DE10332364A1 - Contactless rail wear measurement unit for rail vehicles uses magnetic sensors around wheel to measure relative transverse movement and speed sensor to give distance - Google Patents

Contactless rail wear measurement unit for rail vehicles uses magnetic sensors around wheel to measure relative transverse movement and speed sensor to give distance Download PDF

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Peter-Klaus Prof. Dr. techn.Dr.h.c. Budig
Helmut Dr.-Ing. Hanisch
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Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik Eaat Chemnitz GmbH
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Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik Eaat Chemnitz GmbH
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    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • E01B35/02—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for spacing, for cross levelling; for laying-out curves
    • E01B35/04—Wheeled apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

A contactless rail wear measurement unit uses magnetic sensors on either side (2) and in front and behind the wheel (1, 3) to measure the relative movement between wheel and rail and elastic links to the wheel hub to measure relative hub to rail head transverse motion with digitization and combination with speed sensor data to give distance data.

Description

Um die Ursachen von Verschleiß an Rädern und Schienen spurgeführter Fahrzeuge ermitteln zu können, ist es erforderlich die Relativbewegung der mit einem Spurkranz versehenen Räder gegenüber der Schiene zu erkennen. Dabei sind die folgenden Größen von Interesse:

  • • Ermittlung der Schienenmitte
  • • Ermittlung der Radmitte
  • • Abweichung der Radmitte gegenüber der Schienenmitte
  • • Ermittlung der Spurweite
  • • Schrägstellung des Radsatzes gegenüber der Schienenmittellinie bei Kurven- und Geradeausfahrt
  • • Beschleunigungskräfte in vertikaler Richtung
  • • Bewegungen des Radreifens gegenüber der Radnabe bei Rädern mit Gummiringfeder
In order to be able to determine the causes of wear on wheels and rails of tracked vehicles, it is necessary to detect the relative movement of the wheels provided with a wheel flange with respect to the rail. The following quantities are of interest:
  • • Determination of the rail center
  • • Determination of the wheel center
  • • Deviation of the center of the wheel from the center of the rail
  • • Determination of the gauge
  • • Tilting of the wheelset relative to the rail center line when cornering and driving straight ahead
  • • acceleration forces in the vertical direction
  • • Movement of the wheel tire relative to the wheel hub on wheels with rubber ring spring

Im Folgenden sind einige Verfahren aufgeführt, mit denen solche Messungen ausgeführt werden können:
Filmaufnahmen: Mit dieser Technik ist es nicht möglich hinreichend genaue Messungen der Position des Rades auf der Schiene zu machen.Here are some methods that can be used to perform such measurements:
Filming: With this technique, it is not possible to make sufficiently accurate measurements of the position of the wheel on the rail.

Verfahren zu mechanischen Abtastung: Sie haben den Nachteil, dass mittels Mechanismen die Rad und Schiene berühren, deren relative Lage zueinander zu erfassen sind. Von Nachteil ist dabei, dass infolge von Formabweichungen an den Oberflächen starke Streuungen der Meßwerte auftreten.method to mechanical scanning: You have the disadvantage that using Mechanisms that touch the wheel and rail, their relative position to each other to be recorded. The disadvantage is that due to shape deviations on the surfaces strong scatter of the measured values occur.

Optische Verfahren: sie sind wegen des Einfalles von Fremdlicht ungeeignet.optical Method: they are unsuitable for the incidence of extraneous light.

Kapazitive Meßverfahren: sie erfordern eine trockene Meßumgebung. Mit Rücksicht auf Witterungsbedingungen scheidet dieses Verfahren aus.capacitive Measuring method: they require a dry measuring environment. With consideration on weather conditions this procedure is eliminated.

Die genannten Nachteile werden vermieden, wenn ein magnetisches Meßverfahren angewendet wird. Einflüsse durch Sonneneinstrahlung, Regen und Schnee treten nicht auf Im Folgenden wird ein Meßverfahren beschrieben, welches die o.a. Nachteile vermeidet.The mentioned disadvantages are avoided when a magnetic measuring method is applied. influences Sunlight, rain and snow do not occur in the following becomes a measuring method described which o.a. Disadvantages avoids.

Verwendet werden „Magnetische Abstandsensoren". Mit diesen ist es möglich die Entfernung zwischen Sensoroberfläche und einer dieser gegenüber stehenden ferromagnetischen Oberfläche im statischen und dynamischen Betrieb zu messen. Gemäß 1 werden je ein Sensor rechts und links von der Schiene angeordnet. Diese werden starr mit der Radnabe oder dem Drehgestellrahmen mechanisch verbunden. Verschiebt sich die Lage eines Sensors gegenüber der Schienenmitte so wird sein „wirksamer" Abstand zur Schiene kleiner, wenn er sich von der Schienenmitte entfernt und größer, wenn er sich der Schienenmitte nähert."Magnetic distance sensors" are used to measure the distance between the sensor surface and a ferromagnetic surface opposite it in static and dynamic operation 1 each sensor is placed to the right and left of the rail. These are mechanically connected rigidly to the wheel hub or the bogie frame. If the position of a sensor shifts with respect to the middle of the rail, its "effective" distance to the rail becomes smaller as it moves away from the middle of the rail and increases as it approaches the middle of the rail.

Relativbewegungen von Rad/Drehgestell und Schiene können dadurch gemessen werden, dass die Lagedifferenz der beiden Sensoren ausgewertet wird.relative movements of wheel / bogie and rail can be measured by that the positional difference of the two sensors is evaluated.

Infolge der geometrischen Nähe der beiden Sensoren kann es zur gegenseitigen Beeinflussung kommen. Um das zu vermeiden wird einer der beiden Sensoren durch zwei Sensoren ersetzt. Diese sind Fahrtrichtung nach vorn bzw. hinten so versetzt, dass die genannte magnetische Beeinflussung vermieden wird. Aus den Meßsignalen dieser beiden Sensoren (2, 2a) wird ein neues Signal gebildet, das zu einem virtuellen Sensor (2) gehört, der dem Sensor 1 gegenüber steht. (2).Due to the geometric proximity of the two sensors, mutual interference can occur. To avoid this, one of the two sensors is replaced by two sensors. These are the direction of travel to the front or rear offset so that said magnetic interference is avoided. From the measuring signals of these two sensors ( 2 . 2a ), a new signal is formed which becomes a virtual sensor ( 2 ) belongs to the sensor 1 opposite. ( 2 ).

Im Fall, dass die Messungen an einem Drehgestell auszuführen sind, ist die oben beschriebene Messanordnung je einmal vor und hinter dem Drehgestell anzuordnen.in the Case that the measurements are to be carried out on a bogie, If the measuring arrangement described above is ever before and behind to arrange the bogie.

Um die Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene auch bei veränderlicher Spurweite ausführen zu können ist die im 2 dargestellte Anordnung so wie 3 zeigt an beiden Seiten des Rades/Drehgestells anzubauen.In order to perform the relative movements between the wheel and rail even with variable gauge is in the 2 shown arrangement as well 3 shows on both sides of the wheel / bogie grow.

Die mechanische Anordnung der Sensoren muß schwingungsfrei gegenüber dem Radlager bzw. dem Drehgestellrahmen erfolgen.The mechanical arrangement of the sensors must be vibration-free compared to Wheel bearing or the bogie frame done.

Da mit den oben beschriebenen Anordnungen am Rad bzw. dem Drehgestellrahmen liefert zunächst nur die Bewegung der Radlager bzw. der Drehgestellaufhängung gegenüber der Schienenmitte. Es ist noch die Relativbewegung des gummigefederten Radkranzes gegenüber den o.a. Rad- bzw. Drehgestell- Bezugspunkten zu bestimmen. Hierzu wird ein weiterer Sensor seitlich gemäß 4 so angeordnet, dass er die gesuchte Relativbewegung erfassen kann. Im Fall des Drehgestells ist diese Messung an allen Rädern des Drehgestells zu machen.Since with the arrangements described above on the wheel or the bogie frame initially provides only the movement of the wheel bearing or bogie suspension relative to the rail center. It is still the relative movement of the rubber-sprung rim to determine the above wheel or bogie reference points. For this purpose, another sensor is laterally according to 4 arranged so that it can detect the sought relative movement. In the case of the bogie, this measurement must be made on all wheels of the bogie.

Messung der Beschleunigung der Achsen in vertikaler Richtung werden durch Beschleunigungssensoren erfaßt, die über der jeweiligen Achse angeordnet sindMeasurement the acceleration of the axes in the vertical direction are through Detected acceleration sensors, the above the respective axis are arranged

Die Berechnung der gesuchten Größen erfolgt mittels der folgenden Gleichungen:
Das fiktive Sensorsignal yfik in der Mitte der Sensoren 1 und 3 läßt sich aus den Sensorausgangssignalen y1 und y3 wie folgt berechnen: yfik = (y1 + y3)/2 The calculation of the desired quantities is carried out by means of the following equations:
The fictitious sensor signal y fik in the middle of the sensors 1 and 3 can be calculated from the sensor output signals y 1 and y 3 as follows: y fik = (y 1 + y 3 ) / 2

Nun kann die mittlere tatsächliche Montagehöhe ht berechnet werden: ht = (y2 + yfik)/2 Now the mean actual mounting height h t can be calculated: H t = (y 2 + y fik ) / 2

Unter Beachtung dieser tatsächlichen Montagehöhe ht muß anschließend unter Beachtung der Kennlinienfelder die seitliche Verschiebung xA der Sensorgruppe berechnet werden: xA = (y2(ht) – yfik(ht))/2. Taking into account this actual mounting height ht, the lateral displacement x A of the sensor group must then be calculated taking into account the characteristic curves: x A = (y 2 (H t ) - y fik (H t )) / 2.

Diese 3 Berechnungen sind für jede der Sensorgruppen A ... D durchzuführen. Als Ergebnis der bisher durchgeführten Berechnungen erhält man die seitlichen Verschiebungen xA, xB, xC und xD der einzelnen Sensorgruppen bezüglich der Schiene.These 3 calculations are to be performed for each of the sensor groups A ... D. As a result of the calculations made so far, one obtains the lateral displacements x A , x B , x C and x D of the individual sensor groups with respect to the rail.

Im nächsten Berechnungsgang werden aus den Sensorgruppensignalen die für die Auswertung interessanten Größen berechnet:
– seitliche Verschiebung des Drehgestells X: X=(xA + xB + xC + xD)/4
– Verdrehwinkel α des Fahrgestells bezüglich der Fahrtrichtung: α = arctan ((xA + xB – xC – xD)/4z)z ist der Abstand der Drehgestellmitte zu den Sensorgruppen.
– Abweichung Δs der Spurweite des Gleises vom Sollwert: Δs=(xA – xB + xC – xD)/4 In the next calculation step, the quantities that are of interest for the evaluation are calculated from the sensor group signals:
Lateral displacement of the bogie X: X = (x A + x B + x C + x D ) / 4
Angle of rotation α of the chassis with respect to the direction of travel: α = arctane ((x A + x B - x C - x D ) / 4z) z is the distance of the bogie center to the sensor groups.
Deviation Δs of the gauge of the track from the target value: .DELTA.s = (x A - x B + x C - x D ) / 4

Von technischem Interesse ist die Erfassung der o.a. Größen entlang der Fahrstrecke. Hierzu ist es erforderlich in möglichst kurzen Abständen bezogen auf die Fahrbewegung die einzelnen Größen zu erfassen und zu speichern. Aus diesem Grund werden die analogen Meßsignale in digitale Größen mittels A/D- Wandler gewandelt und anschließend gespeichert. Um einen Bezug zur jeweiligen Position gegenüber der Strecke zu erhalten wird ein Geschwindigkeitssignal gespeichert. Aus diesem kann mittels der bekannten Abtastzeit die jeweils zwischen zwei Meßintervallen zurückgelegte Strecke Δs=v × Δtbestimmt werden. Die Lage gegenüber einem Anfangspunkt ergibt sich aus: S = Σ Δs im Bereich von t = 0 bis t = tx. Of technical interest is the detection of the above sizes along the route. For this purpose, it is necessary in the shortest possible distances based on the driving movement to capture the individual sizes and store. For this reason, the analog measurement signals are converted into digital quantities by means of A / D converters and then stored. In order to obtain a reference to the respective position opposite the track, a speed signal is stored. For this, by means of the known sampling time the distance traveled between two measuring intervals Δs = v × Δt be determined. The position opposite to a starting point results from: S = ΣΔs in the range from t = 0 to t = t x ,

Die Struktur der Auswertung der Meßgrößen zeigt 5 The structure of the evaluation of the measured variables shows 5

Claims (8)

Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen dadurch gekennzeichnet, dass diese Relativbewegungen mittels magnetischer Sensoren erfaßt werden.Arrangement for measuring the relative movements between the wheel and rail of rail vehicles characterized in that these relative movements are detected by means of magnetic sensors. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Bewegungen quer zur Fahrtrichtung durch je einen links und rechts über der Schiene stehenden Sensor, der starr mit der Achse des Rades verbunden ist, erfaßt wird.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles according to claim 1, characterized in that lateral movements transverse to the direction of travel through one left and one right over the rail standing sensor, which is rigid with the axis of the wheel connected, detected becomes. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur magnetischen Entkopplung der einander gegenüber stehenden Sensoren ein virtueller Sensor bestehend aus zwei Sensoren von denen einer in Fahrtrichtung vor und der zweite hinter dem Rad angeordnet wird, eingeführt wird.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles according to claim 2 characterized in that for magnetic decoupling of opposite each other standing sensors a virtual sensor consisting of two sensors one ahead and the second behind the wheel is placed introduced becomes. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Fahrtrichtung senkrecht auftretende Relativbewegungen zwischen Radnabe und Spurkranz bei Vorhandensein elastischer Glieder zwischen diesen dadurch erfaßt werden, dass ein seitlich neben dem Spurkranz befindlicher Sensor diese Bewegung erfaßt.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles according to claim 1 characterized in that perpendicular to the direction of travel Relative movements between wheel hub and wheel flange in the presence elastic members between these are detected by a side located next to the wheel flange sensor detects this movement. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 1, 2, 3, und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Meßanordnungen an beiden Seiten des Rades/des Drehgestells in Fahrtrichtung gesehen angeordnet sind.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles according to claim 1, 2, 3, and 4, characterized in that the measuring arrangements seen on both sides of the wheel / bogie in the direction of travel are arranged. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Meßwerte zur weiteren Auswertung in digitale Signale gewandelt und gespeichert werden.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles according to claim 1 characterized in that the analog measured values for further evaluation converted into digital signals and stored. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anordnung 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Meßstelle entlang der Fahrstrecke ein Geschwindigkeitssignal im gleichen Zeittakt wie die Sensorsignale gespeichert wird, so dass aus den bekannten Taktzeiten die Strecheninkremente berechnet und addiert werden können.Arrangement for measuring the relative movements between Wheel and rail of rail vehicles as ordered 6, characterized in that for detecting the measuring point along the route a speed signal in the same time cycle how the sensor signals is stored, so that from the known Cycle times the increments increments can be calculated and added. Anordnung zur Messung der Relativbewegungen zwischen Rad und Schiene von schienengebundenen Fahrzeugen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aus den Meßsignalen die Spurweite bestimmt werden kann.Arrangement for measuring the relative movement gene between wheel and rail of rail vehicles according to claim 1, characterized in that the track can be determined from the measured signals.
DE2003132364 2003-07-17 2003-07-17 Contactless rail wear measurement unit for rail vehicles uses magnetic sensors around wheel to measure relative transverse movement and speed sensor to give distance Withdrawn DE10332364A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018040581A1 (en) * 2016-08-31 2018-03-08 中铁第四勘察设计院集团有限公司 Auxiliary operation robot for medium and low speed maglev

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