DE102011086759A1

DE102011086759A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Radlasten von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE102011086759A1
Application number: DE201110086759
Authority: DE
Inventors: Volkmar Zabel
Original assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Current assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: DE102011086759B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Radlasten (F) von Schienenfahrzeugen.
Erfindungsgemäß wird mittels dreier Dehnungssensoren (S1, S2, S3), welche zwischen zwei benachbarten Schwellen (3, 4) an drei in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen (P1, P2, P3) an und/oder in einer Schiene (1) angeordnet sind, eine Dehnung (ε₁, ε₂, ε₃) der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) ermittelt, während sich ein Rad (2) des Schienenfahrzeugs an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindet. Aus den ermittelten Dehnungen (ε₁, ε₂, ε₃) wird ein Querkraftverlauf (Q) zwischen den drei Positionen (P1, P2, P3) ermittelt. Aus diesem Querkraftverlauf (Q) wird die Radlast (F) des jeweiligen sich an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindenden Rades (2) des Schienenfahrzeugs ermittelt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Radlasten von Schienenfahrzeugen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 102 29 512 A1 beschrieben, ein Verfahren zum Erfassen von Radlasten von Schienenfahrzeugen und eine mobile Messeinrichtung bekannt. Die Messeinrichtung umfasst mindestens zwei Lastaufnahmeblöcke, in diesen angeordnete Messabschnitte und Elemente zum Halten und Verspannen der Lastaufnahmeblöcke in einer Gleisanlage. In einem Lastaufnahmeblock sind mindestens zwei kraftumleitende Elemente und mindestens zwei Stützmittel angeordnet, auf denen jeweils Endstücke von einem stabförmigen Messabschnitt lagern. Die Stützmittel weisen streifen- und/oder punktförmige Auflagen zur Arretierung in der Gleisanlage auf. Die Elemente zum Verspannen bestehen aus einer zwischen zwei Lastaufnahmeblöcken angeordneten einarmigen Verspannvorrichtung.
In der DE 33 09 908 A1 wird ein Verfahren zur Erkennung von Flachstellen an Schienenrädern beschrieben. Im Verfahren wird die Radaufstandskraft auf die Schiene über mindestens einen Radumfang kontinuierlich mittels einer Messstrecke oder abschnittsweise mittels mehrerer, eine Messstrecke bildenden Messstellen gemessen. Aus den derart gewonnenen Messwerten werden durch Tiefpassfilterung ein der Aufstandskraft eines flachstellenfreien Rades entsprechender Mittelwert sowie mindestens ein Spitzenwert ermittelt und beide Werte miteinander verglichen. Die Differenz oder der Quotient dieser Werte ist dann ein Maß für vorhandene Flachstellen.
Aus der DE 101 14 482 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dynamischen Messung der Achslast oder des Gewichts von Schienenfahrzeugen bekannt. Die Vorrichtung besteht aus mindestens zwei voneinander beabstandeten Kraftaufnehmern, die innerhalb mindestens eines Schwellenfaches angeordnet sind. Dabei bilden die Kraftaufnehmer mindestens eine Messstrecke, bei deren Überfahrt aus den Messsignalen das Achs- oder Waggongewicht ermittelbar ist. Dazu ist mindestens eine Messstrecke vorgesehen, die in einem vergrößerten Schwellenfach angeordnet ist. Dabei ist die Messstrecke gegenüber den regelmäßigen Schwellenmitten um mindestens 1/4 der Anregungswellenlänge der durch die regelmäßigen Schwellenabstände gebildeten Anregungswellenlänge verschoben. Hierzu sind Schwellenabstände vorgesehen, die mindestens dem 1,5-fachen der herkömmlichen Schwellenabstände entsprechen. Bei einer weiteren Ausführung sind mindestens zwei herkömmliche Messstrecken in herkömmlichen Schwellenfächern vorgesehen, die symmetrisch um ein 0,5-fach vergrößertes Schwellenfach angeordnet sind.
In der EP 0 500 971 B1 wird ein Wägeverfahren beschrieben. Eine Wägevorrichtung umfasst mindestens zwei voneinander beabstandet angeordnete, durch Kraftsensoren gebildete Messstellen, die einem Lastaufnahmeteil zugeordnet sind, wobei das Gewicht der Last durch Addition der Messsignale der Kraftsensoren ermittelt wird. Es wird sukzessiv nahezu jeder Teilabschnitt des zur unmittelbaren Beaufschlagung durch die Last vorgesehenen Bereichs des Lastaufnahmeteils zunächst mit bekannter Belastung beaufschlagt und der Einfluss des Krafteinleitungsortes auf die Signale der Kraftsensoren wird ermittelt. Diesen Ortspunkten werden Korrekturfaktoren zugeordnet, welche den Einfluss des Krafteinleitungsortes auf die Messsignale kompensieren. Durch Verknüpfung und Auswertung der Messsignale der Kraftsensoren während des Wägevorgangs wird der Ort der Krafteinleitung ermittelt und das Wägeergebnis mit Hilfe der vorgenannten Korrekturfaktoren korrigiert.
Aus der DE 34 01 699 A1 ist eine Anordnung zum Messen der Radlasten schnell fahrender Schienenfahrzeuge bekannt. Die Anordnung weist mehrere längs der Schienen eines Gleises im Abstand voneinander angebrachte Messstellen auf, wobei jede Messstelle wenigstens einen direkt am Steg der Schiene in Höhe der neutralen Faser und orthogonal dazu befestigten Dehnungsmessstreifen aufweist. Den Dehnungsmessstreifen sind Messverstärker zugeordnet. Die Messstellen der beiden Schienen sind in Gleisrichtung versetzt zueinander angeordnet. Die Dehnungsmessstreifen jeweils zweier in Gleisrichtung aufeinanderfolgender Messstellen des Gleises sind an den gleichen Messverstärker angeschlossen.
In der DE 32 10 410 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wiegen rollender Schienenfahrzeuge beschrieben. Ein Wiegeabschnitt eines Eisenbahngleises besteht aus zwei nicht unterstützten Abschnitten von konventionellen Schienen, gewonnen durch Entfernung zweier Schwellen. Die Länge der nicht unterstützten Schienen ist geringer als der Minimalabstand zwischen benachbarten Achsen eines Schienenfahrzeugs. An der Unterseite der Schienenbrücke sind pro Schiene vier Dehnungsmesser montiert, bestehend aus zwei Paaren von äußeren und inneren Messgeräten in den jeweiligen Brückenhälften. Die Ausgangssignale der vier Dehnungsmesser werden summiert, indem die Ausgangssignale der inneren Messgeräte addiert und die der äußeren Messgeräte subtrahiert werden. Diese Summe stellt einen konstanten Wert dar, der repräsentativ ist für die vom Gleis aufgenommene Last, während sich die Achslast zwischen den beiden inneren Messgeräten bewegt. Ein von einem Rad jeder Achse betätigter Begrenzungsschalter aktiviert einen Computer. Der Computer zählt eine Mehrzahl von Summenmessungen zusammen, während eine Achse sich zwischen den beiden inneren Messgeräten bewegt, bildet Durchschnittswerte der Summenmessungen, um einen Durchschnittslastwert für jede Wagenachse zu produzieren und wandelt die zusammengezählten Durchschnittswerte in das Gewicht des Wagens um.
Aus der DE 10 2008 008 578 B3 ist eine Ermittlung der dynamischen Radkraft eines Eisenbahnfahrzeugs auf das Herzstück einer Weiche bekannt. Bei Überfahrt eines Zuges werden die Einzelkräfte an allen kraftableitenden Stellen gemessen. Außerdem wird die Geschwindigkeit des Zuges bestimmt. Die zu messenden Einzelkräfte setzen sich zusammen aus Druckkräften und Schubverformungen. Die Druckkräfte werden auf den Schwellen gemessen, während die Schubverformungen im Schwellenfach gemessen werden. Eine Datenverarbeitungsanlage erfasst und speichert die Daten und vergleicht die Daten mit vorgegebenen Grenzwerten.
In der DE 103 15 666 A1 wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage beschrieben. Im Verfahren wird eine Radlast und/oder Radsatzlast eines über den Bereich der Messanlage rollenden bekannten Rades und/oder Radsatzes verwendet. Es wird eine Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Messwert der Messanlage während der Überfahrt des Rades und/oder Radsatzes der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast bestimmt und ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung der Messanlage aus einem Verhältnis der Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Messwert der Messanlage und der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast berechnet.
Aus der WO 2004/071840 A1 ist eine Messstrecke zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen schienengebundener Fahrzeuge bekannt. Es sind mindestens Aufnehmersysteme zur Kraftmessung, zur Temperaturmessung und/oder zur Wegmessung vorgesehen, die zur Bildung von Kennwerten aus den Aufnehmersignalen mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind. Die unterschiedlichen Aufnehmersysteme sind an gemeinsamen Schwellen oder Schienen innerhalb eines gemeinsamen Gleisabschnitts angeordnet. Gleichzeitig sind die verschiedenen Aufnehmersysteme mit einer gemeinsamen Auswerte- und Stromversorgungsvorrichtung verbunden, die aus den verschiedenen Aufnehmersignalen betriebs- und/oder sicherheitsrelevante Kennwerte eines überfahrenden Fahrzeugs oder von Gleisabschnitten errechnet.
In der WO 2004/068083 A1 wird eine Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung beschrieben. Die Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung innerhalb einer vorgegebenen Messstrecke weist mehrere Kraftaufnehmer zur Ermittlung der auf einer Schiene wirkenden Vertikalkräfte auf, die zwischen den Schienen und einer Schwelle angeordnet sind. In der Höhe mindestens unter dem Schienenkopf ist in jeder Schiene mindestens in dem die Schwellen überspannenden Längsbereich eine Aussparung vorgesehen. In dieser Aussparung ist jeweils ein längsgerichteter Scherkraftaufnehmer angeordnet, der den Schienenkopf auf der Schwellenoberseite abstützt. Dabei entspricht die gesamte Höhe der Vorrichtung mit dem unter dem Schienenkopf angeordneten Scherkraftaufnehmer der Höhe einer herkömmlichen Schiene und ist auf herkömmlichen Holz- oder Betonschwellen befestigt.
Aus der WO 02/03040 A1 ist eine Wägevorrichtung für Schienenfahrzeuge bekannt. Die Wägevorrichtung ist auf herkömmlichen standardisierten Betonschwellen befestigt. Dazu sind die herkömmlichen Betonschwellen unter der Schienenüberführung mit Befestigungsplatten versehen, auf denen die Kraftmessvorrichtungen bzw. Wägezellen befestigt sind. Als Kraftmessvorrichtungen sind solche mit Kraftrückführungselementen vorgesehen, die einerseits mit der Schwelle und andererseits mit den Schienen verbunden sind. Die mit den Kraftmessvorrichtungen versehenen Betonschwellen sind in ein durch Schotterverklebung stabilisiertes Schotterbett eingeklebt. Dabei sind Wägevorrichtungen mit einer oder bis zu vierzig mit Wägezellen versehenen Betonschwellen vorgesehen, durch die das Gewicht von Schienenfahrzeugen oder Teilen davon sowohl statisch als auch dynamisch ermittelbar ist.
In der DE 44 39 342 A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung unrunder Räder von Eisenbahnfahrzeugen beschrieben. Innerhalb eines bestimmten Gleisabschnittes sind im Bereich einer jeden Schwelle an den beiden Schienen Sensoren zur Erfassung von Schwellenreaktionskräften angeordnet. Begrenzt wird dieser Gleisabschnitt von weiteren Sensoren zur Schubkraftmessung. Diese Sensoren sind in der neutralen Faser der beiden Schienen angeordnet. Aus dem Verlauf der Schwellenreaktionskräfte kann geschlossen werden, ob die Räder eines über diesen Gleisabschnitt fahrenden Eisenbahnfahrzeuges unrund sind.
Aus der DE 42 07 516 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung belastungsabhängiger Schaltsignale an Eisenbahnschienen bekannt. Die Durchbiegung der Schiene wird in Abhängigkeit von ihrer Belastung ständig gemessen, wobei aus der Schienenverformung auf eine Änderung in deren Belastung geschlossen wird. Das durch die Verformung erzeugte elektrische Signal repräsentiert den Zeitpunkt der Annäherung, Überfahrung und Entfernung eines Schienenfahrzeuges, wobei das Maximum des Signalverlaufs eine exakte Radpositionsermittlung ermöglicht. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist am Schienensteg angebrachte Dehnungsmessstreifen auf, an welchen ein der Schienendurchbiegung proportionales elektrisches Signal abgegriffen wird. Der bzw. die Dehnungsmessstreifen können über eine Trägerplatte fest an der Schiene angebracht sein oder durch eine Schraubverbindung mit letzterer verbunden sein. Den Dehnungsmessstreifen ist eine Auswerteeinheit nachgeschaltet, der eine frei wählbare Anzahl von Einzelsignalen entnommen werden kann, deren Auswahl auch von Achse zu Achse neu festgelegt werden kann.
In der GB 918,895 A werden eine Wägevorrichtung und ein Wägeverfahren zum Wiegen eines beweglichen Objekts beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Träger, welcher an seinen beiden Enden starr gestützt ist. Dazwischen ist ein Mittelabschnitt zum Halten eines sich über den Träger bewegenden Objekts ausgebildet. Dieser Mittelabschnitt kann sich in senkrechter Richtung zu seiner Längsachse verbiegen. Des Weiteren weist die Vorrichtung Messmittel auf, um das Verbiegen des Mittelabschnitts, welches von dem sich darauf bewegenden Objekt verursacht wird, zu messen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung von Radlasten von Schienenfahrzeugen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung von Radlasten von Schienenfahrzeugen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zur Ermittlung von Radlasten von Schienenfahrzeugen wird erfindungsgemäß mittels dreier Dehnungssensoren, welche zwischen zwei benachbarten Schwellen an drei in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen an und/oder in einer Schiene angeordnet sind, eine Dehnung der Schiene an der jeweiligen Position ermittelt, während sich ein Rad des Schienenfahrzeugs an der zweiten Position auf der Schiene befindet. Aus den ermittelten Dehnungen wird ein Querkraftverlauf in der Schiene zwischen den drei Positionen ermittelt. Aus diesem Querkraftverlauf wird die Radlast des jeweiligen sich an der zweiten Position auf der Schiene befindenden Rades des Schienenfahrzeugs ermittelt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst drei Dehnungssensoren, welche zwischen zwei benachbarten Schwellen an drei in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen an und/oder in einer Schiene angeordnet sind, und eine mit diesen Dehnungssensoren verbundene Verarbeitungseinheit, wobei mittels der Dehnungssensoren eine Dehnung der Schiene an der jeweiligen Position ermittelbar ist, während sich ein Rad des Schienenfahrzeugs an der zweiten Position auf der Schiene befindet, wobei aus den ermittelten Dehnungen ein Querkraftverlauf in der Schiene zwischen den drei Positionen ermittelbar ist und wobei aus diesem Querkraftverlauf die Radlast des jeweiligen sich an der zweiten Position auf der Schiene befindenden Rades des Schienenfahrzeugs ermittelbar ist. Dabei sind in der Verarbeitungseinheit Sensordaten der drei Dehnungssensoren auszuwerten, aus welchen die Dehnungen der Schiene an den drei Positionen zu ermitteln sind. Mittels der Dehnungen ist in der Verarbeitungseinheit der Querkraftverlauf und daraus die Radlast zu ermitteln.
Das Verfahren und die Vorrichtung, mittels welcher das Verfahren durchzuführen ist, ermöglichen insbesondere eine Ermittlung der Radlasten von fahrenden Schienenfahrzeugen, d. h. während diese sich bewegen. Dadurch wird ein Schienenverkehr durch die Radlastermittlung nicht beeinträchtigt. D. h. die Schienenfahrzeuge müssen zur Ermittlung ihrer Radlasten weder anhalten noch langsamer fahren als üblich.
Selbstverständlich können die Schienenfahrzeuge zur Radlastermittlung jedoch auch anhalten und sich mit dem jeweiligen Rad exakt auf der zweiten Position positionieren. Dies könnte beispielsweise zu einer möglichst genauen Ermittlung einer statischen Radlast sinnvoll sein. Werden die Radlasten während der Bewegung des Schienenfahrzeugs ermittelt, so werden dynamische Radlasten ermittelt, welche jedoch bei einer gleichmäßigen Bewegung des Fahrzeugs auf ebener und gerader Strecke der jeweiligen statischen Radlast entsprechen oder zumindest nahezu entsprechen. D. h. es können mit dem Verfahren und der Vorrichtung dynamische und/oder statische Radlasten der Schienenfahrzeuge ermittelt werden. Die Radlast wird auch als Radaufstandskraft bezeichnet, d. h. die Radlast ist mit der Radaufstandskraft identisch oder zumindest zu dieser direkt proportional und in diese umzurechnen.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung zu dessen Durchführung ist, dass keine vom Standort der Vorrichtung abhängige Kalibrierung der Vorrichtung erforderlich ist. Bei derartigen Kalibrierungen von aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es erforderlich, diese mit Fahrzeugen zu überfahren, deren Radlast bekannt ist. Aufgrund der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlichen Kalibrierung ist ein Installations- und Wartungsaufwand der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verringert. Zudem sind zur Durchführung des Verfahrens pro Schiene lediglich drei Dehnungssensoren erforderlich, um die Radlasten mit einer hohen Genauigkeit zu ermitteln, wodurch ebenfalls der Installations- und Wartungsaufwand sowie Kosten der Vorrichtung wesentlich verringert sind.
Soll das Verfahren an einem üblichen Eisenbahnschienenstrang durchgeführt werden, welcher zwei parallel verlaufende Schienen aufweist, die mit Schwellen miteinander verbunden sind, so ist es sinnvoll, an beiden Schienen des Schienenstrangs jeweils eine derartige Vorrichtung anzuordnen oder an dem Schienenstrang ist eine Vorrichtung angeordnet, welche dann jedoch sechs Dehnungssensoren aufweist, je drei Dehnungssensoren pro Schiene, wobei die Dehnungssensoren dann mit einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit gekoppelt sein können, jedoch selbstverständlich getrennt nach der jeweiligen Schiene ausgewertet werden, so dass mit einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit die Radlasten für die jeweilige Schiene bestimmt werden können. Auf diese Weise ist eine Ermittlung aller Radlasten des jeweiligen Schienenfahrzeugs und darüber auch eine Ermittlung von Achslasten und/oder eines Gewichts bzw. einer Masse des jeweiligen Schienenfahrzeugs ermöglicht.
Als Voraussetzungen des Verfahrens müssen Abstände zwischen den drei Positionen, eine Geometrie eines Querschnitts der Schiene, ein Elastizitätsmodul der Schiene sowie eine Lage der Dehnungssensoren bekannt sein. Eine Dehnungsmessung kann mittels einer Vielzahl bekannter Messprinzipien und entsprechend ausgebildeter Dehnungssensoren, d. h. Sensoren zur Dehnungsmessung, erfolgen.
Zur Ermittlung der Radlast mittels der durch die Dehnungssensoren ermittelten Dehnungen wird zweckmäßigerweise aus der ermittelten Dehnung der Schiene an der jeweiligen Position eine an der jeweiligen Position in der Schiene auftretende Normalspannung am Ort des Dehnungssensors ermittelt. Dazu wird die an der jeweiligen Position ermittelte Dehnung mit dem Elastizitätsmodul der Schiene, d. h. eines Materials der Schiene, üblicherweise Schienenstahl, multipliziert. Dieser Elastizitätsmodul ist eine Materialkenngröße, welche beispielsweise aus einem Datenblatt der Schiene oder einer anderen Herstellerangabe entnehmbar ist oder durch Materialtests ermittelbar ist.
Aus der ermittelten Normalspannung in der Schiene an der jeweiligen Position am Ort des Dehnungssensors wird nun zweckmäßigerweise zunächst ein Biegemoment an der jeweiligen Position ermittelt. Zur Ermittlung der Biegemomente sind neben den Normalspannungen ein Flächenträgheitsmoment der Schiene bezogen auf eine y-Achse, d. h. Querachse der Schiene sowie ein Sensorabstand der Dehnungssensoren, d. h. ein Messstellenabstand, von der y-Achse der Schiene erforderlich. Der Sensorabstand ist aufgrund eines Einbaus der Dehnungssensoren bekannt, d. h. er ist während eines Einbaus oder nach einem Einbau der Dehnungssensoren in und/oder an die Schiene zu ermitteln. Das Flächenträgheitsmoment ist eine Kenngröße der Schiene und ebenfalls bekannt. Das Biegemoment an der jeweiligen Position wird dann ermittelt, indem die jeweilige Normalspannung mit dem Flächenträgheitsmoment multipliziert wird und das auf diese Weise gebildete Produkt durch den Sensorabstand dividiert wird.
Aus den Biegemomenten kann nun der Querkraftverlauf ermittelt werden. Ein Biegemomentverlauf zwischen jeweils zwei benachbarten Positionen ist linear, d. h. das Biegemoment geht zwischen jeweils zwei benachbarten Positionen linear von dem für die eine Position ermittelten Wert in den für die andere Position ermittelten Wert über. In der zweiten Position, d. h. unter der Radlast, weist der Biegemomentverlauf einen Knick auf. Querkräfte zu beiden Seiten des Lasteintragungspunkts, d. h. zu beiden Seiten der mittleren Position bzw. in x-Achsenrichtung der Schiene bzw. in Schienenlängsrichtung vor und hinter der zweiten Position entsprechen dem jeweiligen Anstieg des Biegemomentverlaufs.
D. h. der Querkraftverlauf hat zwischen der ersten und der zweiten Position sowie zwischen der zweiten und der dritten Position jeweils einen konstanten Querkraftwert, weist jedoch an der zweiten Position einen Sprung vom Querkraftwert zwischen der ersten und der zweiten Position auf den Querkraftwert zwischen der zweiten und der dritten Position auf. Dieser Sprung des Querkraftverlaufs entspricht der zu ermittelnden Radlast.
Zur Ermittlung der Querkräfte, d. h. der Querkraftwerte, zwischen der ersten und der zweiten Position sowie zwischen der zweiten und der dritten Position sind neben den Biegemomenten Werte für Abstände zwischen den Positionen bzw. zwischen den an diesen Positionen angeordneten Dehnungssensoren erforderlich. Diese Abstände sind aufgrund eines Einbaus der Dehnungssensoren bekannt, d. h. während eines Einbaus oder nach einem Einbau der Dehnungssensoren in und/oder an die Schiene zu ermitteln.
Die erste Querkraft zwischen der ersten und der zweiten Position wird nun ermittelt, indem eine Differenz des an der zweiten Position ermittelten Biegemoments und des an der ersten Position ermittelten Biegemoments gebildet wird und durch den ersten Abstand zwischen der ersten und zweiten Position dividiert wird. Die zweite Querkraft zwischen der zweiten und der dritten Position wird ermittelt, indem eine Differenz des an der dritten Position ermittelten Biegemoments und des an der zweiten Position ermittelten Biegemoments gebildet wird und durch den zweiten Abstand zwischen der zweiten und dritten Position dividiert wird. Aus diesen Querkräften kann nun die Radlast ermittelt werden. Die Radlast wird aus einer Differenz der ersten Querkraft und der zweiten Querkraft ermittelt.
Bevorzugt ermitteln die Dehnungssensoren die Dehnung der Schiene an der jeweiligen Position mit einer vorgegebenen Abtastrate. Die Ermittlung der Radlast erfolgt zu einem Zeitpunkt, in dem sich das jeweilige Rad des Schienenfahrzeugs auf der zweiten Position befindet, d. h. auf der mittleren der drei Positionen. Dies wird zweckmäßigerweise durch eine Sensorauswertung des an dieser zweiten Position angeordneten Dehnungssensors festgestellt. Befindet sich das Rad auf dieser zweiten Position, weisen Sensordaten des an dieser zweiten Position angeordneten zweiten Dehnungssensors einen Maximalwert auf, da zu diesem Zeitpunkt eine Maximalbiegung der Schiene an dieser zweiten Position erfolgt. Die zu diesem Zeitpunkt ermittelten Sensordaten der drei Dehnungssensoren werden zur Ermittlung der Radlast genutzt. Um dies zu ermöglichen, ist eine ausreichend hohe Abtastrate der Sensoren erforderlich, welche entsprechend hoch vorzugeben ist.
Besonders bevorzugt wird die Abtastrate in Abhängigkeit von einer im Bereich der Dehnungssensoren für Schienenfahrzeuge zulässigen Höchstgeschwindigkeit vorgegeben. D. h. die Abtastrate wird an die an dieser Stelle der Schiene zulässige Höchstgeschwindigkeit für Schienenfahrzeuge angepasst. Dadurch kann auch bei Schienenfahrzeugen, welche diese Stelle mit der zulässigen Höchstgeschwindigkeit passieren, eine zuverlässige Ermittlung von deren Radlasten sichergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch eine Schiene und ein diese belastendes Rad eines Schienenfahrzeugs sowie dadurch auftretende Kräfte und Momente, und
2 schematisch einen Querschnitt einer Schiene.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Schiene 1 und ein diese belastendes Rad 2 eines nicht weiter dargestellten, sich bewegenden Schienenfahrzeugs sowie durch dieses Rad 2 des Schienenfahrzeugs verursachte, in der Schiene 1 auftretende Kräfte und Momente. Die Schiene 1 weist eine x-Achse x, d. h. eine Schienenlängsachse, eine y-Achse y, d. h. eine Schienenquerachse und eine z-Achse z, d. h. eine Schienenhochachse auf. Die Schienenlängsachse ist in 1 dargestellt. Die Schienenquerachse und die Schienenhochachse sind in 2 dargestellt.
Zur Ermittlung der Kräfte und Momente und einer dadurch ermöglichten Ermittlung einer Radlast F, mit welcher die Schiene 1 durch dieses Rad 2 des Schienenfahrzeugs belastet wird, weist eine Vorrichtung drei Dehnungssensoren S1, S2, S3 auf, welche zwischen zwei benachbarten Schwellen 3, 4, d. h. innerhalb eines so genannten Schwellenfaches, an drei in x-Achsenrichtung, d. h. in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen P1, P2, P3 an der Schiene 1 angeordnet und mit einer hier nicht dargestellten gemeinsamen Verarbeitungseinheit verbunden sind. Eine Dehnungsmessung kann mittels einer Vielzahl bekannter Messprinzipien und entsprechend ausgebildeter Dehnungssensoren S1, S2, S3, d. h. Sensoren zur Dehnungsmessung, erfolgen.
In einem mittels der Vorrichtung durchzuführenden Verfahren zur Ermittlung von Radlasten F von Schienenfahrzeugen wird die Radlast F aus einem Querkraftverlauf Q zwischen den drei Positionen P1, P2, P3, die zwischen den zwei benachbarten Schwellen 3, 4 entlang der Schienenlängsachse liegen, ermittelt. Die Ermittlung der Radlast F erfolgt zu einem Zeitpunkt, in dem das jeweilige Rad 2 sich auf der Schiene an der zweiten Position P2 befindet, d. h. die mittlere der drei Positionen P1, P2, P3, wie in 1 dargestellt. Dies wird durch eine Sensorauswertung des an dieser zweiten Position P2 angeordneten zweiten Dehnungssensors S2 festgestellt. Befindet sich das Rad 2 auf dieser zweiten Position P2, weisen Sensordaten des an dieser zweiten Position P2 angeordneten zweiten Sensors S2 einen Maximalwert auf, da zu diesem Zeitpunkt eine Maximalbiegung der Schiene 1 an dieser zweiten Position P2 erfolgt. Die zu diesem Zeitpunkt ermittelten Sensordaten der drei Sensoren S1, S2, S3 werden zur Ermittlung der Radlast F genutzt. Um dies zu ermöglichen, ist eine ausreichend hohe Abtastrate der Sensoren S1, S2, S3 erforderlich, welche zweckmäßigerweise an eine an dieser Stelle der Schiene 1 zulässige Höchstgeschwindigkeit für Schienenfahrzeuge angepasst wird. Dadurch kann auch bei Schienenfahrzeugen, welche diese Stelle mit der zulässigen Höchstgeschwindigkeit passieren, eine zuverlässige Ermittlung von deren Radlasten F sichergestellt werden.
Befindet sich das Rad 2 des Schienenfahrzeugs genau an dieser zweiten Position P2, wie in 1 dargestellt, so entspricht die Radlast F einem Sprung SQ im Querkraftverlauf Q. Dieser Querkraftverlauf Q ist in 1 ebenfalls dargestellt.
Die Ermittlung des Querkraftverlaufs Q erfolgt auf Basis von Biegemomenten M_y,1, M_y,2, M_y,3 an den drei Positionen P1, P2, P3 zu dem Zeitpunkt, in dem sich die Last, d. h. das jeweilige Rad 2 des Schienenfahrzeugs, über der zweiten Position P2 befindet, so dass die Radlast F auf die Schiene 1 einwirkt. Ein Biegemomentverlauf M zwischen zwei benachbarten Positionen P1, P2, P3, d. h. zwischen der ersten und der zweiten Position P1, P2 sowie zwischen der zweiten und der dritten Position P2, P3, ist dann linear. Der Biegemomentverlauf M ist in 1 dargestellt. In der zweiten Position P2, d. h. unter der Last bzw. unter dem die Schiene 1 belastenden Rad 2 des Schienenfahrzeugs, weist der Biegemomentverlauf M einen Knick auf. Querkräfte Q₁, Q₂ zu beiden Seiten des Lasteintragungspunkts, d. h. zu beiden Seiten der mittleren Position bzw. in x-Achsenrichtung der Schiene 1 bzw. in Schienenlängsrichtung vor und hinter der zweiten Position P2, entsprechen dem jeweiligen Anstieg des Biegemomentverlaufs M. Diese Zusammenhänge der Theorie des Balkens sind in 1 grafisch dargestellt.
Als Voraussetzungen des Verfahrens müssen Abstände L₁, L₂ zwischen den drei Positionen P1, P2, P3 bzw. zwischen den an diesen Positionen P1, P2, P3 angeordneten Dehnungssensoren S1, S2, S3, eine in 2 dargestellte Geometrie eines Querschnitts der Schiene 1, ein Elastizitätsmodul E der Schiene 1 sowie eine in 2 dargestellte Lage der Dehnungssensoren S1, S2, S3 bekannt sein. Die jeweilige Radlast F wird dann nach einem im Folgenden beschriebenen Algorithmus ermittelt.
Es werden mittels der Dehnungssensoren S1, S2, S3 Dehnungen ε₁, ε₂, ε₃ an den drei Positionen P1, P2, P3 in Richtung der Schienenlängsachse ermittelt, d. h. in x-Achsenrichtung der Schiene 1. Die Abtastrate ist, wie bereits erwähnt, in Abhängigkeit der auftretenden Geschwindigkeiten der Schienenfahrzeuge an dieser Stelle der Schiene 1 entsprechend hoch zu wählen.
Mit den ermittelten Dehnungen ε₁, ε₂, ε₃ sowie mit dem Elastizitätsmodul E eines Materials der Schiene 1, d. h. eines Schienenstahls, welches eine Materialkenngröße ist und beispielsweise aus einem Datenblatt der Schiene 1 oder einer anderen Herstellerangabe entnehmbar ist oder durch Materialtests ermittelbar ist, werden Normalspannungen σ_x,1, σ_x,2, σ_x,3 an den Positionen P1, P2, P3 der Dehnungssensoren S1, S2, S3 am Ort des jeweiligen Dehnungssensors S1, S2, S3 auf die folgende Weise ermittelt: σ_x,1 = E·ε₁ [1] σ_x,2 = E·ε₂ [2] σ_x,3 = E·ε₃ [3]
Mittels der ermittelten Normalspannungen σ_x,1, σ_x,2, σ_x,3, mittels eines aufgrund eines Einbaus der Dehnungssensoren S1, S2, S3 bekannten Sensorabstandes e_z der Dehnungssensoren S1, S2, S3, d. h. mittels eines Messstellenabstandes, von der y-Achse y der Schiene 1, d. h. von der Schienenquerachse, sowie mittels eines Flächenträgheitsmomentes I_y der Schiene 1 bezogen auf die y-Achse y der Schiene 1 können nun die Biegemomente M_y,1, M_y,2, M_y,3 an den Positionen P1, P2, P3 der Dehnungssensoren S1, S2, S3 ermittelt werden:
Aus den Biegemomenten M_y,1, M_y,2, M_y,3 und den Abständen L₁, L₂ zwischen der zweiten Position P2 und den beiden äußeren Positionen, d. h. zwischen der zweiten Position P2 und der ersten Position P1 bzw. zwischen der zweiten Position P2 und der dritten Position P3, welche aufgrund eines Einbaus der Dehnungssensoren S1, S2, S3 bekannt sind, d. h. während eines Einbaus oder nach einem Einbau der Dehnungssensoren S1, S2, S3 in und/oder an die Schiene 1 zu ermitteln sind, können nun die Querkräfte Q₁, Q₂ links und rechts der zweiten Position P2 bzw. in x-Achsenrichtung der Schiene 1 vor und hinter der zweiten Position P2 ermittelt werden:
Aus diesen Querkräften Q₁, Q₂ kann nun die Radlast F ermittelt werden: F = |Q1 – Q2| [9]
Das Verfahren und die Vorrichtung, mittels welcher das Verfahren durchzuführen ist, ermöglichen insbesondere eine Ermittlung der Radlasten F von fahrenden Schienenfahrzeugen, d. h. während diese sich bewegen. Dadurch wird ein Schienenverkehr durch die Radlastermittlung nicht beeinträchtigt. D. h. die Schienenfahrzeuge müssen zur Ermittlung ihrer Radlasten F weder anhalten noch langsamer fahren als üblich. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung zu dessen Durchführung ist, dass keine vom Standort der Vorrichtung abhängige Kalibrierung der Vorrichtung erforderlich ist. Zudem sind zur Durchführung des Verfahrens lediglich drei Dehnungssensoren S1, S2, S3 pro Schiene 1 erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Schiene
2: Rad
3, 4: Schwelle
e_z: Sensorabstand
F: Radlast
L₁, L₂: Abstand
M: Biegemomentverlauf
M_y,1, M_y,2, M_y,3: Biegemoment
P1, P2, P3: Position
Q: Querkraftverlauf
Q₁, Q₂: Querkraft
S1, S2, S3: Dehnungssensor
SQ: Sprung im Querkraftverlauf
x: x-Achse
y: y-Achse
z: z-Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 3309908 A1 [0003]
DE 10114482 A1 [0004]
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DE 3401699 A1 [0006]
DE 3210410 A1 [0007]
DE 102008008578 B3 [0008]
DE 10315666 A1 [0009]
WO 2004/071840 A1 [0010]
WO 2004/068083 A1 [0011]
WO 02/03040 A1 [0012]
DE 4439342 A1 [0013]
DE 4207516 A1 [0014]
GB 918895 A [0015]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Radlasten (F) von Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dreier Dehnungssensoren (S1, S2, S3), welche zwischen zwei benachbarten Schwellen (3, 4) an drei in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen (P1, P2, P3) an und/oder in einer Schiene (1) angeordnet sind, eine Dehnung (ε₁, ε₂, ε₃) der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) ermittelt wird, während sich ein Rad (2) des Schienenfahrzeugs an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindet, dass aus den ermittelten Dehnungen (ε₁, ε₂, ε₃) ein Querkraftverlauf (Q) zwischen den drei Positionen (P1, P2, P3) ermittelt wird und dass aus diesem Querkraftverlauf (Q) die Radlast (F) des jeweiligen sich an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindenden Rades (2) des Schienenfahrzeugs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Dehnung (ε₁, ε₂, ε₃) der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) eine an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) am Ort des Dehnungssensors (S1, S2, S3) in der Schiene (1) auftretende Normalspannung (σ_x,1, σ_x,2, σ_x,3) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Normalspannung (σ_x,1, σ_x,2, σ_x,3) in der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) ein Biegemoment (M_y,1, M_y,2, M_y,3) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Biegemomenten (M_y,1, M_y,2, M_y,3) der Querkraftverlauf (Q) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (S1, S2, S3) die Dehnung (ε₁, ε₂, ε₃) der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) mit einer vorgegebenen Abtastrate ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate in Abhängigkeit von einer im Bereich der Dehnungssensoren (S1, S2, S3) für Schienenfahrzeuge zulässigen Höchstgeschwindigkeit vorgegeben wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend drei Dehnungssensoren (S1, S2, S3), welche zwischen zwei benachbarten Schwellen (3, 4) an drei in Schienenlängsrichtung zueinander beabstandeten Positionen (P1, P2, P3) an und/oder in einer Schiene (1) angeordnet sind, und eine mit diesen Dehnungssensoren (S1, S2, S3) verbundene Verarbeitungseinheit, wobei mittels der Dehnungssensoren (S1, S2, S3) eine Dehnung (ε₁, ε₂, ε₃) der Schiene (1) an der jeweiligen Position (P1, P2, P3) ermittelbar ist, während sich ein Rad (2) des Schienenfahrzeugs an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindet, wobei aus den ermittelten Dehnungen (ε₁, ε₂, ε₃) ein Querkraftverlauf (Q) zwischen den drei Positionen (P1, P2, P3) ermittelbar ist und wobei aus diesem Querkraftverlauf (Q) die Radlast (F) des jeweiligen sich an der zweiten Position (P2) auf der Schiene (1) befindenden Rades (2) des Schienenfahrzeugs ermittelbar ist.