-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der dynamischen Radkraft eines Eisenbahnfahrzeugs, die während der Überfahrt
auf das Herzstück
einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche
eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens
einem starren Herzstück besteht,
ausgeübt
wird.
-
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 Weiche, 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.
-
Da
der Verschleiß bei
den Herzstücken
eine für
die Betriebssicherheit wesentliche Größe darstellt, ist es von besonderer
Bedeutung, die Konstruktion von Weichen und/oder Kreuzungen und/oder Kreuzungsweichen
derart zu optimieren, dass deren Herzstücke minimal verschleißgefährdet sind.
Hierzu ist es erforderlich, die Konstruktionen hinsichtlich der dort
tatsächlich
im Betrieb auftretenden dynamischen Radkraft zu bewerten, die von
Eisenbahnfahrzeugen auf das Herzstück einer Weiche, Kreuzung oder Kreuzungsweiche
während
der Überfahrt
ausgeübt wird.
-
Aus
DE 10 2004 014 282
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu 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,
bekannt. Hierbei wird bei Überfahrt
eines Zuges in einer bestimmten Befahrrichtung über die Weiche und/oder die
Kreuzung und/oder die Kreuzungsweiche am starren Herzstück oder
am Kreuzungspunkt eine Messung von Beschleunigungen des Herzstückes oder
des Kreuzungspunktes an mindestens einem Ort des Herzstückes oder
Kreuzungspunktes in mindestens einer Raumrichtung durchgeführt, die
durch die Überfahrt
des Zuges über
das Herzstück
bzw. den Kreuzungspunkt erzeugt werden. Außerdem wird die Geschwindigkeit
des Zuges gemessen und die Befahrrichtung ermittelt. Die Messsignale
der Beschleunigungen am starren Herzstück bzw. Kreuzungspunkt, der
Setzung der Schwellen sowie der Geschwindigkeit und der Befahrrichtung
des Zuges werden in einer Datenerfassungsanlage aufbereitet, abgespeichert
und ausgewertet. Es wird Kontrolle durchgeführt, ob charakteristische, vorgegebene
Grenzwerte überschritten
werden. Für den
Fall, dass vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden, wird ein
prognostizierter nächster Wartungstermin
ermittelt. Falls vorgegebene Grenzwerte überschritten werden, wird eine
Vermessung der Lage und des Zustandes von Bauteilen der Weiche und/oder
Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche veranlasst.
-
Diese
Messung gibt somit Auskunft über
den Verschleiß-Zustand
am untersuchten Herzstück.
Das Verfahren bzw. die Vorrichtung ist aber nicht geeignet, um die
gesamte für
die Weichenkonstruktion relevante Kraftverteilung im Herzstückbereich
der Weiche bzw. Kreuzung zu ermitteln und somit detaillierte Aussagen über eine
Bewertung der Weichenkonstruktion insgesamt zu treffen.
-
Aus
DE 44 39 342 A1 ist
eine Radkraftmessanlage bekannt. Die Radkraftmessanlage hat die Aufgabe,
Radsätze
an Schienenfahrzeugen auf Rundlaufabweichungen, insbesondere Flachstellen, zu
prüfen
und Meldungen an die zuständigen
Stellen weiterzuleiten.
-
Das
verwendete Messprinzip der Radkraftmessanlage beruht auf einer Messung
einer Schubverformung eines Schienensteges in der Schwellenfachmitte
(T-Messstelle) sowie auf einer Messung einer Verformung eines Schienenfußes im Bereich
eines Auflagers der Schiene (R-Messstelle) aufgrund einer Radlast
und/oder Radsatzlast.
-
Bei
der T-Messstelle werden mehrere Messwertaufnehmer, insbesondere
Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden
Schwellenfächern
jeweils in Höhe
der bekannten neutralen Faser des Schienensteges angebracht. Gemessen
wird somit die Schubverformung der Schiene und damit eine vertikale
Kraft zwischen Rad und Schiene. Die Anordnung in Höhe der neutralen Faser
des Schienensteges bewirkt zudem insbesondere, dass eine Verfälschung
der Messergebnisse aufgrund einer Durchbiegung der Schiene ausgeschlossen
wird.
-
Bei
der R-Messstelle werden mehrere Messwertaufnehmer, insbesondere
Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden
Auflagern, insbesondere Schwellen, jeweils am Schienenfuß angebracht.
Gemessen wird somit die Verformung des Schienenfußes.
-
Die
Radkraftmessanlage erfasst die vertikale Kraft zwischen Rad und
Schiene kontinuierlich über eine
bestimmte Länge
eines Schienenweges mit gleichbleibendem Schienenprofil.
-
Mit
Hilfe dieser Radkraftmessanlage ist allerdings eine dynamische Radkraftmessung
auf das Herzstück
einer Weiche, Kreuzung oder Kreuzungsweiche nicht möglich, da
sich im Bereich des Herzstücks
das Schienenprofil ändert.
-
Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, mit denen die dynamische Radkraft eines Eisenbahnfahrzeugs
auf das Herzstück
einer Weiche ermittelt werden kann und die die Nachteile des aufgezeigten Stands
der Technik überwinden.
-
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 5 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Anspruch
1 gibt ein Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Radkraft an,
die während
der Überfahrt
eines Eisenbahnfahrzeugs auf das Herzstück einer Weiche und/oder einer
Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche eines Schienenverkehrsweges,
die aus mehreren Fahrschienen und mindestens einem starren Herzstück besteht,
ausgeübt
wird. Hierzu werden bei Überfahrt
eines Zuges die Einzelkräfte
an allen kraftableitenden Stellen gemessen. Außerdem wird die Geschwindigkeit
des Zuges bestimmt. Gerade im Herzstückbereich sind die dynamischen
Radkräfte
um ein vielfaches höher
als die statischen Radlasten. Die Geschwindigkeit spielt daher eine
große
Rolle, denn der Überlauf
des Rades von der Flügelschiene
auf das Herzstück
und umgekehrt ist nicht immer optimal ausgeführt, konstruiert oder durch
Verschleiss verändert.
Auch das Radprofil beeinflusst die Messgröße.
-
Eine
Datenerfassungsanlage bereitet die Messsignale der Sensoren auf,
speichert diese insbesondere elektronisch oder magnetisch ab und
wertet sie aus. Nach Anspruch 2 setzen sich die zu messenden Einzelkräfte zusammen
aus Druckkräften und
Schubverformungen. Die Druckkräfte
werden auf den Schwellen gemessen, während die Schubverformungen
im Schwellenfach gemessen werden. Dadurch wird die vertikale Kraft
zwischen Rad und Schiene (Q-Kraft) kontinuierlich im Bereich des
Herzstücks
erfasst. Die Messung erfolgt bei Geschwindigkeiten von 60–400 km/h
und ist in beiden Fahrtrichtungen möglich.
-
Gemäß Anspruch
3 wird bei jedem einzelnen Schubspannungsmesspunkt die biegeneutrale
Faser ermittelt und bei jedem kraftableitenden Punkt der Kraftfluss
bestimmt. Dies ist erforderlich, um die Schubspannungs-Messstellen
an den neutralen Fasern positionieren zu können, damit die Messeinrichtung
nicht auf die normale Schienendurchbiegung anspricht.
-
Die
drei Bauteile im Herzstückbereich,
zwei Flügelschienen
und das Herzstück
selbst, sind über Futterstücke und
Schrauben miteinander verbunden. Der Kraftfluß vom Rad auf die befahrene
Flügelschiene, über die
Futterstücke
auf das Herzstück
bzw. auf die nichtbefahrene Flügelschiene
ist wegen der möglichen
unterschiedlichen Schwellenlage nicht genau vorherzusagen, deshalb
wird an allen drei Bauteilen parallel in den kraftableitenden Punkten
gemessen. Auch der Kraftfluß über die
Futterstücke
kann mit dieser Messmethode näher
betrachtet und optimiert werden.
-
Damit
ist es möglich,
die Messverfahren an jedem der Messpunkte an die Querschnitte bzw. Querschnittsänderungen
des Herzstücks
anzupassen.
-
Anspruch
4 beschreibt, wie die Daten über die
ermittelten dynamischen Radkräfte
ausgewertet werden. Eine Datenverarbeitungsanlage erfasst und speichert
die Daten und vergleicht die Daten mit vorgegebenen Grenzwerten.
Dadurch kann die Weichenkonstruktion quantitativ und auch qualitativ
hinsichtlich ihrer Verschleiß-
und Konstruktionseigenschaften bewertet werden. Es können Grundsatzaussagen über den
zu erwartenden Wartungs- und Instandhaltungsaufwand und über die
erforderlichen Inspektions- und Wartungsintervalle getroffen werden.
-
Falls
vorgegebenen Grenzwerte überschritten
werden, wird die spezielle Weichenkonstruktion verworfen, bzw. Veränderungen
in der Konstruktion als zwingend angezeigt.
-
Beim
Spitzbefahren der Weiche wird der dynamische Kraftspitzenwert, der
ein Vielfaches der statischen Radkraft sein kann, beim ersten Kontakt des
Rades mit dem Herzstück
gemessen. Beim Stumpfbefahren entsteht diese Spitzenkraft beim Erstkontakt
mit der Flügelschiene.
Diese Kontaktpunkte lassen sich mit Hilfe der gemessenen Geschwindigkeit örtlich zuordnen.
Die örtliche
Veränderung
der Kontaktpunkte und die damit einhergehende mögliche Kraftveränderung
sind ein Ergebnis der Auswertung dieser Messungen.
-
Anspruch
5 gibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus Anspruch
1 an.
-
Zur
Ermittlung der dynamischen Radkraft, die während der Überfahrt eines Eisenbahnfahrzeugs
auf das Herzstück
einer Weiche und/oder einer Kreuzung und/oder einer Kreuzungsweiche
eines Schienenverkehrsweges, die aus mehreren Fahrschienen und mindestens
einem starren Herzstück besteht,
ausgeübt
wird, werden bei Überfahrt
eines Zuges die Einzelkräfte
an allen kraftableitenden Stellen gemessen. Eine Datenerfassungsanlage
bereitet die Messsignale der Sensoren auf, speichert diese insbesondere
elektronisch oder magnetisch ab und wertet sie aus. Dabei wird durch
Addition der Einzelkräfte
die resultierende dynamische Gesamtkraft ermittelt, die auf das
Herzstück
wirkt.
-
Außerdem ermittelt
die Vorrichtung die Geschwindigkeit des Zuges. Nach Anspruch 6 ermitteln Kraftsensoren
die Druckkräfte
des Schienenfußes auf
der Schwelle, wenn das Rad die Schiene auf die Schwelle bzw. Zwischenlage
drückt.
-
Die
Schubverformungen des Schienensteges werden von Verformungssensoren
in der Schwellenfachmitte gemessen, wenn das Rad auf den Schienenkopf
drückt.
-
Gemäß Anspruch
7 bestehen die Kraftsensoren, die die Druckkräfte messen, aus Dehnungsmessstreifen
(DMS). Diese Verformung wird aufgrund der Dehnung mindestens eines
DMS gemessen und durch Kalibrierung einer definierten Kraft zugeordnet.
Mit dem Messprinzip wird die Krafteinleitung von der Flügelschiene
und vom Herzstück
in die Schwelle bei Belastung durch das rollende Rad ermittelt.
Es wird nur der Teil der Radaufstandskraft gemessen, der von den
Flügelschienen
bzw. vom Herzstück
in die Schwelle eingeleitet wird.
-
Gemäß Anspruch
8 bestehen die Kraftsensoren, die die Schubverformungen messen,
aus mindestens einem Dehnungsmessstreifen (DMS). Diese Verformung
wird aufgrund der Dehnung mindestens eines DMS gemessen und durch
Kalibrierung einer definierten Kraft zugeordnet.
-
Die
Messstellen werden immer in der Schwellenfachmitte angebracht. Des
weiteren können
die Messstellen als Triggersignal für den Start einer Messung benutzt
werden, so dass zusätzliche Einschaltkontakte
nicht erforderlich sind.
-
Gemäß Anspruch
9 sind die Schubverformungs-DMS in Höhe der neutralen Faser angebracht.
Dies gewährleistet,
dass die Messeinrichtung nicht auf die Schienendurchbiegung anspricht.
-
Gemäß Anspruch
10 bestimmt die Vorrichtung die Beanspruchung der einzelnen Bauteile,
indem sie bei den kraftabtragenden Punkten durch die Bildung von
Teilsummen den Kraftfluss nachvollzieht und auswertet.
-
Gemäß Anspruch
11 bewertet die Datenverarbeitungsanlage die Tauglichkeit der Konstruktion der
untersuchten Weiche und/oder Kreuzung und/oder Kreuzungsweiche.
Eine Datenverarbeitungsanlage erfasst und speichert die Daten und
vergleicht die Daten mit charakteristischen, vorgegebenen Grenzwerten.
Dadurch bewertet die Datenverarbeitungsanlage die Weichenkonstruktion
quantitativ hinsichtlich ihrer Verschleiß-Eigenschaften. Es können Aussagen über den
zu erwartenden Wartungs- und Instandhaltungsaufwand und über die
erforderlichen Inspektions- und Wartungsintervalle getroffen werden.
Falls vorgegebenen Grenzwerte überschritten
werden, zeigt die Datenerfassungsanlage an, dass die spezielle Weichenkonstruktion
verworfen werden muss, bzw. Veränderungen
in der Konstruktion zwingend erforderlich sind.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung
mit einer Figur näher
erläutert.
Die Zeichnung zeigt in 1 schematisch die Umgebung des
Herzstücks 2 einer
Weiche mit den Messpunkten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
-
Ein
besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
betrifft einen Überlaufbereich
einer Weiche aus 1, die aus mehreren Fahrschienen
und mindestens einem Herzstück
(1) besteht.
-
Bei Überfahrt
eines Zuges mit seiner Geschwindigkeit und seiner Befahrrichtung über die Weiche
ermitteln DMS die dynamische Radkraft eines Eisenbahnfahrzeugs auf
ein Herzstück
(1). Hierfür
sind jeweils acht DMS an den Stellen (2) auf dem Schienenfuß appliziert,
die die Druckkräfte
des Herzstücks
auf der Schwelle messen, wenn das Rad die Schiene auf die Unterlage
drückt.
Die Verformung wird aufgrund der Dehnung der DMS gemessen und durch
Kalibrierung einer definierten Kraft zugeordnet. Mit dem Messprinzip
wird die Krafteinleitung von der Flügelschiene bzw. vom Herzstück in den
Stützpunkt (Schwelle)
bei Belastung durch das rollende Rad ermittelt. Es wird nur der
Teil der Radaufstandskraft gemessen, der von der Flügelschiene
bzw. vom Herzstück
in den Schienenstützpunkt
(Schwelle) eingeleitet wird.
-
Ein
Verdrahtungsgehäuse
dient der Verschaltung, der an den Flügelschienen und am Herzstück befindlichen
DMS. Außerdem
befinden sich in dem Verdrahtungsgehäuse passive DMS, die der Temperaturkompensation
dienen. Die auf den Flügelschienen
und dem Herzstück
applizierten DMS werden nach der Applikation und der Verdrahtung
mit Silikongummi gegen Feuchtigkeit und Umwelteinflüsse geschützt.
-
Weitere
zwei DMS, die jeweils in der Schwellenfachmitte unter einem Winkel
von 45 Grad in der neutralen Phase, auf den Schienensteg appliziert sind
(3), ermitteln die Schubverformungen des Schienensteges,
wenn das Rad auf den Schienenkopf drückt. Diese Verformung wird
aufgrund der Dehnung der DMS gemessen und durch Kalibrierung einer
definierten Kraft zugeordnet. Aufgrund des sich ändernden Schienenquerschnitts
im Bereich des Herzstücks,
muss für
jeden Messpunkt jeweils die neutrale Phase gesondert ermittelt werden.
-
Des
weiteren werden die Messstellen als Triggersignal für den Start
einer Messung benutzt, so dass keine gesonderten Einschaltkontakte
erforderlich sind.
-
Die
Applikation wird ebenfalls mit Silikongummi abgedeckt.
-
Zum
Schutz der Messstellen gegen äußere mechanische
Beanspruchungen, wird die gesamte Messstelle mit Abdeckblechen versehen.
-
Eine
Geschwindigkeitsmessvorrichtung ermittelt die Geschwindigkeit und
die Befahrrichtung des Zuges.
-
Eine
Datenerfassungsanlage führt
eine Signalaufbereitung und Signalspeicherung der Messsignale der
Sensoren sowie der Geschwindigkeitsmessvorrichtung durch und wertet
sie entsprechend aus. Desweiteren kontrolliert die Datenerfassungsanlage, ob
vorgegebene Grenzwerte überschritten
werden.
-
Falls
vorgegebenen Grenzwerte überschritten
werden, zeigt die Datenerfassungsanlage an, dass die spezielle Weichenkonstruktion
verworfen werden muss, bzw. Veränderungen
in der Konstruktion zwingend erforderlich sind.
-
- 1
- Herzstück
- 2
- projizierte
Lage der DMS zur Messung der Druckkräfte
- 3
- projizierte
Lage der DMS zur Messung der Schubverformung