DE2610645C3

DE2610645C3 - Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2610645C3
Application number: DE19762610645
Authority: DE
Inventors: 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: 1986-02-13
Also published as: SE7702650L; FR2344004A1; DE2610645A1; FR2344004B1; DE2610645B2; SE425523B; CH613775A5

Description

(v„)„

J max

unter Berücksichtigung des Abtasttheorems in festgelegte, jeweils mit Kraftmeßgebern (1.1,1.2,...; 2.1, 2.2,...) versehene Teilmeßstrecken aufgeteilt ist und als Digitalfilter (5.1, 5.2, ...) sogenannte rekursive Digitalfilter verwendet sind, wobei f_m„ die größte auftretende Frequenz des dynamischen Anteils der Radlast und v_m,„ die kleinste im Bereich der Meßstrecke auftretende Überfahrgeschwindigkeit der Schienenfahrzeuge bedeuten.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßgeber (1.1,1.2,...; 2.1, 2.2,...) über einen im Takt der von diesen ausgehenden Ausgangssignale (Meßimpulse) betreibbaren Multiplexschalter (4) mit Digitalfiltern (5.1, 5.2, ...) verbunden sind, deren Anzahl durch die die Meßstrecke (O— L) maximal gleichzeitig überfahrenden Räder vorgegeben ist.

b. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftmeßgeber (1.1, 1.2, ...; 2.1,2.2,...) einen Dehnungsmeßstreifen (7), einen damit verbundenen Maximalwertdetektor (8) und einen daran angeschlossenen Analog-Digital-Wandler (9) aufweist.

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

V · ' V

'min ^rm

max J max ' min J mm

wobei f_mm bzw. /„,„ 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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren werden Eisenbahnwaggons zur rationellen, zeitsparenden Radlastbestimmung mit einer Geschwindigkeit von max. 14 km/h über eine Wägeoinrichtung bewegt (Revue General des Chemins de Fer; Oktober 1975, Seiten 588 bis 597). Bei dieser Wägeeinrichtung wird als Waagbrücke ein separiertes Gleisstück verwendet, das in Form von zwei BaI-ken 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 sind Eigenschwingungen im Bereich von etwa 5 bis 10 Hz der gedämpft-elastischen 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 iüt. Eine lange Einschwingzeit erfordert mit wachsender Fahrgeschwindigkeit eine zunehmende Länge der Waagbrükke. 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.
Aus der US-PS 30 63 635 ist ein Wägesystem für Schienenfahrzeuge bekannt, dem ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entnehmbar ist, bei dem ein Meßsignal aus einem an einer die Schienen tragenden Waagbrücke angeordneten Kraftmeßgeber als kontinuierliche Zeitfunktion gewonnen und anschließend mit Hilfe eines Digitalfilters von einer das Ausgangssignal des Kraftmeßgebers überlagernden Störung, welche beim Auffahren auf die Waagbrücke entsteht, befreit wird. Hierbei wird ein zeitlich fest vorgegebener Ausschnitt des Ausgangssignals, der die geringsten Störungen aufweist, nach erfolgtem Einschwingen der Waagbrücke in zeitlichen Intervallen abgetastet und nach einer Analog-Digital-Wandlung dem Digitalfilter zugeführt. Dabei besteht das Digitalfilter aus einer

nr'ttelwertbildenden digitalen Rechenschaltung. Im Hinblick auf eine Befreiung des statischen Radlastanteils von den oben erwähnten dynamischen Radlajitkomponenten ist eine Mindestdauer des zu verarbeitenden Ausschnittes des Ausgangssignals des Kraftmeßgebers erforderlich, so daß auch hierbei die max. Überfahrgeschwindigkeit durch die begrenzte Waagbrücksnlänge beschränkt wird.

Aus der DE AS 14 49 916 ist eine Wägevorrichtung für fahrende Schienenfahrzeuge bekannt, welche mehrere Kraftmeßgeber aufweist, wobei zur Auswertung der Meßsignale ein Tiefpaßfilter vorgesehen ist Diese Kraftmeßgeber 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 maximize Überfahrgeschwindigkeit auf einen Wert von ca. 24 km/h beschränkt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast bei fahrenden Schienenfahrzeugen und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zu entwickeln, welche höhere Überfahrgeschwindigkeiten über die Meßstrecke als bisher erlauben und mit welchen dennoch der statische Anteil der Radlast mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 oder 4 gelöst. 3η

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen 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

entspricht im Ort die Wellenlänge
A_n= vT,

zu der die »Störortsfrequenz«
1

(Schwingungen/Meter) gehört.

Dieser ortsabhängige Verlauf der Schwingung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetastet und ausgewertet. Im Gegensatz zu der geschwindigkeitsabhängigen »Störortsfrequenz«

sondern durch den »Einschwingweg« des zur Störbefreiung eingesetzten »Ortsfrequenztiefpasses« (Digitalfilters); die Überfahrgeschwindigkeit der zu messenden Schienenfahrzeuge wird also durch das erfindungsgemäße Meßverfahren prinzipiell nicht mehr beschränkt, da die Länge der Meßstreckc der gewünschten, event. aus anderen Gründen als maximal zulässig angesehenen Überfahrgeschwindigkeit problemlos angepaßt werden kann.

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

Ein derartiges Meßverfahren ist dann von den Achsabständen der Schienenfahrzeuge unabhängig.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Kraftmeßgeber jeweils die lokale, elastische Verformung der Schiene messen.

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 einem engen Bereich um die Auflagestelle des Rades beschränkt ist und deshalb der gegenseitige Einfluß der Räder zweier benachbarter Achsen vernachlässigbar klein sind.

Weiterhin können die Kraftmeßgeber über einen, im Takt der von den Kraftmeßgebern ausgehenden Ausgangssignale (Meßimpulse) betreibbaren Multiplexschalter mit Digitalfiltern verbunden sein, deren Anzahl durch die die Meßstrecke maximal gleichzeitig überfahrenden Räder vorgegeben ist.

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.

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

50 max J max "■ ^ min * J min

wobei f_mm bzw. f_m,_x die kleinste bzw. größte auftretende Frequenz des dynamischen Anteils der Radlast und v_m,„ bzw. v_mix 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 »Abtastcrtsfrequenz«

60

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 P.inschwinezeit des elektronischen Filters bestimmt, aus der Beziehung:

Va = (*'n)nux + (V„)„

wobei (Vn)max bzw. (vn)min die höchste bzw. niedrigste auftretende »Störortsfrequenz« ist. Entsprechend der ein-

gangs angegebenen Definition der »Ortsfrequenz« ist

' ^vr;/mu.\

(2)

(3)

d =

J max V max Jmm

10

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

15

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

F i g. 1 den schematischen Aufbau einer Meßeinrichtung zur Messung der statischen Radlast mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Räder,

F i g. 2 den schematischen Aufbau eines Kraftmeßgebers,

F i g. 3a den Verlauf der Radlast entlang einer Meßstrecke,

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

In F i g. 1 ist schematisch eine Meßstrecke Ο—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, 33 gemessen wird. Die Kraftmeßgeber 1.1,1.2,... bzw. 2.1, 2.2,... 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 1.1, 1.2,... ausgehenden Signale gesteuert und führt die von den Kraftmeßgebern kommenden Ausgangssignale je eines der die Meßstrecke überfahrenden Räder je einem diesem Rad zugeordneten rekursiven Digitalfilter 5.1, 5.2, 53, 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 überfahrenden 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 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. Das am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers abnehmbare Ausgangssignal (Meßimpuls) entspricht dem Wert der an dem Kraftmeßgeber 1 momentan wirksam gewordenen, aus einem dynamischen und einem statischen Anteil bestehenden Radlast.

Die von den Kraftmeßgebern 1.1,1.2,...; 2.1, 2.2,... kommenden, nacheinander von einem Rad ausgehenden Ausgangssignale (Meßimpulse) werden entweder direkt oder, wie in F i g. 1 dargestellt, über einen Multiplexschalter 4 jeweils einem rekursiven Digitalfilter mit Tiefpaßcharakter zugeführt. Ein derartiges Digitalfilter ist aus der Literatur bekannt (C. M. 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 Meßstrecke Ο—L überfahrenden Rad erzeugten Ausgangssignale (Meßimpulse) soll in den F i g. 3a und 3b erläutert werden.

F i g. 3a zeigt die aus einem statischen Anteil R_s und einem dynamischen Anteil A_n bestehende Radlast als Funktion des Ortes χ entlang eines die Meßstrecke Ο—L beinhaltenden Schienenabschnitts. Auf der Meßstrecke Ο—L sind äquidistant, mit Abständen d, die Kraftmeßgeber 1.1,1.2,13,... verteilt, welche die Ortsfunktion R (x) »abtasten« und entsprechende Werte an das Digitalfilter abgeben. Hier werden die Werte in bekannter Weise verarbeitet. Am Ausgang des Digitalfilters 5.1; 5.2; 53; 5.4 erscheint dann eine mit der Zahl / der verarbeiteten Meßwerte ansteigendes, einen Sättigungswert Rs anstrebendes Ausgangssignal M (F i g. 3b). Der Sättigungswert Äs entspricht dem Wert der statischen Radlast Bei der Dimensionierung des digitalen Tiefpaßfilters soll die zur ausreichenden Unterdrückung der dynamischen Störkräfte bei der niedrigsten auftretenden »Ortsfrequenz« (v^_mm geforderte minimale Sperrdämpfung bei möglichst großer Bandbreite des Tiefpasses erreicht werden, damit sich ein kurzer »Einschwingweg« und eine geringe Anzahl erforderlicher Kraftmeßgeber ergibt.

Es ist einzusehen, daß die Länge der Meßstrecke Ο—L und damit die Zahl der Kraftmeßgeber bei vorgegebenen Abständen dso groß sein sollte, daß zumindest eine Schwingungsperiode der kleinsten zu berücksichtigenden Störfrequenz erfaßt wird, um eine 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 wirkenden, aus einem statischen und einem dynamischen Anteil bestehenden Radlasten innerhalb einer Meßstrecke mittels an den Schienen angeordneter Kraftmeßgeber gemessen werden und bei dem die Ausgangssignale der Kraftmeßgeber (Meßimpulse) einem Digitalfilter mit Tiefpaßchar akter zur Umwandlung in den statischen Radlasten entsprechende Signale zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die örtlich wirkende Radlast jeweils eines Rades an mehreren, in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Kraftmeßgebern (1.1, 1.2,...; 2.1, 2.2,...) in festgelegten Wegabständen längs der entsprechend unterteilten Meßstrecke (O—L) gemessen wird, die von dem Rad nacheinander an den einzelnen Kraftmeßgebern (1.1,1.2,...; 2.1,2.2,...) erzeugten Ausgangssignale (Meßimpulsfolge) jeweils einem dem betreffenden Rad zugeordneten Digitalfilter zugeführt und die statische Radlast durch den Sättigungswert (Rs) des Ausgangssignals des Digitalfilters (5.1; 5.2; ...) bestimmbar ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der statischen Radlast mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Räder, die jedem Rad zugeordneten Ausgangssignale (Meßimpulse) der Kraftmeßgeber (1.1,1.2,...; 2.1, 2.2, ...) je einem Digitalfilter (5.1, 5.2, ...) im Multiplexbetrieb zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßgeber (1.1,1.2,...; 2.1,2.2,...) jeweils die lokale, elastische Verformung der Schiene messen.

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (O—L) in Abhängigkeit von der maximalen Störortsfrequenz