DE2610645B2

DE2610645B2 - Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE2610645B2
Application number: DE19762610645
Authority: DE
Inventors: Burkhart Dipl.-Ing. Dr. 8012 Ottobrunn Kuehl; Wolf-Dieter Dipl.-Ing. Dr. 8011 Putzbrunn Schuck
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-03-13
Filing date: 1976-03-13
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE2610645A1; FR2344004B1; CH613775A5; SE7702650L; SE425523B; DE2610645C3; FR2344004A1

Description

d =

"max J max ι "min J min

wobei f_mi„ bzw. f_max die kleinste bzw. größte auftretende Frequenz des dynamischen Anteils der Radlast und v_m/_n bzw. v_max die kleinste bzw. größte im Bereich der Meßstrecke auftretende ÜberFahrgeschwindigkeit der Schienenfahrzeuge ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der hintereinander angeordneten Kraftmeßgeber (1.1, 1.2, ...; 2.1, 2.2, ...) durch den maximal zu

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen, bei dem die auf die Schienen wirkende, aus einem statischen und einem dynamischen Anteil bestehende Radlast mittels an den Schienen angeordneter Kraftmeßgeber gemessen wird und bei dem die Ausgangssignale der Kraftmeßgeber von einer elektronischen Filtereinrichtung in ein, der statischen Radlast entsprechendes Signal umgewandelt werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem bisher bekannten Verfahren dieser Art werden Eisenbahnwaggons zur rationellen, zeitsparenden Radlastbestimmung mit einer Geschwindigkeit von maximal 14 km/h über eine Wägeeinrichtung bewegt (Revue General de Chemins de Fer; Oktober 1975, Seiten 588 bis 597). Bei dieser Wägeeinrichtung wird als Waagbrücke ein separiertes Gleisstück verwendet, das in Form von zwei Balken auf je zwei Kraftmeßdosen mit Dehnungsmeßstreifen aufgelagert ist. Die somit als elektrisches Meßsignal ableitbaren Auflagekräfte enthalten die gesuchte statische Radlast jedoch mit Überlagerung dynamischer Radlastkomponenten. Ursache der in der Regel störenden dynamischen Radlastkomponenten^ind Eigenschwingungen im Bereich von etwa 5 bis 10 Hz der gedämpftelastischen Fahrzeugaufhängung, die beim fahrenden Fahrzeug durch Fahrgeschwindigkeitsänderungen, Gleisinhomogenitäten o.a. angeregt werden. Die Meßsignale lassen sich durch eine elektrische Tiefpaßfilterung von den dynamischen Störkomponenten befreien. Je tiefer die erforderliche Grenzfrequenz des Tiefpasses liegt, desto länger wird jedoch die Einschwingzeit, nach der erst die gesuchte Gleichspannungskomponente des Meßsignals fehlerfrei verfügbar ist. Eine lange Einschwingzeit erfordert mit wachsender Fahrgeschwindigkeit eine zunehmende Länge der Waagbrücke. Da jedoch die Lasten einzelner Achsen gemessen werden sollen, ist die maximale Länge der Waagbrücke auf den kleinsten vorkommenden Achsabstand begrenzt. Mit dem in der oben zitierten Literatur beschriebenen Meßverfahren wird folglich nur eine maximale Überfahrgeschwindigkeit von 14 km/h erreicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen zu entwicklen, welches höhere Überfahrgeschwindigkeiten über die Meßstrecke als bisher erlaubt und mit welchem dennoch der statische Anteil der Radlast mit großer Genauigkeit ermittelt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an mehreren Stellen entlang der Meßstrecke die örtlich wirkende Radlast gemessen wird und die einzelnen Meßimpulse im Takt ihres Entstehens einem Digitalfilter mit Tiefpaßcharakter zugeführt werden.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die als Zeitfunktion durch das Feder-Masse-System der Fahrzeugaufhängung festgelegte Störfrequenz f„ (Schwingungen/Sekunde) der etwa sinusförmigen dynamischen Radlastkomponente infolge der Überfahrgeschwindigkeit ν längs des Gleises zur Funktion des

Ortes wird. Der zeitlichen Störschwingungsperiode T=Y entspricht im Ort die Wellenlänge

A_n = ν ■ T,

zu der die »Ortsfrequenz« V_n = λ — (Schwingungen/

Meter) gehört Diese »Ortsfrequenz« wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetastet und ausgewertet. Im Gegensatz zu der geschwindigkeitsabhängigen »Störortsfrequenz« v„ = — ist der gesuchte

Nutzanteil des Meßsignals als Gleichspannungskomponente unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Die Länge der Meßstrecke wird jetzt nicht mehr wie bisher durch den kleinsten Achsabstand der Schienenfahrzeuge, deren Geschwindigkeit und die Einschwingzeit des elektronischen Filters bestimmt, sondern durch den geschwindigkeitsunabhängigen »Einschwingweg« des zur Störbefreiung eingesetzten »Ortsfrequenz-Tiefpasses« (Digitalfilters); die Überfahrgeschwindigkeit der zu messenden Schienenfahrzeuge wird also prinzipiell durch das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht mehr beschränkt.

Aus der DE-AS 14 49 916 ist eine Wägevorrichtung für fahrende Schienenfahrzeuge bekannt, welche mehrere Lastmeßzellen aufweist, wobei zur Auswertung der Meßsignale ein Tiefpaßfilter vorgesehen ist. Diese Lastmeßzeilen sind jedoch unter einer Lastplattform angeordnet, welche im Gegensatz zur Erfindung zur Gewichtsbestimmung des gesamten Schienenfahrzeuges dient. Aufgrund der beschränkten Plattformlänge (15—20 m) und der Einschwingzeit des Tiefpaßfilters ist auch bei dieser Wägevorrichtung die maximale Überfahrgeschwindigkeit auf einen Wert von ca. 24 km/h beschränkt.

Einen zusätzlichen, entscheidenden Vorteil bringt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zur Messung der statischen Radlast mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Räder, die jedem Rad zugeordneten Meßimpulse der Kraftmeßgeber je einem Digitalfilter im Multiplexbetrieb zugeführt werden.

Ein derartiges Meßverfahren ist dann nicht nur von der Überfahrgeschwindigkeit der Schienenfahrzeuge, sondern auch noch von deren Achsabständen völlig unabhängig.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn an den Meßstellen der Meßstrecke jeweils die lokale, elastische Verformung der Schiene gemessen wird.

Dadurch ist es nicht mehr wie bisher notwendig, einzelne Schienenabschnitte der Meßstrecke zu separieren. Insbesondere die Messung der Verformung des Schienenquerschnitts unter einem überfahrenden Rad ermöglicht selbst bei geringen Kraftmeßgeberabständen eine genaue Messung der Radlast, da eine derartige Verformung der Schiene auf einen engen Bereich um die Auflagestelle des Rades beschränkt ist und deshalb der gegenseitige Einfluß der Räder zweier benachbarter Achsen vernachlässigbar klein wird.

Bei einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung sind Kraftmeßgeber, mit welchen die örtlich wirkende Radlast eines Schienenfahrzeugs meßbar ist, im Abstand voneinander an den Schienen einer Meßstrecke angeordnet und mit mindestens einem im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Meßimpulse betreibbaren Digitalfilter mit TiefDaßcharakter verbunden.

Weiterhin können die Kraftmeßgeber über einen, im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Meßimpulse betreibbaren Multiplexschalter mit mindestens zwei Digitalfiltern verbunden sein.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet sind Kraftmeßgeber, welche einen Dehnungsmeßstreifen, einen damit verbundenen Maximalwertdetektor und einen daran anschließenden Analog-Digital-Wandler aufweisen.

ίο Eine Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei geringstem Aufwand dadurch zu erreichen, daß der größte gegenseitige Abstand c/der Kraftmeßgeber einer Meßstrecke bestimmt ist durch die Beziehung

d =

"min

Jmax t V_1nJ_n ' J_max

wobei fmin bzw. fmax die kleinste bzw. größte auftretende Frequenz des dynamischen Anteils der Radlast und v_m/n bzw. v_max die kleinste bzw. größte im Bereich der Meßstrecke auftretende Überfahrgeschwindigkeit der Schienenfahrzeuge ist.

Dieser größte zulässige Abstand der Kraftmeßgeber

ergibt sich bei Anwendung bekannter Regeln der zeitlichen Abtasttheorie auf die »Abtastortsfrequenz«

Va = -τ aus der Beziehung:

''.·( — \>'n)mnx + {>'n)min

wobei (v„)_max bzw. (v„)_min die höchste bzw. niedrigste auftretende »Störortsfrequenz« ist. Entsprechend der eingangs angegebenen Definition der »Ortsfrequenz«

/ma,

und

(<■„)„„■„ =

»min

J min

Werden die Beziehungen (2) und (3) in (1) eingesetzt, so ergibt sich für den größten zulässigen Abstand c/der Kraftmeßgeber

d =

Jmax

"Γ Jntin

Die Anzahl der hintereinander angeordneten Kraftmeßgeber wird durch den maximal zu erreichenden Einschwingzustand des bzw. der Digitalfilter bestimmt.

Da das Einschwingverhalten jedes Digitalfilters exakt bestimmbar und somit bekannt ist, ist es für die Messung der Radlast nicht unbedingt notwendig, daß der vollständige Einschwingzustand der Digitalfilter erreicht wird. Es genügt, wenn bekannt ist, daß der Einschwingzustand z. B. zu 60% erreicht wurde, falls die während des Einschwingens sich ergebende Verbesserung des Störabstandes ausreicht. Dadurch läßt sich ggf. die Meßstrecke und damit die Zahl der Kraftmeßgeber zusätzlich verkleinern.

Die Durchführung eines erfindungsgemäßen Meßverfahrens sowie eine dazu geeignete Vorrichtung sollen anhand der in den Figuren abgebildeten schematischen Darstellungen näher beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Meßeinrich-

tung zur Messung der statischen Radlast mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Räder,

F i g. 2 den schematischen Aufbau eines Kraftmeßgebers,

Fig.3a den Verlauf der Radlast entlang eines Schienenabschnitts,

F i g. 3b die Sprungantwort der Meßeinrichtung beim Abtasten der Radlast durch die Kraftmeßgeber.

In Fig. 1 ist schematisch eine Meßstrecke O—L dargestellt, entlang der mittels an den Schienen angeordneter Kraftmeßgeber 1.1, 1.2,... bzw. 2.1, 2.2, ... die Radlast der Räder von Achsen 3.1, 3.2, 3.3 gemessen wird. Die Kraftmeßgeber 1.1,1.2,...bzw.2.1, Z2, ... sind mit einem Multiplexschalter 4 verbunden (zur Vereinfachung nur dargestellt für die Kraftmeßgeber 1.1, 1.2, ...). Der Multiplexschalter 4 wird im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Signale gesteuert und führt die von den Kraftmeßgebern kommenden Meßwerte je eines der die Meßstrecke überfahrenden Räder je einem diesem Rad zugeordneten rekursiven Digitalfilter 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 zu. Zum Betrieb der Digitalfilter 5.1 bis 5.4 genügt ein die notwendigen Multiplikationen und Additionen durchführendes Rechenwerk 6, welches den Digitalfiltern jeweils automatisch zugeschaltet wird. Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung erlaubt die Messung der Radlast von maximal vier die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Achsen. Ein der statischen Radlast entsprechendes Signal kann den Digitalfiltern 5.1 bis 5.4 zur weiteren Verarbeitung, z. B. zu Grenzwertüberwachung, Ausdruck oder optischen Anzeige, entnommen werden.

F i g. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftmeßgebers 1. Ein Dehnungsmeßstreifen 7, welcher direkt an einer geeigneten Stelle mit der Schiene verbunden ist, liefert ein der elastischen Verformung des Schienenquerschnitts entsprechendes Meßsignal, wenn ein Rad eines Schienenfahrzeugs die Meßstelle überfährt. Dieses Meßsignal wird einem Maximalwertdetektor 8 zugeführt, welcher den Maximalwert des Meßsignals extrahiert und einem Analog-Digital-Wandler 9 zuführt. Der am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers abnehmbare Impuls ent spricht dem Wert der an der Meßstelle momenta wirksam gewordenen, aus einem dynamischen un< einem statischen Anteil bestehenden Radlast.

Die von den Kraftmeßgebern kommenden, nachein ander von einem Rad ausgehenden Impulse werde entweder direkt oder, wie in F i g. 1 dargestellt, übe einen Multiplexschalter einem rekursiven Digitalfilte mit Tiefpaßcharakter zugeführt. Ein derartiges Digital

ίο filter ist aus der Literatur bekannt (CM. Rader, B.Gold; Digital Processing of Signals, McGraw-Hill, N.Y., 1969) und braucht hier nicht näher beschrieben zu werden. Die Reaktion eines solchen Digitalfilters auf die von einem einzelnen, die Meßstrek· ke überfahrenden Rad ausgelösten Impulse soll in den F i g. 3a und 3b erläutert werden.

F i g. 3a zeigt die aus einem statischen Anteil Rs un< einem dynamischen Anteil R_n bestehende Radlast al: Funktion des Ortes χ entlang eines die Meßstreck

2ii O—L beinhaltenden Schienenabschnitts. Auf der Meß strecke O—L sind äquidistant, mit Abständen d, di Kraftmeßgeber 1.1, 1.2, 1.3, ... verteilt, welche di Ortsfunktion R fx) »abtasten« und entsprechende Wertf an das Digitalfilter abgeben. Hier werden die Werte it

ζί bekannter Weise verarbeitet. Am Ausgang des Digital filters erscheint dann ein mit der Zahl /der verarbeiteter Meßwerte ansteigendes, einen Sättigungswert R anstrebendes Signal M(F i g. 3b). Dieser Sättigungswer entspricht dem Wert der statischen Radlast. Bei dei

so Dimensionierung des digitalen Tiefpaßfilters soll die zu ausreichenden Unterdrückung der dynamischen Stör kräfte bei der niedrigsten auftretenden »Ortsfrequenz< (v.i)min geforderte minimale Sperrdämpfung bei mög liehst großer Bandbreite des Tiefpasses erreicht werden

jj damit sich ein kurzer »Einschwingweg« und ein geringe Anzahl erforderlicher Kraftmeßgeber ergibt.

Es ist einzusehen, daß die Länge der Meßstrecke O—L und damit die Zahl der Kraftmeßgeber be vorgegebenen Abständen d so groß sein sollte, dal zumindest eine Schwingungsperiode der kleinsten zi berücksichtigenden Störfrequenz erfaßt wird, um ein Verfälschung des Meßwertes zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen, bei dem die auf die Schienen wirkende, aus einem statischen und einem dynamischen Anteil bestehende Radlast mittels an den Schienen angeordneter Kraftmeßgeber gemessen wird und bei dem die Ausgangssignale der Kraftmeßgeber von einer elektronischen Filtereinrichtung in ein, der statischen Radlast entsprechendes Signal umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß an mehreren Stellen entlang einer Meßstrecke die örtlich wirkende Radlast gemessen wird und die einzelnen Meßimpulse im Takt ihres Entstehens einem Digitalfilter mit Tief paßcharakter zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der statischen Radlast mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Räder, die jedem Rad zugeordneten Meßimpulse der Kraftmeßgeber je einem Digitalfilter im Multiplexbetrieb zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Meßstellen der Meßstrecke jeweils die lokale, elastische Verformung der Schiene gemessen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftmeßgeber (1.1,1.2,...;2.1, 2.2, ...), mit welchen die örtlich wirkende Radlast eines Schienenfahrzeuges meßbar ist, im Abstand voneinander an den Schienen eine Meßstrecke (Ο—L) angeordnet und mit mindestens einem im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Meßimpulse betreibbaren Digitalfilter (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) mit Tiefpaßcharakter verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßgeberil.l, 1.2,...; 2.1,2.2, ...) über einen, im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Meßimpulse betreibbaren ,Vlultiplexschalter (4) mit mindestens zwei Digitalfiltern (5.1, 5.2,5.3,5.4) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftmeßgeber (II) einen Dehnungsmeßstreifen (7), einen damit verbundenen Maximalwertdetektor (8) und einen daran anschließenden Analog-Digital-Wandler (9) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der größte gegenseitige Abstand rf der Kraftmeßgeber (1.1, 1.2,...; 2.1, 2.2,...) einer Meßstrecke (Ο—L) bestimmt ist durch die Beziehung:

erreichenden Einschwingzustand des bzw.
Digitalfilter (5.1,5.2,5.3,5.4) bestimmt wird.