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Verfahren zur Bestimmung der Zwangsbremsverzögerung von
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spurgeführten Fahrzeugen und zur Sicherstellung eines ausreichenden
Bremsweges durch ein Zugsicherungssystem Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Bestimmung der Zwangsbremsverzögerung von spurgeführten Fahrzeugen aus Meßwerten
von Bremsprüfungen auf einem Prüfgleis und zur Sicherstellung eines ausreichenden
Bremsweges durch ein die Fahrzeuge überwachendes und die Zwangsbremsung bedarfsweise
veranlassendes Zugsicherungssystem.
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Im Rahmen des Sicherheitsnachweises für den Betrieb einer Bahnanlage
ist darzulegen, auf welche Weise sichergestellt wird, daß die Fahrzeuge beim Auslösen
einer Zwangsbremsung innerhalb eines, durch das überwachende Zugsicherungssystem,
jeweils vorzugebenden Bremsweges zum Stillstand kommen oder auf vorzugebende Zielgeschwindigkeiten
abgebremst werden. Dies ist dann der Fall, wenn die Fahrzeuge eine größere Verzögerung
als die minimale Bremsverzögerung aB min aufweisen und dem Zugsicherungssystem Fahrzeugbremswege
zugrunde gelegt werden, die auf einer um einen Sicherheitsabstand verringerten Bremsverzögerung
aBG beruhen.
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Um sicherzustellen, daß die festgelegten Bremswege der Fahrzeuge bei
Auslösung der Zwangsbremsung nicht berschritten werden, sind von Zeit zu Zeit Bremsprüfungen
anhand von Prüfkennlinien erforderlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diejenigen Maßnahmen anzugeben,
die eine rasche Aussage über die Einhaltung einer bestimmten Mindestbremsverzögerung
der
Fahrzeuge zulassen und welche zu einer Bewertung der tatsächlichen
Bremsverzögerung gegenüber der Mindestbremsverzögerung und der vom Zugsicherungssystem
zugrunde gelegten Bremsverzögerung führen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1. Die Dimensionierung der Bremswege für das Zugsicherungssystem
und der Nachweis, daß diese ausreichen, ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach Anspruch 1 in Patentanspruch 2 angegeben.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in Figur 1 ein Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdiagramm;
aus dem das Bremsverhalten von Fahrzeugen erkennbar ist, und in Figur 2 drei Kurvenzüge,
von denen der erste eine durch das Zugsicherungssystem gegebene Grenz-Kennlinie
zu , der zweite eine durch das minimale Bremsvermögen der Fahrzeuge gegebene Betriebskennlinie
zu und der dritte eine durch den Mittelwert der Bremsverzögerung aller Fahrzeuge
gegebene Regelkennlinie 0 darstellt.
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Das tatsächliche Bremsverhalten von Fahrzeugen bei der Zwangsbremsung
läßt sich am einfachsten und genauesten meßtechnisch ermitteln. Hierzu erhalten
die mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf einem gegebenen Gleis, dem Prüfgleis,
vorrückenden Fahrzeuge unter bestimmten Bedingungen beim Passieren einer beispielsweise
punktförmigen Ubertragungseinrichtung den Zwangsbremsbefehl.
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Der vom Fahrzeug jeweils benötigte Bremsweg bis zum Stillstand wird
festgehalten und später zusammen mit
den Bremswegen anderer Fahrzeuge
ausgewertet.
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Um aus den von den Fahrzeugen zum Abbremsen jeweils benötigten Bremswegen
auf ihre Bremsverzögerung bzw. aus der von einem Zugsicherungssystem vorzugebenden
Bremsstrecke auf die jeweils anzusetzende Bremsverzögerung schließen zu können,
ist es u.a. erforderlich, den zeitlichen Verlauf der Fahrzeugverzögerung zu analysieren,
d.h. zu untersuchen, wie sich die Fahrzeugverzögerung nach dem Auslösen einer Zwangsbremsung
zeitlich verändert. Der Verlauf der Bremsverzögerung über den gesamten Bremsweg
eines Fahrzeuges ist nicht konstant, sondern steigt bekanntlich durch die Tot- und
Füllzeiten der Druckluftbremse erst allmählich an.
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Während in der vorliegenden Erfindung vom oszillographisch ermittelten
tatsächlichen Verzögerungsverlauf des Wagenkastens ausgegangen wird, legen andere
Untersuchungen den Druckverlauf im Bremszylinder bzw. die Kraft am Bremsklotz zugrunde
(vgl. ETR (28) 12- 1979, Seiten 903 bis 908) oder berücksichtigen die Bremsentwicklungszeiten,
ohne auf den Verzögerungsverlauf einzugehen (vgl.
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DE-PS 26 39 950).
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Zur Erläuterung dieses Zusammenhanges wird auf Figur 1 der Zeichnung
Bezug genommen. Die Figur 1 zeigt ein über der Zeit aufgetragenes Geschwindigkeits-
und Beschleunigungsdiagramm wie es im Prinzip für jedes zwangsgebremste Fahrzeug
gilt. Das Diagramm ist zeitlich gesehen in vier Bereiche 1 bis 4 unterteilt, von
denen die vorderen Bereiche die Tot- und Ansprechzeiten der Bremse erfassen. Jedem
Bereich kommt ein Teilbremsweg sF, sT, 5A und 5B zu; alle Teilbereiche. zusammen
bilden den Bremsweg des Fahrzeuges (die Teilbremswege sind in Figur 1 nicht maßstäblich
aufgetragen).
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Das Schaubild der Figur 1 berücksichtigt alle bei einer Zwangsbremsung
fahrzeugseitig zu berücksichtigenden, sich ungünstig auf die Bremsung auswirkenden
Faktoren wie sie unter worst-case Bedingungen gegeben sind. So ist beispielsweise
angenommen, daß sich ein Fahrzeug zu dem Zeitpunkt, zu dem es einen Befehl zur Zwangsbremsung
erhält, in einer Beschleunigungsphase befindet. Diese Annahme gilt nur für die Uberprüfung
des durch das Zugsicherungssystem für den Bremsvorgang zur Verfügung gestellten
Bremsweges, nicht jedoch auch für die Bremsprüfung im Prüfgleis, weil dort im allgemeinen
von einer mindestens nahezu konstanten Einfahrgeschwindigkeit in das Prüfgleis ausgegangen
werden kann. Entsprechendes gilt für ein auf freier Strecke bei der Ermittlung des
verfügbaren Bremsweges berücksichtigtes maximales Gefälle, das im Prüfgleis im allgemeinen
nicht vorhanden ist.
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Es ist angenommen, daß ein mit der Geschwindigkeit '1YO vorrückendes
Fahrzeug zum Zeitpunkt t0 den Befehl zur Zwangsbremsung erhält. Zu diesem Zeitpunkt
befindet sich das Fahrzeug annahmegemäß in einer Beschleunigungsphase; es vergeht
eine endliche Zeitspanne tF vom Empfang des Zwangsbremsbefehles bis zum Abschalten
des Fahrstromes.
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In dieser Zeitspanne hat das Fahrzeug seine Fahrgeschwindigkeit von
T0 auf t1 erhöht. In dem folgenden Bereich 2 (während der Zeitspanne tT ) ist der
Fahrstrom bereits abgeschaltet, aber die Fahrzeugverzögerung noch nicht wirksam.
Das Fahrzeug vermindert in diesem Bereich seine Fahrgeschwindigkeit durch Einwirken
des Bahnwiderstandes geringfügig von iiS auf 1r2 . Im angrenzenden Bereich 3 (während
der Zeitspanne tA ) baut sich die Bremskraft der Bremse nach einer e-Funktion auf,
bis sie zum Zeitpunkt t3 den vollen Wert erreicht hat. Bis dahin ist die Fahrzeuggeschwindigkeit
auf XT3 abgesunken. Im folgenden
Bereich 4 bremst das Fahrzeug mit
der vollen Bremsverzögerung seiner Bremse bis zum Stillstand, der schließlich zum
Zeitpunkt t4 erreicht ist. Die Bremsverzögerung ist u.a. von der Art und vom Zustand
des Bremsbelages abhängig. In der Regel ist die Bremsverzögerung nahezu unabhängig
von der Geschwindigkeit. Unter bestimmten Einflüssen kann die Verzögerung aber auch
einen ansteigenden Verlauf mit abnehmender Geschwindigkeit annehmen.
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Die rechnerische Bestimmung der einzelnen Teilbremswege und Geschwindigkeiten
am Ende eines jeweiligen Bremsbereiches führt zulblgenden Bestimmungsausdrücken:
mit aF = Anfahrtbeschleunigung ai = Beschleunigung durch Gefällearbeit.
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mit aR = Verzögerung durch den Bahnwiderstand.
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mit kA = Konstante für den Endwert der e-Funktion zum Zeitpunkt t3
und T = Zeitkonstante des Verzögerungsanstiegeszum Zeitpunkt t2
mit a3 = Bremsverzögerung nach Erreichen des vollen Bremszylinderdruckes.
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Hat die Bremsverzögerung im Bereich 4 einen ansteigenden Verlauf,
so gilt für 53 4a) 53 = V3 tB - a3 -a 2 m 3 2 sB V3 tB 2 mit m = Steigung der Bremsverzögerung
im Bereich 4 in
Der Gesamtbremsweg s ergibt sich aus der Summe der Teilbremswege 5) s sF + T + sA
+ sB Die tatsächliche Bremsverzögerung eines zum Zeitpunkt der Zwangsbremsauslösung
in der Ebene rollenden Fahrzeugs kann aus den Meßwerten für den Gesamtbremsweg und
seiner Anfangsgeschwindigkeit unter Verwendung der Gleichungen 1)bis 5)ermittelt
werden, wobei die Zeiten tF, tT und tA als Konstanten anzusehen sind. Durch Einsetzen
der Gleichungen für die Einzelwege und Auflösen der Gleichung für den Gesamtbremsweg
nach a3 ergibt sich für die Bremsverzögerung folgender Zusammenhang:
Hierzu sind kO = In 1 1 -kA
k3 = 2k1 - k22 k4 = k1 - k22 k5 = tT + tA Diese Gleichungen gelten für konstante
Bremsverzögerung im Bereich 4. Bei ansteigendem Verlauf der Bremsverzögerung mit
abnehmender Geschwindigkeit ist die Gleichung 4a) zu berücksichtigen.
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Die Verzögerung durch den Bahnwiderstand während der Rollphase wird
aus dem spezifischen Bahnwiderstand ermittelt 7) aR = w3 wobei w3 der spezifische
Bahnwiderstand und g die Erdbeschleunigung sind. Der spezifische Bahnwiderstand
ist von der Wagenbauart abhängig und kann einem Kennlinienblatt entnommen werden.
Die Beschleunigung durch Gefällearbeit errechnet sich zu
8) ai
= x 1000 wobei das Gefälle x in ö einzusetzen ist.
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Um nun die kleinste betrieblich vorkommende Bremsverzögerung zu bestimmen,
ist es erforderlich, für eine statistisch ausreichende Anzahl von Fahrzeugen die
bei Zwangsbremsung von ihnen benötigten Bremswege s zu erfassen und hieraus die
tatsächliche Bremsverzögerung a3 dieser Fahrzeuge zu errechnen. Aus der Vielzahl
der errechneten Werte wird dann der Mittelwert a3 und die minimale Verzögerung aB
min ermittelt. Unter Zugrundelegung einer statistischen Sicherheit von P = 99,5
% (gemäß DIN 1319, Blatt 3) ergibt sich 9) aB min = EB - 2,575 Es wobei EB der Mittelwert
aller aus den tatsächlich beanspruchten Bremswegen errechneten Bremsverzögerungen
und 5 s die Standardabweichung der Stichprobe von diesem Mittelwert ist.
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Die so ermittelte Verzögerung a3 min wird von allen Fahrzeugen mit
einer Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,5 % nicht unterschritten. Fahrzeuge, die den
durch a3 min gekennzeichneten Wert doch unterschreiten, sind wartungsbedürftig und
in geeigneter Weise zu kennzeichnen.
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Um nun feststellen zu können, ob die Bremseinrichtungen eines Fahrzeugs
wartungsbedürftig sind oder nicht, ist durch Bremsprüfungen festzustellen, ob der
jeweilige Zwangsbremsweg eines Fahrzeugs unterhalb oder oberhalb
des
durch a3 min bestimmten maximalen Bremsweges liegt oder nicht. Da nicht sichergestellt
ist, daß die Fahrzeuge bei der Bremsprüfung immer mit der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit
in die Prüfstrecke einlaufen, sind rechnerisch für die verschiedenen Einlaufgeschwindigkeiten
Kennlinien festzulegen, die auf der Grenzverzögerung a3 (Grenzkennlinie zu ), auf
der minimalen Bremsverzögerung a3 min (BetriebSkennline 2 ) und auf dem Mittelwert
der Bremsverzögerung EB (Regelkennlinie zu ) basieren.
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Der prinzipielle Verlauf der Kennlinien ist in Figur 2 dargestellt.
Er gibt für die verschiedenen Einfahrgeschwindigkeiten VO die jeweils zugehörigen
maximalen Bremswege Smarx an. Die oberhalb und unterhalb des Kurvenzuges dargestellten
Kreuze symbolisieren Meßwerte. Die unteren vier Meßwerte geben an, daß für die beobachteten
Fahrzeuge unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Einfahrgeschwindigkeit Bremswege
gemessen wurden, die unterhalb der jeweils zulässigen maximalen Bremswege liegen
und annähernd dem mittleren Bremsvermögen aller Fahrzeuge der Regelkennlinie C3
, entsprechen; die Bremsanlagen der betreffenden Fahrzeuge arbeiten damit ordnungsgerecht.
Der oberhalb der Kennlinie zu dargestellte Meßwert besagt, daß der von diesem Fahrzeug
benötigte Bremsweg, aus welchen Gründen auch immer, länger ist, als der zulässige
Bremsweg Smarx.
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Die Bremsanlagen dieses Fahrzeuges sind wartungsbedürftig.
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Bei der Dimensionierung eines Zugsicherungssystems sowie beim Betrieb
einer derartigen Anlage ist für den Sicherheitsnachweis darzulegen, daß das die
Fahrzeuge überwachende Zugsicherungssystem für den Fall der
Ausgabe
einer Zwangsbremsung auch stets einen Bremsweg zur Verfügung stellt, der lang genug
ist, um einen Zug vor einem Gefahrenpunkt zum Halten zu bringen. Die vom Zugsicherungssystem
für die Zwangsbremsung zur Verfügung zu stellende Wegstrecke muß länger sein als
der statistisch gesicherte maximale Bremsweg der Fahrzeuge, weil in diesen Bremsweg
Größen einzubeziehen sind, die für den Prüfbetrieb und das Prüfgleis selbst nicht
relevant sind. Diese Größen berücksichtigen einerseits den Einfluß von Gefälleneigungen,
die naturgemäß zu einer Verlängerung des Bremsweges führen1 sowie Meßfehler der
Wegmeß- und Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen, die einen zu langen Bremsweg oder
eine zu geringe Geschwindigkeit vortäuschen können und damit Zuschläge zu einem
aus einer bestimmten Bremsverzögerung errechenbaren Bremsweg verlangen; diese Zuschläge
berücksichtigen darüber hinaus die Tatsache, daß die Zwangsbremsauslösung nicht
zu jedem beliebigen Zeitpunkt, sondern nur in dem zeitlichen Raster möglich ist,
in dem die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung Geschwindigkeitswerte zur Verfügung stellt.
Zudem gehen in die Ermittelung von Wegzuschlägen weitere durch das Abfallverhalten
von Schaltmitteln zur Ausgabe der Zwangsbremse an das Fahrzuzug bedingte Schaltzeiten
ein. Weitere den tatsächlichen Bremsweg gegenüber dem aus einer Bremsverzögerung
errechneten Bremsweg verlängernde Größen sind dadurch bedingt, daß die bei einem
linienförmigen Zugsicherungssystem an die Fahrzeuge abzusetzenden Telegramme ebenfalls
in einem gewissen zeitlichen Abstand gesendet werden. Der Ausfall eines Telegrammes
kann von einem Fahrzeug daher frühestens nach Ablauf der Telegrammfolgezeit festgestellt
werden. Da aber nicht jedes unvollständige oder gestörte Informationstelegramm sofort
zu einer Zwangsbremsung führen soll, ist der Ausfall mindestens eines Telegramms
vom System her zuge-
-lassen. Erst wenn nach Ablauf einer mehrfachen
Telegrammfolgezeit und der für eine ein- oder mehrmalige Telegrammübertragung erforderlichen
Zeitspanne kein gültiges Telegramm erkannt wird, soll betriebsmäßig eine Zwangsbremsung
ausgegeben werden. Diese Zeitspanne für einen zulässigen informationslosen Zustand
vergrößert den in den Grenzbremsweg einzuschließenden Wegzuschlag ebenfalls. Weitere
Zuschläge sind abhängig vom jeweils verwendeten Zugsicherungssystem denkbar.
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Abhängig von einer als möglich anzusehenden Störung sind die bei der
betreffenden Störung jeweils in Frage kommenden Wegzuschläge aufzulisten und hieraus
der größtmögliche Wegzuschlag und die an diesen Orten erreichten Geschwindigkeiten
zu bestimmen. Dieser Wegzuschlag ist zu dem vom Fahrzeug auf der Verzögerung a3G
basierenden Bremsweg zu addieren und vom Zugsicherungssystem zur Verfügung zu stellen.
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In diese Rechnung sind die ungünstigste Streckenführung, d.h. Gleise
mit Gefälle und Gefälleänderung einzubeziehen.
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Reichensdie vom Zugsicherungssystem zur Verfügung gestellten Bremswege
nicht aus, so müssen diese, wenn möglich, vergrößert werden oder, wenn dies nicht
möglich ist, z.B. bei bereits fertiggestellten Systemen, die Anforderungen an die
Bremseinrichtungen der Fahrzeuge zur Erzielung kürzerer Bremswege erhöht werden.
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Der Sicherheitsabstand zwischen minimaler Bremsverzögerung a3 min
und der Grenzverzögerung aBG soll eventuelle Verschlechterungen der Bremsanlagen
zwischen den in regelmäßigen zeitlichen Abständen vorzunehmenden Bremsprüfungen
berücksichtigen. Dabei ist davon auszugehen,
daß die Bremswege
der Grenzkennlinie in keinem Falle überschritten werden.
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Die auf die Belange des Prüfgleises abgestimmten, sich für verschiedene
Einfahrgeschwindigkeiten ergebenden Grenzbremswege sGrenz lassen sich rechnerisch
unter Ansatz der Gleichungen 1)bis 5)bestimmen, wobei die für die Bereiche 1 bis
3 (Figur 1) anzusetzende Verzugs-bzw. Totzeiten die gleichen sind, wie die Zeiten,
die bei der Ermittlung der Bremsverzögerung a3 berücksichtigt wurden. In Gleichung
4)ist die zuvor ermittelte/ vom Zugsicherungssystem berücksichtigte Grenzbremsverzögerung
aBG einzusetzen.
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Die graphische Darstellung dieser Zusammenhänge ist in Figur 2 durch
die Kennlinie veranschaulicht. Die Kennlinie , die für unterschiedliche Einfahrgeschwindigkeiten
die zugehörigen maximal zulässigen Bremswege angibt, liegt unterhalb der Schaulinie
zu .
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Dies ist Voraussetzung für die Inbetriebnahme des Zugsicherungssystems.
Eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung des Bremsvermögens besteht durch die Kennlinie
die , dieim Mittel von allen Fahrzeugen erreicht wird.
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Durch Eintragen der für die jeweiligen Einfahrgeschwindigkeiten benötigten
Bremswege in das Schaubild nach Figur 2 läßt sich unschwer erkennen, wie gut oder
wie schlecht sich die Bremseinrichtungen eins Fahrzeuges bei der Zwangsbremsung
verhalten haben. Aus der graphischen Darstellung der jeweiligen Meßergebnisse läßt
sich nicht nur ableiten, ob die Bremseinrichtungen eines Fahrzeugs wartungsbedürftig
sind oder nicht, sondern es läßt sich auch ablesen, welches Fahrzeug besonders wartungsbedürftig
ist und welches noch bedingt einsatzfähig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren gibt
damit
den Betreibern von Bahnanlagen ein außerordentlich wirksames Mittel zur vorbeugenden
Wartung seines Fahrzeugparkes in die Hand.
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2 Patentansprüche 2 Figuren