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Verfahren und Anordnung zum Ermitteln
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der Lage eines Gleises Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln
der Lage eines Gleises durch abschnittweises Vermessen der beiden Schienen relativ
zu einer durch einen Lichtstrahl gegebenen Bezugsachse und eine Anordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens bestehend mindestens aus einer am Anfang eines Meßabschnitts befindlichen
Lichtquelle und einem innerhalb des Meßabschnitts befindlichen Meßempfänger.
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Die durch die räumliche Lage und das Profil beider Schienen beschriebene
reale Lage eines Gleises weicht mehr oder weniger von der idealen Lage - zum Beispiel
einer Geraden, einem Bogen oder übergangsbogen - ab. Das Laufverhalten über das
Gleis fahrender Fahrzeuge und die Beanspruchungen sowohl der Fahrzeuge als auch
des Gleises werden wesentlich von den Abweichungen der realen Lage gegenüber der
idealen Lage des Gleises beeinflußt. Die Kenntnis der Gleislageabweichungen, auch
Gleislageungenauigkeiten genannt, ist eine wesentliche Voraussetzung für eine genaue
Beurteilung der Trag- und Führungseigenschaften des Rad-Schiene-Systems. Dabei ist
auch die Gleislage in Abhängigkeit von auf das Gleis einwirkenden statischen Belastungen
zu berücksichtigen.
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Bei einem bekannten Schienenmeßverfahren wird eine Bezugsachse geschaffen,
die in zwei Punkten eine konstante, definierte Lage im jeweiligen Gleisquerschnitt
einnimmt. Diese Bezugsachse kann durch einen Balken, einen Draht, einen Lichtstrahl
oder ein anderes Hilfsmittel gegeben sein. Relativ zu dieser Bezugsachse wird die
Gleislage nach dem Prinzip der Pfeilhöhenmessung ermittelt. Der wesentliche Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, daß Gleislageungenauigkeiten bestimmter Wellenlängen
nicht erfaßt werden können. Zudem wird die Gleislage nur durch einen Punkt je Schiene
und Meßquerschnitt angegeben, wobei die Lage dieses Punktes auf dem Schienenprofil
nicht eindeutig definiert ist. Das bekannte Verfahren weist außerdem keine hohe
Meßgenauigkeit auf und ist insbesondere für längere Abschnitte nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende
Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Bestimmung der Lage
der Schienen und das Schienenprofil sowie die Neigung der Schienen in Abhängigkeit
vom Weg und in bezug auf ein beliebiges Koordinatensystem mit großer Genauigkeit
auf lange Strecken möglich ist. Dabei soll die Lage der Schienen auch bei einer
beliebigen Belastung der Schienen bestimmt werden können.
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Diese AuLgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bezugsachse
für die Dauer der Messung raumfest ausserhalb des Fahrzeug-Umgrenzungsprofils angeordnet
und im wesentlichen parallel zur Hauptrichtung des Gleises ausgerichtet wird. Mit
dieser Maßnahme ist es möglich,
eine weitere Meßstrecke mit einer
neuen Bezugsachse unabhängig vom Gleis und unabhängig vom Fahrzeug zu errichten
und somit eine beliebig lange Gleisstrecke zu vermessen.
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Damit die Ergebnisse, die aufgrund der Bezugsachsen, die der ersten
folgen, auf die erste umgerechnet werden können, ist nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung vorgesehen, die zu vermessende Strecke in sich überlappende Meßabschnitte
zu unterteilen.
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Um eine sichere Aussage über die Meßergebnisse machen zu können, wird
weiterhin vorgeschlagen, die Richtung-skonstanz des Lichtstrahls durch einen Kontrollempfänger
zu überwachen. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Richtungskonstanz
intermittierend zu überwachen, wobei der Meßempfänger außerhalb der eigentlichen
Messung aus dem Bereich des Lichtstrahls herausgenommen wird, so daß dieser wieder
auf den Kontrollempfänger gelangt.
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Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten
Anordnungen ist die Lichtquelle und ein Kontrollempfänger außerhalb des Fahrzeug-Umgrenzungsprofils
angeordnet, außerdem befindet sich innerhalb des Meßabschnitts eine längs des Gleises
bewegbare Meßanordnung mit einer Schienenprofil-Meßvorrichtung, einem Neigungsaufnehmer
und einem in dem Bereich des Lichtstrahls überführbaren Meßempfänger.
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Weitere zweckmäßige Ausbidungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben. Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher -beschrieben. Es zeigen Fig.
1 die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Meßabschnitten in der Draufsicht, Fig.
2 die in dem Fahrzeug befindliche Meßbalkenanordnung im Querschnitt, Fig. 3a die
Anordnung von Weggebern in der Schienenprofil-Meßeinrichtung zur Erfassung im wesentlichen
waagerechter Profilteile, Fig. 3b die Anordnung von Weggebern in der Schienenprofil-Meßeinrichtung
zur Erfassung im wesentlichen senkrechter Profilteile, Fig. 4 eine Anordnung zum
Aufstellen des Lichtsenders und des Kontrollempfängers und Fig. 5 eine Anordnung
mit einem Meßstrahl und ei nem Kontrollstrahl in einem Meßabschnitt.
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Die zu vermessende Strecke eines, von den beiden Schienen 1 und 2
gebildeten Gleises 3 ist in n Meßabschnitte IAi, i = 1 ,..., n, von denen in Fig.
1 lediglich zwei dargestellt sind, untcrteilt. Jeweils am Anfang eines ießabsahnitts
ist neben dem Gleis 3 eine Lichtquelle 4 auE(Jcstellt. Als von der Lichtquelle 4
erzeugter Lichtstrahl 5 wird vorteilhafterweise ein Laserstrahl verwendet, grundsätzlich
können aber auch andere Lichtarten, wie z.B. Infrarotlicht verwendet werden.
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Durch den Lichtstrahl 5 als Bezugsachse mit der Roordinate x. und
der Erdnormalen mit der Koordinate z. ist 1 1 für den jeweiligen Meßabschnitt MA.
ein Hilfskoordinatensystem xi, Yit zi festgelegt.
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Damit der Lichtstrahl 5 und damit das Hilfskoordinatensystem xi, yi,
z. für die Dauer der Messungen fest im 1 1 Raum bleiben, ist vorgesehen, die Lichtquelle
4 auf einem schweren geodätischen Stativ 6 zu befestigen, das wiederum auf einem
Gestellrahmen 7 ruht, der von drei in den Boden gerammtenProfilen, z.B. Rohren 8,
getragen wird. Um die raumfeste Lage des Lichtstrahls 5 und des Koordinatensystems
xi, y, z. während der Dauer der Messung zu überwachen, ist vorgesehen, am Ende des
jeweiligen Meßabschnitts einen Kontrollempfänger 9 auf zur stellen. Der Kontrollempfänger
wird zweckmäßigerweise in der gleichen Weise aufgestellt, wie es zuvor für die Lichtquelle
4 beschrieben ist.
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Ein mit einer Meßbalkenanordnung 10 versehenes Fahrzeug 11 ist auf
dem Gleis 3 verfahrbar und an jedem beliebigen Meßquerschnitt MQik7 i = 1, ...,
n (i Nummer des Meßabschnitts), k = 1, ..., m feststellbar. Die Meßbalkenanordnung
10 ist mit Hilfe eines an einem Hilfsrahmen 12 des Fahrzeuges 11 angeordneten hydraulischen
Zylinders 13 heb- und senkbar. Zu jeder Seite des Fahrzeugs weist die Meßbalkenanordnung
10 einen Kragarm 14 mit einem Schwenkarm 15 auf. An dem, aus dem Fahrzeug-Umgrenzungsprofil
16 herausschwenkbaren Schwenkarm 15 ist ein Meßempfänger 17 angeordnet. Der Meßempfänger
besteht aus einer zweidimensionalen Fotodiode, die mit Hilfe von einer, mit zwei
senkrecht zueinander angeordneten Verschiebeelementen 18', 18" ausgerüsteten Nachführeinrichtung
18 horizontal und vertikal bewegt werden kann.
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Die Meßbalkenanordnung 10 weist ferner einen Neigungsaufnehmer 19
und zwei Schienenprofil-Meßeinrichtungen 20 auf. Außerdem ist die Meßbalkenanordnung
10 im Abstand der Schienen 2 und 3 an ihrer Unterseite mit ebenen Wälzlagern 21,
sogenannten Rollenschuhen, versehen.
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Die Schienenprofil-Meßeinrichtungen 20 sind mit einem senkrechten
Weggeber 22 ausgerüstet, der über eine 24 Buchse 23 auf einem Führungsprofil bewegbar
und durch einen Zylinder 25 antreibbar ist. Die seitliche Abweichung des Weggebers
22 ist durch einen weiteren waagerechten Weggeber 26 registrierbar. Mit den Weggebern
22 und 26 können die Koordinaten der Lauffläche der Schienen erfaßt werden.
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Die Schienenprofil-Meßeinrichtungen 20 weisen ferner zwei waagerecht
angeordnete Weggeber 27 auf, die durch einen Zylinder 28 höhenverstellbar und an
Gelenkstangen 29 pendelnd aufgehängt sind. Die Kolbenstange des Zylinders 28 ist
mit einem Querbalken 30 verbunden, der über eine Buchse 30' an einem Führungsprofil
31 geführt ist. Die senkrechte Bewegung der Weggeber 27 kann über einen Weggeber
32 ermittelt werden, dessen Tastspitze mit dem Querbalken 30 in Verbindung steht.
Die erwähnten Weggeber 22, 26, 27, 32 sind vorteilhafterweise als induktive Weggeber
ausgebildet. Es ist aber auch möglich, berührungsfrei arbeitende Abtastsysteme zu
verwenden.
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Zur Messung wird die Lichtquelle 4 und der Kontrollempfänger 9 auf
die beschriebene Weise aufgestellt.
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Das Fahrzeug 11 wird an einen beliebigen Meßquerschnitt MQik gefahren
und die Meßbalkenanordnung 10 mit Hilfe des hydraulischen Zylinders 13 auf die Schienen
abgesenkt. Der Schwenkarm 15, der bei Überführungsfahrten in die auf der linken
Seite in Fig. 2 dargestellte Lage eingeschwenkt ist, wird in die in Fig. 2 rechts
dargestellte Lage geschwenkt bzw. befindet sich der letzten Messung in dieser Lage.
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Damit ist auch der Meßempfänger 17 außerhalb des Fahrzeug-Umgrenzungsprofils
16, wobei vorausgesetzt ist, daß die Lage des Lichtstrahls 5 in dem Grobbereich
des Meßempfängers 17 liegt. Die Fotodiode des Meßempfängers 17 registriert mit hoher
Genauigkeit die Abweichung des Schwerpunkts im Querschnitt des Lichtstrahls 5 gegenüber
der Diodenmitte. Die Meßsignale der Fotodiode werden von einer Nachlauf steuerung
derart verarbeitet, daß die Verschiebeelemente 18', 18" der Nachführeinrichtung
18 solange verfahren werden, bis der Lichtschwerpunkt und die Diodenitte zusammenfallen.
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Beim Absenken der Meßbalkenanordnung 10 werden die waagerechten Weggeber
27 der Schienenprofil-Meßeinrichtung 20 über einen (nicht dargestellten) Mechanismus
aus einer geöffneten Stellung in die in Fig. 3b dargestellte Stellung geschwenkt.
Mit dem Zylinder 25 wird der Weggeber 22 bewegt, während der Zylinder 28 die Weggeber
27 bewegt.
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Aus den Wegsignalen der Verschiebeelemente 18', 18" und den-Meßsignalen
der Weggeber 22, 26, 27, 32 und dem Meßsignal des Neigungsaufnehmers 19, der die
Neigung der Meßbalkenanordnung 10 gegen die Erdnormale bestimmt, ist eine vollständige
Bestimmung der Lage der beiden Schienen 1, 2 als auch der Schienenprofile in bezug
auf den Lichtstrahl 5 gegebene Hilfskoordinatensystem möglich.
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Wenn die Meßergebnisse für einen Meßquerschnitt MQik ermittelt worden
sind, wird die Meßbalkenanordnung 10 durch den Zylinder 13 wieder angehoben. Dabei
wird der Meßempfänger 17 aus dem Bereich des Lichtstrahls herausgehoben, so daß
der Lichtstrahl wieder auf den Kontrollempfänger 9fallen kann. Es ist nunmehr möglich,
die raumfeste Lage bzw. die Richtungskonstanz des Lichtstrahls 5 zu überprüfen und
ggf. zu registrieren.
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Zum Messen der Lage der Schienen und der Schienenprofile unter einer
beliebigen Belastung wird die Meßbalkenanordnung nach dem Absenken auf die Schienen
1 und 2 durch den Zylinder 13 mit einer statischen Kraft beaufschlagt. Die Größe
der Kraft kann mit Hilfe der Druckmeßdose 33 gemessen werden. Durch die Wälzlager
21 ist sichergestellt, daß die Schienen 1, 2 nur senkrecht belastet werden und keine
Querkräfte an die Schienenköpfe angreifen.
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Die in den Überlappungsbereichen liegenden Meßquerschnitte MQik werden
zweimal vermessen, und zwar einmal in bezug auf das Koordinatensystem xi, Yit z
und einmal für das Koordinatensystem 5 +1 Yi+1 Zi+1 So
wird bei
dem in Fig. 1 dargestellten Meßquerschnitt MQ1k die Lage der Schienen in bezug auf
das Koordinatensystem x1, y1, Z1 gemessen und an der gleichen Stelle in bezug auf
das Koordinatensystem x2, y2, z2, wobei der Meßquerschnitt dann als M92k, bezeichnet
wird. Durch eine Korrelation der Meßergebnisse der Überlappungsbereiche können dann
alle anderen Meßergebnisse auf ein gemeinsames, über die gesamte Meßstrecke gültiges
Koordinatensystem umgerechnet werden.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Lichtstrahl
in der Lichtquelle 4' in einem Meßstrahl 5' und einem Kontrollstrahl 5" aufgeteilt,
wobei der Kontrollstrahl 5" auf den Kontrollempfänger 9 ausgerichtet wird und der
Meßempfänger 17 in den Bereich des Strahls 5' gebracht wird. Die Strahlen 5' und
5" werden genau parallel zueinander ausgesandt und haben einen derartigen Abstand
voneinander, daß der Kontrollstrahl 5" an dem Meßempfänger 17 vorbei kann. Auf diese
Weise ist es möglich, die raumfeste Lagerung der Lichtquelle 4' kontinuierlich zu
überwachen. Die beiden Strahlen 5 und 5" können näturlich auch vonnzwei getrennten
Lichtquellen ausgesandt werden.