-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zugmasse eines
Zugverbandes während einer Zugfahrt, wobei die Zugkraft
und Beschleunigung oder Verzögerung während Beschleunigungs- oder
Verzögerungsphasen der Zugfahrt gemessen werden und unter
Zuhilfenahme dieser Messwerte die Zugmasse errechnet wird.
-
Ein
Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der
DE 101 59 957 A1 bekannt.
Die
DE 101 59 957
A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung spezifischer,
physikalischer Parameter eines Zugverbandes als aktuelle Zustandsgrößen
während einer laufenden Zugfahrt. Dies erfolgt unter Verzicht
auf einen fahrzeugseitigen oder streckenseitigen Einbau zusätzlicher
Bauteile oder Komponenten. Ein aktueller Fahrzustand des Zugverbandes
wird durch Erfassen einer oder mehrerer physikalischer Zustandsgrößen des
Zugverbandes bestimmt und einer der Bewegungsphasen Beschleunigung,
Beharrungsfahrt, Auslauf oder Bremsung zugeordnet. Anschließend werden
die spezifischen, physikalischen Parameter des Zugverbandes mittels
fahrdynamischer Formeln in Abhängigkeit von der so ermittelten
aktuellen Bewegungsphase des Zugverbandes als aktuelle Zustandsgröße
errechnet. Als physikalische Zustandsgrößen des
Zugverbandes werden die am Radumfang übertragene Zugkraft,
der zurückgelegte Weg, die Geschwindigkeit und/oder die
Zeit bestimmt. Beispielsweise wird nach der
DE 101 59 957 A1 vorgeschlagen,
in Beschleunigungsphasen eine Massebestimmung des Zugverbandes vorzunehmen,
wobei die Massebestimmung nach der
DE 101 59 957 A1 die Ermittlung von Luftwiderstand,
Hangabtrieb, Rollwiderstand und Kurvenwiderstand erfordert. Beispielsweise
wird der Luftwiderstandsbeiwert des Zugverbandes in Auslaufphasen
des Zugverbandes ermittelt. Da die Ermittlung der einzelnen Fahrwiderstände
teils direkt oder indirekt mit verhältnismäßig großen
Fehlern behaftet ist, ist es erforderlich, die Auswertungsergebnisse
einer Vielzahl von Messpunkten nach der Methode der gleitenden Mittelwertbildung
aufzusummieren.
-
Das
in der
DE 101 59 957
A1 beschriebne Verfahren zur Ermittlung von Zugmassen über
Zugkraft- und Beschleunigungsmessung kann daher als durchaus aufwendig
und ungenau bezeichnet werden.
-
Obwohl
in der
DE 101 59 957
A1 ein Verfahren zur Massebestimmung eines Zugverbandes
während einer laufenden Zugfahrt beschrieben ist, wird üblicherweise
zur Massebestimmung bei gleisgebundenen Zugverbänden, die
Stückgut oder Schüttgut transportieren, eine Wägung
auf dem Gleis durchgeführt. Insbesondere bei Kohlezügen,
wie sie beispielsweise im rheinischen Braunkohlenrevier Anwendung
finden, wird die ins Kraftwerk verbrachte Kohlenmenge bzw. Kohlentonnage
mittels Gleiswaagen ermittelt. Solche Gleiswaagen erfordern verhältnismäßig
hohe Investitionskosten, ganz abgesehen davon, dass die Wägung
auf dem Gleis umständlich ist. Zunächst muss die
Leermasse des Zuges mittels eines Wägevorgangs erfasst
werden, sodann muss der beladene Zug über die Gleiswaage
gefahren werden.
-
Das
aus der
DE 10159 957
A1 bekannte Verfahren ist u. a. mangels hinreichender Genauigkeit nicht
zur Wägung zwecks Transportmassebestimmung geeignet. Das
bekannte Verfahren ist in erster Linie zur Erzielung einer energiesparenden
Fahrweise des Triebfahrzeuges geeignet.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere für
die Transportmassebestimmung eines Zugverbandes geeignetes Verfahren bereitzustellen,
das hinreichend genau ist und verhältnismäßig
einfach während einer Zugfahrt durchführbar ist.
-
Die
Aufgabe wird zunächst gelöst durch ein Verfahren
zur Bestimmung der Zugmasse eines Zugverbandes während
einer Zugfahrt, wobei die Zugkraft und Beschleunigung oder Verzögerung
während Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen der
Zugfahrt gemessen werden und unter Zuhilfenahme dieser Messwerte
die Zugmasse errechnet wird, wobei sich das Verfahren gemäß der
Erfindung insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Zugkraftmessung
in wenigstens zwei verschiedenen Messdurchgängen erfolgt,
wobei in einem ersten Messdurchgang eine erste Zugbeschleunigung
oder Verzögerung mit einer ersten Zugkraft oder einer ersten
Verzögerungskraft und in einem zweiten Messdurchgang eine
zweite Zugbeschleunigung oder Verzögerung mit einer zweiten
Zugkraft oder Verzögerungskraft ermittelt werden und wobei
der Betrag der ersten Zugkraft oder Verzögerungskraft kleiner
als der Betrag der zweiten Zug- oder Verzögerungskraft ist.
-
Unter
Zugverband im Sinne der Erfindung ist nicht notwendigerweise ein
gleisgebundener Zugverband zu verstehen, vielmehr können
hierunter auch Fahrzeuge jedweder Art fallen, die einen angetriebenen
und einen gezogenen Teil umfassen. Gleichwohl ist unter dem Begriff
bei der Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele im
Folgenden ein gleisgebundener Zugverband bestehend aus einem oder mehreren
Lokomotiven bzw. Triebfahrzeugen und einem oder mehreren Waggons
zu verstehen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in vorteilhafter
Art und Weise in zwei verschiedenen Messdurchgängen während
der Zugfahrt verschiedene Zugkräfte und Beschleunigungen
ermittelt und die Zugmasse aufgrund des bekannten physikalischen
Zusammenhangs F = m·a ermittelt. Das Funktionsprinzip ist ähnlich
demjenigen einer herkömmlichen Waage (z. B. Federwaage),
wobei zur Massenberechnung nicht die Erdbeschleunigung verwendet
wird, sondern die Masse verschiedenen Beschleunigungen ausgesetzt
wird und die hierzu benötigte Kraft gemessen wird. Das
verwendete physikalische Prinzip ist grundsätzlich bekannt.
-
Erfindungsgemäß werden
verschiedene andere Einflussgrößen auf das Messergebnis
dadurch eliminiert, dass die Zugmasse verschiedenen Beschleunigungen
oder Verzögerungen ausgesetzt wird und zu jeder Beschleunigung
oder Verzögerung die beschleunigungs- oder verzögerungsabhängige Zugkraft
ermittelt wird.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Zugmasse aus der Differenz der
ersten Zug- oder Verzögerungskraft und der zweiten Zug-
oder Verzögerungskraft bezogen auf die Differenz der ersten
und zweiten Beschleunigung oder Verzögerung ermittelt wird.
-
Auf
diese Art und Weise werden die beschleunigungsunabhängigen
Zugkräfte, d. h. die Summe aus Fahrwiderstand und Hangabtriebskraft, bei
der Berechnung der Zugmasse eliminiert. Hierdurch entfällt
die Berechnung der geschwindigkeitsabhängigen Fahrwiderstände,
eine Berücksichtigung der Streckenneigung ist nicht erforderlich.
Auf diese Art und Weise kann mit verhältnismäßig
hoher Genauigkeit die Masse des Zugverbandes ermittelt werden. Bei
einer bekannten Leermasse ist so auf einfache Art und Weise die
Zuladung des Zugverbandes ermittelbar.
-
Es
ist für den Fachmann ersichtlich, dass eine Massenberechnung
auch mit negativen Beschleunigungswerten möglich ist. Aus
Vereinfachungsgründen ist deshalb im Folgenden nur noch von
Zugkräften und Beschleunigungen die Rede, hiermit sollen
auch Verzögerungskräfte sowie Verzögerungen
umfasst sein.
-
Bei
einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass wenigstens zwei aufeinanderfolgende Messungen
der Zugkraft des Zugverbandes während wenigstens zweier
aufeinanderfolgender Beschleunigungsvorgänge mit unterschiedlichen
Fahrleistungseinstellungen vorgenommen werden.
-
Die
Fahrleistungseinstellungen werden zweckmäßigerweise
so gewählt, dass die zweite Zugkraft wenigstens dreimal
so groß wie die erste Zugkraft ist.
-
Die
Messung der Zugkraft erfolgt vorzugsweise mittels wenigstens eines
zwischen dem Zugfahrzeug und dem gezogenen Wagen vorgesehenen Kupplungsmessglieds.
-
Hierzu
kann beispielsweise die Kuppelstange zwischen dem Triebwagen und
den daran angehängten Waggons mit einem Messaufnehmer versehen
sein. Als Messaufnehmer kommen beispielsweise Dehnmessstreifen in
Betracht, die zu einer Wheatstoneschen Messbrücke miteinander
verschaltet sind.
-
Bei
einer Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Messung der
ersten Zugkraft und der ersten Beschleunigung mit einer ersten Fahrleistungseinstellung
aus dem Stand nach Erreichen einer definierten Anfangsgeschwindigkeit
V1 gestartet wird und über ein
erstes definiertes Messinterval durchgeführt wird und dass
die Messung der zweiten Zugkraft und der zweiten Beschleunigung
mit einer zweiten Fahrleistungseinstellung über ein zweites definiertes
Messinterval im Anschluss an das erste Messinterval durchgeführt
wird.
-
Zweckmäßigerweise
erfolgt die Messung der zweiten Zugkraft und der zweiten Beschleunigung unterhalb
einer definierten Maximalgeschwindigkeit Vmax,
die vorzugsweise ≤ 20 Stundenkilometer beträgt.
Die Anfangsgeschwindigkeit V1 beträgt
zweckmäßigerweise ≥ 3 Stundenkilometer.
-
Durch
die Durchführung der Messfahrten bei geringer Geschwindigkeit
wird der Einfluss des Luftwiderstandes auf die Genauigkeit der Berechnung verhältnismäßig
gering.
-
Die
Messung der Zugkraft und der Beschleunigung erfolgt zweckmäßigerweise
während einer für diese Zwecke eingeleiteten Messfahrt
des Zugverbandes. Die Messung kann beispielsweise auf einem Messstreckenabschnitt
definierter Länge mit einer konstanten Steigung durchgeführt
werden. Für eine nahezu vollständige Kompensation
der Streckensteigung muss für die Zuglänge plus
Messstrecke eine konstante Steigung/Gefälle vorliegen.
-
Die
Geschwindigkeit des Zugverbandes kann mittels wenigstens eines auf
dem Fahrzeug vorgesehenen Radarmessgeräts bestimmt werden.
-
Die
Festlegung des korrekten Messorts kann anhand an Ortsmarken auf
dem Gleis sichergestellt werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Gleisabschnitt mit
konstanter Neigung vorgesehen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels erläutert.
-
Das
zuvor beschriebene Messverfahren kann beispielsweise zur Wägung
von Kohlenzügen verwendet werden. Solche Kohlenzüge
als gleisgebundene Transportfahrzeuge umfassen üblicherweise
eine oder mehrere Lokomotiven und von der Lokomotive gezogene Waggons
mit einem Gewicht von jeweils etwa 130 Tonnen. Das Wägen
eines solchen Zugs kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen.
Bei der Verfahrensweise nach Stand der Technik wird der Zug üblicherweise
beladen gewogen. Von dem so ermittelten Zuggewicht wird die Leermasse
des Zuges subtrahiert.
-
Eine
Wägung kann grundsätzlich auf verschiedene Art
und Weise erfolgen, entweder direkt oder indirekt. Bei der indirekten
Messung wird die Masse einer Beschleunigung ausgesetzt und die hierzu
benötigte Kraft wird gemessen, und zwar nach der bekannten
Gleichung: F = m·awobei m die Masse,
F die Kraft und a die Beschleunigung ist. Bei Wägungen
mit einer Federwaage wird die Masse der Erdbeschleunigung ausgesetzt.
Die Federwaage misst dann die Gewichtskraft, die proportional zur
Masse mit der Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s2)
ist.
-
Nach
dem anmeldungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen,
die Masse des Zuges zu messen, in dem dieser beschleunigt und die
hierzu notwendige Zugkraft ermittelt wird. Hierzu ist zwischen Lokomotive
und Waggons eine Anlage zur Zugkraftmessung installiert. Beispielsweise
kann die Kuppelstange durch Lokomotive und Waggons mit einer Messeinrichtung
in Form von Dehnmessstreifen bestückt sein, wobei die Dehnmessstreifen
in bekannter Art und Weise zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet
sind. Über diese Brücke lässt sich ein
proportionales Signal abnehmen. Die Geschwindigkeit und damit die
Beschleunigung des Zuges werden mit einem Radarmessgerät
ermittelt, welches sich auf der Lokomotive befindet. Die genaue
Position des Zuges für die Festlegung des korrekten Messorts wird
anhand von Ortsmarken im Gleis sichergestellt.
-
Der
Zug wird nun aus dem Stand beschleunigt. Dabei wird eine erste Zugkraft
(als Fahrleistungseinstellung) beispielsweise auf 40 kN angestellt.
Bei Erreichen von 5 Stundenkilometern werden die mittlere Zugkraft
und die mittlere Beschleunigung über einen Messzeitraum
von ca. 5 Sekunden ermittelt. Die Mittelwerte für Zugkraft
und Beschleunigung werden gespeichert. Eine zweite Messung wird
unmittelbar im Anschluss an die erste Messung durchgeführt,
und zwar mit einer voreingestellten Zugkraft (Fahrleistungseinstellung)
von 150 kN. Die mittlere Zugkraft und die mittlere Beschleunigung
werden wiederum über einen Messzeitraum von etwa 5 Sekunden
ermittelt. Die Mittelwerte werden gespeichert.
-
Die
Zugkraft der Lokomotive errechnet sich wie folgt: FLok = m·a + Σ(J·α)
+ m·g sinφ + m·g·(β+ζ·v2/km/h)2) (1)
-
Hierbei
ist β = 0,001.
-
Die
Formel beinhaltet die Einflüsse folgender Größen
auf die gemessene Kraft
- • die Beschleunigung
der Masse des Zuges (m·a),
- • die Beschleunigung der rotierenden Massen (Σ(J·α)),
- • die Hangabtriebskraft (m·g·sinφ),
- • den Rollwiderstand (m·g·β),
- • spezifischer Fahrwiderstand (rL)(g·(β+ζ·v2(km/h)2)
-
Für
einen Kohlezug gilt beispielsweise:
- FLok hat
die Einheit kN
- β = 10–3
- ζ = 0,15·10–6
-
Es
bezeichnen
- FLok
- – Zugkraft
der Lok, gemessen zwischen Lok und Zug,
- m
- – Gesamtmasse
des Zuges,
- a
- – Beschleunigung
des Zuges,
- α
- – Winkelbeschleunigung
der Räder,
- J
- – Massenträgheitsmoment
rotierender Teile (Räder),
- g
- – Erdbeschleunigung,
- β
- – Faktor
Rollwiderstand,
- v
- – Geschwindigkeit
des Zuges.
-
Mit
dem Radius Rr der Räder kann α durch
a ausgedrückt werden α = a/Rr und damit wird (1) zu FLok = a·(m + Σ(J/Rr))) + m g (sinφ + β + 0,15·10–6v2/(km/h)2) (2)
-
Wird
nun eine Zugkraftmessung bei niedrigen Geschwindigkeiten zwei Mal
durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Beschleunigungen,
verursacht durch zwei unterschiedliche Kräfte, gemessen
werden, so erhält man zwei Gleichungen der Form (2). Nach
Subtraktion ergibt sich FLok,1-FLok,2 = (a1 – a2)·m' + m·g·0,15·10–6/(km/h)2·(v1 2 – v2 2) (3)wobei m' = m + Σ(J/Rr)ist.
Wenn die Geschwindigkeiten hinreichend klein (bis 20 km/h) sind,
kann der letzte Term in (3) vernachlässigt werden und man
erhält m = (FLok,1-FLok,2)/(a1 – a2) – Σ(J/Rr) (4)
-
Die
Größen FLok,1, FLok,2, a1 und a2 werden gemessen, die Leermasse des Zuges
mleer kann aus Messungen auf einer Gleiswaage
ermittelt werden und die Massenträgheitsmomente J der Räder
können berechnet werden.
-
Damit
ergibt sich die Masse der Kohle mkohle eines
Zuges als Mkohle = m – mleer.
-
Idealerweise
werden die Messungen auf einer Gleisanlage mit konstanter Steigung über
einen Streckenabschnitt durchgeführt, dessen Länge
mindestens die Summe aus Zuglänge und Messfahrtstrecke
beträgt. Der Messvorgang kann von dem Lokomotivführer
manuell eingeleitet werden, die Messung läuft dann automatisiert
ab.
-
Die
Messergebnisse können von Zeit zu Zeit durch eine Wägung
mittels Gleiswaage kalibriert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10159957
A1 [0002, 0002, 0002, 0002, 0003, 0004, 0005]