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Verfahren zum Verhindern des Gleitens der Räder
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auf den Schienen beim Anfahren oder motorischen Bremsen von Schienenfahrzeugen.
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Bei Schienenfahrzeugen tritt, sowohl beim Fahren als auch beim Bremsen,
beim Abrollen der Treibräder auf den Schienen ein gewisser Schlupf auf. Beim Anfahren
und beim Bremsen nimmt die vom Rad auf die Schiene zu übertragende Kraft erheblich
zu und damit wird auch der Schlupf größer. Es ist seit langem bekannt, daß die Schlupfreibung
in Abhängigkeit von der Schlupfgeschwindigkeit zuerst gegenüber der Haftreibung
ohne Schlupf zunimmt, dann aber nach Überschreiten eines Maximums stark abnimmt.
Die anfängliche Zunahme der Schlupfreibung bis zu einem Maximum tritt allerdings
nur bei gutem Schienzustand auf. Bei nassen Schienen oder bei verschmutzten Schienen,
bei denen die Haftreibung vermindert ist, wird auch dieses Maximum geringer und
tritt unter Umständen praktisch überhaupt nicht mehr auf.
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Sobald nun die Schlupfreibung einen Wert annimmt, der kleiner als
die vom Rad auf die Schiene zu übertragende Kraft ist, nimmt der Schlupf sehr stark
zu und dieser Zustand, bei dem die Haftreibung kleiner ist als die beim Bremsen
oder Anfahren zu über tragende Kraft, wird im folgenden als "Gleiten" bezeichnet,
während unter Schleudern der Zustand verstanden wird, bei welchem sich beim Bremsen
die Räder überhaupt nicht mehr drehen, sondern nur noch auf den Schienen gleiten
oder beim Anfahren sich drehen, ohne sich auf der Schiene vorwärtszubewegen.
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Es sind schon zahlreiche Vorschläge gemacht worden, wie dieses Gleiten
oder Schleudern vermieden werden kann. Um das Gleiten zu vermeiden, ist es notwendig,
die ReibungsverhAltnisse zwischen Rad und Schiene und deren Veränderung zu kennen,
damit schon ehe die Schlupfgeschwindigkeit so groß wird, daß das Gleiten eintritt,
geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, um das Gleiten zu verhindern. So ist
es durch die DT-PS 976 002 bekannt, bei handbedienten Schaltvorrichtungen elektrisch
angetriebener Schienenfahrzeuge mit motorischer Bremsung *Se
die
Zunahme der Schlupfgeschwindigkeit dadurch festzustellen, daß bei zunehmendem Schlupf
eine unterschiedliche Drehzahl der Antriebsmotoren auftritt. Die dadurch bedingte
unterschiedliche Stromabgahe bzw. Stromaufnahme der Motoren betätigt dann eine auf
die Schaltvorrichtung elektromagnetisch wirkende, mechanische Bremse, so daß nicht
auf höhere Bremsstufen weiterqeschaltet werden kann, solange der Schlupf sich nicht
vermindert hat. Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen, bei denen die Motoren von
einem Schaltwerk gesteuert werden, dem die Sollwerte vorgegeben werden, ist es durch
die DT-PS 17 88 136 bekannt, heim Überbremsen, das durch den Spannungsrückgang am
Anker eines Fahrmotors festgestellt wird, das Schaltwerk auf geringere Bremsstufen
zurückzuführen. Dabei wird die Sollwertrückstellung durch elektronische Speicher
bewirkt, die nach vorgegebener Zeit durch selbsttätige Löschung die Rürkstellunq
wied aufheben. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Rückstellung des
Schaltwerks zeitabhängig erfolgt. Wenn der erhöhte Schlupf, der die Gefahr des Gleitens
erkennen läßt, nur durch einen vorübergehenden schlechten Schienenzustand, etwa
weil über eine kurze Strecke die Schienen verschmutzt sind, bedingt ist, so wird
bei dieser bekannten Anordnung die Bremsung unter Umständen zu lange herabgesetzt,
während sich das Fahrzeug schon wieder auf Schienen mit gutem Zustand befindet,
und so der Bremsweg unnötig verlängert. Umgekehrt kann aber bei andauernd schlechtem
Zustand die Zeit, während der die Rückstellung erfolgt, auch zu kurz sein, so daß
der Sollwert mehrmals zurückgestellt und die Rückstellung wieder gelöscht wird.
Auch dadurch kann sich der Bremsweg verlängern.
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Es ist beispielsweise durch die DT-PS 16 63 172 oder die DT-OS 20
39 527 bekannt, wie der Schlupf angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen gemessen
werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verhindern des Gleitens
der Räder auf den Schienen beim Anfahren oder motorischen Bremsen von Schienenfahrzeugen,
bei dem der Schlupfwert
gemessen llnd in Abhangikeit vom Schlupfwert
das Anfahr- b?'4.
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Bremsmoment beeinflußt wird. Gemaß der Erfindung werden dabei drei
Schluprwerte St, S2, S3 vorgeqeben, wobei S2 ein Schlunfwert nahe dem Maximalwert
der Schlupfreibunq, S1 ein Schlupfwert vor Erreichen von S2, und S3 ein Schlupfwert
nach aber schreiten von S2 ist. Bei Eintreten des Schlunfwertes 51 wird der erreichte
Anfahr- bzw. Bremszustand festgehalten. Bei Eintreten des Schlupfwertes S2 wird
beim Bremsen der Motorersten strom auf einen vorgegebenen/Wert herabgesetzt und
qleichzeitiq der Vorgabewert fiir den maximal möglichen Motorstrom vermindert, beim
Anfahren der Motorstrom oder, sofern das Steuersstem dies zuläßt, die Spannungsaussteuerunq
auf einen vorqegebenen ersten Spannungswert herabgesetzt und gleichzeitio der Vorgabewert
für den maximal möglichen Motorstrom vermindert bis der Schlupfwert unter S2 gesunken
ist. Beim Eintreten des Schlunfwertes S3 wird beim Bremsen der Motorstrom auf einen
vorgegebenen zweiten Wert weiter herabgesetzt und gleichzeitig der Vorgabewert für
den maximal möglichen Motorstrom weiter vermindert, beim Anfahren der Motorstrom
oder, sofern das Steuersystem dies zuläßt, die Spannungsaussteuerung auf einen vorgegebenen
zweiten Spannungswert weiter herabgesetzt und gleichzeitig der Vorgabewert für den
maximal möglichen Motorstrom weiter vermindert, bis der Schlupfwert wieder unter
S3 qesunken ist. Die bei Eintreten des Schlupiertes S3 vorgesehenen Vorgänge können
statt durch den qemessenen Schlupfwert S3 oder neben diesem Schlupfwert auch durch
eine Drehzahländerung, die einen bestimmten Wert dt = K überschreitet, ausgelöst
werden. Die Beträge, um die der Motorstrom bzw. die Spannungsaussteuerung herabgesetzt
und der Vorgabewert für den maximal möglichen Motorstrom vermindert werden, sind
keine festen Werte, sondern werden von dem Rechner des Fahr-Brems-Reglers aus den
jeweils vorliegenden Parametern, insbesondere unter Berücksichti gung des jeweiligen
Wagengewichtes, der Geschwindigkeit und der Brems- bzw. Beschleunigungsvorgabe erregchnet.
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Da, wie bereits erwähnt, bei schlechtem Schienenzustand die Schlupfreibung
sehr viel geringer ist und unter Umständen kein
Maximum aufweist
oder ein Maximum bei einem sehr viel größeren Schlupf, entspricht in solchen Fallen
dem orgeqehenen Schlupfwert S2 nicht mehr ein Maximalwert Aer Schlupfreibunq, sondern
bereits ein verminderter inert der Schlupfreibllrln, so daß die tei S2 eingeleitete
Maßnahme, den Motorstrom un eilen bestimmten viert herabzusetzen, nicht mehr ausreicht,
um den Schlupfwert auf einer tragbaren Größe ZU halter, sondern rli eser weiter
zllnimmt. Gerade in solchen Fällen ist es wichtig, daß bei Erreichen des Schlupfr/ertes
S3 zeitunabhängie die weitere Maßnahme getroffen wird, daß der Motorstrom bzw. die
Spannllossaussteuerung weiter herabgesetzt. wird. solange dies im Hinblick nuf den
Schluwert notwendig ist. Die Herabsetzung des Motorstromes dauert nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren nur solanne wie dies zur Vermeidung des Gleitens der Räder erforderlich
ist, d.h. solange der die Herabsetzung bewirkende Schlupfwert gemessen wird. Um
sicher zu sein, daß ohne erneute Gefahr des Gleiten wieder auf ein höheres Anfahr-
bzw. Bremsmoment gegangen werden kann, wird vorteilhaft der jeweils bei Erreichen
oder Überschrejten eines Wertes S2, S3 veranlaßte Zustand erst aufgehoben, wenn
der Schlupfwert auf den nächstniedrigen Vorgabewert gesunken ist. d.h., daß, wenn
der Schlupfwert S3 gemessen wurde, der dadurch bewirkte Schaltzustand erst aufgehoben
wird, wenn der Schlupfwert auf S2 gesunken ist, und daß ebenso, wenn der Schlupfwert
S2 gemessen wurde, der dadurch bewirkte Schaltzustand erst aufgehoben wird, wenn
der gemssene Schlupfwert auf S1 gesunken ist. Zum Unterschied von bekannten Anordnunqen,
bei denen der Schaltzustand für eine bestimmte vorgegebene Zeit geändert wird, wird
dadurch sichergestellt, daß sobald die Messung der Schlupfwerte ergibt, daß keine
Gleitgefahr mehr besteht, auch das Anfahr- bzw. Bremsmoment wieder erhöht wird und
damit die tatsächliche Beschleunigung oder Verzögerung wieder der vorgegebenen Beschleunigung
oder Verzögerung angenähert wird.
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Der wesentliche Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung liegt somit
darin, daß die zur Vermeidung des Gleitens der Räder auf der Schiene eingeleiteten
Schaltmaßnahmen nur solange aufrechterhalten werden, als der gemessene Schlupf so
groß ist, daß ein weiteres Ansteigen ein Gleiten oder sogar ein Schleudern
zur
Folge haben konnte. Beim Bremsen spielt sich der Vorgang dabei folgendermaßen ab:
Wird der Schlupfwert S1 gemessen, so wird der erreichte Bremszustand festgehalten.
d.h. auch wenn der Vorgabewert noch nicht erreicht ist, wird nicht auf höhere Bremsstufen
beschaltet, sondern mit der gleichen Bremsstufe weitergefahren und dieser Zustand
bleibt aufrechterhalten, solange der gemessene Schlupf in der Nähe von S1 liegt.
Sinkt der Schlupf wieder unter Sl, so kann das Bremsschaltwerk wieder, wie heim
normalen Bremsen auf quter Schiene, weiterschalten. Sinkt aber der gemessene Schlupfwert
nicht, sondern steigt er weiter an bis E lm Wert S2, so ist dies ein Zeichen, daß
der bereits erreichte Bremszustand schon eine zu starke Bremsung ZUI: Fol-r nat
und dmit die Gefanr des Gleitens besteht. Es muß also mit der Bremskraft zurückgegangen
werden und zu diesem Zweck wird der Motorstrom herabgesetzt und damit diese Herabsetzung
des Motorstromes nicht durch das Fortschalten des Bremsschaltwerkes wieder aufgehoben
wird, gleichzeitig der Vorgabewert für den maximal möglichen Motorstrom vermindert.
Auch hier bleibt wieder der so erzielte Schaltzustand erhalten, solange der gemessene
Schlupfwert in der Nähe von S2 liegt. Sinkt der Schlupfwert wieder auf S1 oder unter
S1, so kann der Motorstrom wieder auf den durch die Bremsvorgabe vorgeschriebenen
Wert erhöht werden. Zweckmäßig erfolgt diese Erhöhung zur Vermeidung von Stößen
nicht plötzlich, sondern der maximal mögliche Motorstrom wird stufenweise zeitabhängig
wieder erhöht, bis der normale Bremszustand wieder erreicht ist. Entsprechendes
gilt auch bei Eintreten des Schlupfwertes S3. Das Eintreten des Schlupfwertes S3
zeigt aber an, daß die Schiene stark verunreinigt ist und infolge-dessen die Gleitreibung
zwischen Rad und Schiene stark vermindert ist.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann dieser ungünstige Zustand beim Bremsen
dadurch verbessert werden, daß bei Erreichen des Schlupf wertes S3 bzw. bei einer
Drehzahländerung die größer als K ist, kurzzeitig die Schienenbremse betätigt wird.
Dabei genügt eine Betätigung der Schienenbremse von 1 bis 2 Sekunden, wodurch die
Schienenoberfläche angesäubert und damit die Gleitreibung zwischen Rad und Schiene
erhöht und die Räder wieder gefangen werden. Während beim Bremsen die kurze Betätigung
der
Schienenbremse die Bremswirkung verhessert und zur Behebung
des Gleitens beitraqt, ohne daß ein Ruck entsteht, der von den Fahrgästen unangenehm
empfunden wird; empfiehlt sich diese Maßnahme beim Anfahren nicht, da auch ein kurzzeitiges
Einsetzen der Schienenbremse das Anfahren behindern und das Gleiten der Rader fördern
würde und zudem, sofern überhaupt schon eine gewisse Fahrqeschwindigkeit erzielt
ist, als Ruck fühlbar wurde.
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Die sorneqebenen Schlupfwerte S1, S2 und S3 müßten wegen der unterschiedlichen
Bedingungen beim Anfahren und beim Bremsen für Anfahren und für Bremsen unterschiedlich
vorgegeben werden.
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Da jedoch die Unterschiede nur gering sind, genügt es praktisch für
Anfahren und Bremsen die gleichen Schlupfwerte S1, S2 und S3 vorzugeben.
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Die Schlupfwertmessung kann dabei in an sich bekannter Weise dadurch
erfolgen, daß die Winkelgeschwindigkeiten mehrerer Räder gemessen und daraus, unter
Berücksichtigung des Laufkreisumfanges des Rades die Lineargeschwindigkeit des Radumfanqes
ermittelt wird. Die so ermittelten Geschwindigkeiten werden miteinander, d.h. entweder
die Umfangsgeschwindiokeiten der Triebräder mit der Umfangsgeschwindigkeit eines
Laufrades oder die Umfangsqeschwindigkeit der Triebräder untereinander verglichen,
wodurch der Schlupf mit großer Genauigkeit und in jedem Augenblick sofort erfaßt
wird. Die genauen Schlupfwerte S1, S2 und S3 hängen von der Art des Fahrzeuges,
insbesondere vom Fahrzeuggewicht ab und müssen jeweils für ein Fahrzeug festgelegt
werden. Wird neben oder anstelle des Schlupfwertes S3 die Drehzahländerung ddt =
K gemessen, so hat dies den Vorteil, daß das Erreichen des Zustandes, bei dem das
Schleudern bereits einsetzt, mit besonderer Sicherheit erfaßt {rad, wobei die Drehzahländerung
ebenfalls durch Messung der Winkelgeschwindigkeit und die Bildung der ersten Ableitung
des gemessenen Wertes nach der Zeit sofort festgestellt und ausgewertet werden kann.
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Die Verminderung des Motorstromes kann dadurch erfolgen, daß zttels
eines Schützes ein zusätzlicher Widerstand in den Motorstarkstromkreis eingeschaltet
wird. Dies hat gegenüber anderen
bekannten Verfahren oder Anordnungen
zur Verhir)derung des J;e-te-s den Vorteil, daß das Schaltwerk seine durch die Steuertefehle
gegebene Lage beibehalt, wodurch eine erhebliche Zetersparnis erzielt wird gegenüber
Vorrichtungen, bei denen zur Herabsetzunq des Stromes die Schaltwerkswalze um mehrere
Schaltstufen zurückgedreht wird. Bei Gleichstromtriebfahrzeugen mi Gleichstromreihenschlußmotoren
kann die Verminderung des Motorstromes bzw. der Spannung aber auch durch Steuerung
eines Choppers bewirkt werden, wobei die Spannungssteuerung cer toren einer optimalen
Anfahrvorqang erzielen läßt. Bei Vorhandensein eines Asynchronantriebes mit vorgeschaltetem
Wechselrichter bei Gleichstromtriebfahrzeugen kann außer der Motorstrombegrenzung
auch das Verhältnis der Spannung zur Frequenz durch den vorgeschalteten Wechselrichter,
den Kennlinien der Asynchronmotoren entsprechend, beeinflußt werden.
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Durch die gleichzeitige Herabsetzung des Vorgabewertes für den maximal
möglichen Motorstrom wird erreicht, daß die Herabsetzung des Motorstromes nicht
dadurch aufgehoben wird, daß das Schaltwerk der Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsvorqabe
entsprechend, auf eine höhere Fahr- bzw. Bremsstufe weiterschaltet, bei der die
tatsächliche Beschleunigung oder Verzögerung der Vorgabe entspricht, denn diese
Beschleunigung bzw. Verzögerung soll ja nicht erreicht werden, daX die Schlupfmessung
ergeben hat, daß bei dieser Beschleunigung bzw.
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Verzögerung Gleitgefahr besteht.
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Es wurden Versuchsfahrten mit zwei Fahrzeugen durchgeführt, von denen
das eine mit einer Gleitschutzanordnung nach dem Stande der Technik versehen war,
während bei dem anderen der Gleitschutz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen
wurde.
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Die Versuche wurden unter gleichen Bedingungen durchgeführt mit einem
leeren Fahrzeug von 24 t Gewicht. Die Abbremsung erfolgte aus einer Geschwindigkeit
von 50 km/h und einer Sollwertvorgabe Bremsstufe 8. Um bei den Versuchen ungünstige
Bedingungen zu schaffen,wurde, um eine schlechte Schienenbeschaffenheit hervorzurufen,
aus den Sandstreuöffnungen Seifenlösung auf die Schienen gespritzt. Bei Anwendung
des Verfahrens
nach der Erfinduno wurden folgende Schlupfwerte
eingestellt: S1 = 0,65 bis 0,7 m/s S2 = 1,2 bis 1,3 m/s S3 = 3 bis 4 m/s Die Vesuche
ergaben, daß bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung der Bremsweg um etwa
50 X kürzer ist. Die Auswertung gleichzeitia aufgenommener Oszillogramme ergab eine
Verzögerung a = S t = 1,17 m/s a = , = 1,17 mis was einer gesamten Bremskraft von
30,75 KM entspricht.
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Ähnliches. wie für den Bremsvorgang, gilt auch für den Anfahrvorgang,
wobei jedoch aus praktischen Gründen und, da die Zeitersparnis hier keine so große
Rolle spielt, wie heim Bremsen die Verminderung des Motorstroms durch Zurückdrehen
des Schaltwerks, insbesondere der Nockenwalze, erfolgen kann.