DE2606149C2 - Anordnung an einem Fahrzeug zum Messen und Aufzeichnen geometrischer Daten verlegter Eisenbahnschienen - Google Patents

Description

ßer als der kleinste Radius der vermessenen Welle ist, so daß das Rad beim Abrollen dem genauen Verlauf der Welle nicht folgen kann. Weiter ergeben sich insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten vertikal nach aufwärts gerichtete Beschleunigungen an den Rädern, die zu einem Oberspringen der Welbii führen. Diese Effekte könnten nur durch Fahrzeugbelastungen, d. h. Achslasten, vermindert werden, die jedoch zu einer im normalen Eisenbahnbetrieb unzulässigen Radbelastung führen. Ferner senkt sich unter dem Einfluß des Fahrzcuggewichws die Schiene unter dem rollenden Rad um einige Millimeter, wodurch der Aussagegehalt der Verschleißmessungen von nur einigen Hundertstel oder Zehntel Millimetern beeinträchtigt wird. Andere Meßfehlerursachen können beispielsweise im Lagerspiel etc. liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung an einem Meßfahrzeug zum Messen und Aufzeichnen geometrischer Daten verlegter Eisenbahnschienen zu schaffen, mit welcher der Verschleißzustand der Schienenköpfe im Bereich der Fahrflächen und insbesondere die Wellengeometrie bei veränderlichen Fahrgeschwindigkeiten genau gemessen und registriert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können durch Auswertung der nach der Umrechnung und Filtrierung erhaltenen Meßstreifen die Verschleißzustände der Schienen nach Art des jeweiligen Verschleißes, insbesondere bezüglich der beiden Wellengattungen, genau erfaßt werden. Diese Vermessung eines oder beider Schienenstränge erfolgt unabhängig von der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit des Meßfahrzeuges und liefert eine den praktischen Bedürfnissen voll entsprechende Meßkurve, bei welcher Störsignale ausgeschaltet sind. Es können ebenso die Wellenamplituden wie auch die Wellenlängen erfaßt und gesondert registriert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger schematischer Abhandlungen zum Stande der Technik sowie anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ausführlich beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Größenverhältnisse eines Fahrzeugrades zur kurzwelligen Verformung der Schienenfahrf lache;

F i g. 2 schematisch die auf ein Rad wirkenden Kräfte und Beschleunigungen beim Überfahren einer sinusförmigen Welle;

F i g. 3a, 3b ein Blockdiagramm der erfindungsgemä-Oen Meßanordnung;

F i g. 4 in vergrößertem Maßstab den in etwa sinusförmigen Verlauf der im Zweifach-Integratc-r umgewandelten Meßwerte;

Fig.5 die Kurve nach Fig.4 nach der Gleichrichtung;

Fig.6 gestrichelt die gleichgerichtete Kurve nach Fig.5, in durchgezogener Linie eine Hülikurve und strichpunktiert eine Mittelwertkurve dieser Hüllkurve;

Fig.7 die Mittelwertkurve nach Fig.6 mit einem auszuschaltenden Störimpuls;

Fig.8 schematisch das Vorgehen zur Bestimmung der Wellenlänge.

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß genaue Messungen von kurzwelligen Verschleißformen nicht exakt durch an der Achse angeordnete Beschleunigungsmesser möglich sind, wenn der Radius R des Rades 1 größer als der Radius ρ einer kurzen Welle 2 auf der Schienenfahrflä ehe ist

Die F i g. 2 gibt die Verhältnisse beim Überfahren von langen Wellen 2 durch einen radförmigen Abtaster 3 wieder. Ausgehend von den Beziehungen

^v-f ^e"²*^/und/-T

errechnet sich die Beschleunigung zu

- au² -sin2n-· -y-

jowie

y max - An² · a ·

Aus diesen Beziehungen lassen sich die das Springen eines Rades verursachenden Kräfte bei einer vorgege benen Fahrgeschwindigkeit sowie eine dieses Springen vermeidende Radlast berechnen. Bei einer Fahrgeschwindigkeit ν von 60 km/h, einer Wellenlänge λ von 50 mm, einer Wellenamplitude a von 0,15 mm und einer Radmassc von 1000 kg ergibt sich eine vertikal nach aufwärts auf das Rad wirksame Kraft \F'\ von ca. 671. International zulässig ist jedoch lediglich eine Achslast von 201, so daß ein Springen des Rades beim Oberfahren wellenförmig verschlissener Schienen nicht zu vermeiden ist.

Bei der Anordnung nach F i g. 3a, 3b kennzeichnet das von dem unmittelbar am Abtaster S angeordneten Beschleunigungsmesser 4 erzeugte elektrische Signal die vom Abtaster erfaßten vertikalen Beschleunigungen. Dieses Signal wird einem Verstärker 6 zugeführt und in einem Bandfilter 7 filtriert, dessen mittlere Frequenz und Bandbreite in Abhängigkeit von der in einem Block 8 erfaßten Fahrgeschwindigkeit gleichzeitig gesteuert werden. Der Block 8 umfaßt einen Geschwindigkeitsdetektor 9 für die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, dessen Ausgangssignale über einen Regelkreis 10 in einem binären Dekoder 11 in digitale Daten umgewandelt werden. Die Frequenz- und Bandbreitenänderung ist notwendig, weil nur ein Teil des aufgenommenen und verstärkten Signalspektrums zur Bestimmung der Grö ße und der Art der wellenförmigen Fahrflächenuneben- heiten brauchbar ist. Die die Beschleunigung kennzeichnenden Ausgangssignale des Bandfilters 7 werden durch zweifaches Integrieren als Funktion der Zeit in Wegsignale umgewandelt, und zwar mittels eines analogen,

so passiven oder operativen Integrators 12, mittels umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz /ansprechenden Filtern oder auf rein digitalem oder gleichzeitig digitalem und analogem Weg. Diese zweifache Integration macht die Messung unabhängig von der Fahrge- schwindigkeit und direkt proportional zu den Wellenamplituden a für alle im Meßbereich liegenden Wellenlängen X. Eine die Schienenwellen nach der zweifachen Integration kennzeichnende Kurve ist in F i g. 4 dargestellt.

Die Ausgangssignale des Integrators 12 müssen umgewandelt werden, weil sie infolge der langen Meßstrekken auf einem Papierstreifen in einem Maßstab von nur einigen cm Länge pro Gleiskilometer nicht registriert werden können und ein der Fahrgeschwindigkeit ent sprechendes Durchlaufen des Meßstreifens nicht mög lich ist. Die notwendige gedrängtere Darstellung wird erreicht durch Gleichrichten der Wellensignale in einem logischen Gleichrichter 13 (Kurve 14 in Fi g. 5) und

durch Umhüllen der maximalen Amplituden dieser gleichgerichteten Signalkurve 14 in einer Vorrichtung 15, die mit dem Block 8 für die Fahrgeschwindigkeit gekoppelt ist. Diese Kurve liefert somit eine Aussage über die Amplituden eines wellenförmigen Fahrflächenverschleißes für laufende Meßstreckenabschnitte, welche über die Fahrgeschwindigkeit bestimmt werden. In F i g. 6 sind die gleichgerichtete Kurve 14, die Hüllkurve 16 und die Mittelwertkurve 17 dargestellt. Die von der Hüllkurve 16 abgeleitete Mittelwertkurve 17 gibt den besten Aufschluß über die Fahrflächenveränderungen der Schienen in einem bestimmten Meßstreckenabschnitt, wobei durch dieses Verfahren die den wellenförmigen Fahrflächenverschleiß am besten kennzeichnenden Werte fortlaufend gemessen und auf z. B. einem Meßstreifen von nur einigen cm Länge pro Kilometer Meßstrecke aufgezeichnet werden.

Diese Angaben sind impulsiven Störungen ausgesetzt, die z. B. von Stoßverbindungen, von Schweißstellen der Schienen u. dgl. herrühren. F i g. 7 zeigt eine Mittelwertkurve 17 mit einer Spitze 18 für eine derartige impulsive Störung. Bei häufiger Wiederholung können derartige Störungen, welche die Daten für das Wellenprofil oft um das Zehnfache übersteigen, die gewünschten Signale verfälschen. Eine in die Meßkette eingeschaltete Vorrichtung 19 kann diese Störungen bei vereinzeltem und/oder wiederholtem Auftreten erfassen, sobald sie von den Signalen für den wellenförmigen Fahrflächenverschleiß abweichen. Diese Vorrichtung 19 leitet somit nur die brauchbaren Signale ohne die Störungen weiter. Das Ausfiltern der Störung erfolgt durch Erfassen von Steilheitsänderungen, d. h. durch Bilden der ersten Ableitung über die Zeit. Nimmt diese Steilheit plötzlich zu und überschreitet die typischen Daten für den wellenförmigen Verschleiß, so werden diese Werte nicht aufgenommen und vom Schreiber 20 des Registriergerätes 21 nicht aufgezeichnet. Diese Störungswerte werden vielmehr in einem Zähler 22 ausgewertet und gezählt, was einen weiteren Aufschluß über den Zustand der Schienen gibt.

Im Meßwagen ist für jede Schiene je eine der oben beschriebenen und in F i g. 3 als Block 23 dargestellten Meßketten mit je einem Schreiber 20 bzw. 24 vorgesehen.

Zur Ergänzung der die Amplitude des wellenförmigen Verschleißes angebenden Meßdaten kann zusätzlich die mittlere Wellenlänge analog oder digital bestimmt werden. Die Kenntnis der Wellenlänge ist sowohl für die Programmierung der Schleifarbeiten als auch für das Erkennen der Verschleißursachen wichtig. Eine Vorrichtung 25 zählt am Ausgang des Integrators 12 die Null-Durchgänge der Wellenkurve und wandelt diese Frequenzwerte in Spannungssprünge 26 um, wie es in F i g. 8 dargestellt ist Die Frequenz der Wellen kann auch durch Zählen der Zeichenumkehrungen der ersten Ableitung der Welle bestimmt werden. In einem nachgeschalteten Impulsteiler 27 wird die im Block 8 erfaßte Fahrgeschwindigkeit durch die Frequenz dividiert, was die von je einem Schreiber 28 bzw. 29 für jeden Schienenstrang aufgezeichneten mittleren Wellenlängen ergibt

Ein Block 30 bildet eine zusätzliche akustische Meßkette, welche die Rollgeräusche des Fahrzeuges mißt Diese Rollgeräusche werden in einem Mikrofon 31 aufgenommen, in einem Verstärker 32 verstärkt und einem Bandfilter 33 zugeführt, der in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit die Bandbreite und eine mittlere Frequenz bzw. den mittleren Tonpegel steuert. Die Ausgangssignale dieses Bandfilters 33 gelangen in einen Gleichrichter 34, einen Umhüllungsniter 35 und in einen die Störungen ausschaltenden Filter 36. Die mit den Ausgangssignalen der ebenfalls als Filter wirksamen Vorrichtung 19 gleichartigen Signale des Filters 36 werden im Registriergerät 21 mittels des Schreibers 37 aufgezeichnet. Die im Bandfilter 33 erzeugten Signale werden parallel über einen Leistungsverstärker 38 einem Lautsprecher 39 zugeführt, der die Meßergebnisse akustisch wiedergibt.

Zur Vermessung des anderen Schienenstranges ist im Meßwagen ein weiterer akustischer Block 30 mit einem Schreiber 40 und einem Lautsprecher 41 vorgesehen.
Die Schreiber werden jeweils auf Null zurückgestellt, wenn die Abtaster von der Schiene abgehoben oder der Meßwagen stillgesetzt wird.

Zum Aufstellen eines Schleifprogramms ist es notwendig, den jeweils stärker verschlissenen Schienenstrang zu kennen. Zu diesem Zweck werden die Meßergebnisse für beide Schienenstränge gleichzeitig in einer Vorrichtung 42 miteinander verglichen. Von einem Schreiber 43 wird im Registriergerät 21 aufgezeichnet, ob die ausgewählten maximalen Werte auf der einen oder der anderen Schiene auftreten. Eine Vorrichtung 44 vergleicht ferner die Lautstärke der akustischen Messungen beider Schienen und zeichnet die Werte mittels eines Schreibers 45 auf. Von einem weiteren Schreiber 46 wird die im Block 8 erfaßte Fahrgeschwindigkeit aufgezeichnet. Von diesem Block 8 wird auch die Durchlaufgeschwindigkeit des Meßstreifens über einen Umsetzer 47 gesteuert, so daß man stets eine von der zurückgelegten Meßstrecke abhängige Aufzeichnung erhält.

Die bei der beschriebenen Anordnung durch die Schreiber 20,24,28,29,37,40,43,45 und 46 aufgezeichneten Meßergebnisse können auch in weiteren Einrichtungen verarbeitet werden, und zwar können sie beispielsweise auf einem Magnetband gespeichert, in einer zusätzlichen Einrichtung analysiert oder einem weiteren Rechner eingegeben werden, was über die Ableitungen 48 erfolgt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 und registriert. Patentansprüche: 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Vergleicher

1. Anordnung an einem Fahrzeug zum Messen (42) ein akustischer Vergleicher (44) mit den akusti- und Aufzeichnen geometrischer Daten verlegter Ei- s sehen Meßketten (30) des Schienenstranges gekopsenbahnschienen, bei welcher geometrische Verän- pelt ist, welcher die jeweils größeren Meßwerte der demngen mindestens eines Schienenstranges mittel- beiden Schienenstränge Ober Lautsprecher anzeigt, bar Ober Beschleunigungsaufnehmer normal zur 10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Schienenlauffläche aufgenommen und die Beschleu- Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Registriernigungen in elektrische Signale umgewandelt wer- io vorrichtung (21), in welcher die verschiedenen erfaßden, die nach von der Fahrgeschwindigkeit gesteuer- ten Meßdaten aufgezeichnet werden.

ter Filterung, nach zweifacher Integration, nach Mit telwertbildung und durch Vergleich mit zulässigen

Grenzwerten eine Bewertung der gemessenen Veränderungen ermöglichen, dadurch gekenn- 15

zeichnet, daß zum Bestimmen von Wellen in der Die Erfindung betrifft eine Anordnung an einem

Schienenlauffläche ein mit dem Beschleunigungsauf- Fahrzeug zum Messen und Aufzeichnen geometrischer nehmer (4) unmittelbar verbundener Abtaster (5) Daten verlegter Eisenbahnschienen der im Oberbegriff vorgesehen ist daß der mit der Schienenlauffläche in des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Berührung kommende Teil des Abtasters einen klei- 20 Es ist bereits ein Verfahren und eine Anordnung zur neren Radius als derjenige der Vertiefung der kürze- Kontrolle und Bewertung einer Gleisanlage aus der DE-sten Welle aufweist, daß der Abtaster (5) federnd an OS 21 08 863 bekannt, nach welchem die Längs- und der Schienenlauffläche angedrückt und außerhalb Querhöhenlage, die Schienenrichtung und die Spurweides Störungsbereiches der Radsätze des Meßfahr- te in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrstrecke erzeuges angeordnet ist, daß die elektrischen Signale 25 faßt werden können, wobei zum Erfassen der Längsdes Beschleunigungsaufnehmers einem Bandfilter (7, und der Querhöhenlage Beschleunigungsaufnehmer an 33) zugeführt werden, dessen mittlere Frequenz und den Achsbuchsen angeordnet sind. Aus den erfaßten dessen Bandbreite von der Fahrgeschwindigkeit ge- Meßdaten werden statische und niederfrequente Besteuert werden, und daß die zweifach integrierten schleunigungsanteile ausgefiltert, woraufhin diese filelektrischen Signale einem Gleichrichter (13) und jo trierten Beschleunigungs-Meßdaten zweifach integriert einem zweiten Filter (15) zugeführt werden, der eine werden, um entsprechende Weg-Meßdaten zu erhalten. Hüllkurve (16) aus den gleichgerichteten Signaida- Nach einer Mittelwertsbildung kann durch eine vergleiten erzeugt. chendc Betrachtung der erhaltenen Mittelwerte eine

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Aussage über Fehler der Längshöhenlage und der zeichnet, daß die Hüllkurve (16) fortlaufend gemit- 35 Gleisrichtung getroffen werden. Ein exaktes Erfassen teltwird. und Bestimmen von verschleißbedingten Fahrflächen-

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Unebenheiten, wie Riffeln und kurze bzw. lange Wellen gekennzeichnet, daß auch der zweite Filter (15) von /.wischen 3 cm und 300 cm Länge ist mit dieser bekannder Fahrgeschwindigkeit gesteuert wird. ten Anordnung nicht möglich.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 40 Ferner ist aus der DE-OS 21 35 985 eine Gleisstopfdadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Filter (15) maschine bekannt, die während des Stopfbetriebes eine ein plötzliche Störungen kompensierender dritter Lagemessung des Gleises, insbesondere zum Erfassen Filter (19) nachgeschaltet ist. der durch das Stopfen erfolgten Anhebung der Schiene,

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- mittels einer Meßvorrichtung ermöglicht. Auf die Kreuzeichnet, daß dem dritten Filter (19) ein Zähler (22) 45 zungspunkte der Schiene mit den verschiedenen zur Bestimmung und Aufzeichnung der Anzahl der Schwellen werden Meßstäbe gesetzt, deren Abstand Störungen nachgeschaltet ist von einer im Fahrzeug gelagerten Bezugsebene mit HiI-

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, fe von Gebern gemessen wird. Die Ausgangssignale diedadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der scr Geber werden in einen Differenzbildner eingegeben Wellenlängen dem Zweifach-Integrator (12) ein Fre- 50 und entweder einem Rechner oder direkt einer Schreibquenzmesser (25) und ein Wandler (27) nachgeschal- anlage zugeführt. Ein genaues fortlaufendes Vermessen tet sind. der durch den Fahrbetrieb hervorgerufenen Verschleiß-

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden zustände ist auch mit dieser bekannten Meßanordnung Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche nicht möglich.

akustische Meßkette (30) für jeden Schienenstrang, 55 Verlegte Eisenbahnschienen mit zumindest teilweise die aus mindestens einem die Rollgeräusche aufneh- verschlissenen Fahrflächen in Form von Riffeln, kurzen menden Mikrofon (31), einem Tonverstärker (32), oder langen Wellen, können mit den vorstehend beeinem von der Fahrgeschwindigkeit gesteuerten schriebenen Meßanordnungen nicht genau vermessen Bandfilter (33), einem Gleichrichter (34), einem Filter werden, weil bereits bei geringen Fahrgeschwindigkei-(35) zum Erzeugen einer Hüllkurve sowie aus einem 60 ten ihre am Fahrzeug angeordneten Abtaster durch die weiteren Filter (36) zum Ausschalten plötzlicher Siö- Riffeln und Wellen Schwingungen ausgesetzt werden, rungen besteht. welche die erfaßten Meßwerte verfälschen wurden. An-

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden dere Ursachen für eine derartige Meßwertverfälschung Ansprüche, bei welcher für jeden Schienenstrang je sind beispielsweise lose Schienenbefestigungen, uneine Meßkette vorgesehen ist, dadurch gckennzeich- b5 gleichmäßige Unterstopfungen und Schienenstöße. Die net, daß jede Meßkette mit einem gemeinsamen Genauigkeit der Messungen wird ferner noch dadurch Vergleicher (42) verbunden ist, der die jeweils grö- beeinträchtigt, daß der Radius der Räder, an deren Achßeren Meßwerte der beiden Schienenstränge erfaßt sen die Beschleunigungsmesser befestigt sind, oft grö-