DE102009018036A1

DE102009018036A1 - Vorrichtung zur Vorbeugung von Zugkatastrophen aufgrund beschädigter Eisenbahnwagenradsätze

Info

Publication number: DE102009018036A1
Application number: DE200910018036
Authority: DE
Inventors: Jakov Fridman
Original assignee: Fridman Jakov Dipl-Ing
Current assignee: Fridman Iakov De
Priority date: 2009-04-18
Filing date: 2009-04-18
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-04-19
Also published as: DE102009018036B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vorbeugung von Zugkatastrophen aufgrund beschädigter Eisenbahnwagenradsätze unter Verwendung von kontinuierlicher Kontrolle der Fahrzeugschwingungen. Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Betriebsstörungen und Betriebsstockungen der Eisenbahn zu vermeiden und die Betriebssicherheit zu erhöhen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch von 2 bis 4 angegeben. Die Erfindung verfügt gemäß ihrem Ausführungsbeispiel über einen Vibrograph zur kontinuierlichen Kontrolle der Vibrationen der Radsätze, der Alarmanlage über den beschädigten Radsätzen, der Stelleinrichtung für die Entlastung von beschädigten Radsätzen und des Aktivierungssystems der Notbremse. Am Untergestell des Waggons und der Lokomotive wird jedem einzelnen Radsatz gegenüber einer Vibrograph (z. B. nach Lösung DE 19826422) montiert, welcher elektromagnetische Wellen im Radarbereich (10-110 GHz emittiert. Die Strahlung wird durch die Oberfläche des Radsatzes zurückreflektiert und durch eine ebenfalls am Untergestell des Waggons und der Lokomotive befindlichen richtungsempfindlichen Antenne empfangen. Der Winkel zwischen reflektierender Fläche des Radsatzes und die Ausbreitungsrichtung des Radarsignals ist konstant, um aus einer Doppler-Frequenzdifferenz Oberflächenrisse zu berechnen. Ein Elektronikblock sendet ein Notsignal und Nummer des geschädigten Radsatzes dem Lokführer. Im Falle des ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vorbeugung von Verhütung der Zugkatastrophen aufgrund wegen beschädigter Eisenbahnwagenradsätze unter kontinuierlicher Kontrolle der Fahrzeugschwingungen.
Stand der Technik
Die Eisenbahnräder sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Deswegen müßen alle ICE-Radsätze komplett auf mögliche Fehler und Unregelmäßigkeiten geprüft werden.
Nach Anforderungen der europäischen Norm prEN 13262 wurde in Deutschland ein automatisches Ultraschallprüfsystem RWI (Rail Wheel Inspection) für die stationäre Einzelradprüfung in das Werk entwickelt. Die Basis des RWI-Prüfsystems braucht fünf bis zwölf Impuls-Echo-Prüfköpfe.
Es Optionen können auch die Scheibe, die Nabe und der Spurkranz geprüft werden. Außerdem ist eine Schrägeinschallung in die Stirnfläche möglich. Das komplette Prüfsystem mit allen Optionen benötigt ca. 5–28 Impuls-Echo-Prüfköpfe. Zur hundertprozentigen Abdeckung des Prüfbereichs wird das Rad während des Prüfvorganges mehrmals gedreht, wobei nach jeder Drehung die Prüfköpfe quer zur Achse verschoben werden. Die Eingabe der Radkenndaten und die Speicherung der Prüfdaten erfolgt über ein Softwaremodul.
Die Ultraschalluntersuchungen werden heute nur ausgeführt, wenn ein Rad nach einer Laufleistung von 350 000 bis 500 000 Kilometern zur Runderneuerung rollt. Dies entspricht bei den ICE-Triebzügen der ersten und zweiten Generation (ICE-1 und -2) etwa der Laufleistung eines halben Jahres. Da bisher bekannte Prüf- und Testverfahren zur Radkontrolle nur stationär eingesetzt werden können, fehlt ein Testverfahren, welches geeignet ist, akut entstehende Radschäden, Risse und Materialausbrüche beim Entstehungsprozess während der Fahrt zu detektieren. Leider zeigten die jüngsten Ereignisse, dass Radbrüche jederzeit passieren können.
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass die Sonde, die Hochfrequenzschallwellen in den Stahl schickt, die Risse mittels Echostörungen erkennen können, die von schadhaften Stellen im Stahl verursacht werden, verlangen jedoch saubere Prüfflächen. Schmutz macht aber die Messung zunichte. Deswegen werden die Räder dieser Züge ausgebaut, im Bereich der Lauffläche abgedreht und auf einem Ultraschall-Prüfstand untersucht. Außerdem werden die belasteten Punkte an den angetriebenen Rädern der meisten Züge nach einem genau festgelegten Plan mit einem tragbaren Ultraschallgerät manuell geprüft.
DE 198 26 422 offenbart die Vorrichtung zur kontinuierlichen Kontrolle der Radsätze von Schienenfahrzeugen auf mechanische Defekte und fehlerhaften Radlauf, sowie Dedektion von gefährlichen Fahrzuständen. Die Dedektion erfolgt durch die Wirbelstrom-Magnetfeldsensoren und Radar Dopplersensoren und dreidimensional wirkende Beschleunigungssensoren kontinuierlich während der Fahrt des Schienenfahrzeuges. Weiterhin wird kontinuierlich die Vertikalbeschleunigung, die Längsbeschleunigung und die Querbeschleunigung, welchen die Wagenaufbauten ausgesetzt sind, detektiert, analysiert und ausgewertet. Die Überwachungsvorrichtung besteht aus der Kombination von mehreren, nach unterschiedlichen Verfahren und Technologien, arbeitenden Sensoren, wobei die Signalerfassung und Analyse der Sensordaten mittels einer, in jedem Wagen vorhandenen, elektronischen Betriebsstörungserfassungseinrichtung erfolgt. Das Ergebnis der Sensordatenauswertung wird über eine Datenleitung an den Führerstand der Lokomotive übermittelt. Als ein wesentlicher Teil des Sensorsystems wird ein Wirbelstrom-Magnetfeldsensor beschrieben, welcher Risse und Beschädigungen am Radreifen während der Fahrt erkennt. Weiterhin wird ein Radar-Doppelsensor beschrieben, welcher den korrekten Radlauf detektiert.
Verwendung der Kombination von mehreren, nach unterschiedlichen Verfahren und Technologien arbeitenden Sensoren ( DE 198 26 422 ) verkompliziert der Vorrichtung und macht sie betriebserschwerend. Außerdem kann eine einfache Übertragung des Ergebnisses der Sensordatenauswertung an den Führerstand der Lokomotive nicht die Katastrophe vermeiden. Dafür spricht ein schlagender Beweis: Wegen der gebrochenen Radreifen. verunglückt am 3. Juni 1998 der ICE 884 kurz vor dem Bahnhof von Eschede bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h. „101 Menschen sterben, 88 werden verletzt. Von den ersten Schlagspuren des geborstenen Radreifens bis zum Ort der Katastrophe vergehen nur 90 Sek. Knapp eine Minute wäre geblieben, um den Zug nach den ersten Schlaggeräuschen zwischen Radreifen und Gleisbett noch rechtzeitig zu bremsen. Doch keiner der durch die Geräusche Verschreckten fand offenbar rechtzeitig den Weg zum Rettungsgriff der Notbremse” (DER SPIEGEL 21/1999 vom 24.05.1999 Seite 36).
Nach der Festigkeitslehre beschleunigt aber die bei der Notbremsung entstandene Kraft die Zerstörung von Rädern.
DE 20 2007 006 904 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung der Radsätze von vorbeifahrenden Schienenfahrzeugen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Temperatur der Radsatzlager zu kontrollieren. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer aus DE 202005 015 790 beschriebenen und als sogenannte „Heißläuferortungsanlage” ausgebildeten Vorrichtung vorgeschlagen, die innerhalb der Messstrecke jeder Schiene eines Schienenstranges mindester ein an die Auswerteinheit angeschlossenes Mikrofon und eine Kamera zugeordnet wird. Darüber hinaus wird noch eine sogenannte Flachstellenortungseinrichtung zugeordnet ist, die aus mehreren, jeweils immer einer Schwelle zugeordneten Schwellenreaktionskraftsensoren gebildet ist.
Leider ist die beschriebene Vorrichtung nicht in der Lage die Räder und Radreifen während der Fahrt kontinuierlich auf Risse und Schäden, sowie die Räder und Drehstelle auf korrekten Radlauf überprüfen.
Mann glaubt, auf eine elektronische Sicherung verzichten zu können, weil die Räder regelmäßig penibel geprüft werden. Der bei Eschede verunglückte ICE 884 hatte noch in der Nacht vor dem Unglück diese Kontrolle passiert. Das heißt, dass vorhandene Prüfsysteme kann man nur als „Alibi-System” betrachten.
Ereignisse, bei denen alle Züge des Typs „ICE-3” nach dem Kölner Unfall (Stand Juli 2008) für eine Überprüfung in die Werkstatt widerrufen wurden, zeigten klar, dass wirksames Prüfsystem bis Heute fellt. Es sind neue Lösungen erforderlich, um alle ICE-Räder effizient zu prüfen.
Aufgabenstellung
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, der Betriebsstörungen und Betriebsstockungen der Eisenbahn zu vermeiden und Betriebssicherheit zu erhöhen. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sich auf die Möglichkeit geschädigte Radsätze und Züge nötigenfalls sofort außer Betrieb setzen bezieht, ohne totalen Schaden zu zufügen.
Ein weiterer Vorteil bestehet auch darin, dass im Notfall statt einer Vielzahl von unbeschädigten Zügen zur Prüfungsstelle zu schicken, nur der defekte Zug oder einzelne Eisenbahnwagen oder Lokomotive außer Betrieb gesetzt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch von 2 bis 4 angegeben.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 Unterbringung von Vibrograf zur kontinuierlicher Kontrolle der Vibrationen von Radsätzen
2 eine Rückansicht der Stelleinrichtung für die Entlastung von beschädigten Radsätzen
Die Erfindung verfügt gemäß ihrem Ausführungsbeispiel über einen Vibrograf zur kontinuierlichen Kontrolle der Vibrationen der Radsätze, eine Alarmanlage, Stelleinrichtung für die Entlastung von beschädigten Radsätzen und ein Aktivierungssystem der Notbremse.
Es sind mobile Geräte verschiedene Bauart zur Geschwindigkeitsmessung für sich bewegende Objekte schon längst bekannt, doch ist noch nie eine (auf Amplitude der Vibration beruhendes) Vorrichtung beschrieben worden, mit dem geschädigte Eisenbahnwagenradsätze während sie sich bewegen – und nötigenfalls Züge – sofort außer Betrieb setzen, ohne totalen Schade zu zufügen.
Wie es in 1 dargestellt ist, wird am Untergestell des Waggons und Lokomotive (1) dem jeder einzelne Radsatz (2) gegenüber einen Vibrograf (3) (Z. B. nach Lösung DE 198 26 422 ) montiert, welcher elektromagnetische Wellen im Radarbereich (10–110 GHz) emittiert. Die Strahlung wird durch die Oberfläche des Radsatzes (2) zurückreflektiert und durch eine ebenfalls am Untergestell des Waggons und Lokomotive (1) befindlichen richtungsempfindlichen Antenne empfangen. Aus der Frequenzverschiebung zwischen emittierten und remittierten Strahlung wird mittels eine Elektronikblocks (der sich auch im Untergestell des Waggons und Lokomotive (1) befindet und hier nicht gezeigt ist) die Entstehung von Oberflächenrissen berechnet und angezeigt, wobei der Doppler-Effekt genutzt wird. Der Winkel zwischen reflektierender Fläche des Radsatzes und Ausbreitungsrichtung des Radarsignals ist konstant, um aus einer Doppler-Frequenzdifferenz Oberflächenrisse zu berechnen.
Wie es in 2 dargestellt ist, umfasst die Stelleinrichtung die Überdruckpumpe (4), zwei Hydraulikzylinder (5) für je Radsätze (2), eine Kugelrückschlagventil (6) und ein Elektronikblock (hier nicht gezeigt).
Gewerbliche Anwendung
Bei den Rotationen von unbeschädigten Radsätzen registrieren die Vibrografen die Phasenschwankung als Nullkomponente, die man mit dem automatischen Frequenzabgleich der Doppler-Frequenzphase ausgleichen kann. Bei der Entstehung die Oberflächenrissen auf dem Radsätzen nimmt der Doppler-Radar ein periodisch aussetzendes Signal und dessen Zeichenfrequenz der Umlaufgeschwindigkeit der Radsätze entspricht, aber die Phase veränderlich ist. Die Signalverzerrung bedeutet nichts anderes, als Rissbildung auf dem Radsatz. Wegen hoher Bruchlast und Drehmoment, kann ein Bruch der Radsätze (von dem Vergleichspunkt), in dem Haarrissbildung auf den Oberfläche der Radsätze nachgewiesen sind, in kurzer Zeit passieren.
Bei der Systemanordnung nach 1 sendet ein Elektronikblock ein Notsignal und Nummer des geschädigten Radsätze dem Zugführer. In Fälle des Alarms aufgrund des Auftretens eines Doppler-Effekts ist ein sofortiger menschlicher Eingriff erforderlich. Wenn es nicht der Fall ist, schaltet die Automatik die Stelleinrichtung ein, es heben zwei Hydraulikzylinder (5) den beschädigten Radsatz auf und dann setzt die Zwangsbremsung ein, um die Zuggeschwindigkeit, Bruchlast und Drehmoment auf den Rädern bis zu Haltbremsung zu minimieren. In gleicher Weise erfolgt es bei den Schwingungen der Achswelle.
Mit den abgehobenen geschädigten Radsätzen kann der Zug bis zu nächstfolgenden Station mit der Langsamfahrt rollen.
Bezugszeichenliste

1: Untergestell des Waggons und Lokomotive
2: Radsätze
3: Vibrograf
4: Überdruckpumpe
5: Hydraulikzylinder
6: Kugelrückschlagventil
7: Not-Aus-Taster
8: Feder
9: Eisenbahnschiene
10: Hebel
11: Eisenbahnwagen

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 19826422 [0007, 0008, 0023]
- DE 202007006904 [0010]
- DE 202005015790 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- europäischen Norm prEN 13262 [0003]
- DER SPIEGEL 21/1999 vom 24.05.1999 Seite 36 [0008]

Claims

Auf der kontinuierlichen Kontrolle der Fahrzeugschwingungen beruhende Vorrichtung zur Vorbeugung von Zugkatastrophen aufgrund beschädigter Eisenbahnwagenradsätze, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bewertung des technischen Zustandes der Räder und Achswellen durch in den Zug integrierte Vibrografen die geschädigten Radsätze und nötigenfalls Züge automatisch ohne totalen Schaden außer Betrieb mittels des Hebens von Radsätzen gesetzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Untergestell des Waggons und Lokomotive (1) die Überdruckpumpe 5, Kugelrückschlagventil (7) und zweiseitig vom Rädersatz (2) die Hydraulikzylinder (6) angebracht sind, die für den Aufhebung der beschädigten Radsätze dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuggeschwindigkeit, Bruchlast und Drehmoment auf die Räder durch die manuelle oder automatische Zwangsbremsung bis zu Haltbremsung minimiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zug mit den abgehobenen geschädigten Radsätzen oder Achswelle bis zu nächstfolgende Station mit der Langsamfahrt gerollt wird.