DE102007013669B4

DE102007013669B4 - Verfahren zur Messung der Feinwelligkeit von montierten Fahrdrähten im Schienenverkehr

Info

Publication number: DE102007013669B4
Application number: DE102007013669A
Authority: DE
Inventors: Michael Rux; Uwe Resch
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: DE102007013669A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Feinwelligkeit von montierten Fahrdrähten im Schienenverkehr, wobei eine Kamera und/oder ein Laser den Fahrdraht optisch erfasst und dessen Verlauf über eine Empfangseinrichtung aufgezeichnet wird,
gekennzeichnet dadurch, dass
– der Fahrdraht über eine Anhebevorrichtung geführt wird, die sich aus zwei Schleifstücken im Abstand l zusammensetzt, zwischen denen sich beim Fehlen von Feinwelligkeit eine Durchhangsparabel des Fahrdrahtes nach der Beziehung

einstellt, wogegen bei Vorhandensein einer sinusförmigen Feinwelligkeit mit der Amplitude α und der Wellenlänge λ ausgegangen wird von einer Beziehung

– in einer Relativbewegung zwischen der Anhebevorrichtung und dem Fahrdraht eine vorhandene Feinwelligkeit den Abstand l durchläuft, was sich in der Zeitabhängigkeit von x₀ = x₀(t) ausdrückt,
– mit einer Kamera und/oder einer Lasermesseinrichtung der Fahrdrahtverlauf während der Relativbewegung zumindest in der Mitte des Abstandes l optisch erfasst und aufgezeichnet wird,
– die Feinwelligkeit ermittelt wird anhand der Beziehung

– Maximalwerte der Steigung

mit einem...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Feinwelligkeit von montierten Fahrdrähten im Schienenverkehr, wobei eine Kamera und/oder ein Laser den Fahrdraht optisch erfasst und dessen Verlauf über eine Empfangseinrichtung aufgezeichnet wird.
Bei den elektrischen Bahnen schleift der Stromabnehmer der Lokomotive Material von der Unterseite des Fahrdrahtes ab. Um Betriebsstörungen zu vermeiden, wird in zeitlichen Abständen von einigen Monaten die verbleibende Resthöhe und die Fahrdrahtspiegelbreite mit einer Genauigkeit von einigen 0,1 mm gemessen. Entlang der Fahrstrecke ändert sich die Seitenlage des Fahrdrahtes laufend relativ zum Stromabnehmer, damit der Fahrdraht nicht lokale tief in das Schleifstück des Stromabnehmers eingeschnittene Kerben erzeugen kann. Durch die gleichmäßige seitliche Hin- und Herbewegung des Fahrdrahtes wird eine gleich verteilte relativ geringe Abnützung erzeugt.
Zur Vermessung des Fahrdrahtes gibt es die verschiedensten bekannten Verfahren. So ist eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes bei elektrischen Bahnen bekannt, wobei an einem Distanzstück auf dem Wagendach eines Schienenfahrzeuges in einer festen Entfernung voneinander in zwei Sensorgehäusen fotoelektrische Sensoren so angeordnet sind, dass sie einen bestimmten Winkel bilden, deren Signal von einer Messwertverarbeitungseinheit aufgenommen und ausgewertet wird ( DE 24 40 085 A1 ). Bei diesem Verfahren ist es nachteilig, dass eine Messungenauigkeit durch eine Verschmutzung der Sensoren nicht ausgeschlossen werden kann.
Darüber hinaus ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Stärke, der Seiten- und der Höhenlage von Fahrleitungen sowie zur Erfassung von Stößen an Fahrleitungen für elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge bekannt, wobei auf dem Dach des Schienenfahrzeuges horizontal und vertikal schwenkbare optische Sender angeordnet sind, deren abgestrahltes Licht von einer optischen Empfängerzeile aufgefangen und zusammen mit der Informationen eines Wegaufnehmers verarbeitet wird ( DE 297 16 560 U1 ).
Weiterhin bekannt ist ein Profil- und Lagemesssystem mit Hilfe eines FMCW-Radars bekannt, dessen aufgefächerter Strahlengang mittels eines Drehspiegels ortsauflösende Profilschnitte von Fahrleitungen ermöglicht ( DE198 50 118 A1 ). Neben der der Profilmessung erfolgt durch die Strahlen die Erfassung der Höhen- und der Seitenlage des Fahrdrahtes.
Bekannt ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Winkeln und Abständen zwischen Strukturen eines Fahrdrahtes, wobei

– nur Elemente mit einer vorgegebenen Form innerhalb der Abbildung des Fahrdrahtes untersucht werden und/oder
– alle in horizontaler Richtung befindlichen Strukturen der Abbildung des Fahrdrahtes, die im Vergleich zu dem zu vermessenden bekannten Objekt unter- oder überdimensioniert sind, aus dem Bild entfernt werden und/oder
– alle Strukturen der Abbildung des Fahrdrahtes, die von der vorgegebenen Neigung des zu vermessenden bekannten Objektes abweicht, aus dem Bild entfernt werden ( DE 103 45 861 A1 ).

Allen diesen bekannten Messvorrichtungen und -verfahren ist gemeinsam, dass mit ihnen nur die Fahrdrahtstärke und die Fahrdrahtlage berührungslos gemessen, erfasst und ausgewertet werden kann. Das aus jüngster Zeit bekannte Phänomen der Welligkeit, insbesondere der Feinwelligkeit von Fahrdrähten kurz nach erfolgter Herstellung einer Hochgeschwindigkeitsschienentrasse können diese Vorrichtungen und Verfahren jedoch nicht wirkungsvoll erfassen.
Eine Erfassung von Feinwelligkeiten ist bislang nur durch unmittelbare, stichprobenartige, händische Messung mit einem Messscheit oder per Sichtprüfung möglich.
Aus der JP 11-173838 A ist ein Verfahren zur Messung der Feinwelligkeit von Fahrdrähten bekannt, wobei der Fahrdraht dazu optisch abgetastet und das Verhältnis von Amplitude und Wellenlänge ermittelt wird. Das Verfahren kann an verlegten Fahrdrähten und von einem fahrenden Fahrzeug aus angewendet werden. An den Krafteinleitungspunkten am Fahrdraht (z. B. Hänger und Seitenhalter) entsteht ein großer Neigungswechsel (Knick am Saitenmodell). Dieser Neigungswechsel wird vom System als Überschreitung der Feinwelligkeit erkannt werden. Damit ist die Messung diskontinuierlich, was nachteilig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Feinwelligkeit des Fahrdrahtes hervorgerufene negative Begleiterscheinungen wie Lichtbogenbildung zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer und daraus resultierender höherer Verschleiß durch ein Messverfahren zu erkennen, zu erfassen und auszuwerten. Dies soll im Fahrbetrieb erfolgen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass

– der Fahrdraht über eine Anhebevorrichtung geführt wird, die sich aus zwei Schleifstücken im Abstand l zusammensetzt, zwischen denen sich beim Fehlen von Feinwelligkeit eine Durchhangsparabel des Fahrdrahtes nach der Beziehung
einstellt, wogegen bei Vorhandensein einer sinusförmigen Feinwelligkeit mit der Amplitude α und der Wellenlänge λ ausgegangen wird von einer Beziehung
– in einer Relativbewegung zwischen der Anhebevorrichtung und dem Fahrdraht eine vorhandene Feinwelligkeit den Abstand l durchläuft, was sich in der Zeitabhängigkeit von x₀ = x₀(t) ausdrückt,
– mit einer Kamera und/oder einer Lasermesseinrichtung der Fahrdrahtverlauf während der Relativbewegung zumindest in der Mitte des Abstandes l optisch erfasst und aufgezeichnet wird,
– die Feinwelligkeit ermittelt wird anhand der Beziehung
– Maximalwerte der Steigung
mit einem vorgegebenen Grenzwert, der gemäß
aus zulässigen Werten α, λ bestimmt wurde, verglichen werden.

Ein gespannter Fahrdraht verhält sich mechanisch trotz seiner Biegesteifigkeit wie eine gespannte Saite. Durch das Eigengewicht des Fahrdrahtes ergibt sich dadurch eine charakteristische Durchhangsparabel. Durch unzulässig große Dehnungen bei der Montage oder ungenügende Materialeigenschaften entstehen Knicke oder bleibende Verformungen des Fahrdrahtes. Durch diese bleibenden Verformungen bildet sich nicht die charakteristische Durchhangsparabel aus. Die Abweichung von der charakteristischen Durchhangsparabel wird gemessen und als Toleranzkriterium verwendet.
Beim erfindungsgemäßen Messverfahren wird ein Stück des Fahrdrahtes mit der Länge l mittels einer Anhebevorrichtung angehoben. Diese Anhebevorrichtung kann aus zwei Schleifstücken, die auf einem speziellen Mess-Stromabnehmer angeordnet sein können, bestehen. Die Länge l wird so gewählt, dass sich ein ausreichender Durchhang ergibt und die Wellenlängen der Feinwelligkeit erfasst werden kann. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen ist eine Länge von 1,5 m bis 2 m erforderlich.
Zwischen diesen Schleifstücken bildet sich eine Durchhangsparabel aus. Die Andruckkraft der Anhebevorrichtung am Fahrdraht muss dabei größer, als die anliegende Kraft an einem jeweiligen Hänger sein, damit sich auch im Bereich des Hängers eine Durchhangsparabel ausbildet (Ausknicken des Hängers ca. 150 N).
Der Durchhang zwischen den Schleifstücken kann durch mehrere seitlich auf den Fahrdraht schauende Kameras oder Laser erfasst werden. Weiterhin kann auch wie beim Diagnoseverbrennungstriebwagen (DVT) durch eine mittig angeordnete Zeilenkamera mit zugehöriger Belichtungseinrichtung der Durchhang des Fahrdrahtes bestimmt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird die Befahrung eines Stromabnehmers nachgebildet. Das Messverfahren erfasst dadurch nur die Feinwelligkeit, die auch die Befahrungseigenschaften beeinflusst. Das Verfahren ist damit für die Abnahme von montierten Fahrdrähten sehr gut geeignet.
Bei der Verwendung einer Zeilenkamera kann die Höhenlage der unteren und der oberen Kante des Fahrdrahtes gemessen werden. Die Höhenlage der unteren Fahrdrahtkante kann zur Ermittlung der Steigung und Überprüfung die Feinwelligkeit verwendet werden. Die Steigung ist unabhängig von der Länge l. Die Feinwelligkeit kann daher mit dem DVT erfasst werden. Dieses System verwendet eine Abtastrate von 4800 Hz. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 36 m/s ergibt sich dadurch alle 2 mm ein Messpunkt. Zur Messung der Steigung ist eine Auflösung der Zeilenkamera von ΔFH_Min = w'·Δs ΔFH_Min = 0,0063/0,0084 mmerforderlich.
Vorteile der Erfindung:

– durch die Messvorrichtung können erstmals Feinwelligkeiten an Fahrleitungen nach dem Montagevorgang schnell und exakt erfasst werden
– es ist möglich, die Bereiche von überdurchschnittlicher Feinwelligkeit (Vergleich mit Grenzwert) herauszukristallisieren und eine Nachbesserung des entsprechenden Streckenabschnittes beim Hersteller einzufordern
– dadurch werden Lichtbogenbildungen und verstärkter Verschleiß des Fahrdrahtes und des Stromabnehmers vermieden
– die Messung kann als normale Zugfahrt durchgeführt werden
– die Ausschaltung und Bahnerdung der Oberleitung ist nicht erforderlich

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 – eine schematische Darstellung des Messverfahrens
2 – schematisches Messprinzip
Durch die Feinwelligkeit 2 von verlegten Fahrdrähten 1 entstehen Lichtbögen bei der Energieübertragung (1). Diese Lichtbögen können Funkstörungen hervorrufen und erhöhen den Verschleiß des Fahrdrahtes 1 und der Schleifstücke 3. Durch Messung der Feinwelligkeit des Fahrdrahtes 1 werden diese Probleme vor der Aufnahme des Betriebes erkannt und der Baumangel kann dem Auftragnehmer angezeigt werden. Die Überprüfung der Feinwelligkeit 2 kann direkt nach der Montage des Fahrdrahtes 1 durchgeführt werden, so dass ein ausreichender Zeitraum für Nacharbeiten zur Verfügung steht.
Für die Messung der Feinwelligkeit des Fahrdrahtes 1 wird die beschriebene Messeinrichtung mit den Schleifstücken 3 und den Messsensoren 4 an der Anhebevorrichtung 9 des Stromabnehmers auf einem Schienenfahrzeug montiert. Dieses Schienenfahrzeug kann ein spezielles Messfahrzeug oder auch ein Oberleitungs-Montagefahrzeug sein. Die Messung der statischen Fahrdrahtlage mit einem Montagefahrzeug ist von verschiedenen Firmen realisiert. Das Schienenfahrzeug fährt die zu überprüfende Strecke ab, wobei die Feinwelligkeit 2 des Fahrdrahtes 1 kontinuierlich überprüft wird. Die Messergebnisse werden über der Wegstrecke aufgezeichnet und auch die Einbauorte der Klemmen am Fahrdraht 1 registriert. Dadurch kann eine Fehlerstelle einem Ort der Oberleitung zugeordnet werden. Die Fehlerstellen werden dem Auftragnehmer mitgeteilt, so dass einzelne Stellen des Fahrdrahtes 1 nachbearbeitet werden können oder bei vielen Stellen die gesamte Nachspannlänge ausgewechselt wird.
Die 2 zeigt die Messvorrichtung und den Fahrdraht zu den Zeitpunkten (6; 7; 8)

– X₀ < l/2
– X₀ = l/2 und
– X₀ > l/2.

Als Grenzwerte der Amplitude α sind vorzugsweise Werte von 0,05 mm/0,1 mm denkbar. Die Wellenlänge λ kann einen Grenzwert von vorzugsweise 100 mm/150 mm aufweisen. Selbstverständlich können auch höhere oder niedrigere Grenzwerte festgelegt werden. Dies hängt maßgeblich von den maximalen Belastungen aufgrund des Schienenverkehrs (max. Geschwindigkeit) und des jeweiligen Verschleißzustandes der Oberleitung ab.

1: zu prüfender Fahrdraht
2: vorhandene Feinwelligkeit
3: Schleifstücke
4: Messsensoren
5: Fahrtrichtung des Messfahrzeuges mit der Messgeschwindigkeit V
6: Zeitpunkt X₀ < l/2
7: Zeitpunkt X₀ = l/2
8: Zeitpunkt X₀ > l/2
9: Anhebevorrichtung

Claims

Verfahren zur Messung der Feinwelligkeit von montierten Fahrdrähten im Schienenverkehr, wobei eine Kamera und/oder ein Laser den Fahrdraht optisch erfasst und dessen Verlauf über eine Empfangseinrichtung aufgezeichnet wird, gekennzeichnet dadurch, dass – der Fahrdraht über eine Anhebevorrichtung geführt wird, die sich aus zwei Schleifstücken im Abstand l zusammensetzt, zwischen denen sich beim Fehlen von Feinwelligkeit eine Durchhangsparabel des Fahrdrahtes nach der Beziehung
einstellt, wogegen bei Vorhandensein einer sinusförmigen Feinwelligkeit mit der Amplitude α und der Wellenlänge λ ausgegangen wird von einer Beziehung
– in einer Relativbewegung zwischen der Anhebevorrichtung und dem Fahrdraht eine vorhandene Feinwelligkeit den Abstand l durchläuft, was sich in der Zeitabhängigkeit von x₀ = x₀(t) ausdrückt, – mit einer Kamera und/oder einer Lasermesseinrichtung der Fahrdrahtverlauf während der Relativbewegung zumindest in der Mitte des Abstandes l optisch erfasst und aufgezeichnet wird, – die Feinwelligkeit ermittelt wird anhand der Beziehung
– Maximalwerte der Steigung
mit einem vorgegebenen Grenzwert, der gemäß
aus zulässigen Werten α, λ bestimmt wurde, verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Andruckkraft der Anhebevorrichtung am Fahrdraht größer als die anliegende Kraft an einem jeweiligen Hänger sein muss.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Schleifleisten der Anhebevorrichtung in einem Abstand von 1,5 bis 2 m montiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Zeilenkamera zur Messung der Steigung der Feinwelligkeit mit einer Auflösung von ΔFH_Min = w'·Δs ΔFH_Min = 0,0063/0,0084 mmverwendet wird.