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Elektromagnetisches Gleisgerät, insbesondere für Achszähleinrichtungen
im Eisenbahnsicherungswesen Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Gleisgerät,
insbesondere für Achszähleinrichtungen im Eisenbahnsicherungswesen, bei dem zu beiden
Seiten der Schiene Spulen angeordnet sind, von denen die eine ein magnetisches Wechselfeld
erzeugt, durch das in der anderen Spule eine Spannung induziert wird, die in ihrer
Größe von einem durch die Einwirkzone des Gleisgerätes rollenden Rad beeinflußt
wird. Derartige Einrichtungen dienen zum überwachen des Fahrweges von Gleisfahrzeugen;
durchläuft ein Rad die Zone zwischen den beiden Spulen, so wird die in der Empfangsspule
induzierte Spannung in ihrer Größe verändert und steuert eine entfernt angeordnete
Überwachungseinrichtung.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt, bei denen auf beiden Seiten
einer Schiene Spulen angeordnet sind. So gibt es Systeme, bei denen sich die Spulen
auf einem gemeinsamen, die Schiene umgebenden Eisenkern befinden, und je nach der
Art der Schaltung wird hier durch Einwirken des Rades eine Rückkopplungsanordnung
beeinflußt oder die magnetische Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule verstärkt.
In einer weiteren bekannten Anordnung sind auf den die Schiene umgebenden Eisenkernen
drei Spulen angeordnet. Auf der einen Seite der Schiene befindet sich die Empfangsspule
und auf der anderen Seite die zwei Sendespulen, von denen die eine mit Gleichstrom
und die andere mit Wechselstrom gespeist wird. Weiterhin ist eine Ausführung bekannt,
bei der die Spulen auf beiden Seiten einer Schiene mittels einer gemeinsamen magnetisch
nicht leitenden Traverse befestigt sind. Die wechselstromerregte Spule ist in der
Weise neben der Schiene angeordnet, daß auch hierbei das erzeugte Kraftfeld nur
dann auf die Empfangsspule intensiv einwirken kann, wenn das Rad durch das magnetische
Wechselfeld hindurchrollt.
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In einer anderen bekannten Einrichtung liegen dem auf der einen Seite
der Schiene erzeugten Wechselfeld ein oder mehrere Paare von gegeneinandergeschalteten
Wicklungen gegenüber, die so abgestimmt sind, daß sich im Ruhezustand in jedem Wicklungspaar
die induzierten Spannungen nach Größe und Phase aufheben. Die Spulen sind an der
Schiene so angeordnet, daß beim Vorüberrollen eines Rades das in einem jeden Wicklungspaar
herrschende Spannungsgleichgewicht infolge der Luftspaltänderung gestört wird. Der
nicht kompensierte Rest der Spannung beeinfiußt die Überwachungseinrichtung.
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Bei einem weiteren bekannten elektromagnetischen Gleisgerät wird die
Abschirmwirkung eines durch den Luftspalt zwischen Sende- und Empfangsspule rollenden
Rades zur Beeinflussung des Systems ausgenutzt. Um bei dieser Einrichtung eine optimale
Beeinflussung zu erhalten, sind Sender und Empfänger oberhalb des Schienenkopfes
angeordnet, damit die abschirmende Wirkung der Schiene möglichst gering bleibt.
Da jedoch die einwirkenden Räder je nach den verschiedenartigen Fahrzeugbauarten
unterschiedliche Dimensionen haben, verursacht die Abschirmung durch die Räder eine
stark schwankende Absenkung der in der Empfangsspule induzierten Spannung, so daß
ein einwandfreier Betrieb der überwachungseinrichtung nicht gewährleistet ist.
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In einer anderen bekannten Anordnung, in der die Änderung der Kopplung
im wesentlichen nur durch die Spurkränze statt durch die gesamten Radreifen der
Räder erzeugt wird, sind unterhalb der Sende-und Empfangsspulen Abschirmbleche aus
magnetisch nicht leitendem, aber elektrisch gut leitendem Material angeordnet. Die
Spulen befinden sich unterhalb der Schienenoberkante und können außerdem in einem
bestimmten Winkel zur Schiene geneigt sein, um die Einrichtungen vor mechanischen
Zerstörungen durch von den Fahrzeugen herabhängende Teile zu schützen. Das ist auch
bei einer weiteren bekannten Einrichtung der Fall, in der ein selbsterregter Generator
eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 5 bis 10 kHz erzeugt und mit einer
Empfangsspule und Sendespulen verbunden ist, während zwischen diesen Spulen und
dem Generator ein zweites Spulenpaar zum Herbeiführen einer Gegenkopplung vorgesehen
ist.
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Der Erfindung liegt, ebenso wie bei den bekannten Einrichtungen, die
Aufgabe zugrunde, eine Beeinflussung
des Gleisgerätes in allen
Betriebsfällen stets dann, aber nur dann hervorzurufen, wenn ein Rad am Gleisgerät
vorüberollt, und einwandfrei das Vorüberrollen eines Rades anzuzeigen. Weiterhin
sollen die bislang noch immer nicht gänzlich beseitigten Nachteile der bekannten
Einrichtungen hinsichtlich der Störanfälligkeit und des unterschiedlichen Einflusses
verschiedener Radabmessungen und -werkstoffe vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Empfangsspule
in einer durch das magnetische Wechselfeld der Sendespule gespeisten magnetischen
Brückenanordnung liegt, die aus der Schiene dem Empfangssystem und den Luftspalten
zwischen der Spule und dem Schienenkopf einerseits sowie dem Schienenfuß andererseits
gebildet wird, und daß die Sendespule in einem derartigen Winkel zur Schiene geneigt
ist, daß durch die Einwirkzone des Radkranzes das wirksame magnetische Wechselfeld
der Spule aufgehoben oder dessen Polarität umgekehrt wird.
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Hierbei ergibt sich in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine
von der räumlichen Anordnung einerseits von Sendespule, Empfangsspule und Schiene
sowie andererseits vom Radquerschnitt abhängige, im Tonfrequenzbereich liegende
Frequenz des Wechselfeldes von solcher Größe, z. B. von 5 kHz, daß die Aufhebung
oder Umkehr der Polarität des die Empfangsspule durchsetzenden magnetischen Feldes
nicht mehr vom Material des Spurkranzes abhängt.
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Der mit der Erfindung gegenüber allen bekannten Anordnungen erzielbare
Vorteil besteht darin, daß das Gleisgerät in jedem Fall, gleichgültig ob das Rad
oder Teile des Rades aus magnetisch leitendem oder nicht leitendem Material bestehen,
einwandfrei beeinflußt wird. Mit einer Anordnung nach der Erfindung ist es auch
möglich, durch nichtmetallische Räder, die lediglich mit einer Metalleinlage versehen
sind, einwandfreie Beeinflussungen zu erzielen.
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In mehreren der bekannten Einrichtungen wird die Betriebssicherheit
dadurch vermindert, daß nicht nur die durch die Einwirkzone rollenden Räder das
System beeinflussen, sondern daß auch andere am Fahrzeug befindliche Teile, z. B.
herunterhängende Ketten und Rohre, oder das Magnetfeld von Schienenbremsen beim
Vorbeibewegen in der Beeinflussungszone eines Gleisgerätes störende Falschbeeinflussungen
hervorrufen können. Auch dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung die Sende- und die Empfangsspule gegenüber dem Schienenkopf derartig
räumlich angeordnet sind, daß zur Aufhebung oder Umkehr der Polarität des die Empfangsspule
durchsetzenden magnetischen Feldes im wesentlichen nur der Spurkranz des Rades beiträgt.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Einrichtungen besteht darin, daß die
über die Schiene herausragenden Teile zerstörenden mechanischen Einflüssen ausgesetzt
sind. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind daher die Sendespule und das
Empfangssystem unterhalb der Schienenoberkante angeordnet, wie das für andere Gleisgeräte
bereits bekannt ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Sendespule um eine
parallel zur Längsrichtung der Schiene verlaufende Achse drehbar und einstellbar
angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die Richtung des magnetischen Wechselfeldes
der Sendespule an Ort und Stelle in einfacher Weise von Hand zu verändern und damit
die Brückenanordnung derart abzugleichen, daß die optimale Empfindlichkeit des Gleisgerätes
erreicht wird.
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Die Wirkungsweise des elektromagnetischen Gleisgerätes wird weiterhin
dadurch verbessert, daß zum Abschirmen der die Wirksamkeit des Systems ungünstig
beeinflussenden magnetischen Fremdfelder und zum Bündeln des Eigenfeldes gemäß einem
weiteren Erfindungsmerkmal sowohl die Sendespule als auch das Empfangssystem mit
einem magnetisch nicht leitenden Mantel, z. B. aus Aluminium, umgeben ist.
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Werden die elektromagnetischen Gleisgeräte zum Steuern von Achszähleinrichtungen
verwendet, die in beiden Richtungen befahrene Gleisabschnitte überwachen, so ist
es erforderlich, daß der Zu- oder Abgang von Achsen für den betreffenden Gleisabschnitt
mit einem richtungsabhängigen Steuerkennzeichen überwacht wird. Auch bei der Erfindung
sind daher in bekannter Weise zwei Gleisgeräte an den beiden Schienen eines Gleises
so angeordnet, daß sich die Beeinflussungszonen beider Systeme überschneiden.
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Wenn auch bei der Lösung der zugrunde gelegten Aufgabe gemäß der Erfindung
teilweise von an sich bekannten Anordnungen Gebrauch gemacht ist, so werden jedoch
in deren Anwendung bei der Erfindung jeweils andere vorteilhafte Auswirkungen hervorgerufen,
die sich mit den bekannten Maßnahmen allein nicht erzielen ließen. Darüber hinaus
ist es aber auch zweckmäßig, einzelne der bekannten Maßnahmen unmittelbar in Weiterbildung
der Erfindung auch bei dieser anzuwenden; die Patentansprüche 3 und 5 bis 7 haben
daher nur in Verbindung mit dem Patentanspruch 1 patentrechtliche Bedeutung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
An dem Schienenfuß der Schiene 1 ist durch eine Traverse 2 auf der einen Seite der
Schiene die Empfangseinrichtung 7 bis 10 und auf der anderen Seite der drehbare
Sender 3 bis 6 befestigt.
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Der Sender besteht aus einer beispielsweise rechteckigen Spule 4,
die zur Abschirmung von einem Aluminiummantel 5,6 umgeben ist. Ober- und
Unterseite des Abschirmmantels sind mit Hartpapier od. dgl. abgedeckt, so daß der
magnetische Fluß ungehindert austreten kann. Der Kern 3 der Spule kann aus Dynamoblech
oder Ferrit und die Spule 4 aus mehreren Teilwicklungen bestehen. Die Empfangseinrichtung
besteht aus der Spule 8, dem auf einer Seite verlängerten Spulenkern 7 und dem Abschirmmantel
9, 10. Auch der Kern dieser Spule kann aus Dynamoblech oder Ferrit bestehen. Die
Abschirmung der Sende- und Empfangseinrichtung ist, um die Güte der elektrischen
Kreise möglichst wenig zu beeinflussen, in einem entsprechenden Abstand um die Spule
angeordnet.
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In Abhängigkeit von den verschiedenen vorkommenden Schienenformen
und zwecks größtmöglicher Beeinflussung des Systems durch das Einwirken des Radkranzes
wurden durch Versuche die günstige Form und Einstellung der Sendespule ermittelt.
Es ist vorteilhaft, den Sender in einem von der Schienenunterkante und der Strahlungsrichtung
des Magneten gebildeten Winkel a zwischen 30 und 80° zum Schienenkopf hin einzustellen
und die parallel zur Längsrichtung der Schiene verlaufende Achse des
Drehpunktes
des Systems in einen Abstand d = 80 bis 150 mm von der Schienenmitte und einer Höhe
c = 25 bis 80 mm von der Schienenunterkante festzulegen. Die Anordnung kann im praktischen
Betrieb eingestellt und geändert werden.
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Der magnetische Abgleich des Gleisgerätes ließe sich auch in gewissen
Grenzen durch eine einstellbare Empfangseinrichtung erzielen, jedoch würde die konstruktive
Ausgestaltung durch die erforderliche Formschlüssigkeit der Empfangseinrichtung
mit dem Schienensteg schwierig sein. Außerdem befindet sich die Empfangsspule auf
der Innenseite der Schiene, also im Gleis, so daß das Einstellen dann den Betrieb
behindern und die das Einstellen durchführenden Personen gefährden könnte. Für die
Empfangseinrichtung wurde ebenfalls durch Versuche eine günstige Anordnung an der
Schiene ermittelt, bei der der formschlüssig mit dem Schienensteg verbundene Teil
des Spulenkernes 7 in einer Höhe g = 30 bis 95 mm von dem Schienenfuß gegenüber
dem Schienensteg liegt, der die Spule 8 tragende Teil des Spulenkerns 7 parallel
zum Schienensteg und weiterhin die freie Seite der Spule 8 in einer Höhe e = 0 bis
60 mm unterhalb der Schienenoberkante und in einem seitlichen Abstand f = 105 bis
185 mm von der Schienenmitte angeordnet ist.
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Mit dieser Einstellung wird die gewünschte Arbeitsweise des elektromagnetischen
Gleisgerätes gemäß der Erfindung am besten erreicht. Solange das Gleisgerät nicht
durch einen Radspurkranz beeinfiußt wird, tritt in der Empfangsspule 8, einstellbar
durch die Neigung der Sendespule 4 zur Schiene, eine bestimmte Spannung infolge
des wirksamen magnetischen Wechselfeldes auf. Dringt ein Spurkranz eines durch die
Wirkungszone des Gleisgerätes rollenden Rades 11 in den Luftspalt zwischen dem Schienenkopf
der Schiene 1 und der Spule 8 ein, so wird durch die Einwirkung des Spurkranzes
das wirksame Wechselfeld der Spule 8 aufgehoben oder umgekehrt, so daß je nach Einstellung
entweder keine Spannung oder eine um 180° phasenverschobene Spannung in der Spule
induziert wird. Die induzierte Wechselspannung in der Empfangsspule 8, die zum Steuern
der Überwachungseinrichtung verwendet wird, geht somit entweder auf Null zurück,
oder es tritt darüber hinaus eine Phasenumkehr ein, die durch phasenrichtige Gleichrichtung
ausgenutzt werden kann.
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Durch die an sich bekannte räumliche Anordnung der Sende- und Empfangsspule
unterhalb der Schienenoberkante und die Neigung der Sendespule zum Schienenkopf
wird zudem erreicht, daß Metallteile, die nur bis zur Schienenoberkante reichen,
z. B. auch Schienenbremsen, nur ein unwesentliches Absinken der induzierten Spannung
in der Empfangsspule 8 hervorrufen und somit keinen Einfluß auf die nachgeschaltete
Überwachungseinrichtung haben.
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Weiterhin wurde in Abhängigkeit einerseits von der räumlichen Anordnung
von Sendespule, Empfangsspule und Schiene und andererseits vom Radquerschnitt eine
im Tonfrequenzbereich liegende Frequenz des Wechselfeldes von etwa 5 kHz ermittelt,
bei der die Aufhebung oder Umkehr der Polarität des die Empfangsspule 8 durchsetzenden
magnetischen Feldes nicht mehr vom Material des Spurkranzes abhängig ist. Dies ist
darauf zurückzuführen, daß durch das Einbringen eines bestimmten Materials in den
Raum des wirksamen Luftspaltes zwischen dem Schienenkopf 1 und der Empfangsspule
8 die wirksamen magnetischen Feldlinien, die aus dem Schienenkopf 1 austreten und
den Spulenkern 7 der Empfangsspule 8 durchsetzen, durch ein magnetisch leitendes
Material, z. B. Eisen, zum Schienensteg hin abgeleitet werden, während sie durch
ein magnetisch nicht leitendes Material, z. B. Aluminium, in welchem das wirksame
Wechselfeld Wirbelströme erzeugt, seitlich verdrängt werden. In beiden Fällen wird
somit überraschenderweise dieselbe Wirkung in der Empfangsspule 8 hervorgerufen.
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Das elektromagnetische Gleisgerät gemäß der Erfindung ist nicht nur
zum Steuern von Achszähleinrichtungen geeignet, sondern es kann überall dort zum
Steuern von Einrichtungen in vorteilhafter Weise Verwendung finden, bei denen ein
fahrender Zug eine Einrichtung an der Strecke beeinflussen soll, z. B. zur Sicherung
von Wegübergängen, Beeinflussung von Signaleinrichtungen und zur Gleisfüllstandsanzeige.
Außerdem eignet sich ein solches Gleisgerät zum Überwachen der Zuggeschwindigkeit,
indem die Flankensteilheit und/oder die Zeitdauer des Absinkens der induzierten
Spannung in der Empfangsspule als Meldekennzeichen ausgewertet wird oder indem die
Zeitdauer für das Durchfahren einer Meßstrecke zwischen zwei Gleisgeräten gemessen
wird und als Maß für die Geschwindigkeit dient.