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Die Erfindung betrifft eine Meßstrecke
zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen schienengebundener
Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Meßstrecken schienengebundener
Fahrzeuge bestanden bisher meist aus Aufnehmern für die Erfassung
einer bestimmten physikalischen Größe, deren Signale einer speziellen
elektronischen Auswertevorrichtung zugeführt wurden, die daraus die gewünschten
Kennwerte bildete. So sind bereits separate Meßvorrichtungen auf Gleisabschnitten
bekannt, die bei der Überfahrt
eines oder mehrerer Gleisfahrzeuge deren Gewicht, Radunrundheiten, Radabflachungen,
Fahrgeschwindigkeiten, Anzahl der Achsen, Raddurchmesser, entgleiste
Räder,
Lagerüberhitzung,
Bremsenüberhitzung
oder eine Fahrzeugtyperkennung ermittelten. Dazu wurden Aufnehmer
zur Ermittlung einer Kraft, eines Weges, einer Temperatur oder einer
magnetischen Wirkung eingesetzt, die Parameter zur Bestimmung der
gewünschten
Kennwerte oder Ergebnisse lieferten.
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Ein Gleisabschnitt, der eine Gleiswaage
für überfahrende
Gleisfahrzeuge darstellt, ist aus der WO 00/23770 bekannt. Dazu
sind in einem Gleisabschnitt mehrere hintereinander angeordnete
Wägeschwellen
unter den Gleisen angeordnet. In diesen Schwellen sind Wägezellen
eingelassen, auf denen die Gleise sich gegenüber den Schwellen abstützen. Diese
Wägezellen
erfassen als physikalische Größe die bei
der Überfahrt
eines Schienenfahrzeugs auf die Schienen wirkenden vertikalen Kräfte und
wandeln diese in elektrische Signale um. Mit Hilfe einer elektronischen
Auswertevorrichtung können
aus diesen elektrischen Signalen Kennwerte errechnet werden, die
z. B. der Rchslast oder dem Fahrzeuggewicht entsprechen. Durch Aneinanderreihung
mehrerer derartiger Wägeschwellen
werden Meßstrecken gebildet,
die einzelne Drehgestelle oder ganze Waggons verwiegen. Derartige
Wägevorrichtungen
können
in ein Gleisstück
nur durch spezielle Waagenbaufirmen eingebaut werden, so daß zunächst eine Zufahrtsmöglichkeit
für entsprechende
Einrichtungsfahrzeuge geschaffen werden muß. Da diese Gleiswaagen heute
alle mit elektronischen Einrichtungen betrieben werden, müssen an
dem vorgesehenen Gleisabschnitt auch Stromversorgungsleitungen und Verbindungsleitungen
zu den Auswertevorrichtungen verlegt werden, deren Aufwand den der
Waage häufig
bei weitem übersteigt.
Aus wirtschaftlichen Gründen
werden deshalb derartige Meßstrecken
zur Gewichtsermittlung meist nur in Nebengleisen eingebaut, wo eine
derartige Infrastruktur vorhanden ist, so daß eine flächendeckende Achslastermittlung
mit derartigen Meßstrecken
meist nicht möglich
ist.
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Zur Ermittlung von Unrundheiten und
Flachstellen an Schienenfahrzeugrädern ist aus der
DE 44 39 342 A1 eine spezielle
Meßstrecke
bekannt, bei der an vier benachbarten Schwellen die Schwellenreaktionskräfte gemessen
werden. Dazu sind auf dem auf der Schwelle aufliegenden Schienenfuß acht Dehnungsmeßstreifen
appliziert, die zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet und alle Meßstellen einer
speziellen Schaltungsanordnung zur Auswertung zugeführt sind.
In der auswertenden Schaltungsanordnung werden aus den elektrischen
Signalen jeder Meßstelle
als Kennwerte deren Radaufstandskräfte ermittelt. Aus einer bestimmten
Abweichung von einem konstanten Wert ergibt sich eine Unrundheit
oder eine Flachstelle, die dann anzeigbar oder signalisierbar ist.
Da derartige Unrundheiten und Flachstellen insbesondere bei hohen Überfahrtgeschwindigkeiten
eine Gleisstrecke stark beschädigen
können,
wäre es
notwendig, der artige Erkennungsvorrichtungen in jede Hochgeschwindigkeitsgleisstrecke
zu integrieren und jede Zugverbindung auf dieser Strecke zu überwachen,
zu identifizieren und wenn nötig
die Geschwindigkeit zu reduzieren oder den Zug zu stoppen. Da derartige
Hochgeschwindigkeitsbereiche meist außerhalb der Bahnhöfe oder
außerhalb
bebauter Grundstücke
verlaufen, erfordert ein derartiger Einbau zunächst einen hohen Aufwand für den Aufbau
einer notwendigen Zufahrtmöglichkeit
und einer Stromversorgung sowie die Anbindung an zentrale Überwachungsstützpunkte. Deshalb
wurden derartige Meßstrecken
bisher sehr selten eingesetzt, so daß Flachstellen und Unrundheiten
in der Regel erst bei stationären
Wartungsarbeiten entdeckt werden können.
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Aus der
DE 43 27 674 C2 ist eine
Einrichtung zum Erfassen vorzugsweise schnell laufender Eisenbahnräder bekannt,
mit der die auf einem Gleisabschnitt fahrenden Achsen gezählt und
deren Geschwindigkeit und Fahrtrichtung gemessen wird. Dazu ist
ein durch zwei Raderfassungspunkte begrenzter Gleisabschnitt mit
jeweils zwei beabstandeten Raddetektoren mindestens an jedem Raderfassungspunkt
versehen. Die Raddetektoren können dabei
nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Dies
können
sowohl mechanische Schalteinrichtungen, Wirbelstromaufnehmer oder
optische Schalteinrichtungen sein. Beim Durchfahren eines Fahrzeugrades
an einem der beiden Raderfassungspunkte werden durch die beiden
Raddetektoren zwei nacheinander folgende elektrische Signale erzeugt,
die einer für
den Gleisabschnitt vorgesehenen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Bei der Auswertevorrichtung handelt es sich um eine programmgesteuerte
Rechenanlage, in der die beiden elektrischen Schaltsignale zwischengespeichert
und so ausgewertet werden, daß entsprechende
Kennwerte für
die Fahrtrichtung, die Überfahrgeschwindigkeit
und die Anzahl der in den Gleisabschnitt ein- und ausfahrenden Achsen
gebildet wird. Dabei sollen aus den in den Gleisabschnitt ein- und
ausgelaufenen Ach sen eine frei- oder besetzt-Meldung gebildet werden,
um Unfälle
mit nachfolgenden Zügen
zu verhindern. Zur Sicherheit des Zugverkehrs ist es sinnvoll, derartige
Achszähleinrichtungen
im Abstand der notwendigen Bremswege flächendeckend nacheinander vorzusehen.
Dies erfordert aber einen hohen Aufwand, da an der gesamten Gleisstrecke
paarweise Aufnehmer angeordnet werden müssen und diese mit zentral überwachenden
Auswertevorrichtungen zu verbinden sind. Allerdings wären auch
bei einem derartigen Aufwand noch keine sicherheitsrelevanten Beschädigungen
am Fahrwerk oder den Rädern
der überfahrenden
,Züge erkennbar.
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Ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Überwachung
eines vorzugsweise schienengebundenen Fahrzeugs ist aus der WO 00/51868
bekannt. Dabei werden belastungsabhängige Größen am Fahrwerk eines Fahrzeugs
erfaßt
und daraus ort- und geschwindigkeitsabhängige Kennwerte für eine bestimmte
Meßstrecke
gebildet, die dann mit repräsentativen
Kennwerten des Fahrzeugs im Neuzustand auf dieser Meßstrecke
verglichen werden. Bei einer vorgegebenen Abweichung wird daraus
eine Entgleisung oder ein Schaden am Fahrwerk abgeleitet. Dazu sind
am Fahrwerk des schienengebunden Fahrzeugs Beschleunigungsaufnehmer,
Relativbewegungsaufnehmer, Temperaturaufnehmer und Dehnungsmeßstreifen
vorgesehen, die während
der Fahrt auf einem Gleisabschnitt beispielsweise den Abstand des
Fahrwerks zur Schiene, die Temperatur an den Radlagern oder Bremsen
oder die Dehnung an einer Achsfederung erfassen und unter Berücksichtigung
der Fahrgeschwindigkeit und der Beschaffenheit des Gleisabschnitts
daraus Defekte am Fahrzeug oder eine Entgleisung errechnen. Derartige Überwachungsvorrichtungen
müssen
zur flächendeckenden Überwachung
in jedem schienengebundenen Fahrzeug oder Zug vorgesehen werden.
Dazu sind zuvor jeweils die repräsentativen
Daten des gesamten Gleissystems zu erfassen und in den zugehörigen Auswertevorrichtungen
einzuspeichern. Dies erfordert insbesondere bei Änderungen an den eingespeicherten
Meßstrek ken
jeweils eine erneute Erfassung der repräsentativen Werte, um in jedem
Fall eine Abweichung erkennen zu können. Die jeweils neue Erfassung
derartiger repräsentativer
Werte erfordert einen hohen Aufwand, der nur bei hohen Gefährdungspotential
gerechtfertigt ist. Allerdings ist mit einer derartigen Einrichtung
ein Schaden an den Fahrzeugrädern
auch erst erkennbar, wenn das Rad bereits entgleist ist, so daß vorherige
Radreifenbrüche
oder starke Unrundheiten oder Flachstellen eigentlich erst zu spät feststellbar
sind.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, eine Meßstrecke
zu schaffen, mit der verschiedene betriebs- oder sicherheitsrelevante
Daten eines überfahrenden
schienengebundenen Fahrzeugs für
unterschiedliche Kennwerte erfaßbar
sind und dies mit möglichst
geringem Aufwand zur infrastrukturellen Versorgung.
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Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch
die Aufnahme unterschiedlicher physikalischer Größen auf einer gemeinsamen Meßstrecke
separate Infrastrukturmaßnahmen
eingespart werden können.
So ist für
die Installation verschiedener Aufnehmersysteme auf einer Meßstrecke
auch auf abgelegenen Gleisabschnitten nur eine Zufahrtsmöglichkeit, Stromversorgung
und Signalübertragung
notwendig. Weiterhin können
durch eine gemeinsame Auswertung der unterschiedlichen Aufnehmersignale
zusätzliche
sicherheits- und betriebsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die
vorteilhaft nur durch die Kombination der verschiedenen Aufnehmersignale möglich sind.
Dabei können
auch gleiche Kennwerte aus unterschiedlichen physikalischen Größen ermittelt
werden, wobei vorteilhafterweise dann nur die Aufnehmersignale mit
dem geringsten Auswerteaufwand verwendbar sind.
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Die Erfindung hat zusätzlich den
Vorteil, daß durch
die Kombination und Integration der unterschiedlichen Aufnehmersysteme
innerhalb einer Meßstrecke
eine Vielzahl von sicherheits- und betriebswirtschaftlich relevanten
Daten sowohl des Schienenfahrzeugs als auch der Gleisstrecke erfaßt und ausgewertet
werden können.
Daß alle
Aufnehmersysteme an den gemeinsamen Schwellen oder den Schienen
eines begrenzten Gleisabschnitts vorgesehen sind, hat den Vorteil,
daß der
Installationsaufwand sehr gering ist und die Installationszeit nur eine
kurze Unterbrechung der Fahrwege notwendig macht. Durch die gemeinsame Überwachung
verschiedener sicherheitsrelevanter Kennwerte können auf vorteilhafte Weise
auch frühzeitige
Schäden
am Schienenfahrzeug festgestellt und identifiziert werden, so daß vorbeugend
Abhilfemaßnahmen
einleitbar sind.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Meßstrecke 1 für schienengebundene
Fahrzeuge. Die Meßstrecke 1 besteht
aus einem Gleisabschnitt, auf dem an den Schienen 2 und
auf den Schwellen 4 Kraftaufnehmer 5, Temperaturaufnehmer 11, 12 und
Magnetfeldaufnehmer 14 angeordnet sind, die mit einer gemeinsamen
Auswertevorrichtung 3 und einer gemeinsamen Stromversorgung 9 verbunden
sind.
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Die Meßstrecke 1 stellt
ein Gleisabschnitt von vorzugsweise ca. 4 m Länge dar, der in der Regel sieben
Schwellenbereiche beinhaltet. Diese Meßstrecke 1 enthält unter
jeder Schiene 2 sieben Kraftaufnehmer 5, die die
Schiene 2 auf den Schwellen 4 abstützen und
durch die die Radaufstandskräfte
eines überfahrenden
Schienenfahrzeugs auf mindestens einer Radumdrehung erfaßbar sind.
Die Kraftaufnehmer 5 sind vorzugsweise als Scherkraftaufnehmer
ausgebildet, die in einer Aussparung unter dem Schienenkopf oder
unter der gesamten Schiene 2 angeordnet sind. Dabei werden
die Aufnehmer 5 kraftschlüssig mit der Schiene 2 und
der Schwelle 4 verbunden. Jeder Kraftaufnehmer 5 enthält mindestens
vier Dehnungsmeßstreifen,
die als Wheatstone'sche
Brücke
geschaltet sind und mit einer Gleich- oder Trägerfrequenzspannung aus einer
gemeinsamen Stromversorgungsschaltung 9 gespeist werden. Bei
einer abweichenden besonderen Ausbildung können die Kraftaufnehmer 5 auch
in der Schwelle 4, im Schwellenfach oder außerhalb des Schwellenfachs
vorgesehen sein. Die Radaufstandskraft kann auch mit Beschleunigungsaufnehmern
erfaßt
und in eine Kraft umgewandelt werden.
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Die Kraftaufnehmer 5 sind
vorzugsweise über
eine an jeder Schwelle 4 angeordnete Schalteinrichtung 6 mit
einer zentralen Auswertevorrichtung 3 verbunden. Die Auswertevorrichtung 3 enthält eine
Eingangsschaltung 7, in der die Signale jedes Kraftaufnehmers 5 separat
oder in zusammenschaltbaren Gruppen verstärkt werden. Diese verstärkten Analogsignale
werden nachfolgend in einer oder mehreren Wandlerschaltungen 8 in
Digitalwerte umgewandelt. Alle elektronischen Schaltkreise in der Auswertevorrichtung 3 sind
mit der zentralen Stromversorgungsschaltung 9 verbunden,
die über
die Auswertevorrichtung 3 auch die Kraftaufnehmer 5 der
Meßstrecke 1 speist.
Zur näheren
Auswertung werden die digitalisierten Meßwerte aus den Kraftaufnehmern 5 einer
programmgesteuerten Mikroprozessorschaltung 10 zugeführt, die
in der Nähe
der Meßstrecke 1 oder
in einer zentralen Überwachungsstelle
angeordnet ist. Die Mikroprozessorschaltung 10 der Auswertevorrichtung 3 ist
bei größerem Abstand
von der Meßstrecke 1 über Schnittstellenschaltungen
mit der Eingangs- 7 und Wandlerschaltung 8 verbunden. Die
ausgewerteten Signale können
zur Weiterverarbeitung vorzugsweise über ein Bussystem auch weiteren
programmgesteuerten Rechenanlagen übermittelt werden, in der die
aus den Aufnehmersignalen errechneten Kennwerte anzeigbar oder signalisierbar
sind.
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Im Schwellenfach vor der ersten und
nach der letzten Schwelle 4 der Meßstrecke 1 sind vorzugsweise
in der neutralen Faser jeder Schiene 2 Schubkraftaufnehmer 13 angeordnet,
die als Scherkraftaufnehmer ausgebildet sind. Diese werden in eine
Bohrung kraftschlüssig
mit dem Schienensteg verbunden und liefern bei der Überfahrt
eines Fahrzeugrades ein Signal, das dem Kraftnebenschluß entspricht.
Dieses Signal wird zur Korrektur der Kraftnebenschlußwirkung
der Radaufstandskräfte
und als Schienenschalter verwendet. Die vier Schubkraftaufnehmer 13 sind
ebenfalls über
die gemeinsamen Schalteinrichtungen 6 mit der gemeinsamen
Auswerte- 3 und Stromversorgungsvorrichtung 9 verbunden. Diese
Schubkraftaufnehmer 13 enthalten ebenfalls separate Eingangsschaltkreise
und werden mit einer Gleichoder Trägerfrequenzspannung gespeist.
Die digitalisierten Schubkraftaufnehmersignale werden dann ebenfalls
der gemeinsamen Mikroprozessorschaltung 10 zugeführt und
programmgesteuert ausgewertet.
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Weiterhin enthält die Meßstrecke 1 in einem gemeinsamen
Bereich auf einer der Schwellen 4 oder auf mehreren Schwellen 4 Temperaturaufnehmer 11, 12.
Dabei sind mindestens zwischen den Schienen 2 ein oder
zwei Temperaturaufnehmer 11 angeordnet, die die von den
Scheibenbremsen eines Eisenbahnwaggons temperaturabhängige Infrarotstrahlung
erfassen. Die Temperaturaufnehmer 11 können aber auch in den Schwellen,
im Schwellenfach oder außerhalb
des Schwellenfachs in einem gemeinsamen Gleisabschnitt angeordnet
sein. Die Aufnehmer 11 sind mit ihren Verbindungsleitungen über die
Schalteinrichtung 6 auf der Schwelle 4 mit der
zentralen Auswerte- 3 und Stromversorgungsschaltung 9 verbunden.
Die erfaßten
Temperatursignale werden ebenfalls getrennten Eingangsschaltungen 7 zugeführt, verstärkt und
anschließend
digitalisiert und zur weiteren Auswertung der gemeinsamen Mikroprozessorschaltung 10 übermittelt.
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Zur Temperaturerfassung von Radlagern schienengebundener
Fahrzeuge sind noch mindestens zwei weitere Temperaturaufnehmer 12 an
den Schwellen 4 vorgesehen, die vorzugsweise an den Enden
der Schwellen angeordnet sind, über
die sich die Radlager bewegen. Diese Temperaturaufnehmer 12 zur
Erfassung der Radlagertemperatur werden gleichfalls von der gemeinsamen
Stromversorgungsschaltung 9 gespeist und der gemeinsamen
Auswertevorrichtung 3 zugeführt.
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An mindestens einer der beiden Schienen 2 ist
zusätzlich
eine Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 angeordnet, die
in erster Linie zur Feststellung des Raddurchmessers dient. Diese
Aufnehmervorrichtung 14 enthält eine Entmagnetisierungsvorrichtung 15,
eine Magnetisierungsvorrichtung 16 und eine magnetostriktive
Positionsaufnehmervorrichtung 17, die möglichst dicht an einer der
Schienen 2 angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise an der Schiene 2 vor
der ersten Schwelle 4 die Entmagnetisierungsvorrichtung 15 angeordnet,
durch die ein vorbeifahrendes Fahrzeugrad zunächst entmagnetisiert wird,
um den nachfolgenden Meßwert
nicht zu verfälschen.
Diese Entmagnetisierungsvorrichtung 15 arbeitet mit entmagnetisierenden
Magnetfeldern, die das Fahrzeugrad als ganzes erfassen oder entlang
der Schiene angeordnet sind und dabei nur den Radkranz beim Abrollen
entmagnetisieren.
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Vorzugsweise auf der ersten Schwelle 4 ist dann
die Magnetisierungsvorrichtung 16 angebracht, durch die
ein Umfangssegment eines überfahrenden ferromagnetischen
Fahrzeugrades, das die Magnetisierungsvorrichtung 16 überfährt, magnetisiert
wird. Dieses magnetisierte Umfangssegment trifft beim Überrollen
des Fahrzeugrades an einer bestimmten Stelle wieder auf der Schiene 2 auf.
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Zur Erfassung des Radumfangs ist
deshalb längs
der Schiene 2 in einem schlauchförmigen Körper der magnetostriktive Positi onsaufnehmer 17 angeordnet,
der in einem aktiven Meßbereich
aus einem Meßstab
besteht, der mit einem Aufnehmerkopf verbunden ist. Im Aufnehmerkopf
ist ein Signalumformer vorgesehen, der aus der magnetischen Beeinflussung
durch das magnetisierte Radsegment im Meßstab eine Wegmessung des Radumfangs
ableitet. Der Aufnehmerkopf ist dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen
Gehäuse
mit der Magnetisierungsvorrichtung 16 angeordnet, kann
aber auch separat an anderer Stelle entlang der Schiene 2 vorgesehen
werden. Der Raddurchmesser kann auch durch andere berührungslos
arbeitende Wegaufnehmer erfaßt
werden, die das Rad mit Hilfe von Laser- oder anderen Lichtstrahlen
abtasten und in einen Längenmeßwert umrechnen.
Auch diese Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 wird über die
gemeinsame Schalteinrichtung 6 mit der gemeinsamen Stromversorgung 9 und
Auswertevorrichtung 3 verbunden.
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Durch die Kombination unterschiedlicher Aufnehmersysteme
mit einer gemeinsamen Auswertung der erfaßten Signale sind auf einfache
Weise mit einer derartigen Meßstrecke
nicht nur betriebsrelevante Kennwerte, wie beispielsweise die Radlast, Achslastgewichte
oder die Streckenbelastung, sondern gleichzeitig auch sicherheitsrelevante
Kennwerte wie Lagerheißläufe, Flachstellen
oder rutschende Räder
erfaßbar.
Da die Kraftaufnehmer 5 vorzugsweise in einer Aussparung
der Schiene 2 unter dem Schienenkopf angeordnet sind, können alle
Aufnehmersysteme 5; 11, 12; 14 vorteilhaft
auf herkömmlichen
Schwellen 4 oder an herkömmlichen Schienen 2 innerhalb
eines gemeinsamen Gleisbereichs vorgesehen werden. Dabei ist es
nicht entscheidend, ob die unterschiedlichen Aufnehmersysteme direkt
an den Schwellen 4 oder Schienen 2 angebracht
sind, sondern diese müssen
nur in deren Nähe
innerhalb eines begrenzten gemeinsamen Gleisabschnitts vorgesehen
sein. Dadurch können
gemeinsame Stromversorgungs- 9 und Auswertevorrichtungen 3 verwendet
werden, so daß derartige
Meßstrecken
wirtschaftlich auch auf nor malen Fahrstrecken oder Hochgeschwindigkeitsbereichen
einsetzbar sind.
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Bei der Überfahrt eines schienengebundenen
Fahrzeugs über
die Meßstrecke 1 werden
durch die ersten beiden Kraftaufnehmer 5 auf der ersten Schwelle 4 elektrische
Signale erzeugt, die der jeweiligen Radaufstandskraft in vertikaler
Richtung der beiden überrollenden
Fahrzeugräder
proportional ist. Die Signale jedes der beiden Kraftaufnehmer 5 wird über einen
eigenen Eingangskanal in der Eingangsschaltung 7 verstärkt und
durch den nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 8 in einen
digitalen Wert umgewandelt, der der Mikroprozessorschaltung 11 der Auswertevorrichtung
zugeführt
und dort zwischengespeichert wird. Eine derartige Signalerfassung
erfolgt auch durch die übrigen
sechs Kraftaufnehmer 5 jeder Schiene 2, so daß nach einer
Radumdrehung alle abgetasteten vertikalen Radaufstandskräfte in der
Auswertevorrichtung 3 zwischengespeichert zur Verfügung stehen.
Zur Verringerung des Schaltungsaufwands können aber auch mehrere Kraftaufnehmer 5 zu
vergleichbaren Gruppen zusammengeschaltet und dann gruppenweise
ausgewertet werden.
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In der programmgesteuerten Auswertevorrichtung 3,
die auch als Personalcomputer ausgebildet sein kann, wird aus den
abgetasteten Radaufstandswerten ein Mittelwert berechnet, der gleich dem
Kennwert des Radgewichts entspricht und durch entsprechende Multiplikation
ein Kennwert des Achs- oder Waggongewichts darstellt. Bei der Überfahrt
eines Drehgestells eines schienengebundenen Fahrzeugs wird aus den
nacheinander oder gleichzeitig ermittelten Rchslasten ein Kennwert
für die Drehgestellbelastung
gebildet. Zur Unterscheidung der Einzellastmessung oder der Drehgestellmessung wird
zusätzlich
während
der Überfahrt
eine Waggonerkennung durchgeführt.
Dabei ist der Typ des Waggons oder anderer Schienenfahrzeuge unter
anderem durch seine Achsabstände
und/oder dessen Raddurchmesser bestimmbar.
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Die Achsabstände werden vorzugsweise durch
die Schubkraftaufnehmer 13 am Anfang und am Ende der Meßstrecke 1 ermittelt,
die dann als Schienenschalter genutzt werden. Diese Schaltsignale
können
aber auch durch die Kraftaufnehmer 5 in der ersten und
siebten Schwelle 4 erzeugt werden. Bei der Überfahrt
wird aus dem Schubkraftsignal der Anstieg einer Flanke oder eines
Signalmerkmals erfaßt
und dessen Zeitablauf zwischen den Schubkraftaufnehmern 13 am
Anfang und am Ende der Meßstrecke 1 ermittelt.
Aus dem bekanntem Abstand auf der Meßstrecke 1 errechnet
die Auswertevorrichtung 3 einen Kennwert für,die Überfahrtgeschwindigkeit. Aus
der Überfahrtgeschwindigkeit
wird dann der Achsabstand der überfahrenden
Fahrzeugräder
errechnet und mit den in der Auswertevorrichtung 3 gespeicherten
bekannten Achsabständen
verglichen und daraus beispielsweise der jeweilige Waggontyp mit
Einzelachsen oder Drehgestellen bestimmt. Die Waggonerkennung kann
bei Meßstrecken
ohne Schubkraftsensoren 13 und ohne Kraftaufnehmer 5 aber
auch durch die Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 oder anderen
berührungslos
arbeitenden Raddurchmessermeßeinrichtungen
festgestellt werden. Denn mit der Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 ist
sowohl der Achsabstand als auch die Überfahrgeschwindigkeit sowie
die Radgröße ermittelbar,
aus dessen Kennwerten in der Auswertevorrichtung 3 der zugehörige Waggontyp
ermittelbar ist.
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Anhand der Waggontyperkennung und
der zwischengespeicherten Achs- und Radlasten wird dann durch die
Auswertevorrichtung 3 als Summe das Gesamtgewicht, das
Achsgewicht und die Achslastverteilung als Kennwerte errechnet.
In der Auswertevorrichtung 3 sind zusätzlich für die einzelnen Waggontypen
die maximal zulässigen
Rad- und Gesamtgewichte vorgegeben, so daß bei einer ermittelten Überschreitung
eines dieser Werte eine Anzeige oder eine Signalisierung erfolgt.
Zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Gewichtswerte kann in der Auswertevorrichtung
noch eine Korrektur erfolgen, die durch den Kraftnebenschluß der unterbrechungsfrei
im Gleiskörper
vorgesehenen Meßstrecke erfolgt. Die
Korrektur des Kraftnebenschluß wird
durch die Signale der Schubkraftaufnehmer 13 in der Auswertevorrichtung 3 berechnet,
dessen Einfluß vorher durch
Kalibrierwerte ermittelt wurde.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß durch
die Feststellung des Waggongewichts auch eine Personenzählung der
in einem Waggon oder Zug befindlichen Personen erfolgen kann. Dazu
wird das Waggon- oder Zuggewicht bei einer bekannten Personenzahl
ermittelt und in der Auswertevorrichtung 3 als Referenzwert
gespeichert. Bei nachfolgenden regelmäßigen Überfahrten wird durch die Auswertevorrichtung 3 das
jeweilige Istgewicht mit dem Referenzgewicht verglichen und aus
der Abweichung die jeweils im Waggon oder Zug befindliche Personenzahl
errechnet, die betriebstechnisch einen notwendigen Kennwert der
Zugauslastung darstellt und so auf einfache Weise bei jeder Überfahrt
erfolgen kann.
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Die Waggontyperkennung kann aber
auch durch abfragbare Codierdaten am jeweiligen Waggon ermittelt
werden. So können
auch gespeicherte Waggondaten mittels Magnetstreifen oder abfragbarer
Festwertspeicher bei der Überfahrt
eines Zuges berührungslos
durch ein zusätzliches
Aufnehmersystem auf der Meßstrecke 1 abgefragt
und der Auswertevorrichtung 3 übermittelt werden.
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Bei einer in einer normalen Fahrtrasse
angeordneten Meßstrecke 1 wird
neben den Waggon- und Zuggewichten auch das gesamte Überfahrgewicht als
Summe der Einzelgewichte ermittelt, das ein Kennwert für die Gesamtbelastung
der Gleisstrecke darstellt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Höchstbelastung
erfolgt durch die Auswertevorrichtung 3 eine Anzeige oder
eine Signalisierung, nach der Kontroll-, Stopf- oder Unterhaltungsarbeiten
der Gleisstrecke veranlaßbar
sind.
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Durch die Ermittlung der vertikalen
Radaufstandskraft während
einer gesamten Radumdrehung auf der ca. 4 m langen Meßstrecke
werden durch jeden der sieben Kraftaufnehmer 5 beim Überrollen auch
Aufstandskraftunterschiede erfaßt.
Dazu werden die Aufnehmersignale jedes der nacheinander überrollenden
Kraftaufnehmer 5 in der Auswertevorrichtung 3 zwischengespeichert
und daraus schienenweise deren Mittelwert errechnet. Bei einer vorgegebenen
Abweichung eines oder mehrerer der Aufnehmersignale von dem errechneten
Mittelwert liegt meist eine Flachstelle oder eine unzulässige Unrundheit
des Fahrzeugrades vor, dessen Kennwert angezeigt oder dies signalisiert
werden kann. Bei einer besonders starken Abweichung vom Mittelwert kann
auch ein Radreifenbruch vorliegen, der als solcher als besonders
hohe Abweichung sofort anzeigbar und/oder signalisierbar ist. Da
das schadhafte Rad sowohl durch die Waggonerkennung als auch über die
vorliegende Überfahrzeit
identifizierbar ist, kann ein derartiger Zug gestoppt oder der Schaden dem
jeweiligen Zugführer
angezeigt werden.
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Durch die Erfassung jedes einzelnen
Kraftaufnehmers 5 in einem eigenen Eingangskanal ist auch
vorgesehen, die Summe der Radaufstandskräfte jeder Gleisseite bei jeder Überfahrt
eines Zuges zu bilden. Bei einem starken Abweichung zwischen den beiden
Schienen handelt es sich in der Regel um eine entsprechende Seitenwindbelastung,
die insbesondere bei hohen Zuggeschwindigkeiten ein Gefährdungspotential
darstellt. Derartige Seitenwindbelastungen sind deshalb anzeigbar
und können
durch Mitteilung an den Zugführer
zu einer Geschwindigkeitsreduzierung genutzt werden. Innerhalb der
Meßstrecke
kann auch ein Windgeschwindigkeitsaufnehmer vorgesehen sein, mit
dessen Hilfe die ermittelten Gewichtskennwerte um den Windkraftanteil
korrigierbar sind.
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Durch die Schubspannungsaufnehmer 13 am
Anfang und Ende der Meßstrecke
wird bei der ununterbrochenen Schienenführung die in Fahrtrichtung
auftretende Kraftnebenschlußwirkung
ermittelt. Dazu wird in der Auswertevorrichtung 3 aus den Kraftnebenschlußsignalen
und den aufgrund einer vorherigen Kalibrierung ermittelten Referenzwerten ein
Korrekturkennwert gebildet, der mit den ermittelten Gewichtswerten
verknüpft
wird. Dadurch ist eine höhere
Genauigkeit bei der Gewichtsmessung erreichbar. Die durch die Schubkraftaufnehmer 13 erfaßten Kräfte in Fahrtrichtung
ergeben auch gleichzeitig einen Kennwert, der der Lagerbelastung
der Schienenlagerung auf den Schwellen 4 proportional ist.
Deshalb ist in der Auswertevorrichtung 3 vorgesehen, diese
Lagerbelastung separat zu erfassen und anzuzeigen. Bei Hochgeschwindigkeitszügen kann deshalb
ein Überschreiten
der zulässigen
Lager- oder Schwellenbelastung durch eine Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit
vermieden werden.
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Die zwischen den Schienen 2 auf
den Schwellen 4 der Meßstrecke 1 angeordneten
Temperaturaufnehmer 11 sind unterhalb der Trommel- oder Scheibenbremsen
der Schienenfahrzeuge angeordnet und so auf diese gerichtet, daß sie die
durch Hitzeeinwirkung auftretende Strahlungswärme bzw. Infrarotstrahlung
erfassen. Aus einem vorbekannten Abstand zwischen den Aufnehmern 11 und
der Bremsscheibe oder -trommel und den Aufnehmersignalen wird in
der Auswertevorrichtung 3 daraus ein Temperaturkennwert
der Bremsscheibe oder -trommel errechnet. Da die Bremsleistung mit
zunehmender Bremsscheibentemperatur stark abnimmt, sind in der Auswertevorrichtung 3 Grenzwerte
vorgegeben, bei deren Überschreitung
eine Überhitzung
angezeigt oder signalisiert wird.
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Gleichartige Temperaturaufnehmer 12 sind auch
auf den beiden Endbereichen einer der Schwellen 4 der Meßstrecke 1 angeordnet,
die meist unterhalb der überfahrenden
Radlager vorgesehen sind. Diese Temperaturaufnehmer 12 sind
so auf die Radlager gerichtet, daß sie dessen hitzebedingte
Infrarotstrahlung erfassen. Aus dem vorgegebenen Abstand zu den
Lagern und den er mittelten Temperatursignalen wird in der Auswertevorrichtung 3 ein
Kennwert für
die Lagertemperatur jedes überfahrenden Radlagers
errechnet. Da überhitzte
Radlager auf einen Lagerschaden hindeuten, wird die Überschreitung
eines vorgegebenen Grenzwertes angezeigt oder signalisiert. Aus
der zuvor durchgeführten
Waggon- und Zugerkennung ist dabei das defekte Lager sowie eine überhitzte
Bremse identifizierbar und kann in einem Überwachungszentrum oder beim Zugführer angezeigt
werden. Mit derartigen Temperaturaufnehmern 11, 12 kann
gleichzeitig auch die Umgebungstemperatur und die betriebstechnisch wichtige
Schienentemperatur erfaßt
und bei der Berechnung der betriebsrelevanten Kennwerte berücksichtigt
oder in einem Überwachungszentrum
angezeigt werden.
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Durch die zusätzlich an der Meßstrecke 1 vorgesehene
Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 wird beim Überfahren
eines Fahrzeugrades auch dessen Raddurchmesser ermittelt. Dazu ist
vor der ersten Schwelle 4 der Meßstrecke 1 an oder
entlang mindestens einer der Schienen 2 die Entmagnetisierungsvorrichtung 15 vorgesehen,
durch die eine vorhandene Restmagnetisierung des ferromagnetischen
Fahrzeugrades beseitigt wird. Dabei wird vorzugsweise der Radreifen
auf mindestens einer Radumdrehung an einem magnetischen Wechselfeld
der Entmagnetisierungsvorrichtung 15 vorbeigeführt.
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Auf der ersten Schwelle 4 ist
nachfolgend eine Magnetisierungsvorrichtung 16 angeordnet, durch
die ein Teilsegment des überrollenden
Fahrzeugrades magnetisiert wird. Dazu läuft mindestens der Radreifen
an starken Elektromagneten vorbei, der durch einen Stromimpuls kurzzeitig
magnetisiert wird. Nachfolgend ist entlang der Schiene 2 mindestens
in einem Bereich von 2 bis 4 m von der Magnetisierungsstelle die
magnetostriktive Positionsaufnehmervorrichtung 17 vorgesehen.
Beim Auftreffen des magnetisierten Radsegmentes auf der Schiene 2 entsteht
in dem daneben angeordneten Meßstab
aus ferromagnetischem Material eine magnetische Beeinflussung.
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Gleichzeitig wird aus dem Aufnehmerkopf
in regelmäßigen Zeitabständen ein
kurzer Stromimpuls auf den Meßstab
gegeben, der um diesen ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt. Treffen
nun die beiden Magnetfelder aufeinander, entsteht im Meßstab an
der Stelle des auftreffenden Segments eine mechanische Verdrehung
und Verformung (Torsion). Dadurch wird im Meßstab eine Körper-Ultraschallwelle
erzeugt, die vom Entstehungsort zu beiden Enden des Meßstabes
verläuft.
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Die Detektion der Ultraschallwelle
geschieht im Signalumformer, in dem ein Wandlersystem über dem
Meßstab
vorgesehen ist und aus einem ortsfesten Dauermagneten und einer
induktiven Detektionsspule besteht, in der ein magnetorestriktiver
Metallstreifen angeordnet ist. In dem Metallstreifen bewirkt die
rücklaufende
Körper-Ultraschallwelle
eine Permeabilitätsänderung,
die in der Detektionsspule zu einem elektrischen Antwortsignal führt. In
einer elektronischen Schaltung des Aufnehmerkopfes wird aus der
Laufzeit des Torsionsimpulses mit Hilfe der konstanten Ultraschallgeschwindigkeit
ein Kennwert gebildet, der eine Wegmessung darstellt und dem Radumfang
proportional ist.
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Dieser Kennwert wird dann über eine
gemeinsame Schalteinrichtung 6 der Auswertevorrichtung 3 zugeführt. Aus
dem Umfangskennwert wird dann in der Auswertevorrichtung 3 der
Raddurchmesser errechnet. Aus dem Raddurchmesser kann auch der Abstand
zu den Bremsscheiben und den Radlagern ermittelt werden, sofern
dieser nicht vorbenannt ist, der zur genauen Temperaturbestimmung an
den Radlagern und den Fahrzeugbremsen notwendig ist. Aus dem Raddurchmesser
ergibt sich gleichzeitig auch eine maximal zulässige Rad- oder Achsbelastung,
die durch Vergleich mit den ermittelten Radaufstandswerten überprüft wird
und bei dessen Überschreitung
anzeigbar oder signalisierbar ist .
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Über
die Radgröße und den
ermittelten Achsabständen
kann auch eine eindeutigere Waggonerkennung in der Auswertevorrichtung 3 durchgeführt werden,
sofern die zur Erkennung notwendigen Achsabstände nur geringfügige Unterschiede
aufweisen. Da die Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 bei jedem überrollten
Fahrzeugrad ein Signal erzeugt, wird sie auch zur Achszählung eingesetzt.
Dazu werden die Signale wie bei einem Schienenschalter beim Überfahren
eines Zugverbandes in der Auswertevorrichtung 3 aufsummiert
und angezeigt. Bei vorbekannter Achszahl eines Zugverbandes kann
damit durch eine Vergleichsberechnung in der Auswertevorrichtung 3 eine
Entgleisung einer Achse oder eines Drehkranzes oder der Verlust
eines oder mehrerer Waggons festgestellt und signalisiert werden.
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Bei der Anordnung mehrerer in Abstand
hintereinander angeordneter Meßstrecken 1 kann
damit auch eine Überwachung
der in dem Gleisabschnitt einfahrenden und ausfahrenden Achsen vorgenommen
werden. Weiterhin werden mit dem Magnetfeldaufnehmer 14 auch
rutschende Fahrzeugräder
ermittelt. Dazu wird in die Auswertevorrichtung 3 ein Grenzwert
für den
Radumfang eingegeben, der jeden vorkommenden Raddurchmesser überschreitet. Wird
in diesem Abstand das magnetisierte Radsegment nicht erfaßt, so stellt
das einen Kennwert für
ein rutschendes Fahrzeugrad dar und kann als solches angezeigt oder
signalisiert werden. Ein rutschendes Fahrzeugrad kann aber auch
durch einen Vergleich der Durchmesser bzw. der Radumfänge aller
Räder eines
Waggons ermittelt werden. Dazu wird in der Auswertevorrichtung 3 bei
einer vorgegebenen Abweichung vom Mittelwert aller Raddurchmesser
eines Waggons ein rutschendes Rad festgestellt und dieses angezeigt
oder signalisiert.
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Derartige Meßstrecken 1 können in
regelmäßigem Abstand
in das gesamte Fahrleitungsnetz integriert werden und ermöglichen
so eine genaue und umfassende Überwachung
und Betriebsdatenerfassung der Gleisstrecke als auch der darauf
verkehrenden Fahrzeuge. Insbesondere ist aus der Kombination von
kraftaufnehmenden und temperaturaufnehmenden Aufnehmersystemen 5, 11, 12 auf
einer Meßstrecke 1 eine Überwachungsmöglichkeit
gegeben, die die Sicherheit von Gleisstrecken erheblich erhöhen kann.
Gleichzeitig können
dadurch auch betriebstechnische Daten erfaßt werden, mit dessen Hilfe
eine wirtschaftlichere,Belastung des Betriebsablaufs auf der Gleisstrecke
möglich
ist. Insbesondere kann dadurch der Betriebsablauf so gesteuert werden,
daß weniger
Schäden
auftreten und der Unterhaltungsaufwand geringer wird. Dabei bietet
insbesondere auch die Kombination mit einer Magnetfeldaufnehmervorrichtung 14 den
Vorteil, daß damit
auf einfache Weise sehr genaue Daten zur Zugerkennung, Achs- und
Geschwindigkeitsermittlung sowie der höchstzulässigen Achsbelastung ermittelbar sind,
die die Auswertemöglichkeit
der betriebs- und sicherheitstechnischen Daten in ihrer Gesamtheit und
in ihrer Geschwindigkeit erhöht.
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Die Meßstrecke kann zur Erfassung
mehrerer unterschiedlicher physikalischer Größen aus einer beliebigen Kombination
von Aufnehmersystemen bestehen, sofern diese auf einfache und kostengünstige Art
die gewünschten
Kennwerte liefern. So sind insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsstrecken Kombinationen
von Kraft- mit Temperaturaufnehmersystemen vorteilhaft, weil damit
auf einfache Weise die sicherheitsrelevanten Kennwerte von Unrundheit, Radreifenbrüchen, Bremsüberhitzungen
und Achsheißläufern ermittelbar
sind. Hingegen ist zur Beurteilung des Güterverkehrs auf einer Gleisstrecke
insbesondere die Kombination aus Kraft-, Temperatur- und Raddurchmesser
messenden Aufnehmersystemen vorteilhaft. Denn insbesondere bei der
Beurteilung der Achslastverteilung und der Überschreitung der maximal zulässigen Radlast,
sowie der Gesamtlast kann eine Überlastung der
Gleisstrecke sowie eine Überlastung
der Gleisfahrzeuge verhindert werden. Es ist aber auch lediglich
eine Kombination aus Temperatur- und Raddurchmesser erkennenden
Aufnehmersystemen möglich,
durch die Kennwerte der Hitzebelastung der Bremsen und Lager sowie
die Überschreitung
der maximal zulässigen
Geschwindigkeit und rutschende Fahrzeugräder ermittelbar sind.