DE19939067C1 - Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen mit Neigevorrichtungen - Google Patents

Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen mit Neigevorrichtungen

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen umfaßt folgende Merkmale: DOLLAR A a) Synchronisierung von wenigstens zwei Neigewinkeln (Ü 1 , Ü 2 ) und/oder wenigstens zwei Wankwinkeln, DOLLAR A b) Vergleich wenigstens eines ermittelten Istwertes (n 1 , n 2 ), der den Momentanzustand einer betreffenden Neigevorrichtung repräsentiert, mit wenigstens einem vorgebbaren Sollwert (n* 1 , n* 2 ) zur Detektion wenigstens einer Fehlfunktion bei wenigstens einer Neigevorrichtung, wobei nach Auftreten wenigstens einer Fehlfunktionn wenigstens eine vorgebbare Maßnahme eingeleitet wird, DOLLAR A c) Überwachung auf Kraftflußunterbrechung bei wenigstens einer Neigevorrichtung, wobei nach Auftreten wenigstens einer Kraftflußunterbrechung wenigstens eine vorgebbare Maßnahme eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Überwa­ chung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienen­ fahrzeugen mit Neigevorrichtungen.
Wagenkästen, die gegenüber ihren Fahrwerken geneigt werden, führen bei Schienenfahrzeugen zu einer Komfort- und Geschwin­ digkeitssteigerung, weil sich ein Teil der auf die Passagiere wirkenden Querbeschleunigung mit Hilfe der Schwerkraft neut­ ralisieren läßt. Die für die Neigung der Wagenkästen gegen­ über ihren Fahrwerken erforderlichen Neigevorrichtungen sind aufgrund häufiger Bewegungsumkehr beim Neigevorgang und der dabei auftretenden Kräfte sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Trotz großzügiger Dimensionierungen und trotz hoher Montage­ sorgfalt können deshalb Fehlfunktionen bei den Neigevorrich­ tungen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Bei den auf­ tretenden Fehlfunktionen handelt es sich fast ausschließlich um mechanische Fehlerfälle wie z. B. Schwergängigkeit bzw. Blockieren der Neigevorrichtungen oder Kraftflußunterbrechung aufgrund von Brüchen in der Neigemechanik. In diesen Fällen können fahrdynamische Grenzwerte infolge einer zu großen Tor­ sion zwischen den Wankstufen beider Drehgestelle eines Wagens überschritten werden, wobei dann wegen unzulässiger Radauf­ standskraftentlastungen mit Entgleisungsgefahr gerechnet wer­ den muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen zu schaffen, durch das eine verbesserte Fahrstabilität erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach An­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und Minimie­ rung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen umfaßt folgende Merkmale:
  • a) Synchronisierung von wenigstens zwei Neigewinkeln und/oder wenigstens zwei Wankwinkeln,
  • b) Vergleich wenigstens eines ermittelten Istwertes, der den Momentanzustand einer betreffenden Neigevorrichtung reprä­ sentiert, mit wenigstens einem vorgebbaren Sollwert zur Detektion wenigstens einer Fehlfunktion bei wenigstens ei­ ner Neigevorrichtung, wobei nach Auftreten wenigstens ei­ ner Fehlfunktion wenigstens eine vorgebbare Maßnahme ein­ geleitet wird,
  • c) Überwachung auf Kraftflußunterbrechung bei wenigstens ei­ ner Neigevorrichtung, wobei nach Auftreten wenigstens ei­ ner Kraftflußunterbrechung wenigstens eine vorgebbare Maß­ nahme eingeleitet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1 gewährleistet eine frühzeitige Erkennung von Fehlfunktionen bei den betreffenden Neigevor­ richtungen. Dadurch werden Wankstufentorsionen zuverlässig minimiert, wodurch ein Höchstmaß an lauftechnischer Güte er­ reicht wird.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Begriff "vorgebbare Maß­ nahme" nicht unbedingt, daß physikalische Veränderungen, wie z. B. Abschaltung oder Reduzierung, vorgenommen werden müs­ sen. Vielmehr soll beispielsweise auch das Konstanthalten von physikalischen Größen unter diesen Begriff fallen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Prinzipschaltbildes einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Überwachungseinrichtung 1, einen Synchronregler 2 und einen Neigeregler 3.
Die Überwachungseinrichtung 1 überwacht insbesondere die beim Befahren eines Übergangsbogens bei einem Wagen eines Schie­ nenfahrzeugs auftretende Wankstufentorsion sowie die Diffe­ renz der Aktiv-Neigewinkel γ1 und γ2. Weiterhin werden durch die Überwachungseinrichtung 1 bei Auftreten eines Verwin­ dungsfehlers (Überschreiten eines Grenzwertes ΔϕWK_GW für die Wankwinkeldifferenz ΔϕWK) alle Neigevorrichtungen eines Wa­ gens kraftlos geschaltet (Pfeil 30).
Beim Befahren eines Übergangsbogens (das ist z. B. der Be­ reich zwischen Gleisgerade und konstanter Gleisüberhöhung der kurvenäußeren Schiene im Gleisbogen) befindet sich z. B. das erste Fahrwerk bereits im Gleis-(Einlauf-)bogen und das zwei­ te Fahrwerk noch auf der Gleisgeraden. Am Ort der beiden Fahrwerke sind also (temporär) unterschiedliche Gleisneige­ winkel vorhanden.
Werden nun der Aktiv-Neigewinkel γ1 für das erste Fahrwerk und der Aktiv-Neigewinkel γ2 für das zweite Fahrwerk zeitlich synchron eingestellt, d. h. ist die Neigewinkeldifferenz Δγ zwischen beiden Fahrwerken gleich Null (Δγ = γ1 - γ2 = 0), dann können möglicherweise - ebenso wie bei Schienenfahrzeu­ gen ohne Aktiv-Neigewinkel-Verstellung (γ1 = γ2 = 0) - lauf­ technisch nachteilige Radaufstandskraftentlastungen auftre­ ten. Um derartige Radaufstandskraftentlastungen zuverlässig zu vermeiden, oder zumindest erheblich zu verringern, werden der Überwachungseinrichtung 1 die Aktiv-Neigewinkeldifferenz Δγ und der Schätzwert ΔϕDG als Schätzwert für die tatsächliche Gleisverwindung ΔϕGleis fortwährend zugeführt. Die Aktiv- Neigewinkeldifferenz Δγ = γ1 - γ2 wird hierbei im Subtrahierer 21 gebildet.
Gleichzeitig wird die Aktiv-Neigewinkeldifferenz Δγ und der Schätzwert ΔϕDG einem Addierer 4 zugeführt, der eine Quasi- Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK gemäß der Beziehung
ΔϕWK = (γ1 + ϕDG1) - (γ2 + ϕDG2) = Δγ + ΔϕDG,
mit Δγ = γ1 - γ2 und ΔϕDG = ϕDG1 - ϕDG2, bildet. Die Quasi-Abso­ lutwinkeldifferenz ΔϕWK wird ebenfalls der Überwachungsein­ richtung 1 zugeführt. Der Schätzwert ΔϕDG wird im allgemeinen durch Messung im Drehgestellrahmen ermittelt. Dabei wird der Wert am vorlaufenden Fahrwerk (Drehgestell) (z. B. ϕDG1) übli­ cherweise durch (Winkel-)Messung ermittelt, während der Wert ϕDG2 am nachlaufenden Fahrwerk desselben Wagens entweder auch durch (Winkel-)Messung oder aber durch fahrgeschwindigkeits­ richtige Signalweiterschaltung mittels eines Transportgliedes aus dem Wert des am vorlaufenden Fahrwerk befindlichen (Win­ kel-)Sensors näherungsweise bestimmt werden kann. Ebenso kann mit der Zurverfügungstellung dieser Signale an weiter im Zug­ verband in Fahrtrichtung hinten befindlichen Fahrwerken ver­ fahren werden.
Die Quasi-Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK und die Aktiv-Neigewin­ keldifferenz Δγ werden in der Überwachungseinrichtung 1 mit den zugehörigen Grenzwerten ΔϕWK_GW und ΔγGW verglichen, wobei der Grenzwert ΔγGW für die Aktiv-Neigewinkeldifferenz Δγ ab­ hängig ist vom Schätzwert ΔϕDG für die Gleisverwindung.
Die Quasi-Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK wird gleichzeitig dem Synchronregler 2 als Regelgröße zugeführt. Der Sollwert hier­ für beträgt Null, so daß die Quasi-Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK gleichzeitig zumindest betragsmäßig die Regelabweichung (Regeldifferenz) darstellt.
Weiterhin wird dem Neigeregler 3 eine Winkel-(Regel-)diffe­ renz ϕDiff als Regelabweichung zugeführt, wobei sich die Win­ keldifferenz ϕDiff aus den Sollwerten und den Istwerten der Absolutneigung des Wagenkastens gemäß der Beziehung
ϕDiff = ϕ*WK - ϕWK
ergibt.
Der Synchronregler 2 und der Neigeregler 3 sind permanent be­ strebt, ihre jeweilige Regelabweichung ΔϕWK bzw. ϕDiff zu Null zu regeln.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Aktuatorregelungen um Drehzahlregelungen, so daß aufgrund des regelstreckenseitigen integralen Zusammenhangs zwischen Dreh­ zahl n und Aktiv-Neigewinkel γ
als Synchronregler 2 zum Zwecke der stationären Regelgenauig­ keit lediglich ein P-Regler (Proportionalregler) benötigt wird. In der Zeichnung ist die Regelstrecke für die Synchron­ regelung mit 20 bezeichnet.
Falls die Quasi-Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK ungleich Null ist, führt die P-Regelung im Synchronregler 2 dazu, daß wegen n*1 = U1 - U2 (gebildet im Subtrahierer 5) und n*2 = U1 + U2 (gebildet im Addierer 6) beiden Aktuatorregelungen 7 und 8 unterschiedliche Werte zugeführt werden. Diese bewirken, daß infolge der dann auftretenden Drehzahldifferenz die Quasi- Absolutwinkeldifferenz ΔϕWK dynamisch ungefähr Null wird.
Die Drehzahl-Istwerte n1 und n2 werden jeweils einer Plausi­ bilitätskontrolle 9 bzw. 10 zugeführt, die prüft, ob der Ist­ wert ni hinreichend dynamisch genau dem Sollwert n*i folgt. Dies erfolgt durch einen Vergleich gegenüber einem vorgebba­ ren Schwellwert, z. B. dem Betrag der Differenz |n*i - ni| bzw. daraus abgeleiteter Größen. Zur Verfügung steht damit jeweils ein logisches Signal mit Speicherwirkung (generiert durch ein RS-Flip-Flop), das bei dem Wert "0" (fehlerfrei) nicht schal­ tet und bei dem Wert "1" (fehlerhaft) schaltet. Die Logiksi­ gnale der Plausibilitätskontrollen 9 und 10 schalten die be­ treffende Neigevorrichtung nach detektierter Fehlfunktion bleibend kraftlos, so daß keine unerwünschte (Neige-)Bewegung (mehr) ausgeführt werden kann. Die Logiksignale "0" und "1" werden darüber hinaus mittels eines ersten ODER-Gatters 11 und mittels eines zweiten ODER-Gatters 12 (logische ODER- Verknüpfung) weiter verarbeitet. Sie schalten in der Um­ schalteinrichtung 13 den Neigeregler 3 bleibend aus.
Durch antriebseitige Messungen und abtriebseitige Messungen der Neigewinkel γi wird in einem Kraftflußdetektor 14 auf­ grund von unterschiedlichen Werten für γi innerhalb jeweils einer Neigevorrichtung auf eine Kraftflußunterbrechung ge­ schlossen. Der antriebsseitige Wert für γi ist in der Zeich­ nung mit "(a)" und der abtriebsseitige Wert für γi ist mit "(b)" gekennzeichnet. Die Kraftflußunterbrechung führt eben­ falls zur sofortigen, bleibenden Abschaltung des Neigereglers 3. Darüber hinaus wird in diesem Fall auch das Stellsignal des Synchronreglers 2 verworfen (abgeschaltet), da eine blei­ bende Umschaltung der Stellsignale mittels der Umschaltein­ richtung 17 durchgeführt wird. Die Umschalteinrichtung 17 sorgt in diesem Fall für eine Bereitstellung der Sollwerte n*1, n*2 für die Aktuatorregelungen 7 und 8. Dabei werden die Drehzahlsollwerte n*1 und n*2 in diesem Fall mittels P- (Winkel-)Regler generiert, die als Regelgröße den jeweiligen antriebsseitigen Winkelistwert γi und die beide als (gemein­ samen) Sollwert den abtriebsseitigen Winkelistwert der be­ troffenen Neigevorrichtung als Maß der tatsächlichen Winkel­ lage zwischen Fahrwerk und Wagenkasten erhalten.
Die beschriebene Regelmaßnahme stellt, (zusätzlich) auch für den Fall einer anderweitig nicht erkannten Sensorsigna­ lunstimmigkeit am abtriebsseitigen Winkelsensor, ein lauf­ technisch günstiges Verhalten sicher.
Für den - gegebenenfalls zusätzlichen - Fehlerfall des Aus­ falls mindestens einer Neigevorrichtung, detektiert durch ei­ ne der Plausibilisierungen 9 oder 10, erfolgt die Abschaltung (Kraftlosschaltung) beider Neigevorrichtungen.
Des weiteren besteht die Möglichkeit, bei Detektion schwer­ wiegender Fehlerfälle Maßnahmen auf Zugebene einzuleiten. Hierbei wird in einer Detektionseinrichtung 15 das Blockieren einer der beiden Neigevorrichtungen erkannt. Liegt nun entwe­ der ein Blockieren oder eine Kraftflußunterbrechung in einer der Neigevorrichtungen vor, so wird ein Fahrzeugnothalt (z. B. mittels einer Bremseinrichtung) im Modul 16 durchgeführt.

Claims (23)

1. Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufen­ torsionen bei Schienenfahrzeugen mit Neigevorrichtungen, das folgende Merkmale umfaßt:
  • a) Synchronisierung von wenigstens zwei Neigewinkeln (γ1, γ2) und/oder wenigstens zwei Wankwinkeln,
  • b) Vergleich wenigstens eines ermittelten Istwertes (n1, n2), der den Momentanzustand einer betreffenden Neigevorrich­ tung repräsentiert, mit wenigstens einem vorgebbaren Soll­ wert (n*1, n*2) zur Detektion wenigstens einer Fehlfunkti­ on bei wenigstens einer Neigevorrichtung, wobei nach Auf­ treten wenigstens einer Fehlfunktion wenigstens eine vor­ gebbare Maßnahme eingeleitet wird,
  • c) Überwachung auf Kraftflußunterbrechung bei wenigstens ei­ ner Neigevorrichtung, wobei nach Auftreten wenigstens ei­ ner Kraftflußunterbrechung wenigstens eine vorgebbare Maß­ nahme eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • a) Ermittlung wenigstens einer Wankwinkeldifferenz (ΔϕWK) zwischen wenigstens zwei Fahrwerken, wobei die Wankwinkel­ differenz (ΔϕWK) auf Überschreitung eines Grenzwertes (ΔϕWK_GW) überprüft wird und nach Auftreten dieser Grenz­ wertüberschreitung wenigstens eine vorgebbare Maßnahme eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Die Wankwinkeldifferenz (ΔϕWK) wird durch eine Diffe­ renzbildung aus den ermittelten Wankwinkeln berechnet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei der Synchronisierung der Neigewinkel und/oder bei der Synchronisierung der Wankwinkel wird die meßtech­ nisch ermittelte Gleisverwindung berücksichtigt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Der Wankwinkel wird durch Messung ermittelt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Der Wankwinkel wird als Schätzwert vorgegeben.
7. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei den ermittelten Istwerten und den vorgebbaren Soll­ werten handelt es sich um Stell-Drehmomente der Neige­ vorrichtungen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei den ermittelten Istwerten und den vorgebbaren Soll­ werten handelt es sich um Neigewinkel der Neigevorrich­ tungen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei den ermittelten Istwerten und den vorgebbaren Soll­ werten handelt es sich um zeitliche Änderungen der Nei­ gewinkel der Neigevorrichtungen oder um Drehzahlen von Neigeaktuatoren der Neigevorrichtungen.
10. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei den ermittelten Istwerten und den vorgebbaren Soll­ werten handelt es sich um die drehmomentbildende Stromflußkomponente in Neigeaktuatoren der Neigevorrich­ tungen.
11. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Nach einem Auftreten einer Fehlfunktion werden zumindest die Neigevorrichtungen des betroffenen Wagenkastens so lange synchronisiert, bis die Ruhelage dieses Wagenkas­ tens infolge Schwerkraftrückstellung erreicht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Die Kraftflußunterbrechung wird für jeden Neigeaktuator der Neigevorrichtung aus der Winkeldifferenz zweier am Neigeaktuator angeordneter Winkelsensoren ermittelt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Die Kraftflußunterbrechung wird aus einem Vergleich zwi­ schen einem Neigewinkel (γ1, γ2) mit einem mit dem Neige­ winkel (γ1, γ2) korrelierenden Stell-Drehmoment (M1, M2) ermittelt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Die Kraftflußunterbrechung wird aus einem Vergleich zwi­ schen einem Neigewinkel (γ1, γ2) mit einer mit dem Neige­ winkel (γ1, γ2) korrelierenden drehmomentbildenden Strom­ flußkomponente ermittelt.
15. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Nach einem Auftreten einer Kraftflußunterbrechung werden die Neigevorrichtungen des betreffenden Wagenkastens so lange synchronisiert, bis die Ruhelage dieses Wagenka­ stens infolge Schwerkraftrückstellung erreicht ist.
16. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Nach einem Auftreten einer Kraftflußunterbrechung werden die Wankwinkel derart eingestellt/geregelt, daß die Wankwinkeldifferenz minimal wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • a) Neigung eines gegenüber seinen Fahrwerken aktiv neigba­ ren Wagenkastens durch Regelung von wenigstens einer den Neigezustand des Wagenkastens kennzeichnenden physikali­ schen Größe.
18. Verfahren nach Anspruch 17, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei der physikalischen Größe, die den Neigezustand des Wagenkastens kennzeichnet, handelt es sich um den Abso­ lutwinkel (ϕWK) des Wagenkastens gegenüber der Erdhori­ zontalen.
19. Verfahren nach Anspruch 17, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei der physikalischen Größe, die den Neigezustand des Wagenkastens kennzeichnet, handelt es sich um den (Ak­ tiv-)Neigewinkel des Wagenkastens gegenüber wenigstens einem seiner Fahrwerke.
20. Verfahren nach Anspruch 17, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Bei der physikalischen Größe, die den Neigezustand des Wagenkastens kennzeichnet, handelt es sich um die Be­ schleunigung in Querrichtung des Wagenkastens.
21. Verfahren nach Anspruch 17, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • a) Das durch die Synchronisierung erzeugte Stellsignal (U2) und das durch die Neigeregelung erzeugte Stellsignal (U1) werden mittels Summenbildung (U1 + U2) und mittels Differenzbildung (U1 - U2) überlagert und den Neigevor­ richtungen als Vorgabewerte, insbesondere als Sollwerte (n*1, n*2), zugeführt.
22. Verfahren nach Anspruch 21, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Das im ungestörten Fall erzeugte Stellsignal (U1) der Neigeregelung wird bei Auftreten eines Fehlers auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere auf den Wert Null, ge­ setzt.
23. Verfahren nach Anspruch 2, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • 1. Die Wankwinkeldifferenz (ΔϕWK) wird näherungsweise be­ stimmt aus der Addition der näherungsweise bestimmten Gleisneigewinkeldifferenz (ΔϕDG) der Fahrwerke und der (Aktiv-)Neigewinkeldifferenz (Δγ) der Neigevorrichtun­ gen.
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