DE102006057813A1

DE102006057813A1 - Regelverhalten von Gleitschutzgeräten für den Schienenverkehr bei unterschiedlichen Schienenverhältnissen

Info

Publication number: DE102006057813A1
Application number: DE200610057813
Authority: DE
Inventors: Sebastian Heinz; Jürgen Eisenblätter; Peter Dr. Spiess
Original assignee: DB Regio AG
Current assignee: DB Regio AG
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2008067858A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optimierung eines Regelverhaltens von Gleitschutzgeräten für den Schienenverkehr bei unterschiedlichen Schienenverhältnissen. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auch bei herbstlichen Schienenverhältnissen gute Haftbedingungen gewährleistet sind. Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß erfolgt ein Verzicht auf ein Verdampfen eines sich auf der Schienenoberfläche bildenden Schmierfilms und eine Verlagerung der Regelung auf das Haftwertmaximum bei sehr geringen Schlupfwerten, wobei die relativen Schlupfwerte in der Regel im Bereich von unter 5% bezogen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit (Niedrigschlupfbereich) eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optimierung eines Regelverhaltens von Gleitschutzgeraten für den Schienenverkehr bei unterschiedlichen Schienenverhältnissen.
Die Verfügbarkeit eines ausreichenden Kraftschlusses zwischen Rad und Schiene ist für die Erbringung sowohl der geforderten Traktions- als auch Bremsleistung der Züge elementar wichtig. Überschreitet der vom Fahrzeug ausgenutzte Kraftschluss den verfügbaren Kraftschluss, so tritt Makroschlupf auf, der im Traktionsfall das sogenannte Schleudern und im Bremsfall das Gleiten der Räder zur Folge hat. Beide Phänomene gehen mit Verlängerungen der Beschleunigungs- bzw. Bremswege und erhöhter Materialbeanspruchung bis hin zur Materialschädigung durch Flachstellen an den Rädern und Schleuderstellen auf dem Schienenkopf einher. Weitere Folgen sind verlängerte Fahrzeiten durch verminderte Traktionsleistung sowie verlängerte Bremswege.
Der auf der Schiene verfügbare Kraftschluss ist eine statistische Größe und von den folgenden Einflussparametern abhängig:

• Der Materialpaarung Rad-Schiene,
• der Berührgeometrie im Rad-Schiene – Kontaktpunkt,
• physikalischen Parametern wie z.B. der Radaufstandskraft, der Temperatur im Kontaktpunkt sowie
• der Art und Zusammensetzung der Zwischenschicht.

Dabei hat die Zwischenschicht, welche aus Verunreinigungen des Schienenkopfes sowie der Radlaufflächen wie z.B. Wasser, Rost, Öl, Staub oder zermahlenen Blättern besteht, bei weitem den größten Einfluss auf den verfügbaren Kraftschluss. Liegen die Kraftschlussbeiwerte bei trockenen Schienen im Allgemeinen bei 0,3–0,4, so können die Werte von m_v durch Nässe in Verbindung mit weiteren Verunreinigungen auf Werte unterhalb 0,1 sinken.
Eine besondere Häufung niedriger Kraftschlussbeiwerte tritt im Herbst auf, wenn von Bäumen herabfallende Blätter von Zügen überrollt werden und eine feste Schicht auf dem Schienenkopf bilden. In Verbindung mit Feuchtigkeit bildet diese Schicht einen Schmierfilm, der in der Lage ist, partiell Kraftschlussbeiwerte unterhalb 0,05 zu erzeugen. Schwerpunkt des Auftretens von Schmierfilm sind die Monate Oktober und November, in denen die Zugverspätungen aufgrund von Schmierfilm ein Maximum annehmen und es auch zu Bahnsteig- und Signalvorbeifahrten aufgrund verlängerter Bremswege kommt. Letztere sind zwar im Allgemeinen von den Sicherheitsreserven des Bahnbetriebs abgedeckt, bilden jedoch ein ernst zu nehmenden Betriebshemmnis.
Im Stand der Technik wird versucht, das Problem der verlängerten Bremswege durch die folgenden technischen Maßnahmen zu lösen:

• den Ersatz der Besandungsanlagen durch zuverlässigere und leistungsfähigere Modelle,
• die Optimierung des Sandeintrags in den Kontaktpunkt Rad-Schiene,
• die Umsetzung einer geschwindigkeitsabhängigen Sandmenge,
• die Automatisierung des Sandens bei Schnellbremsungen in Verbindung mit Gleitschutzauslösungen,
• die Implementierung einer Sandbehälter-Füllstandsanzeige,
• die Herabsetzung der Betriebsbremskraft sowie
• die Optimierung der Bremskraftanzeige im Display des Triebfahrzeugführers.

Um bei unterschiedlichen umweltbedingten Schienenzuständen die jeweils größtmögliche wirksame Bremskraft bei der Verzögerung von Schienenfahrzeugen zu erlangen und damit den jeweils geringst möglichen Bremsweg zu erreichen, ist in einer Reihe von Untersuchungen die Beziehung von Kraftschluss (Rad/Schiene) und Schlupf (Differenz zwischen Radumfangsgeschwindigkeit und Fahrzeuggeschwindigkeit) bei unterschiedlicher Beschaffenheit der Kontaktfläche Rad/Schiene an Fahrzeugen der Baureihe ET42x untersucht worden.
Ziel der Untersuchungen war, auch bei extrem schlechten Rad/Schiene-Haftbedingungen den Bremsweg zu minimieren. Die dabei neu zu berücksichtigenden Verhältnisse werden verursacht durch Laubfall und nasse Witterung, verbunden mit tiefen Temperaturen und treten nahezu ausschließlich im Herbst auf.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Kraftschlusskurven bei ausschließlich regennasser Schiene von der mit zusätzlichem Laubfall deutlich unterscheiden (schematisch skizziert in 1).
Gleitschutzregler konventioneller Art sind für ein festes Schlupf band optimiert, d.h. sie regeln die Umfangsgeschwindigkeit der Räder bei einer Bremsanforde rung, die ein Gleiten der Radsätze zur Folge hat, in einem klar definierten Schlupfbereich (schematisch skizziert in 2). Dieser wird möglichst schnell angefahren und bis zum Stillstand oder der Rücknahme der Bremsanforderung auch beibehalten. Der dabei eingestellte Schlupf bewegt sich in der Regel in einem von der UIC im Merkblatt 541-05 in Dauer und Ausprägung begrenzten Bereich, der je nach Anforderung entweder bis zu 30 km/h, oder bis zu 25% der Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs betragen kann.
Der Ansatz dabei ist, beim Bremsen durch Einstellen einer relativ hohen Schlupfgeschwindigkeit mittels Reibleistung zwischen Rad und Schiene einen möglicherweise vorhandenen Feuchtigkeitsfilm zu verdampfen und somit auch für die nachfolgenden Achsen verbesserte Haftbedingungen zu erlangen (Funktionsskizze in 3).
Diese Regelung findet jeweils drehgestellautark statt und liefert im Falle von regennasser Schiene durchaus optimale Bremsergebnisse. Auf eine Regleroptimierung hinsichtlich des anfänglichen Kraftschluss-Maximums wird verzichtet, weil dies den Feuchtigkeitsfilm nicht in ausreichendem Masse beseitigen würde Bei den oben beschriebenen herbstlichen Schienenverhältnissen, die von durchnässtem Laub auf dem Schienenkopf geprägt sind, liefert die konventionelle Regelung keine befriedigenden Ergebnisse, weil die Räder selbst durch einen hoch eingestellten Schlupf nicht in der Lage sind, den hartnäckigen Schmierfilm zu durchbrechen und für bessere Haftbedingungen zu sorgen.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auch bei herbstlichen Schienenverhältnissen gute Haftbedingungen gewährleistet sind.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Unteranspruche beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch 1.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Verzicht auf ein Verdampfen eines sich auf der Schienenoberfläche bildenden Schmierfilms und eine Verlagerung der Regelung auf das Haftwertmaximum bei sehr geringen Schlupfwerten, wobei die relativen Schlupfwerte in der Regel im Bereich von unter 5% bezogen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit (Niedrigschlupfbereich) eingestellt werden.
Die praktische Umsetzung der Verlagerung der Geschwindigkeitsregelung der Radsätze in Bereiche niedrigerer Schlupfwerte kann in unterschiedlichen Verfahrensweisen realisiert werden.
Nach Anspruch 2 wird durch systematische Bremsversuche ein Satz von Reglerparametern im Niedrigschlupfbereich gefunden, der es ermöglicht, den Radsatz in einem kleineren Schlupfbereich zu halten. Dieses Verfahren macht keinerlei zulassungsbedürftige Hard- oder Softwareänderungen im Gleitschutzgerät nötig, muss aber einen Kompromiss bezüglich Effizienz der Verdampfung des Wasserfilms bei weniger extremen Kraftschlussbedingungen eingehen. Die ermittelten Parameter beeinflussen den Zustandsregler des Gleitschutzgerätes und nehmen dabei unmittelbar Einfluss auf die Dosierung der Bremskraft an den Radsätzen der Schienenfahrzeuge.
Nach Anspruch 3 wird mit zwei unterschiedlichen, auf die jeweils äußeren Witterungsbedingungen optimierten Parametersätzen gearbeitet, die einmalig jeweils zu Beginn und zum Ende der Herbstperiode über die Serviceschnittstelle des Gleitschutzgerätes umgeschaltet werden. Dabei wird der Regler zum Beginn der Herbstperiode auf Niedrigschlupfregelung (< 5% Schlupf) und zum Ende der Herbstperiode auf Normalschlupfregelung (< 30% Schlupf) eingestellt.
Nach Anspruch 4 wird ein Gleitschutzregler eingesetzt, der je nach äußeren Bedingungen den Schlupf der Radsätze durch Dosierung der Bremskraft immer derart regelt, dass durch optimale Haftwertausnutzung die Verzögerung maximiert und somit die maximale Bremskraft auf die Schiene übertragen wird, wobei bei unzureichender Verzögerung im Normalschlupfbereich (< 30% Schlupf) der Niedrigschlupfbereich (< 5% Schlupf) ausgeregelt wird.
Zwei Verfahren zur Ermittlung des jeweils optimalen Regelbereiches kommen in Frage:
Nach Anspruch 5 entscheidet ein pneumatischer Gleitschutzregler beim Abgleiten der eingebremsten Radsätze durch Auswertung einer Radsatzverzögerungsschwelle, ob für den weiteren Verlauf der Bremsung eine erfindungsgemäße Niedrigschlupfregelung oder die Normalschlupfregelung aus dem Stand der Technik durchgeführt wird. Überschreitet die Radsatzverzögerung beim Einbremsen einen empirisch für jeden Fahrzeugtyp ermittelten Wert, so ist von einem extrem niedrigen Haftwert auszugehen und die oben definierte Niedrigschlupfregelung wird angewendet. Bleibt die Radsatzverzögerung unterhalb des Grenzwertes, kann die Normalschlupfregelung greifen.
Nach Anspruch 6 wird über eine externe Drehmomenterfassung an der Radsatzwelle das tatsächlich übertragende Bremsmoment als Regelkriterium für die beiden genannten Schlupfbereiche herangezogen. Hierzu geht das reale Bremsmoment, welches z.B. über eine Messanordnung mittels Dehnungsmessstreifen an der Radsatzwelle gewonnen wird, in die Entscheidung ein, ob Normal- oder Niedrigschlupfregelung Verwendung finden soll.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von einem Ausführungsbeispiel und einer Zeichnung mit zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen schematisch das Verhalten des Gleitschutzes.
4: Kraftschluss-Schlupf-Kennlinie bei festem Schmierfilm (z.B. Herbstlaub)
5: Kraftschluss-Schlupf-Beziehung für einen ganzen Zug auf festem Schmierfilm (z.B. Herbstlaub)
In 4 ist der Regelbereich des Gleitschutzes dargestellt. Durch die Regelung im Bereich geringen Schlupfes ist gewährleistet, dass die Räder eine hohe Bremskraft übertragen können. Der Bereich hohen Schlupfes, in welchem geringere Kräfte übertragen werden, wird vermieden. 5 zeigt die so bei herbstlichem Schmierfilm für den ganzen Zug geltende Beziehung für den Kraftschluss. Da bei herbstlichem Schmierfilm kein wirksamer Reinigungseffekt durch im Schlupf laufende Räder besteht, wird durch die neue Regelung eine optimale Kraftübertragung für den ganzen Zug schon bei geringen Schlupfwerten erzeugt.

Claims

Verfahren zur Optimierung eines Regelverhaltens von Gleitschutzgeräten für den Schienenverkehr bei unterschiedlichen Schienenverhältnissen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verzicht auf ein Verdampfen eines sich auf der Schienenoberfläche bildenden Schmierfilms und eine Verlagerung der Regelung auf das Haftwertmaximum bei sehr geringen Schlupfwerten erfolgt, wobei die relativen Schlupfwerte in der Regel im Bereich von unter 5% bezogen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit (Niedrigschlupfbereich) eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch systematische Bremsversuche ein Satz von Reglerparametern gefunden wird, der es ermöglicht, den Radsatz im angegebenen Niedrigschlupfbereich zu halten, wobei die ermittelten Parameter den Zustandsregler des Gleitschutzgerätes beeinflussen und ein unmittelbarer Einfluss auf die Dosierung der Bremskraft an den Radsätzen der Schienenfahrzeuge erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit zwei unterschiedlichen, auf die jeweils äußeren Witterungsbedingungen optimierten Parametersätzen gearbeitet wird, die einmalig jeweils zu Beginn und zum Ende der Herbstperiode über die Serviceschnittstelle des Gleitschutzgerätes umgeschaltet werden, wobei der Regler zum Beginn der Herbstperiode auf Niedrigschlupfregelung (< 5% Schlupf) und zum Ende der Herbstperiode auf Normalschlupfregelung (< 30% Schlupf) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleitschutzregler eingesetzt wird, der je nach äußeren Bedingungen den Schlupf der Radsätze durch Dosierung der Bremskraft immer derart regelt, dass durch optimale Haftwertausnutzung die Verzögerung maximiert und somit die maximale Bremskraft auf die Schiene übertragen wird, wobei bei unzureichender Verzögerung im Normalschlupfbereich (< 30% Schlupf) der Niedrigschlupfbereich (< 5% Schlupf) ausgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein pneumatischer Gleitschutzregler beim Abgleiten der eingebremsten Radsätze durch Auswertung einer Radsatzverzögerungsschwelle entscheidet, ob für den weiteren Verlauf der Bremsung eine Niedrigschlupfregelung oder die Nor malschlupfregelung durchgeführt wird, wobei bei Überschreitung der Radsatzverzögerung eines empirisch für jeden Fahrzeugtyp ermittelten Wertes beim Einbremsen von einem extrem niedrigen Haftwert ausgegangen wird und die definierte Niedrigschlupfregelung angewendet wird und bei einer Radsatzverzögerung unterhalb des Grenzwertes, die Normalschlupfregelung angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über eine externe Drehmomenterfassung an der Radsatzwelle das tatsächlich übertragende Bremsmoment als Regelkriterium für die optimale Schlupfgeschwindigkeit herangezogen wird und das reale Bremsmoment, welches beispielsweise über eine Messanordnung mittels Dehnungsmessstreifen an der Radsatzwelle gewonnen wird, in die Entscheidung eingeht, ob Normal- oder Niedrigschlupfregelung angewandt wird.