DE102019114288A1 - Method and device for localizing a singular flaw on the running surface of a wheel of a rail-bound vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisierung einer singulären Fehlstelle (19) an der Lauffläche (13) eines Rades (7, 8) eines schienengebundenen Fahrzeugs beim Überfahren einer als Messstrecke (25) ausgebildeten Schiene (3, 4) in X-Richtung, wobei mit Hilfe einer Kraftmesseinrichtung (26) kontinuierlich die Aufstandskraft F des Rades (7, 8) über die Länge L der Messstrecke (25) erfasst wird und wobei mit Hilfe einer Entfernungsmesseinrichtung (20) der Abstand yndes Rades (7, 8) zur Schiene (3, 4) in einer parallel zur Radachse (9) verlaufenden Y-Richtung an mindestens einer in X-Richtung definierten Position innerhalb der Messstrecke (25) gemessen wird. Die Detektion der Fehlstelle (19) erfolgt dann durch Auswertung des Verlaufs der Radaufstandskraft F in einer elektronischen Auswerteeinheit (35), wobei zum Zeitpunkt des Auftretens der Fehlstelle (19) und auf Basis des erfassten Abstandes yndie Lage des Rad-Schiene-Kontakts auf der Lauffläche (13) des Rades (7, 8) in Y-Richtung ermittelt wird.The invention relates to a method and a device for localizing a singular defect (19) on the running surface (13) of a wheel (7, 8) of a rail-bound vehicle when driving over a rail (3, 4) designed as a measuring section (25) in X- Direction, whereby the contact force F of the wheel (7, 8) is continuously recorded over the length L of the measuring section (25) with the aid of a force measuring device (26) and the distance between the wheel (7, 8) and the distance measuring device (20). to the rail (3, 4) in a Y-direction running parallel to the wheel axis (9) at at least one position defined in the X-direction within the measuring section (25). The defect (19) is then detected by evaluating the course of the wheel contact force F in an electronic evaluation unit (35), with the position of the wheel-rail contact on the at the time the defect (19) occurs and on the basis of the detected distance yn Tread (13) of the wheel (7, 8) is determined in the Y direction.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisierung einer singulären Fehlstelle an der Lauffläche eines Rades eines schienengebundenen Fahrzeugs beim Überfahren einer als Messstrecke ausgebildeten Schiene, bei der zur Detektion der Fehlstelle der mittels einer Kraft- oder Beschleunigungsmesseinrichtung erfasste Verlauf der Aufstandskraft des Rades ausgewertet wird.The invention relates to a method and a device for localizing a singular flaw on the running surface of a wheel of a rail-bound vehicle when driving over a rail designed as a measuring section, in which the profile of the upright force of the wheel recorded by means of a force or acceleration measuring device is evaluated to detect the flaw .
Den Laufflächen der Räder schienengebundener Fahrzeuge kommt im Hinblick auf Fahrkomfort und Sicherheit des Schienenverkehrs eine entscheidende Bedeutung zu. Im Idealfall entspricht die Geometrie der Laufflächen einer die Radachse konzentrisch umlaufenden leicht konischen Mantelfläche, mit der die Räder auf den Schienen abrollen. Die Laufflächen bilden somit den rotierenden Teil des Rad-Schiene-Kontakts. Abweichungen von der Idealform werden als Unrundheiten bezeichnet, wozu beispielsweise eine Exzentrizität, Ovalität oder Polygonisation zählt, aber auch eine Flachstelle, Abplattung oder ein Materialauftrag. Vor allem bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erhöhen Unrundheiten den dynamischen Anteil der vom Rad auf die Schiene ausgeübten Kraft, was auf Dauer zu Schäden am Schienenfahrzeug und Schienenfahrweg führt. Die damit einhergehenden Sicherheitsrisiken sind ebenso wie Lärmemissionen und Erschütterungen des Untergrunds unerwünscht.The running surfaces of the wheels of rail-bound vehicles are of decisive importance with regard to driving comfort and safety of rail traffic. In the ideal case, the geometry of the running surfaces corresponds to a slightly conical outer surface that runs concentrically around the wheel axis and with which the wheels roll on the rails. The running surfaces thus form the rotating part of the wheel-rail contact. Deviations from the ideal shape are referred to as out-of-roundness, which includes eccentricity, ovality or polygonization, but also a flat spot, flattening or an application of material. Especially at high driving speeds, out-of-roundness increases the dynamic portion of the force exerted by the wheel on the rail, which in the long term leads to damage to the rail vehicle and the rail track. The associated safety risks, as well as noise emissions and vibrations of the subsurface, are undesirable.
Zur Vermeidung solcher Auswirkungen hat es daher nicht an Bestrebungen gefehlt, von Unrundheiten betroffene Räder eines Schienenfahrzeugs möglichst frühzeitig zu identifizieren und zu ersetzen. Dies kann durch manuelles Abtasten des Radprofils mit Hilfe von Messlehren geschehen, wozu das Fahrzeug allerdings außer Betrieb genommen werden muss. Eine solche Vorgehensweise bietet sich daher vor allem im Zuge der Durchführung anderweitiger Instandsetzungsmaßnahmen an. Aufgrund des damit verbundenen Zeitaufwands erweist sich diese Vorgehensweise jedoch als nicht ausreichend wirtschaftlich.In order to avoid such effects, there has therefore been no lack of efforts to identify and replace wheels of a rail vehicle affected by out-of-roundness as early as possible. This can be done by manually scanning the wheel profile with the aid of measuring gauges, for which the vehicle must, however, be taken out of operation. Such a procedure is therefore particularly suitable in the course of carrying out other repair measures. However, because of the time involved, this approach proves to be insufficiently economical.
Aus der
Eine Weiterentwicklung derartiger Vorrichtungen ist Gegenstand der
Es hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, dass bei der Überfahrt einer mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüsteten Messstrecke die für ein bestimmtes Rad ermittelten Amplitudenwerte bzw. Kraftstoßwerte unerwarteten Schwankungen unterliegen.However, it has been shown in practice that when driving over a measuring section equipped with such a device, the amplitude values or impulse values determined for a specific wheel are subject to unexpected fluctuations.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung schadhafter Räder schienengebundener Fahrzeuge im Hinblick auf die Aussagekraft der Messwerte weiter zu verbessern.Against this background, the invention is based on the object of further improving known methods and devices for recognizing defective wheels of rail-bound vehicles with regard to the informative value of the measured values.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.This object is achieved by a method with the features of
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Berührpartner beim Rad-Schiene-System zum einen von der Fahrfläche der Schiene und zum anderen von der Lauffläche des Rades gebildet werden, die zusammen den Rad-Schiene-Kontakt bilden. Bei der Gleisfahrt eines Schienenfahrzeugs bewirken die leicht konische Ausbildung der rotierenden Radlauffläche und die dementsprechende Neigung der Schienenfahrfläche in Grenzen eine Eigenstabilisierung des Schienenfahrzeugs in Fahrtrichtung, bei der Abweichungen von der Fahrtrichtung selbsttätig korrigiert werden. Dabei kommt zur Bewegung in Fahrtrichtung eine dazu quer gerichtete Pendelbewegung hinzu, was in der Summe zu einem Wellen- oder Sinuslauf der Räder eines Radsatzes auf der Schiene führt. Die maximale Pendelbewegung entspricht dem Spurspiel, das durch den gegenseitigen axialen Abstand der beiden Spurkränze eines Radsatzes und durch den etwas größeren Abstand der Schienenköpfe definiert ist. Dem Wellenlauf folgend pendelt der Rad-Schiene-Kontakt quer zur Fahrtrichtung auf der Lauffläche des Rades periodisch zwischen den Maximalwerten.The invention is based on the knowledge that the contact partners in the wheel-rail system are formed on the one hand by the running surface of the rail and on the other hand by the running surface of the wheel, which together make the wheel-rail contact form. When a rail vehicle is on the rails, the slightly conical design of the rotating wheel running surface and the corresponding inclination of the rail running surface cause the rail vehicle to self-stabilize in the direction of travel, in which deviations from the direction of travel are automatically corrected. In addition to the movement in the direction of travel, there is a transverse pendulum movement, which in total leads to a wave or sinusoidal movement of the wheels of a wheel set on the rail. The maximum pendulum motion corresponds to the track clearance, which is defined by the mutual axial distance between the two wheel flanges of a wheel set and by the slightly larger distance between the rail heads. Following the wave run, the wheel-rail contact oscillates transversely to the direction of travel on the running surface of the wheel periodically between the maximum values.
Erstreckt sich eine Unrundheit über die gesamte axiale Breite der Radlauffläche wie es bei einer Exzentrizität, Ovalität oder Polygonisation der Fall ist, so hat der Wellenlauf bei der Feststellung von Unrundheiten keinen Einfluss auf das Messergebnis, da die Unrundheit unabhängig von der momentanen relativen Lage des Rades gegenüber der Schiene im Laufe einer Radumdrehung den Rad-Schiene-Kontakts bildet und in diesem Moment eine dynamische Last auf die Schiene ausübt, die für einen charakteristischen Kraftsignalverlauf ursächlich ist.If an out-of-roundness extends over the entire axial width of the wheel running surface, as is the case with an eccentricity, ovality or polygonization, the shaft run has no influence on the measurement result when determining out-of-roundness, since the out-of-roundness is independent of the current relative position of the wheel forms the wheel-rail contact with respect to the rail in the course of a wheel revolution and at this moment exerts a dynamic load on the rail, which is the cause of a characteristic force signal curve.
Etwas anderes gilt für eine Unrundheit des Rades, die auf der Radlauffläche in axialer Richtung lokal begrenzt ist, sich also nur über einen Teil der axialen Breite der Lauffläche erstreckt. Eine solche Unrundheit wird im Weiteren als singuläre Fehlstelle bezeichnet. Bei singulären Fehlstellen ist eine Abhängigkeit des Kraftsignalverlaufs von der relativen axialen Lage des Rades auf der Schiene feststellbar. Fällt der Rad-Schiene-Kontakt mit dem Rand der Fehlstelle zusammen, so ist die Amplitude eines Kraftsignals geringer als bei einer vollständigen Überdeckung des Rad-Schiene-Kontakts mit der Fehlstelle. Diese Erkenntnis erklärt die beim Stand der Technik beobachteten Schwankungen im Kraftsignalverlauf.Something different applies to an out-of-roundness of the wheel, which is locally limited on the wheel running surface in the axial direction, that is to say extends only over part of the axial width of the running surface. Such an out-of-roundness is referred to below as a singular flaw. In the case of singular flaws, a dependency of the force signal curve on the relative axial position of the wheel on the rail can be determined. If the wheel-rail contact coincides with the edge of the flaw, the amplitude of a force signal is lower than when the wheel-rail contact is completely covered by the flaw. This finding explains the fluctuations in the force signal curve observed in the prior art.
Es ist das Verdienst der Erfindung, diese Zusammenhänge in einen Kontext gebracht und darauf aufbauend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisierung einer singulären Fehlstelle an der Lauffläche eines Rades eines schienengebundenen Fahrzeugs beim Überfahren einer als Messstrecke ausgebildeten Schiene in X-Richtung entwickelt zu haben, die den Einfluss der relativen Lage des Rads auf der Schiene in zur Radachse paralleler Y-Richtung auf den Kraftsignalverlauf berücksichtigt.It is the merit of the invention to put these relationships into context and, based on this, to have developed a method and a device for localizing a singular flaw on the running surface of a wheel of a rail-bound vehicle when driving over a rail designed as a measuring section in the X-direction the influence of the relative position of the wheel on the rail in the Y-direction parallel to the wheel axis on the force signal curve is taken into account.
Der Grundgedanke der Erfindung sieht in Abkehr vom Stand der Technik vor, zur Feststellung von Radunrundheiten nicht nur die Abweichungen des Kraftsignalverlaufs von einem Grenzwert oder Referenzkraftverlauf heranzuziehen, sondern die für eine Fehlstelle signifikanten Kraftsignale mit Zusatzinformationen über die relative Lage des Rades in Bezug auf die Schiene zu verknüpfen. Dabei wird jedem signifikanten Kraftsignal ein axiales Versatzmaß zugeordnet, das den axialen Abstand des Rades zur Schiene zum Zeitpunkt des Auftretens des signifikanten Kraftsignals beschreibt.The basic idea of the invention, as a departure from the prior art, provides not only to use the deviations of the force signal curve from a limit value or reference force curve, but also the force signals that are significant for a defect with additional information about the relative position of the wheel in relation to the rail to determine wheel irregularities to link. Each significant force signal is assigned an axial offset that describes the axial distance between the wheel and the rail at the time the significant force signal occurs.
Erst durch die Berücksichtigung des axialen Versatzes werden unterschiedliche Kraftsignalverläufe eines Rades vergleichbar, da dem Vergleich identische Rahmenbedingen zugrunde liegen. Durch die Auswertung unterschiedlicher Kraftsignalverläufe sind Fehlstellen auf der Radlauffläche lokalisierbar und in Form und Größe bewertbar. Ein Vergleich zeitlich beabstandeter Kraftsignalverläufe lässt Tendenzen über die weitere Entwicklung einer Fehlstelle, erkennen was für eine verlässliche Planung und Durchführung von Reparaturmaßnahmen unabdingbar ist.Different force signal curves of a wheel can only be compared when the axial offset is taken into account, since the comparison is based on identical framework conditions. By evaluating different force signal curves, imperfections on the wheel running surface can be localized and their shape and size can be assessed. A comparison of temporally spaced force signal curves reveals tendencies regarding the further development of a defect, which is essential for reliable planning and implementation of repair measures.
Vorzugsweise wird die Aufstandskraft F über die Zeit der Überfahrt über die Messstrecke kontinuierlich gemessen und als Kraftsignalverlauf gespeichert. Die Auswertung der Messergebnisse kann demzufolge bereits grobsinnlich durch einen optischen Vergleich von Verläufen erfolgen, was sehr schnell und einfach geschehen kann.The contact force F is preferably continuously measured over the time it is passed over the measuring section and stored as a force signal curve. The evaluation of the measurement results can therefore already be carried out in a coarse-sensual manner by an optical comparison of courses, which can be done very quickly and easily.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird der axiale Abstand zwischen Rad und Schiene, also der axiale Versatz des Rades zur Schiene, spätestens nach jeder vollen Radumdrehung eines Rades innerhalb der Messstrecke gemessen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Auftreten einer Fehlstelle und die dazugehörige Abstandsmessung verhältnismäßig eng beieinanderliegen. Durch noch engere Abstände der Messungen in X-Richtung kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter gesteigert werden.In an advantageous further development of the invention, the axial distance between the wheel and the rail, that is to say the axial offset of the wheel from the rail, is measured at the latest after each full wheel revolution of a wheel within the measuring section. In this way it is ensured that the occurrence of a defect and the associated distance measurement are relatively close to one another. The accuracy of the method according to the invention can be increased further by means of even closer spacings between the measurements in the X direction.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist eine Entfernungsmesseinrichtung in einer ersten definierten axialen Entfernung zur Schiene starr montiert, beispielsweise auf einer Schwelle. Diese gleichbleibende erste Entfernung bildet die Basis für die Ermittlung des axialen Versatzes.According to a simple embodiment of the invention, a distance measuring device is rigidly mounted at a first defined axial distance from the rail, for example on a sleeper. This constant first distance forms the basis for determining the axial offset.
Demgegenüber bevorzugt ist es jedoch, diese erste Entfernung ebenfalls mit Hilfe der Entfernungsmesseinrichtung zu erfassen. Das hat den Vorteil, dass eine anfängliche Fehlpositionierung der Entfernungsmesseinrichtung oder eine spätere Positionsveränderung keinen Einfluss auf die Ermittlung des axialen Versatzmaßes haben. Die Montage und Wartung einer erfindungsgemäßen Entfernungsmesseinrichtung wird dadurch wesentlich erleichtert.In contrast, however, it is preferred to also detect this first distance with the aid of the distance measuring device. This has the advantage that an initial incorrect positioning of the distance measuring device or a later change in position have no influence on the determination of the axial offset. The assembly and maintenance of a distance measuring device according to the invention is thereby made much easier.
Basis für die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist die kontinuierliche Erfassung der Radaufstandkraft F eines die Messstrecke passierenden Rades. Ein unerwartet starkes Abweichen der der Radaufstandskraft F von einem Grenzwert oder Referenzkraftverlaufs weist auf eine Fehlstelle hin. Um ein erfindungsgemäßes Verfahren unabhängig von Federsteifigkeiten der Konstruktion und des Untergrunds zu machen, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Kraftverlauf über die Zeit integriert und so ein Kraftstoß ermittelt, der als Basis für die weitere Auswertung herangezogen wird.The basis for the application of a method according to the invention is the continuous detection of the wheel contact force F of a wheel passing the measuring section. An unexpectedly large deviation of the wheel contact force F from a limit value or reference force curve indicates a fault. In order to make a method according to the invention independent of the spring stiffness of the construction and the subsurface, according to a preferred embodiment of the invention the force curve is integrated over time and a force impulse is determined, which is used as the basis for further evaluation.
Da gemäß der Erfindung jeder Fehlstelle ein axiales Versatzmaß zugeordnet wird, genügt es für eine qualifizierte Erfassung und Beuteilung der Fehlstelle, wenn die minimale Länge der Messstrecke dem einfachen Umfang eines Rades entspricht. Ein mehrmaliges Erfassen einer Fehlstelle ist nicht notwendig, so dass eine erfindungsgemäße Messstrecke vergleichsweise kurz ausgebildet sein kann. Das führt zunächst zu wirtschaftlichen Vorteilen, da der Investitionsbedarf beim Bau einer Messstrecke geringer ist. Darüber hinaus lassen sich kürzere Messstrecken problemloser in ein bestehendes Schienennetz integrieren, was deren Planung erleichtert.Since, according to the invention, an axial offset is assigned to each flaw, it is sufficient for a qualified detection and assessment of the flaw if the minimum length of the measuring section corresponds to the simple circumference of a wheel. Multiple detection of a defect is not necessary, so that a measuring section according to the invention can be made comparatively short. This initially leads to economic advantages, since the investment required for building a measuring section is lower. In addition, shorter measuring distances can be integrated into an existing rail network more easily, which makes planning easier.
Vorzugsweise sind in der elektronischen Auswerteeinheit die geometrischen Kenngrößen des vorhandenen Radprofils und Schienenprofils hinterlegt, so dass bei der Auswertung der Messergebnisse auf diese Daten zurückgegriffen werden kann.The geometric parameters of the existing wheel profile and rail profile are preferably stored in the electronic evaluation unit, so that these data can be used when evaluating the measurement results.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Soweit zweckdienlich, werden in den unterschiedlichen Figuren für gleiche oder funktionsgleiche Merkmale gleichlautende Bezugszeichen verwendet.The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing, further features and advantages of the invention becoming apparent. As far as expedient, identical reference symbols are used in the different figures for identical or functionally identical features.
Es zeigt
-
1 in schematischer Darstellung eine Ansicht auf ein Gleis in Gleisrichtung mit darauf angeordnetem Radsatz eines Schienenfahrzeugs, -
2 eine Teilansicht auf den den Rad-Schiene-Kontakt bildenden Bereich des in1 dargestellten Rades in größerem Maßstab, -
3 einen Längsschnitt durch einen als Messstrecke ausgebildeten Gleisabschnitt, -
4 einen Teilquerschnitt durch den in3 gezeigten Gleisabschnitt entlang der dortigen Linie IV - IV, -
5 in schematischer Darstellung die in3 dargestellte Messstrecke mit darauf abrollendem Rad, -
6 den zeitabhängigen Verlauf der Aufstandskraft eines Rades über die Länge der in5 dargestellten Messstrecke, und -
7 den zeitabhängigen Verlauf der relativen Lage des Rades in Y-Richtung gegenüber der Schiene über die Länge der in5 dargestellten Messstrecke.
-
1 a schematic representation of a view of a track in the track direction with a wheel set of a rail vehicle arranged thereon, -
2 a partial view of the wheel-rail contact forming area of FIG1 shown wheel on a larger scale, -
3 a longitudinal section through a track section designed as a measuring section, -
4th a partial cross-section through the in3 shown track section along the local line IV - IV, -
5 in a schematic representation the in3 the measuring section shown with the wheel rolling on it, -
6th the time-dependent course of the vertical force of a wheel over the length of the in5 measuring section shown, and -
7th the time-dependent course of the relative position of the wheel in the Y direction with respect to the rail over the length of the in5 shown measuring section.
Der Radsatz
Die einander zugewandten Seiten der Räder
Ferner ist mit den beiden Umfangslinien
Im Idealfall verläuft die Lauffläche
Zur Erfassung der von einem Rad
Vor der in Fahrtrichtung ersten Schwelle
Wie vor allem aus
Über die Länge L der Messstrecke
Der axiale Versatz Δy des Rades
Anhand der
Beim Abrollen eines Rades
In
Über annähernd die gesamte Länge L der Messstrecke
Der Zeitpunkt tb im zweiten Teilabschnitt B der Messstrecke
Im dritten Teilabschnitt C hat sich das Rad
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zu jedem Amplitudenwert Fdyn die relative Lage des Rades
Da im Regelfall der für eine Fehlstelle
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Gleistrack
- 22
- RadsatzWheelset
- 33
- Linke SchieneLeft rail
- 44th
- Rechte SchieneRight rail
- 55
- Schwellethreshold
- 66th
- SchienenkopfRail head
- 77th
- Linkes RadLeft wheel
- 88th
- Rechtes RadRight wheel
- 99
- RadsatzachseWheelset axle
- 1010
- RotationsachseAxis of rotation
- 1111
- RadrückenflächeWheel back surface
- 1212
- RadstirnflächeWheel face
- 1313
- LaufflächeTread
- 1414th
- SpurkranzWheel flange
- 1515th
- SpurkranzflankeFlange flank
- 1616
- MesskreisebeneMeasuring circle level
- 1717th
- UmfangsliniePerimeter
- 1818th
- UmfangsliniePerimeter
- 1919th
- Singuläre FehlstelleSingular defect
- 2020th
- EntfernungsmesseinrichtungDistance measuring device
- 2121st
- EntfernungssensorDistance sensor
- 2222nd
- Elektrische LeitungElectrical line
- 2323
- SchubspannungsaufnehmerShear stress transducer
- 2424
- Elektrische LeitungElectrical line
- 2525th
- MessstreckeMeasuring section
- 2626th
- KraftmesseinrichtungForce measuring device
- 2727
- SchotterbettGravel bed
- 2828
- AussparungRecess
- 2929
- Aufnahmeadmission
- 3030th
- BefestigungsmittelFasteners
- 3131
- SchienenfußRail foot
- 3232
- KraftaufnehmerForce transducers
- 3333
- DehnmessstreifenStrain gauges
- 3434
- Elektrische LeitungElectrical line
- 3535
- Elektronische AuswerteeinheitElectronic evaluation unit
- 3636
- KraftsignalverlaufForce waveform
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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