DE102021001988A1

DE102021001988A1 - Verschleißoptimierte Einzelradsteuerung

Info

Publication number: DE102021001988A1
Application number: DE102021001988.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-24
Filing date: 2021-04-24
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Eisenbahntechnik. Genauer betrifft die Erfindung das Gebiet von Eisenbahnfahrwerken.Ein System zum Verringern des Verschleißes der Radlaufflächen von Bahnrädern umfasst eine digitale Streckenkarte mit Gleisgeometrieinformation, eine dynamische Ortungsfunktion, und eine Radsteuerung, mittels welcher die antriebs- und bremskraftbedingten Schlüpfe, sowie eine Nominal-Drehzahl der Räder eines Radsatzes sicherstellbar sind.Es ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radsatz unter Verzicht auf das mechanische Radsatz-Prinzip Losräder umfasst, und die Radsteuerung die Losräder in Abhängigkeit der jeweiligen Gleisgeometrieinformation derart antreibt, dass in der Geraden und bei Unstetigkeitsstellen jederzeit eine synchrone Drehzahl, und beim Bogenlauf eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern bereitstellbar ist, bei welcher der Radverschleiß jeweils minimierbar ist.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Eisenbahntechnik. Genauer betrifft die Erfindung das Gebiet von Eisenbahnradsätzen.
Stand der Technik und Nachteile
Der Tausch von Eisenbahnradsätzen verursacht hohe Kosten aufgrund der Nichtverfügbarkeit der Fahrzeuge während des Tauschs und aufgrund hoher Kosten für neue Radsätze und den Tausch selbst. Dies trifft in besonderem Maße für angetriebene Radsätze zu, wenn zum Rädertausch sogar der Antrieb (teil-)zerlegt werden muss.
Das Prinzip des Radsatzes, bei dem Räder mit Spurkranz fest auf einer starren Radsatzwelle gepaart sind, besteht seit Beginn der Eisenbahn und ist auf die inhärente Sicherheit des geometrisch bestimmten stabilen Sinuslaufs von Radsätzen mit leicht konischen Radlaufflächen zurückzuführen. Versuche mit bzw. Einsatz von Einzelrädern (Losrädern) blieben bisher auf wenige spezifische Anwendungen (insbesondere Straßenbahnen) oder Prototypen beschränkt.
Das Prinzip des Radsatzes hat auch Nachteile: In engeren Gleisbögen kann es zu einseitigem Anlauf im Spurkranzbereich und zu Zwangsschlupf auf den Radlaufflächen kommen. Gemeinsam mit dem Antriebs- und Bremsschlupf führt dies zu einsatz- und bauartbedingten Verschleißformen. Bei nicht angetriebenen Radsätzen kommt noch das Problem der Polygonisierung der Räder ausgehend von Unstetigkeiten hinzu.
Bei antriebs- bzw. bremskraftbedingt hochbeanspruchten Radsatzbauarten können schwingungstechnische Probleme durch die Massenkopplung der beiden Räder entstehen und verstärkt werden, was zu Verdrehungen oder gar Verschiebungen der Räder auf der Radsatzwelle führen kann.
Voraussetzungen:

• Digitale Streckenkarte (mindestens Gleisgeometrie) mit dynamischer Ortungsfunktion für Fahrzeuge
• Sichere Radsteuerung, die neben den antriebs- und bremskraftbedingt einzuprägenden Schlüpfen eine vorrangig eingeprägte Nominal-Drehzahl sicherstellt
• Optional: latenzfreie Übermittlung von Strecken- und Ortungsinformationen an jedes nachfolgende Fahrzeug mittels digitaler automatischer Kupplung
• Optional: sichere Radprofilerfassung und -auswertung

Lösungsprinzip
Eine sichere Radsteuerung mit sicherer Gleisgeometrieinformation kann einerseits funktional eine starre mechanische Kopplung der Räder als Radsatz nachbilden und den stabilen Fahrzeuglauf auf Basis der äquivalenten Konizität des virtuellen Radsatzes bei identischer Drehzahl der Räder sicherstellen. Andererseits kann diese starre Kopplung bei stetigen Gleisbögen durch hochlaufende und im Bogen konstante Drehzahldifferenz der Räder überwunden und der Radverschleiß minimiert werden.
Wenn die tatsächliche individuelle Radfläche messtechnisch ermittelt und gegenüber dem Soll-Radprofil als Abweichung erfasst wird, können für die Radsteuerung Korrekturfunktionen beschrieben werden, die ein Annähern des tatsächlichen Radprofils an das Soll-Radprofil im Fahrzeugbetrieb langfristig begünstigen.
Die Verwendung von digitalen Karten in Verbindung mit dynamischer und praktisch latenzfreier Lokalisierung erlaubt eine präzise Voraussage, welche Gleisgeometrie ein Radsatz antreffen wird (Überhöhungen, Gleisbogenradien, Unstetigkeitsstellen wie Weichen, etc.).
Die Verwendung von Einzelradantrieben unter Verzicht auf das mechanische Radsatz-Prinzip ermöglicht bisher schon eine unabhängige Steuerung der angetriebenen Räder nach Antriebs- und Bremskraftanforderungen. Im geraden bis leicht gebogenen Gleis kann der Radsatzsteuerung herkömmlicher Art eine gemeinsame Drehzahl der gegenüberliegenden Räder eingeprägt werden, zusätzlich zu den Anforderungen aus Antriebs- und Bremskraft. Beim Fahrzeuglauf ohne betriebliche Antriebs- und Bremskraftanforderung führt dies zu minimalen individuellen Regeleingriffen für beide gegenüberliegende Räder, so dass stets eine gemeinsame Drehzahl erreicht wird und trotz fehlender mechanischer Verbindung funktional ein virtueller Radsatz entsteht. Für engere Bögen hingegen kann die für den anlauf- und schlupffreien Bogenlauf notwendige Drehzahldifferenz durch die Radsteuerung der erfindungsgemäßen Art vorgegeben und damit ein verschleißminimierter Bogenlauf erzielt werden.
Die der mechanischen Kopplung (Radsatz) entsprechende Sicherheit wird mit SIL 4 und damit dem höchsten Sicherheitsziel für technische Lösungen im Bahnbereich angenommen. SIL 4 fähige Radsteuerungen können mit serienreifen sicheren Rechnern, sicherheitsvalidierter Software, der sicheren Fahrzeugortung und sicheren digitalen Karte sowie SIL 4 fähigen Datenbussen erreicht werden. Ein sicherer Datenbus für Fahrzeugsteuerungen wurde etwa durch das Forschungsprojekt CONNECTA im Rahmen des EU-Förderprogramms für Bahninnovationen Shift2Rail kürzlich als künftiger Standardbus für ETCS und Fahrzeugsteuerungen vorgeschlagen. Überall dort, wo angetriebene Räder vorgesehen sind, kann damit künftig das Prinzip des verschleißminimalen virtuellen Radsatzes verwendet werden.
Durch die vorgesehene Verwendung der digitalen automatischen Kupplung (DAK) in künftigen Zugverbänden, insbesondere im Güterverkehr, bietet sich die Möglichkeit, selbstangetriebene Einzelwagen vorzusehen, denen die notwendige Ortungs- und Karteninformation punktgenau und latenzfrei für die lokale Regelung der Räder im Wagen zur Verfügung gestellt wird.
Trotz einer Verschleißminimierung durch bedarfsabhängige individuelle Steuerung der Räder wird es durch Antrieb, Bremse, Strecken- und Fahrzeugcharakteristika zur Ausbildung radindividueller Verschleißbilder kommen.
In einem weiteren Entwicklungsschritt wird nicht nur die streng synchrone Drehzahl bei allen Schlupfanforderungen von linkem und rechtem Rad im Gleis in der Geraden sowie bei Unstetigkeitsstellen und die Einprägung der nötigen Drehzahldifferenz im Bogenlauf sichergestellt, sondern auch ein „Gegensteuern“ zu sich entwickelnden Verschleißbildern. Beispielsweise kann durch hohe Antriebs- und Bremskräfte bei überwiegendem Fahren in geraden Gleisen sogenannter Hohllauf der Räder eintreten, ein einseitiger Verschleiß vornehmlich im Bereich der Laufflächenmitte. Bei beginnendem Hohllauf und regelmäßigen Profilmessungen der Räder, etwa an ortsfesten Checkpoints der befahrenen Strecken, können Korrekturfunktionen ermittelt und für jede Radsteuerung implementiert werden, um den Lauf der betreffenden Räder überwiegend außerhalb der Zonen starken Verschleißes der Lauffläche zu begünstigen. Dies kann etwa durch Zu- oder Abschläge bei der eingeprägten Drehzahldifferenz im Bogenlauf erreicht werden.
Diese Korrekturfunktionen wirken wie eine „virtuelle Radsatzdrehbank“: Das Erreichen von Grenzwerten der Radoberfläche, die eine Reprofilierung erzwingen, kann hinausgezögert werden. Da der Verschleiß bis hin zum Ersatz der Räder heute wesentlich durch das Reprofilieren der Räder verursacht wird, besteht hier ein weiteres Einsparpotenzial.
Nutzen:

• Verschleißminimierung der Räder bis hin zum Verzicht auf Reprofilierungen der Lauffläche. Im Idealfall wird nur noch die Spurkranzhöhe durch Abdrehen oder Abschleifen zu korrigieren sein, möglicherweise auch Überwalzungen an der Radstirnfläche.
• Verzicht auf Dämpfer.
• Vermeidung von Folgeschäden aus Torsionsschwingungen einseitig angetriebener Radsatzwellen.

Claims

System zum Verringern des Verschleißes der Radlaufflächen von Bahnrädern, umfassend - eine digitale Streckenkarte mit Gleisgeometrieinformation; - eine dynamische Ortungsfunktion; - eine Radsteuerung, mittels welcher die antriebs- und bremskraftbedingten Schlüpfe, sowie eine Nominal-Drehzahl der Räder eines Radsatzes sicherstellbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass der Radsatz unter Verzicht auf das mechanische Radsatz-Prinzip Losräder umfasst, und die Radsteuerung die Losräder in Abhängigkeit der jeweiligen Gleisgeometrieinformation derart antreibt, dass in der Geraden und bei Unstetigkeitsstellen jederzeit eine synchrone Drehzahl, und beim Bogenlauf eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern bereitstellbar ist, bei welcher der Radverschleiß jeweils minimierbar ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem eine latenzfreie Übermittlung von Strecken- und Ortungsinformationen an nachfolgende Fahrzeuge übermittelbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner umfassend eine Einheit zur Radprofilerfassung und -auswertung.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dessen Komponenten SIL 4 entsprechend ausgelegt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses mit einer digitalen automatischen Kupplung verbindbar oder verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses zum Betrieb unter Verzicht auf Schlingerdämpfer und/oder zum Betrieb einseitig angetriebener Radsatzwellen eingerichtet ist.
System nach Anspruch 3, ferner eingerichtet zur Berechnung einer Korrekturfunktion, welche in die Radsteuerung implementierbar ist, um sich entwickelnden Verschleißbildern gegenzusteuern.
Selbstangetriebener Einzelwagen für Schienen, ausgestattet mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Verringern des Verschleißes der Radlaufflächen von Bahnrädern, wobei mittels einer Gleisgeometrieinformation umfassenden digitalen Streckenkarte in Verbindung mit einer dynamischen Ortungsfunktion eine Radsteuerung die als Losräder vorliegenden Räder in Abhängigkeit der jeweiligen Gleisgeometrieinformation derart antreibt, dass jederzeit eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern bereitstellbar ist, bei welcher der Radverschleiß minimierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mittels einer Einheit zur Radprofilerfassung und -auswertung das individuelle Radprofil eines Losrades ermittelt, eine Korrekturfunktion berechnet und in die Radsteuerung implementiert wird, so dass ein Gegensteuern zu sich entwickelnden Verschleißbildern erfolgt, wodurch ein Erreichen von Grenzwerten der Radoberfläche, die eine Reprofilierung erzwingen, hinausgezögert wird.