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Anordnung und Verfahren zum Bestimmen des Laufwiderstandes
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von Eisenbahnwaggons ~~~~~~~~~~~ ~ ~ ~~ Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zum Bestimmen des Laufwiderstandes von Eisenbahnwaggons, insbesondere
vor Ablaufbremsen von Richtungsgleisen, durch Geschwindigkeitsmessung an wenigstens
zwei Meßstellen des der Ablaufbremse vorgeschal teten Gleisabschnitts.
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Mit Ablaufbremsen werden die von einem Ablaufberg eines Rangierbahnhofs
ablaufenden Eisenbahnwaggons oder Gruppen von Eisenbahnwaggons soweit abgebremst,
daß sie mit einer bestimmten Geschwindigkeit, z.B höchstens 4 m/s, in die Richtungsgleise
bzw. die diesen zugeordneten Richtungsgleisbremsen einlaufen. Ablaufbremsen werden
in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Laufeigenschaften der ablaufenden Eisenbahnwaggons
gesteuert. Ziel bei üblichen Steuerungen ist es, entweder alle Abläufe mit gleicher
Geschwindigkeit in die Richtungsgleise zu bringen oder für alle Abläufe gleiche
Laufzeiten herbeizuführen und dadurch sicherzustellen, daß sich aufeinanderfolgende
Abläufe mit unterschiedlichen Laufeigenschaften nicht einholen. In jedem Fall werden
sogenannte Gutläufer stärker abgebremst als sogenannte Schlechtläufer Das gilt auch
für Zielbremsungen.
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Zur Steuerung der Ablaufbremse eignet sich insbesondere die Einlaufgeschwindigkeit
in Verbindung mit dem Laufwiderstand des ablaufenden Eisenbahnwaggons, weil insbesondere
der Parameter Laufwiderstand alle Einflüsse vereinigt, die zwischen dem Beginn des
freien Ablaufs und dem Einlauf in die Ablaufbremse eingewirkt haben und weiter auf
den Eisenbahnwaggon einwirken.
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In der Praxis werden die Einlaufgeschwindigkeit und der Laufwiderstand
mit Radargeräten gemessen. Ein den Gleisabschnitt vor der Ablaufbremse erfassendes
Radargerät wird so gesteuert, daß die Geschwindigkeit des ablaufenden Eisenbahnwaggons
an wenigstens zwei hintereinander angeordneten
Meßstellen dieses
Gleisabschnittes gemessen werden kann.
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Aus der Differenz der gemessenen Geschwindigkeiten werden der Laufwiderstand
und die Einlaufgeschwindigkeit ermittelt.
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Geschwindigkeitsmessungen mit Radargeräten können leicht verfälscht
sein, z.B. durch Objekte, die zufällig in den Bereich des Radarstrahls gelangen,
durch ls'itterungseinflüsse und dergleichen. Probleme können sich auch dann ergeben,
wenn bei ungünstiger Anordnung des Radargerätes im Hinblick auf die beiden Meßstellen
des Gleisabschnittes "Überdeckungen" von aufeinanderfolgenden Eisenbahnwaggons möglich
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben,
mit der der Laufwiderstand zuverlässig und fehlerfrei bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Meßstelle aus wenigstens
zwei längs einer Schiene mit Abstand, am Steg der Schiene in Höhe der neutralen
Faser befestigten und orthogonal zur neutralen Faser ausgerichteten Dehnungsmeßstreifen
besteht.
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Zum Messen der Radlasten schnel lfahrender Schienenfahrzeuge ist bereits
vorgeschlagen worden, Dehnungsmeßstreifen in der oben angegebenen Orientierung am
Steg einer Schiene zu befestigen (deutsche Patentanmeldung P 32 26 740.1). Beim
Überlauf eines Rades erhält man ein Meßsignal mit steilen Flanken und einem ausgeprägten
Meßpeak. Werden zwei Dehnungsmeßstreifen im vorgegebenen Abstand an der Schiene
befestigt und zu einer Meßstelle zusammengefaßt, dann kann diese Anordnung zur Bestimmung
der momentanen Geschwindigkeit an dieser Meßstelle eingesetzt werden und bei mehreren
Meßstellen auch zur Bestimmung des Laufwiderstandes eines die Meßstellen überfahrenden
Eisenbahnwaggons. Der Abstand der Dehnungsmeßstreifen jeder Meßstelle kann zwischen
0,5 und 2 Meter betragen. Vorzugsweise sollten die Meßstellen so angeordnet sein,
daß ihre zugeordneten Schienenabschnitte gleiche Bettungszaflen aufweisen. Der Abstand
zweier be-
nachbarter Meßstellen kann zwischen 10 und 20 Meter betragen.
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Ein Verfahren zum Bestimmen des Laufwiderstandes mit einer derartigen
Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Überlauf des ersten Rades eines Eisenbahnwaggons
über eine Meßstelle die Zeit zwischen den Meßpeaks der Meßsignale aufeinanderfolgender
Dehnungsmeßstreifen gemessen wird, daß die gemessene Zeit mit dem Abstand der Dehnungsmeßstreifen
zur Geschwindigkeit des Eisenbahnwaggons an dieser Meßstelle verarbeitet wird und
daß aus der Geschwindigkeitsdifferenz der Geschwindigkeiten an aufeinanderfolgenden
Meßstellen der Laufwiderstand ermittelt wird.
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Wenn die von den Dehnungsmeßstreifen abgegebenen Meßsignale z.B. wegen
ungleicher Bettungszahlen im Bereich der jeweiligen Dehnungsmeßstreifen, ungleiche
Meßpeaks aufweisen, kann es zweckmäßig sein, die beim Überlauf des Rades über eine
Meßstelle entstehenden Meßsignale an einem Schwellenwert zu triggern, die Zeit zwischen
den Meßsignalen der aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen jeweils bei Unter-
oder Überschreitung des Schwellenwertes zu messen und von dieser gemessenen Zeit
die halbe Differenz der gemessenen Zeiten zwischen Über- und Unterschreiten des
Schwellenwertes jedes Meßsignales zu subtrahieren. Damit lassen sich Fehlerquellen
eliminieren, die auf unterschiedliche Höhe oder unterschiedliche Anstiege der Meßsignale
zurückzuführen sind.
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Im übrigen ist es zweckmäßig, die Meßwerte zu digitalisieren und digital
zu verarbeiten. Dann können nämlich auch Zeiten digital mit einem Zähler gemessen
werden und die Geschwindigkeit nach der Formel sA(k+lF i (k + 1) - j (k 1) - j (
k 2
sA(k+1)= eine Maßzahl (mit Berücksichtigung des Abstandes der
Dehnungsmeßstreifen einer Meßstelle) für die Geschwindigkeit ist, i (k) = die Zeit(bei
digitaler Messung die Anzahl der Zählimpulse) zwischen den Meßsignalen zweier Dehnungsmeßstreifen
einer Meßstelle jeweils bei Unter- oder Überschreitung des Schwellenwertes, j (k)
= die Zeit (bei digitaler Messung die Anzahl der Zählimpulse) zwischen Über- und
Unterschreitung des Schwellenwertes eines Meßsignales, k = Index für aufeinanderfolgende
Dehnungsmeßstreifen einer Meßstelle.
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Die der Anzahl i (k) hinzuzufügende Differenz wird zu Null, wenn die
Meßsignale zweier aufeinanderfolgender Dehnungsmeßstreifen gleich ausfallen. Im
übrigen berücksichtigt die Differenz unterschiedliche Meßsignale, so daß die Maßzahl
5A (k) praktisch Zählimpulse zwischen den Mitten zweier aufeinanderfolgender Meßpeaks
angibt. Wird der Abstand der beiden Dehnungsmeßstreifen durch die Maßzahl sA(k)
dividiert, erhält man die Geschwindigkeit des ablaufenden Eisenbahnwaggons im Bereich
dieser Meßstelle.
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Durch Geschwindigkeitsmessungen an wenigstens zwei aufeinanderfolgenden
Meßstellen kann die Geschwindigkeitsänderung des Eisenbahnwaggons auf dem Weg von
einer Meßstelle zur nächsten ermittelt und daraus der Laufwiderstand bestimmt werden.
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Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert; es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung die Seitenansicht
eines Schienenabschnittes mit einem aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen,
Fig.
2 in schematischer Darstellung die Wiedergabe eines typischen Meßsignals, Fig. 3
in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung
des Laufwiderstandes von ablaufenden Eisenbahnwaggons, Fig. 4 in schematischer Darstellung
die Meßsignale zweier aufeinanderfolgender Dehnungsmeßstreifen beim Überlauf eines
Rades, Fig. 5 in schematischer Darstellung einen Ablaufberg mit Ablaufbremse und
anschließenden Richtungsgleisen sowie einer Anordnung zum Bestimmen des Laufwiderstandes.
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In Figur 1 ist eine Schiene 1 mit Schienenkopf 2, Schienensteg 3 und
Schienenfuß 4 dargestellt. Beidseits des Steges 3 der Schiene 1 ist in Höhe der
neutralen Faser 5 jeweils ein temperaturunabhängiger Dehnungsmeßstreifen 6 so befestigt,
daß sich seine HauptwirkungsrichtSng senkrecht zur neutralen Faser 5, d.h. vertikal,
erstreckt. Die Dehnungsmeßstreifen 6 sind im übrigen so befestigt, daß sie bezüglich
ihrer mäanderförmigen Windungen im wesentlichen symmetrisch zur neutralen Faser
5 angeordnet sind.
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Wird die Schiene 1 von einem Rad 7 mit zugeordneter Radlast 8 überlaufen,
dann wird die Schiene 1 im Bereich der Dehnungsmeßstreifen 6, wie auch an anderen
Stellen, beim Überlauf durch das Rad 7 so verformt, wie das in Figur 1 übertrieben
dargestellt ist. Anders ausgedrückt, wird die Schiene 1 und insbesondere ihr Steg
3 in vertikaler Richtung gestaucht. Die dabei auftretenden Dehnungen werden von
den Dehnungsmeßstreifen 6 erfaßt und in Meßsignale umgesetzt.
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Ein typischer Verlauf eines Meßsignals 9 beim Uberlau! ei-
nes
Rades 7 ist in Figur 2 dargestellt. Man erkennt eine von hohfrequenten Störungen
überlagerte Funktion, die nach theoretischen Überlegungen ein Produkt aus einer
Exponentialfunktion und der Summe von Kreisfunktionen ist. Im vorliegenden Zusammenhang
ist lediglich das Maximum dieser Funktion von Interesse.
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Um das Maximum des Meßsignals 9 zuverlässig bestimmen zu können, wird
das Meßsignal 9 zunächst in zwei Signalanteile zerlegt, und zwar in einen konstanten
Signalanteil und einen veränderlichen Signalanteil. Dazu wird mit einer Vorrichtung
gearbeitet, wie sie schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Zunächst wird das von
den Dehnungsmeßstreifen 6 abgegebene Meßsignal einem Meßverstärker 10 zugeführt,
der gegebenenfalls auch die übliche Brückenschaltung für mehrere Dehnungsmeßstreifen
6 enthält. Das verstärkte Meßsignal wird dann in einem Analog-Digital-Umsetzer 11
digitalisiert.
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In den Signalfluß ist ferner ein Trigger 12 geschaltet, der auf einen
vorbestimmten Schwellenwert 13 einstellbar ist.
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Dieser Trigger 12 trennt folglich das Meßsignal in einen konstanten,
durch den Schwellenwert 13 definierten Signalanteil und einen veränderlichen Signalanteil,
der in Figur 2 im strichpunktiert angegebenen Fenster 14 verbleibt.
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Es versteht sich, daß der Trigger 12 auch dem Analog-Digital -Umsetzer
11 vorgeschaltet sein kann, so daß dem Umsetzer lediglich die im Fenster 14 verbleibenden
Signalanteile zugeführt werden. Der Trigger 12 beaufschlagt beim Überschreiten und/oder
Unterschreiten des Schwellenwertes 13 auch einen Zähler 15, dessen Zählimpulse den
jeweils digitalen Meßwerten zugeordnet werden. Zur Verarbeitung der Meßsignale dient
ein Prozessor 16 mit angeschlossenem Speicher 19.
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In Figur 5 ist ein Ablaufberg 20 wiedergegeben, an den ein Gleisabschnitt
21 anschließt, der zu einer Ablaufbremse 22 führt. Hinter der Ablaufbremse 22 beginnt
eine Richtungsgruppe 23 mit mehreren Richtungsgleisen 24. Auf dem Gleis-
abschnitt
21 zwischen Ablaufberg 20 und Ablaufbremse 22 sind in einem Abstand von ca. 15 Metern
zwei Meßstellen 25, 26 angeordnet. Jede Meßstelle 25 bzw. 26 weist zwei in einem
Abstand von ca. 1,20 m angeordnet Dehnungsmeßstreifen 6 auf, deren Meßsignale beim
Überlauf des jeweils ersten Rades eines von dem Ablaufberg 20 ablaufenden Eisenbahnwaggons
vom Prozessor 16 verarbeitet werden.
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In Figur 4 ist der zeitliche Ablauf von zwei Meßsignalen 17, 18 wiedergegeben,
die beim Überlauf des Rades 7 über eine der Meßstellen 25 bzw. 26 entstehen. Dargestellt
ist außerdem der Schwellenwert 13.Daes technisch schwierig ist, die jeweilige Mitte
der von hochfrequenten Störungen überlagerten Meßsignale 17, 18 zu bestimmen, wird
einerseits die Anzahl i (K) der Zählimpulse zwischen zwei Meßpeaks 17, 18 einer
Meßstelle 25 bzw. 26 beim Überlauf eines Rades 7 jeweils bei Unterschreitung des
Schwellenwertes 13 bestimmt sowie darüber hinaus die Anzahl j (k) und j (k+l) der
Zählimpulse zwischen Über- und Unterschreitung des Schwellenwertes 13 an jedem der
Meßpeaks 17, 18.
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Eine Maßzahl 5A (k) für die Geschwindigkeit des die Meßstelle 25 bzw.
26 überfahrenden Eisenbahnwaggons ergibt sich dann nach folgender Formel: sA(k+l)=
i(k+l)- j(k+l) - j(k) 2 wobei k ein Irldex für die Meßsignale 17, 18 aufeinanderfolgender
Dehnungsmeßstreifen 6 ist. Diese Formel berücksichtigt, daß die Meßpeaks 17, 18
unterschiedlich ausgebildet sein können. Jedenfalls kann aus der Maßzahl sA(k) unter
Berücksichtigung des Abstandes der Dehnungsmeßstreifen 6 die Geschwindigkeit des
fahrenden Waggons mit großer Genauigkeit bestimmt werden.
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Im Prozessor 16 wird nicht nur die Geschwindigkeit des Eieenbahnwaggons
an der Meßstelle 25, sondern auch die Geschwindigkeit an der Meßstelle 26 bestimmt.
Die Geschwindigkeit an der Meßstelle 26 ist im allgemeinen kleiner.
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Die Geschwindigkeitsdifferenz ist ein Maß für die Laufeigenschaften
des Wagens und sonstiger Einflüsse. Aus dieser Geschwindigkeitsdifferenz kann der
Laufwiderstand des Eisebahnwaggons und seine Einlaufgeschwindigkeit in die Ablaufbremse
22 bestimmt werden. Die Ablaufbremse wird dann unter Berücksichtigung dieser Eingangswerte
so gesteuert, daß der Eisenbahnwaggon die Ablaufbremse mit einer Geschwindigkeit
verläßt, die ausreicht, ihn in sein zugeordnetes Ri chtungsgl eis 24 zu bringen
oder die für eine bestimmte Laufzeit ausreicht.