DE102012025295A1 - Onboard-Profilkorrekturmaschine für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Lösung der Aufgabe geschieht durch die kennzeichnenden Merkmale: 1. Maschine, welche punktuell mit einer geometrisch unbestimmten Schneide Material eines Spurkranzes und der Laufflächen eines Eisenbahnrades während der Zugfahrt abträgt, um eine gewünschte Konizität bzw. äquivalente Konizität zu erzeugen, sodass die Laufeigenschaften – insbesondere der Sinuslauf des Schienenfahrzeuges – verbessert werden, wobei die Steuerung dieser Maschine durch angebaute Sensoren und eine Steuerungseinheit realisiert, dass die Schneide welche auf mindestens einem in einer Führungsschiene geführten Schlitten befestigt ist, an das Rad bzw. die zu bearbeitende Fläche herangefahren wird und eine Reprofilierung praktiziert. 2. Die Schlitten werden durch Elektromotoren oder ein hydraulisches System bewegt, welches die Steuerungsinformationen von der Steuereinheit erhält, wobei jeder Schlitten durch ein Federpotential vorgespannt um bei einem Ausfall den Schlitten in eine sichere Position zu bewegen und dort zu halten. 3. Als Sensorik wird zur Detektion der Laufflächenfehler und der Spurkranzfehler mindestens eine Einheit zur Rasterlasertriangulation angewandt – welche ihre Informationen an die Steuereinheit sendet. 4. Als Sensorik wird zur Detektion der Temperatur optional mindestens ein Pyrometer angewandt, welche seine elektrischen Temperaturinformationen an die Steuereinheit sendet. 5. Als ergänzende Sensorik kann im Bereich des gesamten Schienenfahrzeuges mindestens ein Schwingungssensor angebracht sein, welche seine Informationen an die Steuereinheit sendet. 6. Die Steuerungseinheit verfügt über eine Schnittstelle um Regelungsanweisungen durch den Benutzer zu erhalten und steuert damit anhand den von Sensoren erhaltenen Daten die Position der Schlitten und somit die Lauffläche. 7. Optional verfügt die Steuerungseinheit über die Möglichkeit dem Benutzer Daten zu senden und/oder direkt vom Benutzer Steuerungsanweisungen zu erhalten und/oder Positionsdaten einzubeziehen, welche in Zusammenwirken mit Strecken- und Gleisdaten die ideale Konizität bzw. äquivalente Konizität ermitteln um dadurch die ideal angepassten Laufflächen und einen ideal angepassten Spurkranz erzeugen.

Description

• Thema, Umfeld
• Durch das Abrollen eines Rads auf der Schiene ist ein Verschleiß des Profils – also der Laufflächen und des Spurkranzes – allgegenwärtig. Durch diesen Verschleiß verändert sich die Konizität bzw. die äquivalente Konizität was zu dem Resultat führt, dass die Laufeigenschaften des Schienenfahrzeuges durch die Fahrt zunehmend ungünstiger werden, was insbesondere bei hohen Reisegeschwindigkeiten nachteilhaft ist.
• Stand der Technik
• Zum Herstellen einer geforderten Oberflächengeometrie eines zu zerspanenden Rundkörpers wurde seit der Antike das Prinzip der Drehmaschine verwendet. Für Radsätze bzw. für das Herstellen des Spurkranzes und der Laufflächen wurden hierzu explizite Drehmaschinen entwickelt, welche einen ausgebauten Radsatz bearbeiten. Um das Ausbauen zu vermeiden wurde eine Unterflurdrehmaschine entwickelt, welche es ermöglicht ein Profil zu korrigieren ohne den Radsatz zuvor aus dem Fahrzeug auszubauen. Beschrieben werden Unterflurdrehmaschinen in der ”Patentschrift 1 073 275” und der ”Patentschrift 22 04 328”, dabei stellen sie den gehobenen Stand der Technik dar, da noch häufig Radsätze im ausgebauten Zustand reprofiliert werden. Nach dem heutigen Stand der Technik ist für die Reprofilierung immer ein Werkstattaufenthalt und dadurch bedingt ein Betriebsausfall erforderlich. Ein Aspekt der äußerst ungünstig ist, da während der Fahrt immer ein kontinuierlicher Verschleiß stattfindet und je nach vorhanden sein bzw. Auslegung oder Steuerung einer Antischlupfregelung schnell Flachstellen an den Laufflächen entstehen können, die eine Nachbearbeitung erfordern.
• Kritik am Stand der Technik
• In Anbetracht dessen, dass mit zunehmend hohen Geschwindigkeiten eine durch den Verschleiß hervorgerufene Veränderung der konischen Eigenschaften sich zumeist negativ auf den Sinuslauf auswirkt und somit die Laufeigenschaften verschlechtert, ergibt sich die Notwendigkeit ein Reprofilieren des Rades nach einer kürzeren Laufleistung zu praktizieren.
• Durch diesen Aspekt besteht eine physikalische Grenze für einen Langstreckenhochgeschwindigkeitsverkehr. Denn bei hinreichend hohen Geschwindigkeiten besteht die Problematik, dass das Profil zu stark verschlissen ist, bevor ein Werkstattaufenthalt betrieblich sinnvoll ist bzw. im Extremfall bevor der Endbahnhof erreicht ist.
• Die Aufgabe der Erfindung bzw. der im Folgenden beschriebenen Apparatur ist es daher, während der Fahrt eine Reprofilierung bzw. eine Fehlerkorrektur vorzunehmen.
• Patentbeschreibung
• Die Erfindung stellt eine Maschine dar, welche in der Lage ist, Fehler an den Laufflächen bzw. am Spurkranz eines Schienenfahrzeuges während der Fahrt und ohne einen Aufenthalt in einer Werkstatt zu beheben. Eine Erfindung, die erhebliche betriebliche Vorteile birgt und zugleich die Problematik der Spanbildung bei Radreprofilierungdrehprozessen beherrscht. Eine Maschine, welche durch eine redundant ausgelegte Konstruktion das Eindringen in den kritischen Bereich (Abstand kleiner als 20 mm zwischen statischen Teilen und dem Rad) während der Fahrt ermöglicht. Dabei kann diese kleinste Profilabweichungen kompensieren und dadurch geringe Oberflächlichenrauheit erzeugen, sodass sich die Schallemission während des Rad-Schiene-Kontakts reduziert. Durch die Steuerung dieser Maschine ist diese dazu in der Lage die Konizität bzw. die äquivalente Konizität an die bevorstehende Strecke anzupassen.
• Hierfür ist die Maschine wie folgt aufgebaut:
  Für jedes Rad muss die Maschine mindestens einmal vorhanden sein. Sie ist gegenüber dem Radsatz ungefedert und möglichst steif befestigt um nicht durch Lageabweichungen wie diese beispielsweise durch eine Primär- oder eine Sekundärfederung erfolgen, beeinflusst zu werden. Die Einschränkung für den Einbauraum (1.1) (siehe ) stellt der Abstand zur Schienenoberkante dar, welcher den jeweiligen Normen entsprechen muss. Weitere Einschränkungen ergeben sich beispielsweise durch Klotzbremsen oder Schienenbremsen. Nach außen ist der Einbauraum durch konstruktive Aspekte, wie das Lichtraumprofil und weitere konstruktive Schienenfahrzeugparameter beschränkt.
• In wird eine mögliche durch den Einbauraum (1.1) dargestellte Einbauposition der Onboard-Profilkorrekturmaschine (2.1) beim Rad (2.2) visualisiert. In diesem Einbauraum (1.1) befindet sich weiter noch eine Messeinrichtung (2.3). Zusätzlich befindet sich auf dem Fahrzeug noch eine elektronische Steuerungsvorrichtung für die Maschine und ggf. Sensoren zur Schwingungsmessung.
• Diese Onboard-Profilkorrekturmaschine wird in schematisch skizziert. Sie besteht aus einer spanabhebenden Einheit (3.1), mindestens einem gesteuerten Schlitten (3.3) zum Verfahren der spanabhebenden Einheit entlang der in skizzierten x'-y-Koordinatenebene und einer mindestens einfach ausgeführten Rückziehfederung (3.4) die dazu dient, die spanabhebende Einheit im Notfall vom Rad wegzuziehen. Die spanabhebende Einheit (3.1) arbeitet schleifend um pro Umdrehung nur eine geringe Abtragungstiefe bei der Fehlerkorrektur zu erzeugen und zugleich die Bildung eines langen Spans zu verhindern. Das heißt, sie ist im Gegensatz zum üblichen Drehprozess hier mit einer geometrisch unbestimmten Schneide ausgeführt. Diese geometrisch unbestimmte Schneide ist hier jedoch nicht sonderlich groß um einen punktuellen Schleifprozess zu erzeugen. Während der Fehlerkorrektur bildet diese geometrisch unbestimmte Schneide die Kontaktfläche zum Rad (3.2). Die gesteuerten Schlitten (3.3), an denen die spanabhebende Einheit (3.1) befestigt ist, ermöglichen Bewegungsfreiheitsgrade entlang der in skizzierten x'-y-Koordinatenebene. Die Kraft hierzu ist elektrisch oder auf Fluidbasis erzeugt (wobei mit Fluidbasis beispielsweise ein pneumatisches oder hydraulisches System zu verstehen ist). Weiter ist die Führung entweder durch eine CNC-Steuerung oder alternativ vergleichbar dem Nachformdrehen zu realisieren. Die Federung (3.4) erfüllt den Zweck, dass durch das von der Federauslenkung abhängige unterschiedliche Federenergiepotential, im Falle eines Ausfalls der Steuerung, die Schlitten (3.3) an einen sicheren Ruheort bewegt, sodass die spanabhebende Einheit (3.1) nicht unkoordiniert das Rad (3.2) beeinträchtigt. Die optische Messeinrichtung am Rad ist ein zusätzliches Element, welches der Steuerungseinheit der Onboard-Profilkorrekturmaschine dazu dient, Informationen zu Profilfehlern festzustellen. Dies erfolgt durch Rasterlasertriangulation um in der Lage zu sein, senkrecht zur Lauffläche Fehler zu detektieren. Die Schwingungssensoren dienen dazu, der Steuerungseinheit Informationen über den aktuellen Fahrzeuglauf zu liefern und ggf. Flachstellen schnell zu detektieren.
• Die Infrarottemperaturmessung bestimmt die Temperatur der bearbeiteten Fläche und übergibt die Daten an die Steuerungseinheit Die Steuerungseinheit steuert diese Onboard-Profilkorrekturmaschine anhand der optischen Messergebnisse und/oder Ergebnisse der Schwingungsensoren und/oder Daten möglicher weiterer am Fahrzeug befindlichen Onboard-Profilkorrekturmaschinen und/oder den Temperaturdaten der Infrarottemperaturmessung und/oder Daten aus dem Fahrzeugbussystem und/oder anhand des Standorts mit Einbezug von Streckenkarten.
• Bezugszeichenliste
• Abb. 1

1.1

Einbauraum

1.2

Schiene

1.3

Schienenoberkante

1.4

Rad

X

Koordinate X

Z

Koordinate Z

Abb. 2

2.1

Beispielposition für die Onboard-Profilkorrekturmaschine

2.2

Rad

2.3

Beispielposition für die Messeinrichtung

2.4

Möglicher Einbaupositionsbereich (gestrichelt Linie)

2.5

Schiene

2.6

Schienenoberkante

X

Koordinate X

Z

Koordinate Z

Abb. 3

3.1

Spanabhebende Einheit

3.2

Radanschnitt

3.3

möglicher Bauraum der Schlitteneinheit

3.4

Rückziehfeder

y

Koordinaten y

X'

Da die Onboard-Profilkorrekturmaschine, je nach Einbau entlang der X-Achse verdreht werden kann ergibt sich das Inertialsystem mit X', dass um einen Einbauverdrehwinkel gegenüber X verschoben ist

Claims (1)

1. Die Lösung der Aufgabe geschieht durch die kennzeichnenden Merkmale: 1. Maschine, welche punktuell mit einer geometrisch unbestimmten Schneide Material eines Spurkranzes und der Laufflächen eines Eisenbahnrades während der Zugfahrt abträgt, um eine gewünschte Konizität bzw. äquivalente Konizität zu erzeugen, sodass die Laufeigenschaften – insbesondere der Sinuslauf des Schienenfahrzeuges – verbessert werden, wobei die Steuerung dieser Maschine durch angebaute Sensoren und eine Steuerungseinheit realisiert, dass die Schneide welche auf mindestens einem in einer Führungsschiene geführten Schlitten befestigt ist, an das Rad bzw. die zu bearbeitende Fläche herangefahren wird und eine Reprofilierung praktiziert. 2. Die Schlitten werden durch Elektromotoren oder ein hydraulisches System bewegt, welches die Steuerungsinformationen von der Steuereinheit erhält, wobei jeder Schlitten durch ein Federpotential vorgespannt um bei einem Ausfall den Schlitten in eine sichere Position zu bewegen und dort zu halten. 3. Als Sensorik wird zur Detektion der Laufflächenfehler und der Spurkranzfehler mindestens eine Einheit zur Rasterlasertriangulation angewandt – welche ihre Informationen an die Steuereinheit sendet. 4. Als Sensorik wird zur Detektion der Temperatur optional mindestens ein Pyrometer angewandt, welche seine elektrischen Temperaturinformationen an die Steuereinheit sendet. 5. Als ergänzende Sensorik kann im Bereich des gesamten Schienenfahrzeuges mindestens ein Schwingungssensor angebracht sein, welche seine Informationen an die Steuereinheit sendet. 6. Die Steuerungseinheit verfügt über eine Schnittstelle um Regelungsanweisungen durch den Benutzer zu erhalten und steuert damit anhand den von Sensoren erhaltenen Daten die Position der Schlitten und somit die Lauffläche. 7. Optional verfügt die Steuerungseinheit über die Möglichkeit dem Benutzer Daten zu senden und/oder direkt vom Benutzer Steuerungsanweisungen zu erhalten und/oder Positionsdaten einzubeziehen, welche in Zusammenwirken mit Strecken- und Gleisdaten die ideale Konizität bzw. äquivalente Konizität ermitteln um dadurch die ideal angepassten Laufflächen und einen ideal angepassten Spurkranz erzeugen.

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