DE10315666A1

DE10315666A1 - Verfahren zur Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage

Info

Publication number: DE10315666A1
Application number: DE2003115666
Authority: DE
Inventors: Wolfgang WÄCHTER; Christian Vormann
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Deutsche Bahn AG
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: DE10315666B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Radkraft-Messanlagen, die insbesondere Anwendung an Fahrbahnen des Schienenverkehrs finden. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für die Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage DOLLAR A - eine Radlast und/oder Radsatzlast eines über den Bereich der Messanlage rollenden bekannten Rades und/oder Radsatzes verwendet, DOLLAR A - eine Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Messwert der Messanlage während der Überfahrt des Rades und/oder Radsatzes der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast bestimmt und DOLLAR A - ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung der Messanlage aus einem Verhältnis der Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Messwert der Messanlage und der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast berechnet. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile, dass die Kalibrierung von Radkraft-Messanlagen ohne Einsatz zusätzlicher Kalibriereinrichtungen und ohne Aufenthalt von Personal an den Messstellen vom Labor aus erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage.
Radkraft-Messanlagen, auf die sich die Erfindung bezieht, finden insbesondere Anwendung an Fahrbahnen des Schienenverkehrs.

Bei der Deutschen Bahn AG kommt als spezielle Ausführungsform einer Radkraft-Messanlage eine Detektionsanlage für unrunde Räder (DafuR) zur Anwendung, insbesondere an Schnellfahrstrecken. Diese Radkraft-Messanlage ist aus DE 44 39 342 bekannt. Die DafuR hat die Aufgabe, Radsätze an Schienenfahrzeugen auf Rundlaufabweichungen, insbesondere Flachstellen, zu prüfen und Meldungen an die zuständigen Stellen weiterzuleiten. Desweiteren kann die DafuR auch als dynamische Gleiswaage verwendet werden, um Radlastüberschreitungen oder Schiefladungen zu detektieren.

Das verwendete Messprinzip der DafuR beruht auf einer Messung einer Schubverformung eines Schienensteges in Schwellenfachmitte (T-Messstelle) sowie auf einer Messung einer Verformung eines Schienenfußes im Bereich eines Auflagers der Schiene (R-Messstelle) aufgrund einer Radlast und/oder Radsatzlast.

Bei der T-Messtelle werden mehrere Messwertaufnehmeren, insbesondere Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden Schwellenfächern jeweils in Höhe der neutralen Faser des Schienensteges angebracht. Gemessen wird somit die Schubverformung der Schiene und damit eine vertikale Kraft zwischen Rad und Schiene. Die Anordnung in Höhe der neutralen Faser des Schienensteges bewirkt zudem insbesondere, dass eine Verfälschung der Messergebnisse auffgrund eine Durchbiegung der Schiene ausgeschlossen wird.

Bei der R-Messtelle werden mehrere Messwertaufnehmeren, insbesondere Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden Auflagern, insbesondere Schwellen, jeweils am Schienenfuß angebracht. Gemessen wird somit die Verformung des Schienenfußes.

Die DafuR erfaßt somit die vertikale Kraft zwischen Rad und Schiene kontinuierlich über eine bestimmte Länge. Diese Messung erfolgt ortsfest am Gleis über den gesamten Radumfang in einem Geschwindigkeiten von 60 – 400 km/h für beide Fahrtrichtungen. Für jeden Radsatz werden die Messsignale aufge zeichnet und ausgewertet sowie auf die jeweilige Zugnummer, Achsnummer und Seite des Zuges bezogen. Zusätzlich werden weitere Messgrößen wie Zuggeschwindigkeit, Achszahl, Überfahrtzeit, Radlasten und Schiefladungen erfaßt sowie eine Klassifizierung des Zuges über die Messung des Achsabstandes (Zugbilderkennung) durchgeführt.

Aus DE 44 39 342 ist weiterhin bekannt, dass für die Kalibrierung der DafuR eine bügelartige Vorrichtung verwendet wird, die an der Schiene im Bereich des jeweiligen Messwertaufnehmeren kraftschlüssig befestigt wird und mittels eines hydraulischen Stempels eine definierte Kraft, insbesondere 50 kN, auf den Schienenkopf aufbringt. An der bügelartigen Vorrichtung ist im Kraftfluss des hydraulischen Stempels ein kalibrierter KraftMesswertaufnehmer angebracht. Hiermit wird die Kraft gemessen, die der hydraulische Stempel auf den Schienenkopf aufbringt. Gleichzteitig wird die von dem entsprechenden Messwertaufnehmer der T- bzw. R-Messstelle gemessene Kraft zwischen bügelartiger Vorrichtung und Schiene ermittelt. Das Verhältnis aus der von dem Messwertaufnehmer der T- bzw. R-Messstelle gemessenen Kraft und der von dem kalibrierten KraftMesswertaufnehmer der bügelartigen Vorrichtung gemessenen Kraft ergibt den Kalibrierfaktor des Messwertaufnehmers der T- bzw. R-Messstelle.

Nachteile der Kalibrierung mit der bügelartigen Vorrichtung aus DE 44 39 342 sind:

– die bügelartige Vorrichtung muss mittels Schraubklemmen an der Schiene befestigt werden, so dass Zugfahrten während des für die Kalibrierung erforderlichen Zeitraums ausgeschlossen sind. Für die Kalibrierung müssen somit Sperrpausen für den Zugverkehr eingelegt werden, wodurch der Zugverkehr erheblich beeinträchtigt wird.
– es ist ein hoher Zeitaufwand erforderlich, da mehrere Messwertaufnehmer kalibriert werden müssen und für jede Kalibrierung mehrere Messvorgänge mit einer Dauer von insgesamt 10 Minuten bis 30 Minuten erforderlich sind. Die Kalibrierung der gesamten Messanlage dauert 2 Tage.
– es ist ein hoher Personalaufwand erforderlich, da die Befestigung der bügelartigen Vorrichtung, die eine Masse von etwa 40 kg aufweist, mehrere Personen sowie zusätzlich zur Sicherung dieser Personen Sicherungspersonal bestehend aus einer Sicherungsaufsichtskraft und mehrerer Sicherheitsposten erfordert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage anzugeben, bei dem die geschilderten Nachteile des Standes der Technik gelöst werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile:

– die Kalibrierung der Radkraft-Messanlage erfolgt lediglich mit Hilfe einer bekannten Last eines Radsatzes und somit ohne Einsatz zusätzlicher Kalibriereinrichtungen, insbesondere ohne die bügelartige Vorrichtung.
– die Kalibrierung der Radkraft-Messanlage erfolgt im Labor, so dass ein Aufenthalt von Personal an der Messstelle nicht erforderlich ist.

Ansprüche 2 bis 4 geben vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Hauptanspruches wieder.

Anspruch 2 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messwertaufnehmers am Schienensteg (T-Messstelle). Dieser Messwertaufnehmer ist an einem Schienensteg im Bereich zwischen zwei Auflagern der Schiene angebracht und ermittelt somit eine Verformung des Schienensteges aufgrund der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast.

Anspruch 3 gibt einen bestimmten Wert für den nicht messbare Bereich an, an dem sich der Messwertaufnehmer am Schienensteg befindet. Die Krafteinleitung eines bewegten Rades in eine Schiene erfolgt bekanntlich unter einem Winkel von etwa 45° in Fahrtrichtung des Rades. Demzufolge ist in diesem Bereich eine Messung nicht möglich bzw. weicht das Messsignal vom wahren Kraftsignal ab und führt somit zu keinen sinnvollen Messergebnissen. Der nicht messbare Bereich wird hierbei aus der Höhe der Schiene sowie der Höhe des Befestigungsortes des Messwertaufnehmers am Schienensteg berechnet.

Eine bei der Deutschen Bahn AG insbesondere verwendete Schienenform ist eine UIC 60 Schienenform mit einer Schienenhöhe von 172 mm. Für einen Messwertaufnehmer, der am Schienensteg im Bereich der neutralen Faser der Schiene und somit etwa 91 mm unterhalb der Schienenoberkante angebracht ist, ergibt sich somit, dass in einem Breich etwa von 91 mm vor bis 91 mm hinter dem Befestigungsort des Messwertaufnehmers am Schienensteg keine Krafteinleitung des Rades in die Schiene gemessen werden kann.

Anspruch 4 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messwertaufnehmers am Schienenfuß (R-Messstelle). Dieser Messwertaufnehmer ist an einem Schienenfuß im Bereich eines Auflagers der Schiene angebracht und ermittelt somit eine Verformung des Schienenfußes aufgrund der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast.

Ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers am Schienenfuß ergibt sich aus dem Kalibrierwert des Messwertaufnehmers am Schienensteg, indem eine Differenz aus der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast und der Kalibrierfaktoren von zwei benachbarten, an einem Schienensteg im Bereich zwischen zwei Auflagern der Schiene angebrachen Messwertaufnehmern gebildet wird. Bei Verwendung von pro Schiene insbesondere 8 aufeinanderfolgenden T-Messstellen mit den entsprechend Anspruch 2 bereits ermittelten Kalibrierfaktoren T1 bis T8 sowie 7 R-Messstellen, die jeweils zwischen zwei T-Messstellen angeordnet sind, ergeben sich die Kalibrierfaktoren R1 bis R7 der R-Messstellen mit der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast Q zu:
R3 = Q – T3 – T4
R4 = Q – T4 – T5
R5 = Q – T5 – T6
R1(t₁) = Q – T1 – R2(t₁) – T3
R2(t₂) = Q – T1 – R1(t₂) – T3
R6(t₃) = Q – T6 – R7(t₃) – T8
R7(t₄) = Q – T6 – R6(t₄) – T8
wobei R1 bzw. R6 an einem Zeitpunkt t₁ bzw. t₃ ermittelt wird, der geringfügig vor dem Zeitpunkt t₂ bzw. t₄ liegt, an dem R2 bzw. R7 ermittelt wird. Insbesondere wird R1 bzw. R6 an jeweils dem Auflager der Schiene ermittelt, das vor dem Auflager von R6 bzw. R7 angeordnet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung mit zwei Figuren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 schematisch ein Messsignal eines Messwertaufnehmers, der an der Schiene in Höhe der neutralen Faser des Schienensteges angebracht ist, als Funktion der Zeit bei Überfahrt eines Drehgestells mit zwei Radsätzen gleicher Radsatzlast,
2a schematisch und nicht maßstabsgetreu ein Drehgestell mit zwei Radsätzen vor einer Überfahrt des ersten des ersten Radsatzes über einen an einer Schiene befestigten Messwertaufnehmer,
2b schematisch das Drehgestell aus 2a bei der Überfahrt des ersten Radsatzes über den Messwertaufnehmer,
2c schematisch das Drehgestell aus 2a bei der Überfahrt des zweiten Radsatzes über den Messwertaufnehmer.
Gemäß 2a fährt ein Drehgestell 23 eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einem ersten Radsatz 221 und einem zweiten Radsatz 222, auf einer Schiene 21 auf einen Messwertaufnehmer 20 einer einzelnen T-Messstelle zu. Jeder der beiden Radsätze drückt hierbei mit einer bekannten Radlast auf die Schiene 21.
Befindet sich das Drehgestell 23 mit seinen beiden Radsätzen vor dem Messwertaufnehmer 20, so misst der Messwertaufnehmer 20 die Kraft, die in Auflager der Schiene, insbesondere Schwellen, die hinter dem Messwertaufnehmer 20 liegen, eingeleitet wird. Es ergibt sich ein Messwert 11 gemäß 1.
Je weiter sich nun das erste Drehgestell 221 dem Messwertaufnehmer 20 nähert, ein desto kleinerer Messwert 11 ergibt sich.
Hat der erste Radsatz 221 den Ort, an dem sich der Messwertaufnehmer 20 befindet, überfahren, so misst der Messwertaufnehmer 20 die Kraft, die in Auflager der Schiene eingeleitet wird, die vor dem Messwertaufnehmer 20 liegen. Es ergibt sich ein Messwert 12 des ersten Radsatzes hinter Messwertaufnehmer, der einen Vorzeichenwechsel gegenüber dem Messwert 11 des Drehgestells vor Messwertaufnehmer aufweist. Bei der Überfahrt eines Radsatzes über den Messwertaufnehmer 20 gemäß 2b findet somit innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls ein Vorzeichenwechsel statt.
Hat das Drehgestell 23 mit seinen beiden Radsätzen den Ort des Messwertaufnehmers 20 überfahren, so misst der Messwertaufnehmer 20 die Kraft, die in Auflager der Schiene, die vor dem Messwertaufnehmer 20 liegen eingeleitet wird. Es ergibt sich ein Messwert 14.
Die Krafteinleitung eines bewegten Rades in eine Schiene erfolgt bekanntlich unter einem Winkel von etwa 45° in Fahrtrichtung 24. Eine bei der Deutschen Bahn AG insbesondere verwendete Schienenform ist eine UIC 60 Schiene mit einer Schienenhöhe von 172 mm. Für einen in mittlerer Schienenhöhe und somit etwa 86 mm unterhalb der Schienenoberkante angebrachten Messwertauf nehmer 20 ergibt sich somit, dass in einem Breich 6, der etwa von 86 mm vor bis 86 mm hinter dem Befestigungsort des Messwertaufnehmers 20 reicht, eine Krafteinleitung des Rades in die Schiene nicht gemessen werden kann. Dass von dem Messwertaufnehmer 20 angezeigte Messsignal gibt in diesem Bereich nicht ein wirkliches, der Radlast entsprechendes Messsignal wieder.
Das Messsignal in dem nicht messbaren Bereich 6 kann jedoch rekonstruiert werden, indem

– das Messsignal unmittelbar vor dem nicht messbaren Bereich 6, in dem das Messsignal annähernd linear verläuft, zu einem linearen Messsignal 2 linearisiert wird,
– das linearisierte Messsignal 2 in den nicht messbaren Bereich 6 hinein linear extrapoliert wird, wodurch sich ein linear extrapoliertes Messsignal 3 ergibt,
– am Schnittpunkt des Messsignals mit der x-Achse 71 eine Senkrechte auf der x-Achse 71 gebildet wird.

Im Bereich 4 des Radsatz unmittelbar vor dem Messwertaufnehmer 20 ergibt sich ein Schnittpunkt der Senkrechten auf der x-Achse 71 mit dem linear extrapolierten Messsignal 3. Dieser Schnittpunkt 81 ist ein extrapolierter minimaler Wert des Messignals.
Im Bereich 5 des Radsatz unmittelbar hinter dem Messwertaufnehmer 20 ergibt sich ein weiterer Schnittpunkt der Senkrechten auf der x-Achse 71 mit dem linear extrapolierten Messsignal 3. Dieser Schnittpunkt 82 ist ein extrapolierter maximaler Wert des Messignals.
Eine Differenz 9 aus dem extrapolierten maximalen Wert 81 und dem extrapolierten minimalen Wert 82 des Messsignals entspricht damit der bekannten Radsatzlast.
Aus einem Verhältnis der Differenz 9 aus dem extrapolierten maximalen Wert 81 und dem extrapolierten minimalen Wert 82 des Messsignals und der bekannten Radsatzlast ergibt sich einen Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers.
Desweiteren zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers 20 eine Mittelung der Kalibrierfaktoren von Radsatz 221 und 222 durchgeführt werden, wodurch sich die Messgenauigkeit des Kalibrierfaktors erhöht. Hierbei wird gemäß 2e der Kalibrierfaktor des zweiten Radsatzes 222 entsprechend dem Kalibrierfaktor des ersten Radsatzes 221 ermittelt.

1: Messsignal
11: Messwert für Drehgestell vor Messwertaufnehmer
12: Messwert für ersten Radsatz hinter Messwertaufnehmer
13: Messwert für zweiten Radsatz vor Messwertaufnehmer
14: Messwert für Drehgestell hinter Messwertaufnehmer
2: linearisiertes Messsignal 1
3: linear extrapoliertes Messsignal 1
4: Bereich Radsatz unmittelbar vor Messwertaufnehmer
5: Bereich Radsatz unmittelbar hinter Messwertaufnehmer
6: nicht messbarer Bereich
71: x-Achse
72: y-Achse
81: extrapolierter minimaler Wert des Messsignals 1
82: extrapolierter maximaler Wert der Messsignals 1
9: Differenz aus dem extrapolierten maximalen Wert 82 und dem extrapo
: lierten minimalen Wert 81 des Messsignals 1
20: Messwertaufnehmer
21: Schiene
221: erster Radsatz
222: zweiter Radsatz
23: Drehgestell
24: Fahrtrichtung

Claims

Verfahren zur Kalibrierung einer Messanlage an einer Schiene, die die Kraft zwischen einem Rad und/oder Radsatz und einer Schiene ermittelt, mit der das Rad und/oder der Radsatz eine Radkraft auf einen Schienenkopf ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung der Messanlage – eine Radlast und/oder Radsatzlast eines über den Bereich der Messanlage rollenden bekannten Rades und/oder Radsatzes verwendet, – eine Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Messwert der Messanlage während der Überfahrt des Rades und/oder Radsatzes der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast bestimmt und – ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung der Messanlage aus einem Verhältnis der Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Messwert der Messanlage und der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast berechnet wird.
Verfahren zur Kalibrierung einer Messanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mindestens eines Messwertaufnehmers (20), der an einem Schienensteg zwischen zwei Auflagern der Schiene angebracht ist und eine Verformung des Schienensteges aufgrund der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast ermittelt, ein Messsignal (1) des Messwertaufnehmers (20) in einem Bereich (6), in dem eine Messung nicht möglich ist bzw. zu keinen sinnvollen Messergebnissen führt, – extrapoliert, – hierduch ein extrapolierter maximaler (82) und ein extrapolierter minimaler Wert (81) des Messsignals (1) berechnet, – eine Differenz (9) aus dem maximalen Wert (82) und dem minimalen Wert (81) des Messsignals (1) gebildet, – die Differenz (9) aus dem maximalen Wert (82) und dem minimalen Wert (81) des Messsignals (1) der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast bestimmt und – ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers (20) aus einem Verhältnis der Differenz (9) aus dem maximalen Wert (82) und dem minimalen Wert (81) des Messsignals (1) und der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast berechnet wird.
Verfahren zur Kalibrierung einer Messanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht messbarer Bereich (6) bei Befestigung des Messwertaufnehmers (20) an der neutralen Faser des Schienensteges ein Bereich von 100 mm vor bis 100 mm nach dem Ort der Schiene (21) – bei Verwendung eines UIC 60 Schienenprofils vorzugsweise ein Bereich von 91 mm vor bis 91 mm nach nach dem Ort der Schiene (21) – an dem sich der Messwertaufnehmer (20) befindet, verwendet wird.
Verfahren zur Kalibrierung einer Messanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mindestens eines Messwertaufnehmers, der an einem Schienenfuß im Bereich eines Auflagers der Schiene angebracht ist und somit eine Verformung des Schienenfußes aufgrund der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast ermittelt, ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers am Schienenfuß aus dem Kalibrierwert des Messwertaufnehmers am Schienensteg berechnet wird, indem eine Differenz aus der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast und der Kalibrierfaktoren von zwei, an einem Schienensteg im Bereich zwischen zwei Auflagern der Schiene angebrachten Messwertaufnehmern, die dem entsprechenden Messwertaufnehmer am Schienenfuß benachbart sind, gebildet wird.