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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug.
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Sandungsanlagen werden bei Schienenfahrzeugen eingesetzt, um den Haftwert zwischen Rad und Schiene zu verbessern. Dazu wird aus einem Sandbehälter über ein Rohr oder Gummitülle Sand vor das Rad auf die Schiene gestreut. Dadurch erhöht sich der Haftwert zwischen Schiene und Rad. Die Austrittsöffnung des Rohrs oder der Gummitülle befindet sich einige Zentimeter vor dem Rad-Schienen-Eingriff. Luftverwirbelungen und quer zum Fahrzeug verlaufende Luftströme können teilweise den Sand mitnehmen und verhindern, dass der ausgebrachte Sand auf der Schiene landet. Der Sand wird seitlich weggeblasen. Die dafür verantwortlichen Luftströmungen hängen von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und beispielsweise den Windverhältnissen ab. Bei Stillstand oder geringer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs fällt der Sand entsprechend der Austrittsöffnung direkt auf die Schiene, da im Stillstand kein Fahrtwind herrscht. Fährt der Zug schneller, wird die Luft durch das Drehgestell gehindert, unter dem Zug durchzuströmen. Infolge des Staudrucks strömt die Luft vor dem Drehgestell nach außen. Es entsteht eine Luftströmung direkt vor den Rädern, die den Sand seitlich verweht. Diesem Effekt soll entgegengewirkt werden.
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DE 600 26 290 T2 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung des Haftvermögens von Rädern eines Schienenfahrzeuges auf Schienen durch Aufbringen von Sand zwischen Schiene und Rad.
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Die gattungsbildende
DE102005001404A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufbringen von Sand zwischen Rad und Schiene eines Schienenfahrzeugs.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug sowie eine verbesserte entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug sowie ein Verfahren zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeuggemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Die äußeren Rahmenbedingungen können den Luftstrom quer zur Fahrtrichtung im Bereich der Drehgestelle beziehungsweise Räder eines Schienenfahrzeugs beeinflussen. Um auf die sich ändernden Bedingungen zu reagieren, kann von einem geschwindigkeitsbasierten Sollwert abgewichen werden, beispielsweise durch eine sinusförmige Schwingung um den Sollwert, und dabei der optimale Haftwert zwischen Schiene und Rad ermittelt werden. Der so ermittelte optimale Haftwert kann dann als neuer Sollwert genutzt werden und weiter um diesen Punkt optimiert werden. Die Regelung nutzt Abweichungen von dem Sollwert, um zu ermitteln, ob eine Veränderung des Sollwerts eines Sandungsparameters zu einem verbesserten Haftwert führt.
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Ein Verfahren zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug umfasst die folgenden Schritte, wobei das Schienenfahrzeug eine Gleitschutzeinrichtung und eine Sandungsvorrichtung aufweist, wobei die Gleitschutzeinrichtung ausgebildet ist, einen den Haftwert zwischen dem Rad und der Schiene zu bestimmen, wobei zumindest ein Sandungsparameter der Sandungsvorrichtung einstellbar ist, wobei Sand entsprechend dem Sandungsparameter von der Sandungsvorrichtung ausbringbar ist:
- Verändern des Sandungsparameters, um Sand entsprechend dem Sandungsparameter auszubringen, wobei das Verändern innerhalb eines vordefinierten Optimierungsbereichs um einen Sollwert des Sandungsparameters erfolgt;
- Bestimmen von zumindest zwei Haftwerten während des im Schritt des Veränderns veränderten Sandungsparameters, um einen Haftwert für je einen von zumindest zwei verschiedenen Werten des Sandungsparameters zu bestimmen;
- Ermitteln eines optimalen Haftwerts aus den zumindest zwei Haftwerten, um einen optimalen Sandungsparameter zu bestimmen; und
- Einstellen des Sollwerts für den Sandungsparameter auf den optimalen Sandungsparameter, um eine Verbesserung des Haftwerts zu erreichen.
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Ein Schienenfahrzeug kann eine Sandungsanlage aufweisen. Sandungsanlagen können in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, um eine Haftreibung zwischen dem Rad und der Schiene zu erhöhen. Eine Sandungsvorrichtung kann einen Teil einer Sandungsanlage darstellen. Die Sandungsvorrichtung kann ein Ausbringrohr aufweisen, welches ausgebildet ist, Sand in Richtung eines Spalts zwischen dem Rad und der Schiene auszubringen oder auszublasen. Dabei kann zumindest ein Sandungsparameter der Sandungsvorrichtung gesteuert oder geregelt werden. Der Sandungsparameter kann das Ausbringen des Sandes beeinflussen.
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Ein Schienenfahrzeug kann eine Gleitschutzeinrichtung aufweisen. Eine Gleitschutzeinrichtung kann ein Rad bei einem Bremsvorgang gegen Blockieren schützen. Hierzu kann eine Gleitschutzeinrichtung adhäsive Bedingungen zwischen Rad und Schiene überwachen und ein entsprechendes Steuersignal oder Sensorsignal bereitstellen. Die Gleitschutzeinrichtung kann einen Gleitschutzsensor umfassen. So kann die Gleitschutzeinrichtung ein Drehgeschwindigkeitssignal auswerten und einen Schlupf des Rades erfassen oder regeln. Aus dem Schlupf kann die Gleitschutzeinrichtung ein den Haftwert zwischen Rad und Schiene repräsentierenden Wert bestimmen oder ein den Haftwert repräsentierendes Signal bereitstellen.
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Der Sollwert des Sandungsparameters kann bei einem ersten Nutzen beziehungsweise Ausführen des Verfahrens einem geschwindigkeitsbasierten Sollwert für den Sandungsparameter entsprechen. Der Optimierungsbereich um den Sollwert kann von der Art des Sandungsparameters abhängig sein. Der Optimierungsbereich kann den Sollwert umschließen. So kann der Optimierungsbereich beispielsweise einen Bereich größer und kleiner 10 Prozent um den Sollwert (d. h. einen Toleranzbereich von 10 Prozent um den Sollwert) umfassen.
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Das Verfahren kann zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug kann iterativ ausgeführt werden. Bei einem initialen Aufruf kann ein beliebiger oder ein geschwindigkeitsbasierter Sollwert für den Sandungsparameter gewählt werden. Im Schritt des Einstellens kann dann ein neuer Sollwert eingestellt werden, der bei dem erneuten Durchlauf der Schritte des Verfahrens genutzt wird.
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So kann bei jedem Durchlauf der Schritte des Verfahrens der Sollwert des Sandungsparameters angepasst und/oder optimiert werden. Vorteilhaft kann so auch bei sich ändernden äußeren Einflüssen ein optimaler Wert für den Sandungsparameter eingestellt werden.
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Ferner kann im Schritt des Veränderns als Sandungsparameter ein Ausbringwinkel des Sandes in Bezug zur Schiene verwendet werden. Gleichzeitig oder alternativ kann im Schritt des Veränderns eine Sandmenge als Sandungsparameter verändert werden. Günstig ist es auch, wenn eine Ausbringgeschwindigkeit des Sandes im Schritt des Veränderns als Sandungsparameter verwendet wird. In einer Ausführungsform kann im Schritt des Veränderns eine Luftmenge als Sandungsparameter verwendet werden. Dabei kann die Luftmenge die Ausbringgeschwindigkeit und gleichzeitig oder alternativ die Ausbringmenge des Sandes steuern. Sand kann von der Sandungsvorrichtung in eine Richtung ausgegeben werden. Die Richtung, in die der Sand ausgegeben oder ausgeblasen wird, kann durch einen Ausbringwinkel oder Ausblaswinkel charakterisiert sein. Dabei kann der Ausbringwinkel als Winkel zwischen der Schiene und der Richtung, in die der Sand ausgegeben oder ausgeblasen wird, verstanden werden. In einer Ausführungsform kann der Ausbringwinkel in einer Ebene senkrecht zu der von Rad und Schiene aufgespannten Ebene beweglich einstellbar sein. Der Ausbringwinkel kann in Richtung der Fahrzeugmitte des Schienenfahrzeugs einstellbar sein, das heißt in Richtung einer Gleismitte.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Veränderns zumindest ein erster Sandungsparameter, der eine erste physikalische Größe repräsentiert, und ein zweiter Sandungsparameter, der eine zweite physikalische Größe repräsentiert, verändert werden und im Schritt des Bestimmens zumindest ein erster optimaler Sandungsparameter und ein zweiter optimaler Sandungsparameter bestimmt werden, um im Schritt des Einstellens den Sollwert für den ersten Sandungsparameter auf den ersten optimalen Sandungsparameter und den Sollwert des zweiten Sandungsparameters auf den zweiten optimalen Sandungsparameter einzustellen. Dabei können der erste Sandungsparameter und der zweite Sandungsparameter zwei unterschiedliche physikalische Größen repräsentieren. So kann beispielsweise als erster Sandungsparameter ein Ausbringwinkel des Sandes verwendet werden und kann als zweiter Sandungsparameter eine Ausbringgeschwindigkeit verwendet werden. Durch die Kombination von zumindest zwei Sandungsparametern und Optimierung von zumindest zwei Sandungsparametern kann der Haftwert weiter verbessert werden.
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Günstig ist es auch, wenn die Schritte des Verfahrens nacheinander für zumindest einen ersten Sandungsparameter und einen hierzu verschiedenen zweiten Sandungsparameter durchgeführt werden. Dabei können der erste Sandungsparameter und der zweite Sandungsparameter zwei unterschiedliche physikalische Größen repräsentieren. Regelungstechnisch kann es einfacher sein eine variable Größe, das heißt, einen Sandungsparameter zu einer Zeit zu regeln beziehungsweise zu optimieren. Wenn man zwei unterschiedliche physikalische Größen als Sandungsparameter nacheinander beziehungsweise abwechselnd mit den Schritten des Veränderns, Bestimmen, Ermittelns und Einstellens optimiert, kann man die Vorteile von zwei verschiedenen physikalischen Größen als Sandungsparameter sowie eine einfachere Regelung als bei zwei variablen Größen zur selben Zeit kombinieren.
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Entsprechend einer Ausführungsform ist das Verfahren zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug gekennzeichnet durch einen Schritt des Ausbringens von Sand entsprechend dem Sollwert. Dabei kann unter Sand ganz allgemein ein Haftreibungserhöhungsmittel oder ein Mittel, welches geeignet ist, die Haftreibung zwischen Rad und Schiene zu erhöhen, verstanden werden.
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Eine Vorrichtung zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug weist die folgenden Merkmale auf. Dabei kann das Schienenfahrzeug eine Gleitschutzeinrichtung und eine Sandungsvorrichtung aufweisen. Dabei kann die Gleitschutzeinrichtung ausgebildet sein, einen Haftwert zwischen dem Rad und der Schiene zu bestimmen und ein den Haftwert repräsentierendes Signal bereitzustellen. Dabei kann die Sandungsvorrichtung ausgebildet sein zum Ausbringen von Sand in einen Spalt zwischen der Schiene und dem Rad des Schienenfahrzeugs, wobei zumindest ein Sandungsparameter der Sandungsvorrichtung einstellbar ist. Dabei kann Sand entsprechend dem Sandungsparameter von der Sandungsvorrichtung ausbringbar sein. Die Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
- eine Einrichtung zum Verändern des Sandungsparameters, um Sand entsprechend dem Sandungsparameter auszubringen, wobei das Verändern innerhalb eines vordefinierten Optimierungsbereichs um einen Sollwert des Sandungsparameters erfolgt;
- eine Einrichtung zum Bestimmen von zumindest zwei Haftwerten während des im Schritt des Veränderns veränderten Sandungsparameters, um einen Haftwert für je einen von zumindest zwei verschiedenen Werten des Sandungsparameters zu bestimmen;
- eine Einrichtung zum Ermitteln eines optimalen Haftwerts aus den zumindest zwei Haftwerten, um einen optimalen Sandungsparameter zu bestimmen; und
- eine Einrichtung zum Einstellen des Sollwerts für den Sandungsparameter auf den optimalen Sandungsparameter, um eine Verbesserung des Haftwerts zu erreichen.
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Günstig ist es auch, wenn in der Einrichtung zum Verändern ein Ausbringwinkel der Sandungsanlage als Sandungsparameter einstellbar ist. Dabei kann der Ausbringwinkel zwischen einer Ausbringrichtung des Sandes und der Schiene gebildet werden.
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Ferner kann die Einrichtung zum Verändern ausgebildet sein, um den Ausbringwinkel aus einer Ebene von Rad und Schiene heraus beweglich einzustellen, um Sand in den Spalt zwischen der Schiene und dem Rad einzublasen. Dabei kann unter einem Einblasen auch ein Ausbringen verstanden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in der Einrichtung zum Verändern eine Sandmenge verstanden werden. Gleichzeitig oder alternativ kann eine Ausbringgeschwindigkeit des Sandes als Sandungsparameter einstellbar sein. Dabei kann unter einer Sandmenge eine aus der Sandungsvorrichtung auszubringenden Menge des Sandes repräsentieren. Auch diese Ausführungsformen können zu einer Verbesserung des Haftwertes bei der Sandungsvorrichtung führen.
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Entsprechend einer Ausführungsform kann die Einrichtung zum Ermitteln ausgebildet sein, den optimalen Haftwert der zumindest zwei Haftwerte derart zu ermitteln, dass der den besseren Haftwert repräsentierende Haftwert der zumindest zwei Haftwerte als optimaler Haftwert ermittelt wird. Bei einer Vielzahl von Haftwerten kann als optimaler Haftwert ein Haftwert ermittelt werden, den den besten Haftwert der Vielzahl von Haftwerten repräsentiert. Der Sollwert des Sandungsparameters kann auf den dem optimalen Haftwert zugeordneten Wert des Sandungsparameters eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise kann in einer Ausführungsform die Vorrichtung zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug, die auch als elektronische Steuerung bezeichnet werden kann, in eine Bremssteuerungselektronik integriert werden. Dabei können die in der Bremssteuerungselektronik bereits vorhandenen Signale direkt eingelesen werden, wie beispielsweise Geschwindigkeit oder Notbremse. Vorteilhaft brauchen in der Vorrichtung bereits vorhandene Signale nicht separat ermittelt oder übertragen werden. Im Falle einer Notbremse könnte dann beim Ermitteln von zu großem Schlupf durch die Gleitschutzelektronik das Sanden automatisch gestartet und wenn keine Schlupf besteht könnte das Sanden automatisch abgeschalten werden, um Sand zu sparen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Einrichtung zum Verändern den Ausbringwinkel der Sandungsanlage als Sandungsparameter in einem Bereich vergrößern und verkleinern und dabei die Sandmenge als Sandungsparameter erhöhen, wenn der in der Einrichtung zum Bestimmen bestimmte Haftwert eine vordefinierte Schwelle unterschreitet. So kann über die Verstelleinrichtung während des Sandens das Sandrohr um den angesteuerten Zielwinkel schnell hin- und hergeschwenkt werden, um die Chance zu erhöhen, die Schiene zu treffen. Dabei kann die Sandmenge stark erhöht werden, um den Sandverlust durch nicht direktes Zielen, weil ein breiter Bereich gestreut wird, auszugleichen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft als letzte Chance bei Notbremsungen sein, wenn beispielsweise der Haftwert einen extrem niedrigen Wert erreicht. Von Vorteil ist, wenn eine derartige Ausführungsform als Notmaßnahme angesteuert werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer Sandungsvorrichtung in einer Seitenansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer Sandungsvorrichtung in einer Aufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 und 5 je eine schematische Darstellung der Ausbringgeschwindigkeit einer Sandungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine Darstellung des Zusammenhangs eines Sandungsparameters zu einem Haftwert in einem Diagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 100 mit einer Sandungsvorrichtung 102 in einer Seitenansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sandungsvorrichtung 102 ist in Fahrtrichtung vor einem Rad 104 des Schienenfahrzeugs 100 angeordnet. Das zumindest eine Rad 104 des Schienenfahrzeugs 100 ist zu einer Schiene 106 derart angeordnet, dass das Schienenfahrzeug 100 auf der Schiene 106 fährt. Die Sandungsvorrichtung weist ein Ausbringmittel 108 zum Ausbringen von Sand 110 auf. Das Ausbringmittel 108 ist mit einer Einrichtung zum Einstellen 112 zumindest eines Sandungsparameters verbunden. Das Rad 104 ist mit einer Gleitschutzeinrichtung 114 verbunden. Die Gleitschutzeinrichtung 114 weist einen Gleitschutzsensor 116 auf. Die Einrichtung zum Einstellen 112 zumindest eines Sandungsparameters ist verbunden mit einer Einrichtung zum Verändern 118. Die Einrichtung zum Verändern 118 ist ausgebildet ein Signal auszugeben, welches den zumindest einen einzustellenden Sandungsparameter repräsentiert. Der Gleitschutzsensor 116 ist verbunden mit einer Einrichtung zum Bestimmen 120. Die Einrichtung zum Bestimmen 120 ist ausgebildet, einen Haftwert zu bestimmen, beziehungsweise eine Mehrzahl von Haftwerten zu bestimmen. Die Einrichtung zum Bestimmen 120 ist weiterhin verbunden mit der Einrichtung zum Verändern 118, sodass für einen Sandungsparameter ein Haftwert zugeordnet werden kann. Die Einrichtung zum Bestimmen 120 ist mit einer Einrichtung zum Ermitteln 122 eines optimalen Haftwerts aus den in der Einrichtung zum Bestimmen 120 bestimmten zumindest zwei Haftwerten ausgebildet. Mittels der von der Einrichtung zum Bestimmen 120 bestimmten zumindest zwei Haftwerte beziehungsweise die von der Einrichtung zum Bestimmen 120 bestimmten Wertepaare aus Haftwert und zugeordnetem Wert eines Sandungsparameters können in der Einrichtung zum Ermitteln 122 ein optimaler Haftwert bestimmt ermittelt werden, um einen optimalen Sandungsparameter zu bestimmen. Eine Einrichtung zum Einstellen 124 eines Sollwerts ist mit der Einrichtung zum Ermitteln 122 verbunden. Die Einrichtung zum Verändern 118 ist mit der Einrichtung zum Einstellen 124 verbunden, um Sandungsparameter auf einen Wert in einem Optimierungsbereich um den Sollwert zu verändern.
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Die Einrichtung zum Verändern 118, die Einrichtung zum Bestimmen 120, die Einrichtung zum Ermitteln 122 sowie die Einrichtung zum Einstellen des Sollwerts 124 bilden zusammen eine Vorrichtung 126 zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad 104 und einer Schiene 106 für ein Schienenfahrzeug 100.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Gleitschutzeinrichtung 114 den Gleitschutzsensor 116 sowie die Einrichtung zum Bestimmen 120. Dabei kann der Gleitschutzsensor 116 eine Drehgeschwindigkeit erfassen und ein Drehgeschwindigkeitssignal bereitstellen. Die Einrichtung zum Bestimmen 120 kann in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet sein das Drehgeschwindigkeitssignal auszuwerten und einen Schlupf des Rades 104 zu erfassen. Aus dem Schlupf kann die Gleitschutzeinrichtung 114 ein den Haftwert zwischen Rad und Schiene repräsentierenden Wert bestimmen oder ein den Haftwert repräsentierendes Signal bereitstellen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird während der Bremsung der Anstellwinkel der Sandungsvorrichtung 102, ach als Sandungsanlage 102 bezeichnet, kontinuierlich verstellt. Wird der Sand 110 zu weit innen gestreut, trifft ein großer Teil des Sandes 110 nicht vor das Rad 104, sondern zwischen die Räder, und der Haftwert der Schiene 106 wird weniger stark erhöht. Wird nun der Winkel langsam nach außen verstellt, wird der Anteil des Sandes 110, der zwischen Rad 104 und Schiene 106 gestreut wird, immer höher. Der dadurch erhöhte Haftwert wird von der Gleitschutzanlage 114 erkannt. Wird der Winkel im Weiteren weiter erhöht, wird wieder mehr Sand 110 außerhalb des Eingriffbereichs Schiene-Rad 106-104 verstreut und der Haftwert vermindert sich. Der Haftwert wird sich also beim vollständigen Verstellen in etwa der Form einer Gaußkurve erhöhen und vermindern, wie dies auch in 6 dargestellt wird. Damit kann der optimale Winkel als Maximalpunkt ermittelt und dann eingestellt werden. Durch leichtes hin- und herschwenken des Austrittrohrs der Sandungsanlage 102 lässt sich dieser optimale Winkel dann immer wieder nachjustieren. Das hin- und herschwenken kann beispielsweise in einem Winkel von ±5 Grad, oder alternativ in einem Winkel von ±10 Grad, oder alternativ in einem Winkel von ±15 Grad erfolgen. Das Nachjustieren ist auch notwendig, da die Fahrzeuggeschwindigkeit beim Bremsen abnimmt und sich daher die äußeren Randbedingungen verändern.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Sandungsparameter die Ausbringmenge des Sandes 110 durch die Sandungsvorrichtung 102 geregelt. Auch durch ein solches Ausführungsbeispiel lässt sich eine Verbesserung der sandungsbedingten Haftwertverbesserung erreichen. Parallel, nacheinander oder einzeln zur Ermittlung des idealen Ausbringwinkels über die Einstellmöglichkeit der Ausblasrichtung, kann auch die Ausbringmenge des Sandes 110 eingestellt werden. Wird kein Sand 110 gestreut, wird keine Verbesserung des Haftwertes erreicht. Durch eine Erhöhung der Sandmenge verbessert sich zunächst der Haftwert, bis eine höhere Menge keine Verbesserung mehr mit sich bringt. Diese Sandmenge ist wiederum von den Witterungsbedingungen (beispielsweise nasse, trockene, vereiste, verschmutzte Schiene) abhängig. Die Ermittlung der idealen Menge erfolgt durch das Erkennen eines sich verändernden Kraftschlusses durch die Gleitschutzanlage 102.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Sandungsparameter die Luftmenge und gleichzeitig oder alternativ die Luftgeschwindigkeit beziehungsweise Ausblasgeschwindigkeit des Sandes 110 geregelt. Parallel, nacheinander oder einzeln zur Ermittlung des idealen Ausbringwinkels über die Einstellmöglichkeit der Ausblasrichtung, und gleichzeitig oder alternativ der Ermittlung der Ausbringmenge des Sandes 110 kann auch die Ermittlung der idealen Ausbringgeschwindigkeit erfolgen. Die Ermittlung der idealen Luftmenge erfolgt wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen durch das Erkennen eines sich verändernden Kraftschlusses durch die Gleitschutzanlage 102 bei sich gleichzeitig durch die Regelung veränderten Ausbringgeschwindigkeiten, welche beispielsweise durch Einblasen von zusätzlicher Luft in das Sandrohr der Sandungsanlage 102 erreicht werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Schienenfahrzeugs mit einer Sandungsvorrichtung 102 in einer Aufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Rad 104 ist auf einer Schiene 106 angeordnet. Von dem Rad 104 und der Schiene 106 wird eine Ebene aufgespannt. In Fahrtrichtung vor dem Rad 104 ist ein Ausbringmittel 108 einer Sandungsvorrichtung 102 angeordnet. Bei dem Ausbringmittel 108 kann es sich um ein Ausbringrohr, ein Ausblasrohr oder eine Düse handeln. Bei der Sandungsvorrichtung 102 und dem Rad 104 kann es sich um Elemente eines in 1 gezeigten Schienenfahrzeugs 100 handeln. Das Rad 104 weist einen Spurkranz 228 auf, welcher in Richtung einer Fahrzeugmitte des Schienenfahrzeugs relativ zur Schiene 106 angeordnet ist. Das Ausbringmittel 108 ist ausgebildet, Sand 110 unter einem Ausbringwinkel α auszugeben oder auszublasen. Das Ausbringmittel 108 ist verbunden mit einer Einrichtung zum Einstellen 112 eines Sandungsparameters, beispielsweise zum Einstellen des Ausbringwinkels α des Ausbringmittels 108. Als Ausbringwinkel α wird ein Winkel bezeichnet zwischen dem Ausbringmittel 108 oder der Austrittsrichtung 230 des Sandes 110 aus dem Austrittsmittel 108 und einer von dem Rad 104 und der Schiene 106 aufgespannten Ebene. Dabei ist der Ausbringwinkel α in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in Bezug zu der aufgespannten Ebene in Richtung Fahrzeugmitte des Schienenfahrzeugs gerichtet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Einstellen 112 ausgebildet, die Sandmenge einzustellen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Einstellen 112 ausgebildet, die Ausbringgeschwindigkeit einzustellen. Um einen geschlossenen Regelkreis auszubilden, kann das Ausbringmittel 108 eine Überwachungseinrichtung 232 aufweisen, die ausgebildet ist, einen Sandungsparameter 234 zu erfassen und den Istwert des Sandungsparameters 234 bereitzustellen. Die Vorrichtung 126 ist ausgebildet, einen Sandungsparameter 234 bereitzustellen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Verändern 118 ausgebildet, einen Ausbringwinkel α der Sandungsanlage 102 als Sandungsparameter einzustellen. Dabei kann der Ausbringwinkel α zwischen einer Ausbringrichtung 230 des Sandes 110 und der Schiene 106 gebildet werden. In einem Ausführungsbeispiel ist der Ausbringwinkel aus einer Ebene von Rad und Schiene heraus beweglich einstellbar, um Sand 110 in den Spalt zwischen der Schiene 106 und dem Rad 104 einzublasen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in der Einrichtung zum Verändern eine Sandmenge und gleichzeitig oder alternativ eine Ausbringgeschwindigkeit des Sandes als Sandungsparameter einstellbar. In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Ermitteln ausgebildet, den optimalen Haftwert der zumindest zwei Haftwerte derart zu ermitteln, dass der den besseren Haftwert repräsentierende Haftwert der zumindest zwei Haftwerte als optimaler Haftwert ermittelt wird.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 126 zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug, wobei eine Methode zur geschwindigkeitsabhängigen Zielausrichtung bei Sandungsanlagen und gleichzeitig oder alternativ eine Methode zur optimierten Sandausbringmenge in Abhängigkeit der relativen Haftwertverbesserung Rad-Schiene genutzt wird. Dabei wird ein Verfahren zur Haftwertverbesserungsabhängigen Regelung einer Sandungsanlage eingesetzt.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Austrittsöffnung in Richtung Fahrzeugmitte gedreht, sodass der Sand 110 erst in Kombination mit der Ablenkung durch die Querluft vor das Rad 104 fällt. Bei geringer Geschwindigkeit wird der Sand 110 zu weit zur Fahrzeugmitte gelenkt, bei mittlerer Geschwindigkeit in die richtige Position und bei hoher Geschwindigkeit zu weit nach außen. Durch die beschriebene Veränderung des Ausbringwinkel α wird in allen Geschwindigkeitsbereich der Sand 110 optimal ausgebracht. Dabei können auch Überlagerungen durch beispielsweise verschiedene Windverhältnisse berücksichtigt werden. Herrscht beispielsweise starker Wind, verändern sich die Querströmungen unabhängig von der Geschwindigkeit. Die Umgebung der Schiene hat ebenfalls einen Einfluss. Beispielsweise kann sich in einem Tunnel ein höherer Staudruck aufbauen, als außerhalb des Tunnels. Vorteilhaft passt die Vorrichtung 126 beziehungsweise das darauf laufende Verfahren sich den unterschiedlichen Erfordernissen an und kann in einem Ausführungsbeispiel die Sandmenge in Abhängigkeit des Schienenzustands anpassen.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 126 zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 126 kann in einem Schienenfahrzeug wie in 1 gezeigt eingesetzt werden. Dabei umfasst die Vorrichtung 126 eine Einrichtung zum Verändern 118, eine Einrichtung zum Bestimmen 120, eine Einrichtung zum Ermitteln 122 sowie eine Einrichtung zum Einstellen des Sollwerts 124. Weiterhin weist die Vorrichtung 126 eine Schnittstelle 336 auf. Die Vorrichtung 126 ist ausgebildet, über die Schnittstelle 336 einen Sandungsparameter 234 bereitzustellen, sowie einen Haftwert 340 einzulesen.
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Die Einrichtung zum Verändern 118 ist ausgebildet, den Sandungsparameter 228 an der Schnittstelle 336 bereitzustellen. Hierzu kann bei einem ersten Start der Vorrichtung 126 ein geschwindigkeitsbasierter Sollwert genutzt werden, um den in einem vordefinierten Optimierungsbereich der Sandungsparameter 234 verändert wird. Die Einrichtung zum Bestimmen 120 ist ausgebildet, für einen Sandungsparameter 234 einen zugeordneten Haftwert 342 zu bestimmen. Die Einrichtung zum Ermitteln 122 ist ausgebildet, um einen optimalen Haftwert zu ermitteln, um einen optimalen Sandungsparameter 344 bereitzustellen. Die Einrichtung zum Einstellen 124 des Sollwerts 346 ist ausgebildet, den Sollwert 346 auf den optimalen Sandungsparameter 228 einzustellen und der Einrichtung zum Verändern 118 bereitzustellen.
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Um den Sand in den Spalt zwischen dem Rad und der Schiene auszubringen, wird in einem Ausführungsbeispiel der Sand über einen großen Luftstrom und dazu relativ kleiner Ausbringdüse mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit vor das Rad „geschossen“. Die höhere Ausbringgeschwindigkeit verringert die seitliche Ablenkung. Die resultierende Geschwindigkeit setzt sich aus Ausbringgeschwindigkeit und Ablenkgeschwindigkeit zusammen. Der Anteil der Ablenkung bekommt in folge der höheren Ausbringgeschwindigkeit weniger Einfluss. Der Sand landet in größeren Mengen auf der Schiene. Der Zusammenhang zwischen der Ausbringgeschwindigkeit und der Ablenkgeschwindigkeit sowie der resultierenden Geschwindigkeit wird in den folgenden beiden Figuren 4 und 5 näher erläutert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Ausbringgeschwindigkeit einer Sandungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aus einer Düse 108 wird Sand in Richtung eines Rades 104 ausgeblasen, wobei ein Luftstrom von der Seite angenommen wird. Drei Geschwindigkeitsvektoren 448, 450, 452 repräsentieren eine Ausbringgeschwindigkeit 448 des Sandes, eine Ablenkgeschwindigkeit 450 sowie eine resultierende Geschwindigkeit 452 des Sandes. Der ausgeblasene Sand wird um den Winkel α abgelenkt von der Richtung, in die der Sand ausgeblasen wird. Um den Sand in einen Spalt zwischen dem Rad 104 und einer Schiene zu blasen, sollte die Richtung, in die der Sand ausgeblasen wird, um den Ausblaswinkel α entgegen der Richtung der Luftströmung korrigiert werden. Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt die resultierende Geschwindigkeit 452 für eine geringe Ausbringgeschwindigkeit 448 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel in 5, welches den gleichen Sachverhalt bei einer hierzu im Vergleich hohen Ausbringgeschwindigkeit 448 darstellt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Ausbringgeschwindigkeit einer Sandungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 5 entspricht der Darstellung in 4, mit dem Unterschied, dass die Ausbringgeschwindigkeit 448 erhöht wurde, beispielsweise verdoppelt wurde. Bei im Vergleich zu 4 gleichbleibender Ablenkgeschwindigkeit 450 ergibt sich eine erhöhte resultierende Geschwindigkeit 452 und ein kleiner Winkel α.
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4 und 5 zeigen Darstellungen aus denen erkennbar ist, dass ein Ausblasen des Sands in Richtung Fahrzeugmitte durch die Kombination der Ausbringgeschwindigkeit 448 mit der Luftströmung aufgrund von Staudruck, die zu einer Ablenkgeschwindigkeit 450 des Sands führt, den Sand unter bestimmten Bedingungen besser in den Spalt zwischen der Schiene und dem Rad blasen kann. Bei geringer Geschwindigkeit wird der Sand zu weit in Richtung Fahrzeugmitte gelenkt, bei mittlerer Geschwindigkeit in die richtige Position und bei hoher Geschwindigkeit zu weit nach außen. So kann für einen Geschwindigkeitsbereich der Sand optimal ausgebracht werden.
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6 zeigt eine Darstellung des Zusammenhangs eines Sandungsparameters zu einem Haftwert in einem Diagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem kartesischen Koordinatensystem wird auf der Abszisse ein Sandungsparameter und auf der Ordinate ein Haftwert aufgetragen. Für drei Optimierungsbereiche 654 ist eine Kurve 656 des Haftwerts über den Sandungsparameter aufgezeichnet, wobei die Kurve 656 jeweils die Form einer Gaußkurve oder einer Normalverteilung aufweist. Für jede Kurve 656 kann ein optimaler Sandungsparameter 344 bestimmt werden, der als eine Gerade zur Abszisse - parallel zur Ordinate - eingezeichnet ist.
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Das Diagramm wird folgend an einem konkreteren Beispiel erläutert. Als Sandungsparameter wird ein Ausbringwinkel α des Sandes gewählt. Der Ausbringwinkel α beschreibt einen Winkel zwischen einer Ausbringrichtung des Sandes in Bezug zur Schiene. Da im Bereich der Drehgestelle eines Schienenfahrzeugs eine Luftströmung von der Fahrzeugmitte in Richtung der Räder 104 strömen kann, kann der Sand zur Seite verblasen werden. Um diesen Effekt auszugleichen, wird der Sand in Abhängigkeit der Stärke der Luftströmung und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit unter dem Ausbringwinkel α ausgebracht, um in einen Spalt zwischen Schiene und dem Rad 104 eingebracht zu werden. Um einen Sollwert 346 wird ein Optimierungsbereich 654 definiert, in dem der Sandungsparameter verändert wird. Zu jedem Sandungsparameter oder in diesem Ausführungsbeispiel Ausbringwinkel α wird der Haftwert oder ein den Haftwert repräsentierender Wert bestimmt. Aus der so entstehenden Kurve 656 kann ein optimaler Haftwert und somit ein optimaler Sandungsparameter oder in diesem Ausführungsbeispiel Ausbringwinkel α bestimmt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel kann als Sandungsparameter die Sandmenge variiert werden. In Abhängigkeit von Fahrtgeschwindigkeit und Schienenzustand müssen unterschiedliche Sandmengen von der Sandungsanlage ausgebracht werden, um den für die Bremsung notwendigen Haftwert zwischen Rad und Schiene zu erreichen. Um Sand zu sparen, soll nicht unnötig viel Sand gestreut werden. Durch den in dem Diagramm gezeigten Zusammenhang zwischen dem Haftwert und dem Sandungsparameter kann eine optimale Sandmenge bestimmt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Parameter der Sandungsanlage wie beispielsweise Sandmenge, Luftausblasgeschwindigkeit oder Zielrichtung der Ausblasdüse beziehungsweise Zielrichtung des Ausblasrohres der Sandungsvorrichtung optimal so geregelt, dass der für die Bremsung notwendige Haftwert erreicht wird. Durch beispielsweise eine bessere Zielgenauigkeit muss wesentlich weniger Sand ausgebracht werden, wobei gleichzeitig die Sandmenge zwischen Rad und Schiene durch genaues „Zielen“ erhöht wird. Aufgrund unterschiedlicher Schienenbeschaffenheit und unterschiedlicher Bremsanforderungen können unterschiedliche Mengen von Sand ausgebracht werden, um den erforderlichen Haftwert zu erreichen.
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Vorteilhaft kann der Winkel nicht über ein geschwindigkeitsabhängiges Kennfeld eingestellt, sondern stets nachgeregelt werden. Alternativ zu dem Winkel der kann ein alternativer Sandungsparameter als Regelparameter genutzt werden. Dabei wird als ein Regelparameter direkt der Haftwert-verbessernde Effekt der Sandung verwendet. Reicht bei einer Bremsung der Haftwert zwischen Rad und Schiene nicht aus, vergrößert sich der Schlupf zwischen Rad und Schiene. Dies wird von der vorhandenen Gleitschutzanlage erkannt und es muss zur Erhöhung des Haftwertes gesandet werden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbessern eines Haftwerts zwischen einem Rad und einer Schiene für ein Schienenfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 kann auf einer Vorrichtung 126, wie diese in den 1 bis 3 beschrieben wurde, ausgeführt werden. Das Verfahren 700 weist einen Schritt des Veränderns 710, einen Schritt des Bestimmens 720, einen Schritt des Ermittelns 730 sowie einen Schritt des Einstellens 740 auf. Im Schritt des Veränderns 710 wird ein Sandungsparameter verändert, um Sand entsprechend dem Sandungsparameter auszubringen, wobei das Verändern innerhalb eines vordefinierten Optimierungsbereichs um einen Sollwert des Sandungsparameters erfolgt. Bei einem ersten Ausführen des Verfahrens kann der Sollwert geschwindigkeitsabhängig gewählt sein. Alternativ kann der Sollwert ein vordefinierter Wert sein, wenn die Schritte des Verfahrens initial durchlaufen werden. Der Sandungsparameter wird ansprechend auf den Sollwert variiert beziehungsweise verändert. So kann der Betrag des Sandungsparameters sequenziell vergrößert und verkleinert werden. In einem Ausführungsbeispiel werden drei verschiedene Sandungsparameter eingestellt, in einem anderen Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von verschiedenen Werten, kleiner und größer als der Sollwert.
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Im Schritt des Bestimmens 720 werden zumindest zwei Haftwerte Haftwerten während des im Schritt des Veränderns 710 veränderten Sandungsparameters bestimmt. Dabei kann für jeden Sandungsparameter ein Haftwert oder ein den Haftwert repräsentierender Wert bestimmt werden. Im Schritt des Bestimmens 720 wird ein Haftwert für je einen von zumindest zwei verschiedenen Werten des Sandungsparameters bestimmt. Aus den im Schritt des Bestimmens 720 bestimmten zumindest zwei Haftwerten wird im Schritt des Ermittelns 730 ein optimaler Haftwert ermittelt, um einen optimalen Sandungsparameter zu bestimmen. Im Schritt des Einstellens 740 wird der Sollwert für den Sandungsparameter auf den optimalen Sandungsparameter eingestellt, um eine Verbesserung des Haftwerts zu erreichen.
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In einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt des Veränderns 710 als Sandungsparameter ein Ausbringwinkel des Sandes in Bezug zur Schiene verändert werden. Alternativ kann eine Sandmenge im Schritt des Veränderns 710 als Sandungsparameter verändert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt des Veränderns 710 eine Luftmenge oder eine Ausbringgeschwindigkeit des Sandes verwendet werden.
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Die verschiedenen Varianten beziehungsweise Ausführungsbeispiele des Sandungsparameters können in einem Ausführungsbeispiel miteinander kombiniert werden. So kann im Schritt des Veränderns 710 zumindest ein erster Sandungsparameter, der eine erste physikalische Größe repräsentiert, und ein zweiter Sandungsparameter, der eine zweite physikalische Größe repräsentiert, verändert werden und im Schritt des Bestimmens 720 zumindest ein erster optimaler Sandungsparameter und ein zweiter optimaler Sandungsparameter bestimmt werden, um im Schritt des Einstellens 740 den Sollwert für den ersten Sandungsparameter auf den ersten optimalen Sandungsparameter und den Sollwert des zweiten Sandungsparameters auf den zweiten optimalen Sandungsparameter einzustellen, wobei der erste Sandungsparameter und der zweite Sandungsparameter zwei unterschiedliche physikalische Größen repräsentieren.
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In einem Ausführungsbeispiel können die Schritte des Verfahrens 700 nacheinander für zumindest einen ersten Sandungsparameter und einen hierzu verschiedenen zweiten Sandungsparameter durchgeführt werden, wobei der erste Sandungsparameter und der zweite Sandungsparameter zwei unterschiedliche physikalische Größen repräsentieren. So können die Schritte des Verfahrens 700 immer abwechselnd für die zwei verschiedenen Sandungsparameter durchgeführt werden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schienenfahrzeug
- 102
- Sandungsvorrichtung
- 104
- Rad
- 106
- Schiene
- 108
- Ausbringmittel
- 110
- Sand
- 112
- Einrichtung zum Einstellen
- 114
- Gleitschutzeinrichtung
- 116
- Gleitschutzsensor
- 118
- Einrichtung zum Verändern
- 120
- Einrichtung zum Bestimmen
- 122
- Einrichtung zum Ermitteln
- 124
- Einrichtung zum Einstellen des Sollwerts
- 126
- Vorrichtung
- 228
- Spurkranz
- α
- Ausbringwinkel
- 230
- Austrittsrichtung
- 232
- Überwachungseinrichtung
- 234
- Sandungsparameter
- 336
- Schnittstelle
- 340
- Haftwert
- 342
- zugeordneter Haftwert
- 344
- optimaler Sandungsparameter
- 346
- Sollwert
- 448
- Ausbringgeschwindigkeit
- 450
- Ablenkgeschwindigkeit
- 452
- Resultierende Geschwindigkeit
- 654
- Optimierungsbereich
- 656
- Kurve
- 700
- Verfahren
- 710
- Schritt des Veränderns
- 720
- Schritt des Bestimmens
- 730
- Schritt des Ermitteln
- 740
- Schritt des Einstellens des Sollwerts
