DE102004014282A1

DE102004014282A1 - Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich von Weichen, starren Herzstücken und Kreuzungen

Info

Publication number: DE102004014282A1
Application number: DE200410014282
Authority: DE
Inventors: Andreas Zoll; Daniel LÜKE
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: DE102004014282C5; DE102004014282B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück besteht. DOLLAR A Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Bewertung des Gesamtsystems Weiche während einer Regelinspektion noch vor einer visuellen Auffälligkeit durchgeführt werden kann. DOLLAR A Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei Überfahrt eines Zuges in einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche DOLLAR A - am starren Herzstück oder dem Kreuzungspunkt eine Messung von Beschleunigungen des Herzstückes oder des Kreuzungspunktes an mindestens einem Ort des Herzstückes oder Kreuzungspunktes in mindestens einer Raumrichtung durchgeführt wird, die durch die Überfahrt des Zuges über das Herzstück/Kreuzungspunkt erzeugt werden, DOLLAR A - die Geschwindigkeit des Zuges gemessen und die Befahrrichtung ermittelt wird, DOLLAR A - Messsignale der Beschleunigungen am starren Herzstück/Kreuzungspunkt, der Setzung der Schwellen sowie der Geschwindigkeit und der Befahrrichtung des Zuges in einer Datenerfassunganlage aufbereitet, abgespeichert und ausgewertet werden, DOLLAR A - eine Kontrolle durchgeführt wird, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten und für den Fall, dass DOLLAR A - vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück besteht.
Weichen, Kreuzungen und Kreuzungsweichen führen mehrere Gleise des Schienenverkehrs zu einem Gleis zusammen und verbinden diese miteinander oder führen bei einer Kreuzung ein Gleis durch ein anderes Gleis hindurch. Einen ungehinderten und nahezu spurstabilen Lauf eines Rades eines Zuges, das über eine Weichen, Kreuzung oder Kreuzungsweiche hinwegrollt, gewährleistet ein sog. Herzstück, das sich an einer Durchschneidungsstelle der sich kreuzenden Gleise befindet. Hierbei werden starre und bewegliche Herzstücke unterschieden. Bei einem starren Herzstück ist eine planmäßige Unterbrechung einer Fahrkante an der Durchschneidungsstelle vorhanden, die sog. Herzstücklücke. Diese Herzstücklücke führt dazu, dass das Rad während des Hinwegrollens über die Weiche in eine (kleine) Spalte "fällt", wodurch stoßartige Erschütterungen und Belastungen sowohl am Rad als auch am starren Herzstück auftreten. Dies führt längerfristig zu einer Abnutzung und einem erhöhten Verschleiß des starren Herzstückes. Zur Lösung dieses Problems wird bei Weichen, die durch Züge mit höheren Geschwindigkeiten befahren werden, ein bewegliches Herzstück verwendet, das für das jeweilige Gleis eine durchgehende Fahrkante herstellt. Die überwiegende Anzahl von Weichen weist jedoch aus Gründen verminderter Herstellungs- und Unterhaltungskosten sowie eingeschränkten Einbauraumes ein starres Herzstück auf.
Die Messungen zur Ermittlung des Verschleißes im Bereich des Herzstückes, dem sog. Überlaufbereich, von Weichen sind personalintensiv und werden oftmals aus werkstofftechnischer Sicht zu selten und/oder zu spät durchgeführt, so dass ein Vermessen von Herzstücken nach Regelinspektionen erst dann erfolgt, wenn diese bereits visuell auffällig sind. Visuelle Einschätzungen bei Regelinspektionen können den tatsächlichen Verschleiß des Systems Überlaufbereich von Weichen (Herzstück/Flügelschiene) nur unzureichend beschreiben.
Als Stand der Technik ist bekannt, dass eine Diagnose im Überlaufbereich von Weichen, starren Herzstücken und Kreuzungen durch eine visuelle Begutachtung und Beurteilung nach Methoden der DS 820.06 05 B5 und RIL 821.2005 durchgeführt wird. Dies sind händische Messmethoden mit Linealen, Messlehren, Messschnüren, Messkeilen, Spiegel und Fühllehren. Insbesondere werden Rampenverläufe am Herzstück ermittelt, eine Ebenheit und Richtung der Schienen geprüft sowie eine Höhenlage des Herzstückes und der Flügelschienen ermittelt. Hierfür ist ein Personenaufwand von 3 Personen, ein Zeitaufwand von bis zu etwa einer halben Stunde sowie ein teilweise sehr platzzehrendes 8-teiliges Messmittelset erforderlich.
Desweiteren stehen hierdurch lediglich geometrische Daten über den Verschleißzustand an Herzstück und Flügelschiene zum Zeitpunkt der Vermessung zur Verfügung ohne weitere Aussagen über den zugehörigen Ober- und Unterbau. Ebenso werden Schwellenhohllagen nicht erkannt und bis dato mit keinem System automatisch erfasst.
Nachteil dieser Lösung ist somit insbesondere ein großer personeller und zeitlicher Messaufwand, d.h. seltene und nur unzureichende Beschreibung des tatsächlichen Überlaufzustandes. Das Voraussagen und Veranlassen rechtzeitiger Instandhaltungstermine sind daher nicht möglich. Eingriffsschwellwerte für den Überlaufbereich fehlen bisher.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Bewertung des Gesamtsystems Weiche während einer Regelinspektion noch vor einer visueller Auffälligkeit durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß für das Verfahren durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale sowie für die Vorrichtung durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Anspruch 1 gibt ein Verfahren an zur Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück besteht. Hierbei wird bei Überfahrt eines Zuges mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder die Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche am starren Herzstück eine Messung einer Beschleunigung des Herzstückes durchgeführt, die durch die Überfahrt des Zuges über das Herzstück erzeugt wird, sowie die Geschwindigkeit des Zuges gemessen und die Befahrrichtung ermittelt wird.
Daraufhin werden die Messsignale der Beschleunigung am starren Herzstück, sowie der Geschwindigkeit und der Befahrrichtung des Zuges in einer Datenerfassungsanlage aufbereitet, abgespeichert und ausgewertet. Zusätzlich wird eine Kontrolle durchgeführt, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten werden. Für den Fall, dass die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten werden, wird ein nächster Wartungstermin prognostiziert. Werden hingegen die vorgegebenen Grenzwerte überschritten, wird eine Vermessung einer Lage und eines Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche insbesondere gemäß den Vorschriften DS 820 06 05 B5 bzw. BN 824.9005 veranlasst.
Nach Anspruch 2 wird zusätzlich zu der Messung der Beschleunigung des Herzstückes eine Messung einer Setzung an einer Schwelle im Bereich des starren Herzstückes durchgeführt, die durch die Überfahrt des Zuges über das Herzstück erzeugt wird. Die Messsignale der Setzung an einer Schwelle werden gemäß Anspruch 1 ebenfalls durch die Datenerfassungsanlage aufbereitet, abgespeichert, ausgewertet und weiterverarbeitet.
Anspruch 3 gibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus Anspruch 1 an. Bei Überfahrt eines Zuges mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder die Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche ermittelt ein Beschleunigungssensor am starren Herzstück eine Beschleunigung des Herzstückes, die der Zug durch die Überfahrt über das Herzstück erzeugt. Die Beschleunigungssensoren ermitteln die Beschleunigung des Herzstückes entweder lediglich in einer Raumrichtung oder besonders vorteilhaft in mehreren, insbesondere allen drei zueinander senkrechten Raumrichtungen.
Als Beschleunigungssensor werden hierbei nach Anspruch 5 insbesondere piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer verwendet.
Erfindungsgemäß werden somit insbesondere Beschleunigungen eines Bauteils im Überlaufbereich bei Zugüberfahrten gemessen und ortsgenau beurteilt. Diese stehen in einem direkten Zusammenhang mit dem Verschleiß des Bauteils, da ansteigende Beschleunigungen insbesondere durch anwachsende Abweichungen der Geometrie des Bauteils von seiner Sollform und der Lage des Bauteils von seiner Solllage hervorgerufen werden. Ein Überrollen eines Eisenbahnrades über die Herzstücklücke (insbesondere bei starren Herzstücken) geschieht demzufolge mit zunehmendem Verschleiß immer „unsanfter". Gleichzeitig bedeuten hohe Bauteilbeschleunigungen hohe Energieeinträge in das Bauteil, die ein Voranschreiten des Verschleißes noch zusätzlich fördern und beschleunigen.
Eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung ermittelt zusätzlich die Geschwindigkeit und die Befahrrichtung des Zuges. Hierbei wird insbesondere über mindestens zwei, in Richtung der Strecke in einem bestimmten Abstand hintereinanderliegende induktive Abstandssensoren die Zeit ermittelt, mit der der Zug den Abstand zwischen den beiden induktive Abstandssensoren zurücklegt. Hieraus ergibt sich unmittelbar die Geschwindigkeit des Zuges. Zusätzlich ergibt sich aus demjenigen induktive Abstandssensoren, der zuerst durch den Zug betätigt wird, unmittelbar die Befahrrichtung des Zuges. Anstatt von induktiven Abstandssensoren ist für die Ermittlung der Geschwindigkeit und der Befahrrichtung des Zuges ebenfalls insbesondere ein Einsatz von Radar-, Ultraschall, Lichtschranken oder Lasermessgeräten oder auch kapazitiven Sensoren im Gleisbereich möglich.
Eine Datenerfassungsanlage bereitet die Messsignale der Beschleunigungssensoren am Herzstück, der Wegmessvorrichtung an der Schwelle sowie der Geschwindigkeitsmessvorrichtung auf, speichert diese insbesondere elektronisch oder magnetisch ab und wertet sie entsprechend aus. Desweiteren kontrolliert die Datenerfassungsanlage, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten werden. Werden die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten, gibt die Datenerfassungsanlage einen prognostizierten nächsten Wartungstermin an. Werden die vorgegebenen Grenzwerte hingegen überschritten, wird mit Hilfe der Datenerfassung eine Vermessung des Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche insbesondere gemäß den Vorschriften DS 820 06 05 B5 bzw. BN 824.9005 veranlasst. Somit ist eine unterstützende Nutzung von herkömmlichen Messmitteln erst dann erforderlich, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen „Wartungsbedarf" detektiert.
Zusätzlich ermittelt nach Anspruch 4 mindestens eine Wegmessvorrichtung die Setzung an einer oder mehreren Schwellen im Bereich des Herzstückes, die der Zug durch die Überfahrt über das Herzstück erzeugt. Hierbei ermitteln die Wegmessvorrichtungen eine Bewegung der jeweiligen Schwelle in vertikaler Richtung, wodurch insbesondere eine Hohllage der Schwelle, d.h. eine fehlende oder mangelhafte Auflage der Schwelle auf ihrem Bettungskörper, ermittelt wird. Andere Bewegungsrichtungen einer Schwelle können durch entsprechende Wegmessvorrichtungen, die in andere als die vertikale Raumrichtung weisen, für eine zusätzliche und detailliertere Beurteilung der Lage der Schwelle ebenfalls ermittelt werden.
Als Wegmessvorrichtung kann vorteilhaft ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor oder ebenso ein handelsüblicher Wegsensor in Form eines Dreibein verwendet werden. Hierbei stützt sich ein Dreibein im Schotterbett zwischen der entsprechenden Schwelle ab, wobei angenommen werden kann, dass das Schotterbett bei der Überfahrt des Zuges nicht eingesenkt oder bewegt wird und somit als Referenz für die Setzung der Schwelle verwendet werden kann. Mit Hilfe eines Taststiftes, der in der Mitte des Dreibeins angebracht ist und der auf die Schwelle drückt, wird über eine Messung einer Widerstands- oder Kapazitätsänderung die Setzung der Schwelle ermittelt.
Die Messsignale der Setzung an einer Schwelle werden gemäß Anspruch 3 ebenfalls durch die Datenerfassungsanlage aufbereitet, abgespeichert, ausgewertet und weiterverarbeitet.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere während Regelinspektionen und direkt nach Wartungsarbeiten. Hierbei wird eine genaue Aussage über den Systemzustand des Überlaufbereiches des Herzstückes, einer Flügelschiene sowie der Schwelle inklusive Ober- und Unterbau durch eine schnelle und einfache Prüfung von Reaktionen des Systems Weiche getroffen. Es wird somit frühzeitig ein Systemverschleiß festgestellt und aus dessen Daten ein notwendiger Instandhaltungstermin und -aufwand prognostiziert, wodurch insbesondere bessere Mittelplanbarkeit und eine Optimierung der Lebenszykluskosten gewährleistet wird. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer Verschleißverfolgung während der Regelinspektionen sowie einer Vergleichbarkeit mit früheren Messwerten.
Hierfür ist lediglich ein Personenaufwand von 1 Person, ein Zeitaufwand von etwa 15 Minuten sowie ein Messmittelaufwand von einem Messkoffer mit Diagnosegerät und mobiler Sensorik erforderlich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung mit zwei Figuren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 schematisch eine Weiche mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel betrifft einen Überlaufbereich einer Weiche 1 aus 1, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück 2 besteht.
Bei Überfahrt eines Zuges mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche 1 ermittelt ein Beschleunigungssensor 4, der an dem Herzstück 2 angebracht ist, eine Beschleunigung, die der Zug durch die Überfahrt erzeugt. Zusätzlich führt eine Wegmessvorrichtung 5 eine Messung der Setzung an einer Schwelle im Bereich des Herzstückes 2 durch, die der Zug durch die Überfahrt erzeugt. Eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung ermittelt die Geschwindigkeit und die Befahrrichtung des Zuges.
Eine Datenerfassungsanlage 3 führt gemäß 2 eine Signalaufbereitung und Signalspeicherung der Messsignale des Beschleunigungssensors 4, der Wegmessvorrichtung 5 sowie der Geschwindigkeitsmessvorrichtung durch und wertet sie entsprechend aus. Desweiteren kontrolliert die Datenerfassungsanlage 3, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten werden. Werden die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten, wird mit Hilfe der Datenerfassung ein Wartungstermin prognostiziert. Werden die vorgegebenen Grenzwerte hingegen überschritten, veranlasst die Datenerfassungsanlage 3 eine Vermessung einer Lage und eines Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche insbesondere gemäß den Vorschriften DS 820 06 05 B5 bzw. BN 824.9005. Daraufhin werden ermittelte verschlissene Bauteile gewartet und eine erneute erfindungsgemäße Überprüfung durchgeführt, mit der eine Qualität einer Bauteilwartung überprüft und kontrolliert wird.

1: Weiche
2: Herzstück
3: Datenerfassungsanlage
4: Beschleunigungssensor
5: Wegmessvorrichtung
6: Einbauort der Datenerfassung und -verarbeitung

Claims

Verfahren zur Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und/oder mindestens einem starren Herzstück besteht, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überfahrt eines Zuges in einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder die Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche – am starren Herzstück oder dem Kreuzungspunkt eine Messung von Beschleunigungen des Herzstückes oder des Kreuzungspunktes an mindestens einem Ort des Herzstückes oder Kreuzungspunktes in mindestens einer Raumrichtung durchgeführt wird, die durch die Überfahrt des Zuges über das Herzstück/Kreuzungspunkt erzeugt werden, – die Geschwindigkeit des Zuges gemessen und die Befahrrichtung ermittelt wird, – Messsignale der Beschleunigungen am starren Herzstück/Kreuzungspunkt, der Setzung der Schwellen sowie der Geschwindigkeit und der Befahrrichtung des Zuges in einer Datenerfassungsanlage aufbereitet, abgespeichert und ausgewertet werden, – eine Kontrolle durchgeführt wird, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten werden und für den Fall, dass – vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden, ein prognostizierter nächster Wartungstermin ermittelt wird, – vorgegebene Grenzwerte überschritten werden, eine Vermessung einer Lage und eines Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche veranlasst wird.
Verfahren zur Diagnose und Zustandsmonitoring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche, die auf Schwellen befestigt ist und durch ein Schotterbett abgestützt wird, eine Messung einer Setzung an mindestens einem Ort mindestens einer Schwelle im Bereich des starren Herzstü ckes durchgeführt wird, die durch die Überfahrt des Zuges über das Herzstück erzeugt wird.
Vorrichtung zur Diagnose und Zustandsmonitoring im Überlaufbereich einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück besteht, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überfahrt eines Zuges und in einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder die Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche – mindestens ein Beschleunigungssensor am starren Herzstück eine Beschleunigung ermittelt, die der Zug durch die Überfahrt über des Herzstückes erzeugt, – eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung die Geschwindigkeit und die Befahrrichtung des Zuges ermittelt, – eine Datenerfassungsanlage Messsignale der Beschleunigungssensoren am Herzstück, der Wegmessvorrichtungen an den Schwellen sowie der Geschwindigkeitsmessvorrichtung aufbereitet, abspeichert und auswertet, – die Datenerfassungsanlage eine Kontrolle durchführt, ob charakteristische, vorgegebene Grenzwerte überschritten werden und für den Fall, dass – vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden, eine Prognose für nächsten Wartungstermin ermittelt, – vorgegebene Grenzwerte überschritten werden, eine Vermessung einer Lage und eines Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche veranlasst.
Vorrichtung zur Diagnose und Zustandsmonitoring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche, die auf Schwellen befestigt ist und durch ein Schotterbett abgestützt wird, mindestens eine Wegmessvorrichtung die Setzung an einer oder mehreren Schwellen im Bereich des starren Herzstückes ermittelt, die der Zug durch die Überfahrt über das Herzzstück erzeugt.
Vorrichtung zur Diagnose und Zustandsmonitoring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor als piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer ausgeführt ist.