raddurchmesser wird durch Lösung
folgender Gleichung berechnet: R2 = (R-hs)2 +
(se/2)2 mit 2R = Raddurchmesser, hs = vorgegebener
Hilfswert und se = Sehnenlänge.
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Um
anhand der Sensorsignalkurven (zeitlicher Verlauf der Sensorsignale)
die Geschwindigkeit zu bestimmen, wird vorgeschlagen, dass der Radsensor
als Doppelradsensor mit zwei Radsensoren ausgebildet ist, wobei
aus dem zeitlichen und geometrischen Versatz der beiden Sensorsignalkurven
die Geschwindigkeit bestimmt wird.
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Um
den Fehlereinfluss des vom Gleis und von der Achse abhängigen Sinuslaufes
zu korrigieren, wird vorgeschlagen, dass je zwei Radsensoren innenseitig
oder außenseitig
am Fahrschienenpaar einander zu- bzw. abgewandt als Radsensorpaar
angeordnet sind, wobei diese beiden Radsensoren auf einer quer,
vorzugsweise senkrecht, zu den Fahrschienen verlaufenden gedachten
Gerade liegen, dass die ermittelten wirklichen Spurkranzdurchmesser
des Doppelradsensorpaars jeweils gemittelt werden oder dass jeweils
von den ermittelten wirklichen Spurkranzdurchmessern des Doppelradsensorpaars der
größere Spurkranzdurchmesser
verwendet wird oder dass jeweils von den ermittelten wirklichen Spurkranzdurchmessern
des Doppelradsensorpaars der kleinere Spurkranzdurchmesser verwendet
wird.
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Die
Lösung
sieht bezogen auf die Schwerkraftablaufanlage vor, dass zur Ermittlung
des Spurkranzdurchmessers auf beiden Seiten einer Fahrschiene je
ein das Rad erfassender Radsensor unterhalb der auf der Fahrschiene
abrollenden Räder
angeordnet ist, ein Laufkreis-Radsensor unterhalb des Laufkreises
und ein Spurkranz-Radsensor unterhalb des Spurkranzes, wobei mittels
der beiden Radsensoren bei einem darüberrollenden Rad je ein Sensorsignal
erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf jeweils am Anfang stetig
ansteigt oder abfällt
und am Ende umgekehrt wieder stetig abfällt bzw. ansteigt, dass für jedes
Sensorsignal jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Über- und
anschließenden
Unterschreiten zumindest eines vorgegebenen Schwellwertes erfasst wird,
aus der anhand der Radgeschwindigkeit zu jedem Raddurchmesser eine
Sehnenlänge
ermittelt wird, eine Laufkreis-Sehnenlänge für den Laufkreis und eine Spurkranz-Sehnenlänge für den Spurkranz, und
dass aus der Laufkreis-Sehnenlänge
sowie aus einem aktuell vorgegebenen Laufkreis-Hilfswert der Laufkreisdurchmesser
und aus der Spurkranz-Sehnenlänge
und einem anhand des Laufkreisdurchmes sers neu vorzugebenden Spurkranz-Hilfswert der
Spurkranzdurchmesser berechnet wird, wobei der neue Spurkranz-Hilfswert
dadurch bestimmt wird, dass aus dem Laufkreisdurchmesser unter Verwendung
einer vorgegebenen mittleren Spurkranzhöhe ein vorläufiger Spurkranzdurchmesser
berechnet wird, aus dem anhand des jeweils aktuellen Spurkranz-Hilfswerts
eine vorläufige
Spurkranz-Sehnenlänge
zur Berechnung des neuen Spurkranz-Hilfswerts ermittelt wird. Die
starke Schwankungsbreite der Spurkranzdurchmesser von ca. 300 mm
bis ca. 1100 mm beeinflusst unzulässig stark die Geschwindigkeitsregelung
mittels Kolbengleisbremsen in Ablaufanlagen. Mit der genauen Ermittlung
der Spurkranzdurchmesser kann dem unterschiedlichen Arbeitsvermögen von
Kolbengleisbremsen durch Variation der Abdrückgeschwindigkeit am Startpunkt
(an der Bergkuppe) optimal entsprochen werden.
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Die
Anpassung an das Arbeitsvermögen
der Schwerkraftablaufanlage ist besonders einfach, wenn die zeitliche
Differenz eines nachfolgend ablaufenden Schienenfahrzeugs zum unmittelbar
vorhergehenden Schienenfahrzeug am Startpunkt anhand des ermittelten
Spurkranzdurchmessers des nachlaufenden oder des vorlaufenden Schienenfahrzeugs bestimmt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Schienenpaar mit innen- und außenseitig
an einer Fahrschiene angeordneten Doppelradsensoren,
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2 eine
schematische Darstellung eines auf einer Fahrschiene abrollenden
Rades mit den erzeugten Radsensorsignalen zur Ermittlung des Spurkranzdurchmessers,
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3 eine
schematische Darstellung analog zu 2 zur Ermittlung
des Spurkranzdurchmessers und
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4 ein
Fahrschienenpaar gemäß 1 mit
einem außen- und einem innenseitig
an einer Fahrschiene angeordneten Doppelradsensorpaar.
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1 zeigt
einen Abschnitt zweier paralleler Fahrschienen 1, die mittels
Schwellen 2 miteinander verbunden sind. Längs der
Fahrschienen 1 können sich
Schienenfahrzeuge (nicht gezeigt) bewegen. Zu solchen Schienenfahrzeugen
gehören
nicht angetriebene Güterwagen.
Die Schienenfahrzeuge weisen zumindest zwei in Bewegungsrichtung
beabstandete Paare von Rädern 3 (s. 2 und 3)
auf, die jeweils mittels Achsen fest verbunden sein können.
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In 1 sind
bezogen auf das Fahrschienenpaar an einer Fahrschiene 1 innen-
und außenseitig
je ein Radsensor 4 angeordnet. Jeder Radsensor 4 ist
als Doppelradsensor ausgebildet, d. h. er besteht aus zwei voneinander
unabhängigen
induktiv wirkenden Radsensoren 4a, 4b, die parallel
zur Schienenlängsrichtung
voneinander beabstandet angeordnet sind. Jeder Radsensor 4a, 4b erzeugt
bei einem auf der Fahrschiene 1 darüberrollenden Rad 3 ein
entsprechendes Sensorsignal (s. 8a, 8b in 2 und 3).
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein auf der Fahrschiene 1 abrollendes
Rad 3 zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Das Rad 3 in 2 rollt
mit seinem Laufkreis 5 auf der Lauffläche 1a der Fahrschiene 1 ab,
während
der Laufkranz 6 des Rads 3 seitlich über die
Lauffläche 1a der
Fahrschiene 1 hinaus nach unten ragt. Die Spurkränze 6 sind bezogen
auf das Fahrschienenpaar innenseitig einander gegenüberliegend
angeordnet.
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In 2 befinden
sich die Radsensoren 4a, 4b unterhalb des Spurkranzes 6 an
den eingezeichneten Positionen auf der Innenseite der Fahrschiene 1.
Der Radius des Außenumfangs
des Spurkranzes 6 ist der Spurkranzradius Rs. Die von den
Radsensoren 4a, 4b abgegebenen Sensorsignale 8a, 8b sind in
ihrem zeitlichen Verlauf korrespondierend zu dem sich bewegenden
Rad 3 in 2 eingezeichnet. Man erkennt,
dass beide Sensorsignale 8a, 8b zunächst stetig
abfallen, um dann umgekehrt wieder stetig anzusteigen. Je nach Ausgestaltung
der Radsensoren 4a, 4b können die Sensorsignale 8a, 8b selbstverständlich auch
umgekehrt verlaufen, also zuerst ansteigen und dann wieder abfallen.
Zur Bestimmung einer dem Spurkranzradius Rs entsprechenden Länge, der
Sehnenlänge
se, ist eine Triggerschwelle 9 vorgegeben, anhand derer
jeweils die Zeitdifferenz der Sensorsignale 8a, 8b zwischen
dem Über-
und anschließendem
Unterschreiten der Triggerschwelle 9 ermittelt wird. Damit
die induktiv wirkenden Sensoren 4a, 4b eine Hysteresis
aufweisen, können
auch zwei unterschiedliche Triggerschwellwerte 9 bei ansteigendem
und abfallendem Sensorsignal 8a, 8b verwendet
werden.
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3 zeigt
eine analoge Situation wie 2 für den Laufkreis 5:
Das Rad 3 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, die Sensorsignale 8a, 8b der
beiden hier im Unterschied zu 2 unterhalb
des Laufkreises 5 also außenseitig angeordneten Radsensoren 4a, 4b sowie
wiederum eine hier allerdings dem Laufkreisradius R entsprechende
Sehnenlänge
se.
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Zur
Bestimmung der Sehnenlängen
se des Spurkranzes 6 und des Laufkreises 5 ist
die jeweilige Geschwindigkeit des Rades 3 erforderlich.
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Dazu
werden mittels der Triggerschwelle 9 aus den Sensorsignalen 8a, 8b Ausgangssignale 9a, 9b (Ausgangsimpulse)
erzeugt (nur in 3 für den Laufkreis 5 gezeigt),
die zunächst
eine einfachere Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen der ansteigenden
und der abfallenden Flanke der Sensorsignale 8a, 8b ermöglichen.
Anhand der zeitlichen Verschiebung der beiden rechteckförmigen Ausgangssignale 9a, 9b kann
weiter eine dem Abstand der Radsensoren 4a, 4b entsprechende
Zeit bestimmt und daraus die Geschwindigkeit des Rades 3 berechnet werden.
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Die
Geschwindigkeit ist selbstverständlich auch
auf jede andere Weise ermittelbar.
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Zur
Berechnung des unbekannten Laufkreisradius R (Abstand A-B) dient der gedachte
Raddurchmesserkreis RDK (hier identisch mit dem Laufkreis 5),
in den die halbe Sehnenlänge
se/2 (Abstand B-C, halber Abstand B-E), hier die Laufkreis-Sehnenlänge, eingezeichnet
ist. Man erkennt, dass sich der Laufkreisradius R sofort berechnen
lässt,
wenn die Sehnenhöhe
hs (Abstand C-D) bekannt ist, und zwar nach folgender Formel: R2 = (R-hs)2 +
(se/2)2.
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Die
Sehnenhöhe
hs ist ein vorgegebener Hilfswert, hier ein aktuell vorgegebener
Laufkreis-Hilfswert, zur Berechnung des unbekannten Raddurchmessers,
hier des Laufkreisdurchmessers 2R, welcher dem Maximalabstand der
Sehne im Raddurchmesserkreis RDK entspricht. Dieser Hilfswert hs
kann jeweils bei vorgegebener Triggerschwelle 9 empirisch
ermittelt werden, beispielsweise statistisch gesichert anhand einer
entsprechenden Anzahl von Rädern 3 mit
bekanntem Laufkreisradius R oder einer bekannten Laufkreisradiusverteilung.
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Analog
könnte
aus der Sehnenlänge
se für den
Spurkranz 6 mittels der den außenseitigen Radsensoren 4a, 4b zugeordneten
Sehnenhöhe
hs auch der Spurkranzdurchmesser 2Rs berechnet werden. Unterschiedliche
Spurkranzhöhen
Sh führen
aber durch das unterschiedlich tiefe Eintauchen des Spurkranzes 6 in
das "Messvolumen" des Sensors zu Fehlern.
Aus diesem Grunde wird vor der Berechnung des wirklichen Spurkranzdurchmessers
2Rs der vorgegebene Hilfswert hs, hier der aktuell vorgegebene Spurkranz-Hilfswert,
entsprechend korrigiert, und zwar unter Verwendung des bereits bestimmten Laufkreisdurchmessers
2R, der diesen Fehler nicht aufweist.
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Zum
besseren Verständnis
werden nachfolgende differenziertere Bezeichnungen eingeführt: ermittelte
Laufkreis-Sehnenlänge
ser, aktuell vorgegebener Laufkreis-Hilfswert hsr, ermittelte Spurkranz-Sehnenlänge ses
und aktuell vorgegebener Spurkranz-Hilfswert hss'.
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Damit
gilt für
den Laufkreisradius R entsprechend obiger Formel: R2 = (R-hsr)2 + (ser/2)2 undfür den Zusammenhang zwischen
dem Laufkreisdurchmessers 2R und dem noch zu korrigierenden und
somit vorläufigen
Spurkranzdurchmesser 2Rs': 2Rs' =
2R + 2Sh,wobei 2Sh die doppelte Spurkranzhöhe ist. Nachfolgend wird aber
anstelle von 2Sh die doppelte mittlere Spurkranzhöhe 2Shv
verwendet, welche die statistische Verteilung der einzelnen Spurkranzhöhen Sh berücksichtigt: 2Rs' =
2R + 2Shv.
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Da
für den
Spurkranzdurchmesser 2Rs ebenfalls gilt Rs'2 =
(Rs'-hss')2 +
(ses'/2)2,lässt
sich aus den beiden letzten Gleichungen, also unter Verwendung der
vorgegebenen mittleren Spurkranzhöhe Shv, eine vorläufige Spurkranz-Sehnenlänge ses' berechnen.
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Der
neue Spurkranz-Hilfswert hss ergibt sich folgendermaßen durch
Korrektur des jeweils aktuellen Spurkranz-Hilfswerts (aktuell vorgegebener
Spurkranz-Hilfswert) hss' nach
den Regeln der Ähnlichkeit von
Dreiecken, was einem linearen Ansatz entspricht: hss
= hss'(ses/ses'),wobei der
Korrekturfaktor also die aus der Zeitdifferenz berechnete Spurkranz-Sehnenlänge dividiert durch
die vorläufige
aus der mittleren Spurkranzhöhe Shv
abgeleitete Spurkranz-Sehnenlänge ses' ist. Der neue Spurkranz-Hilfswert
hss ist hierbei der neu vorzugebende wirkliche Spurkranz-Hilfswert
hss, mit dessen Hilfe man den wirklichen Spurkranzdurchmesser 2Rs
gemäß oben verwendeter
Formel erhält: Rs2 = (Rs-hss)2 + (ses/2)2.
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4 zeigt
ein Fahrschienenpaar gemäß 1 mit
einem außen-
und einem innenseitig an einer Fahrschiene angeordneten Doppelradsensorpaar 4, 4.
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Dabei
sind je zwei Radsensoren 4a1, 4a2 und 4b1, 4b2 innenseitig
am Fahrschienenpaar einander zugewandt als Radsensorpaar 4a1, 4a2; 4b1, 4b2 angeordnet
sind, wobei diese beiden Radsensoren 4a1, 4a2 oder 4b1, 4b2 auf
einer quer, vorzugsweise senkrecht, zu den Fahrschienen verlaufenden gedachten
Gerade liegen. Dasselbe gilt analog für das außenseitige Doppelradsensorpaar 4,
bei dem die beiden Radsensoren 4a1, 4a2 und 4b1, 4b2 einander
abgewandt als Radsensorpaar 4a1, 4a2; 4b1, 4b2 angeordnet
sind. Die Radsensoren 4a1, 4a2, 4b1, 4b2 jedes
Paars 4a1, 4a2 und 4b1, 4b2 sind
jeweils mindestens in einem Abstand längs der Fahrschienen angeordnet,
der jeweils die Zuordnung der Betätigungen des Paars 4a1, 4a2 und 4b1, 4b2 zu
einer einzigen Radachse sichert. Um den vom Gleis abhängigen Sinuslauf
zu berücksichtigen,
erfolgt eine Mittelung, die so aussieht, dass erst die wirklichen
Spurkranzdurchmesser 2Rs des Doppelradsensorpaars 4a1, 4b1; 4a2, 4b2 ermittelt
und diese danach jeweils gemittelt werden oder aber dass jeweils
von den ermittelten wirklichen Spurkranzdurchmessern 2Rs des Doppelradsensorpaars 4a1, 4b1; 4b1, 4b2 der
größere oder
aber der kleinere Raddurchmesser verwendet wird. Welche Möglichkeit gewählt wird,
richtet sich nach der Konstruktion und dem Zustand des Gleises und
ist von diesem abhängig.
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Jede
der in 1 und 4 dargestellten Radsensoranordnungen
kann in einer Schwerkraftablaufanlage für Schienenfahrzeuge vor dem
Startpunkt eingesetzt und gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren betrieben werden. Die selbsttätig ermittelten
wirklichen Spurkranzdurchmesser 2Rs, welche die Kolbengleisbremsen
betätigen,
legen dabei den kleinstmöglichen
zeitlichen Abstand der Schienenfahrzeuge am Startpunkt fest, und
zwar anhand des ermittelten wirklichen Spurkranzdurchmessers 2Rs
des nachlaufenden oder des vorlaufenden Schienenfahrzeuges.