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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen der Gleisgeometrie
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Vorrichtungen zum Erfassen der Gleisgeometrie sollen die gleichzeitige
Erfassung der Spurweite, der seitlichen Lage einer jeden Schiene, der Höhenlage
einer jeden Schiene, der Überhöhung und der Verwindung des Gleises ermöglichen.
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Hierzu ist eine Reihe von unterschiedlichen Systemen bekannt.
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Eine Vorrichtung zum Erfassen der Gleisgeometrie gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist aus dem Artikel "Neue Gleismeßverfahren" in 2gZEV-Glas.
Ann. 102 (1978) S.343 f." von 0. Budde und W. Michels bekannt. Bei dieser Vorrichtung
wird ein Gleisfahrzeug verwendet, von dem aus ein Belastungsbalken mit einer definierten
Vorlast auf das Gleis gepreßt wird. Dieser Balken ist mit einem Neigungsmesser zur
Erfassung der Querneigung sowie mit Tastern zur Erfassung der vertikalen und horizontalen
Lage der Schienen ausgerüstet. Die Taster greifen bei jeder Messung das Schienenprofil
in Richtung quer zur Schienenlängsachse ab. An einem mit diesem Balken verbundenen
Kragarm befindet sich eine Einrichtung zur Erfassung der Position eines Laserstrahls
eines Lasers, der neben dem Gleis ortsfest auf einem Stativ aufgebaut ist.
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Um mit dieser schrittweise arbeitenden Vorrichtung noch Wellenlängen
in der Größenordnung von 60 cm (Schwellenabstand) erfassen zu können, ist es erforderlich
auf einer Strecke
von 60 cm Länge etwa 5 Messungen durchzuführen.
Zum Verfahren der Vorrichtung muß jedoch der Belastungsbalken angehoben und zur
anschließenden Messung wieder abgesenkt werden. Dieses schrittweise Vorrücken des
Fahrzeuges ist zeitraubend. Dabei erhöht die Ausbildung der Taster, die jeweils
das Schienenprofil quer zur Fahrtrichtung abtasten, die erforderliche Meßzeit weiter.
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Darüberhinaus ist von Nachteil, daß die Belastung des Gleises mit
dem Belastungsbalken nicht der tatsächlichen Belastung durch die kegeligen Radsätze
eines Schienenfahrzeuges entspricht, die nicht nur eine in Vertikalrichtung wirkende
Kraft, sondern auch eine in Horizontalrichtung wirkende Kraft ausüben.
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Ferner ist es bei der bekannten Vorrichtung nachteilig, daß für jeden
Meßabschnitt eine außerhalb des Gleiskörpers liegende feste Gründung zur Bildung
eines Festpunktes zum Aufsetzen der Lasereinrichtung gebaut und einem geodätischen
Festpunktsystem zugeordnet werden muß. Hierbei können zusätzliche Fehler aufgrund
des "rechnerischen Anschließens" der einzelnen Meßabschnitte auftreten.
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Eine ebenfalls einen Lichtstrahl verwendende Vorrichtung zum Erfassen
der Gleisgeometrie ist aus der DE-AS 22 41 366 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird
der Strahl eines Lichtsenders von einer Ablenkvorrichtung, die in der Ebene von
Tastern angeordnet ist, die die Relativlage des Gleises erfassen, abgelenkt und
die Ablenkung von einem Empfänger registriert, wobei die Ablenkung ein Maß für die
Abweichung der Schiene darstellt. Der Abstand zwischen Lichtsender und Ablenkvorrichtung
bleibt bei dieser bekannten Vorrichtung immer konstant; damit arbeitet diese Vorrichtung
nach einem anderen Prinzip wie die von Budde und Michels vorgeschlagene Vorrichtung:
Die aus der DE-AS 22 41 366 bekannte
Vorrichtung entspricht den
Systemen mit einer wandernden Bezugsbasis, an der Einrichtungen zur Erfassung der
Gleislage angebracht sind, wobei lediglich die Bezugsbasis durch einen Lichtstrahl
ersetzt ist (Wandersehnenmeßverfahren).
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Nachteilig bei dieser aus der DE-AS 22 41 366 bekannten Vorrichtung
ist, daß sie keine Absolutmessung der Gleisgeometrie im eigentlichen Sinne gestattet,
sondern lediglich die Erfassungvvon Abweichungen der Gleislage von einer über das
Gleis verschobenen Bezugsbasis ermöglicht. Diese Bezugsbasis wird jedoch bereits
von Gleislage-Fehlern beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eine Absolutmessung
der Gleisgeometrie gestattende Vorrichtung zu schaffen, mit der größere Gleisabschnitte
schnell und mit realistischer Belastung vermessen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und diese Vorrichtung durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet wird.
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Erfindungsgemäß ist das Meßsystem an einem auf den Schienen fahrenden
Fahrzeug angebracht, dessen Radsatz die Belastungseinrichtung darstellt. Durch die
Belastung mit dem Radsatz eines Fahrzeuges erhält man im Gegensatz zur Belastung
mit einem Belastungsbalken, der an den Auflageflächen Rollenumlaufschuhe trägt und
somit nur Vertikalkräfte in die Schienen einleitet, eine realistische Belastung
des Gleises (Vertikal- und Horizontalkräfte), dessen Geometrieparameter ermittelt
werden sollen.
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Ferner ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß es zur Bestimmung
der
Lage einer Schiene genügt, zwei Sensoren vorzusehen, die zur Bestimmung der Position
der Schiene die Lage eines Punktes an der Schienen-Innenfläche und der Schienen-Oberfläche
relativ zum Fahrzeug ermitteln. Diese im Vergleich zum Ausgangsstand der Technik
einfache Ausbildung der Sensoren erlaubt ein kontinuierliches Verfahren des Fahrzeuges
während der Messung eines Gleisabschnittes, da die Sensoren zur Erfassung der Schienenlage
nicht quer zur Gleisrichtung bewegt werden müssen. Damit gestattet die erfindungsgemäße
Vorrichtung im Gegensatz zu der von Budde und Michels vorgeschlagenen Vorrrichtung
ein kontinuierliches Verschieben des Meßwagens und damit eine schnelle Vermessung
eines Gleisunterabschnittes, d.h. eines Bereichs, für den der Laser ortsfest gehalten
wird.
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Da sich die Laserstrahleinrichtung auf einem Schienenfahrzeug befindet,
das in einer definierten Lage zum Gleis durch einen Handgriff arretiert werden kann,
ist an jedem Ort des Gleises eine zeitweise Gründung" (im geodätischen Sinne) ohne
zusätzliche Maßnahmen möglich. Da damit die Position des Lasers durch die bekannte
Gleisführung vorgegeben ist, können die einzelnen Meßabschnitte nach der Vermessung
eines größeren Gleisabschnittes leicht rechnerisch und ohne nennenswerte Fehler
überlappend "aneinander angesetzt" werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den zusätzlichen Vorteil, daß
aufgrund der kurzen Meßzeiten Instabilitäten des Leitstrahls keine so große Rolle
wie beim Stand der Technik spielen.
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Aufgrund ihrer großen Genauigkeit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Kalibrieren von nach anderen Systemen arbeitenden Gleismeßeinrichtungen eingesetzt
werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 2 befindet sich das Meßsystem auf einem Kleinfahrzeug,
das an oder unter ein üblicherweise verwendetes Fahrzeug, beispielsweise einen Schwerkleinwagen
(SKL), einen Meßtriebwagen, einen Gleisbauzug oder eine Stopf-, Nivellier- und Richtmaschine
angehängt wird. Da die Radsätze des Kleinfahrzeuges praktisch keine Belastung für
die Schienen darstellen, ist es durch Variation des Abstandes Kleinfahrzeug/Zug-
oder Schubfahrzeug, dessen Radsätze die Belastungseinrichtung bilden, möglich, die
Gleisgeometrie mit Belastung (kleiner Abstand Kleinfahrzeug/Zug- oder Schubfahrzeug)
oder ohne Belastung (großer Abstand Kleinfahrzeug/Zug- oder Schubfahrzeug) zu ermitteln
(Anspruch 3).
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Die im Anspruch 4 gekennzeichnete einachsige Ausbildung des Kleinfahrzeugs
hat den Vorteil, daß das Kleinfahrzeug exakt den Gleislagefehlern am Radaufstandspunkt
folgt. Dabei ist es weiter vorteilhaft, gemäß Anspruch 5 das einachsige Kleinfahrzeug
über eine Stange mit einem weiteren Kleinfahrzeug zu verbinden, auf dem die Auswerteelektronik,
die Energieversorgung etc. angeordnet ist. Hierdurch wird nicht nur ein Verkanten
des einachsigen Meßfahrzeuges im Gleis verhindert, sondern auch eine kompakte und
autarke Meßstation geschaffen, die bei Bedarf jederzeit an ein beliebiges Zug- oder
Schubfahrzeug angehängt werden kann, ohne daß das Zug- oder Schubfahrzeug in irgendeiner
Weise modifiziert werden müßte.
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Als Sensoren, die die Position der Schienen relativ zu dem Meßsystem
erfassen, können beliebige Sensoren, beispielsweise optische Sensoren etc. verwendet
werden. Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich jedoch, wenn - wie
im
Anspruch 6 gekennzeichnet - als Sensoren Taster verwendet werden, die berührend
an den Schienen angreifen. Die Taster können dabei in an sich bekannter Weise Weggeber
aufweisen, die z.B. induktive oder kapazitive Aufnehmer sind (Anspruch 7), und die
die Ermittelung der einzelnen Lageparameter relativ zu dem Meßsytem gestatten.
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Die Laserstrahl-Empfangseinrichtung, mit der die Position des Laserstrahls
in der von den Sensoren aufgespannten Ebene ermittelt wird, so daß der Meßwert der
Sensoren auf eine Bezugsgerade bezogen werden kann, kann ebenfalls in beliebiger
Weise aufgebaut sein, z.B. kann eine positionsempfindliche Diode verwendet werden.
Die im Anspruch 8 gekennzeichnete Empfangseinrichtung hat jedoch den Vorteil, daß
mit ihrer Hilfe vergleichsweise große Auslenkungen mit einer kleinen positionsempfindlichen
Diode gemessen werden können.
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Im Anspruch 9 ist als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung die
Verwendung eines Neigungsmessers zur Messung der Neigung des Kleinfahrzeuges gekennzeichnet.
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Zusätzlich kann die Belastung des Gleises auch durch Variieren des
Ballastes auf dem Zug- oder Schubfahrzeug geändert werden (Anspruch 10).
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 den Aufbau von Tastern, die als
Sensoren zur Lagemessung verwendet werden können, und Fig. 3 ein Vektordiagramm
zur Erläuterung des verwendeten
Meßsystems.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die ein zweiachsiges Laserfahrzeug 1 und ein einachsiges Meßfahrzeug 2 aufweist.
Auf dem Laserfahrzeug befindet sich ein horizontal und vertikal justierbarer Laser
3 mit einer entsprechenden Projektionsoptik.
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Das Meßfahrzeug 2 befindet sich in Fig. 1 in unmittelbarer Nähe eines
Fahrzeuges, von dem in Fig. 1 nur ein Rad eines Radsatzes 4 dargestellt ist. Ferner
ist mit dem einachsigen Meßfahrzeug 2 über eine Stange 5 ein Versorgungsfahrzeug
6 verbunden, das die einzelnen elektronischen Baugruppen für die Sensoren, die Auswerteschaltung
etc. und die Energieversorgung trägt. Darüberhinaus ist an dem Versorgungsfahrzeug
6 eine Einrichtung zur Messung des zurückgelegten Weges angebracht.
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Die Koppelung des Meßfahrzeuges 2 mit dem Versorgungsfahrzeug 6 über
die Stange 5 verhindert ein Verkanten des einachsigen Meßfahrzeuges 2 im Gleis.
Durch die Verbindung des Fahrzeugs 2 über die Stange 5 mit dem Fahrzeug 6 wird erreicht,
daß die x-Achse des Körperkoordinatensystems des Meßfahrzeugs 2 hinreichend genau
der Längsachse des Gleises folgt.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das
Meßfahrzeug 2 in unmittelbarer Nähe des Radsatzes 4 eines beliebigen Zug- oder Schubfahrzeuges,
also im Einflußbereich des jeweiligen Radaufstandspunktes 7 mit einer der Achslast
des Zugoder Schubfahrzeuges entsprechenden Auflast. Das Meßfahrzeug 2 kann jedoch
auch einen größeren Abstand von dem Zugfahrzeug mit dem Radsatz 4 haben, so daß
das Meßfahrzeug die Gleisgeometrie im "unbelasteten Zustand" erfaßt.
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Auf dem Meßfahrzeug 2 befindet sich eine Laserstrahl-Empfangseinrichtung
8, die aus einer als Mattscheibe ausgebildeten Referenzfläche 9, einer Linse 10
und einer y-/zpositionsempfindlichen Diode 11 besteht. Aufgrund dieser Ausbildung
gestattet die Laserempfangseinrichtung 8 wie unmittelbar ersichtlich ist - die y-
und z-Position des Laserstrahls 12 des Lasers 3 auf der Referenzfläche 9 direkt
zu messen, wobei die Größe der Referenzfläche 9 sehr viel größer als die lichtempfindliche
Fläche der positionsempfindlichen Diode 11 sein kann.
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Ferner befinden sich an dem Meßfahrzeug 2 ein Neigungsmesser 20 (Fig.2)
sowie ein Satz von Tastern 13, die die Erfassung der Position der Schienen, von
dessen in Fig. 1 lediglich eine Schiene 21 dargestellt ist, relativ zu dem Meßfahrzeug
2 gestatten.
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In Fig. 2 ist ein Taster-Satz 13 für die rechte Schiene 21 im einzelnen
dargestellt. Ein entsprechend spiegelbildlich aufgebauter Taster-Satz ist auch für
die linke Schiene vorgesehen.
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Der Taster-Satz weist einen über eine Verschiebeeinrichtung 14 horizontal
beweglichen Schleifer 15 auf, der die Innenflanke der Schiene 21 im Punkt 16 14mm
unterhalb der Schienenfahrfläche 1 7 berührt. Die seitliche Position dieses Schleifers
15 bezogen auf das Meßfahrzeug 2 wird mit Hilfe eines Weggebers 18 erfaßt. Gleichzeitig
dient der Schleifer 15 aber auch als Führung für den Weggeber 19, der die vertikale
Position der Schienenfahrfläche 1 7 bezogen auf das Meßfahrzeug 2 erfaßt.
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Die Weggeber 18 und 19 können induktive oder kapazitive Wegaufnehmer
sein. Natürlich können auch nach anderen Meßprinzipien
arbeitende
Weggeber verwendet werden. Ferner sind in Fig. 2 ein Neigungsmesser 20, der die
Querneigung des Meßfahrzeugs 2 gegenüber der Horizontalen erfaßt, und die Referenzfläche
8 mit dem "Auftreffpunkt" des Laserstrahls 12 dargestellt.
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Fig. 3 zeigt schematisch in einem Vektorzug, wie die Ausgangssignale
der 4 Weggeber 18 und 19 (zwei für die linke und zwei für die rechte Schiene), die
Signale der Laserstrahl-Empfangseinrichtung 8, des Neigungsmessers 20 sowie die
verschiedenen durch die Geometrie des Meßfahrzeuges 2 fest vorgegebenen Größen verknüpft
werden. Durch einfache mathematische Operationen, die von einer nichtdargestellten
Auswerteschaltung ausgeführt werden, lassen sich die gesuchten Größen Spurweite
s, "Höhenlage links" hl, "Höhenlage rechts" hr, "Seitenlage links" yl, Seitenlage
rechts" yr sowie die Überhöhung ü bestimmen und bezogen auf den jeweiligen Streckenpunkt
in geeigneter Form aufzeichnen.
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Die Auswerteschaltung kann dabei aus einer beliebig aufgebauten Analog-
oder Digitalschaltungd aber auch aus einem Mikro- oder Minicomputer bestehen.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Da der Laserstrahl
12 nur über eine beschränkte Länge (typischerweise ca. 50m) als Bezug ausnutzbar
ist, werden größere Abschnitte unterabschnittsweise vermessen. Das gleiche gilt
für Bögen, in denen der Laserstrahl der Bogenkrümmung nicht folgen kann.
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Innerhalb eines Meß-Unterabschnittes werden das Meß- und Versorgungsfahrzeug
2 bzw. 6 kontinuierlich auf das stehende Laserfahrzeug 1 zu- oder wegbewegt, wobei
mittels der Taster-Sätze 13 eine kontinuierliche Erfassung der Lage der
Schienen
bezogen auf das Meßfahrzeug 2 und mittels des Neigungsmessers 20 eine kontinuierliche
Erfassung der Querneigung des Meßfahrzeuges 2 bezogen auf die Horizontale erfolgt.
Ferner wird gleichzeitig die Position des Laserstrahls (12) auf der Referenzfläche
erfaßt.
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Anschließend wird das Laserfahrzeug 1 um ein bestimmtes Stück, dessen
Länge von der Stabilität des Laserstrahls sowie davon abhängt, ob das zu vermessende
Gleis Kurven etc.
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aufweist, verfahren, und der nächste Unterabschnitt vermessen. Dabei
ist es vorteilhaft, wenn sich die einzelnen Meß-Unterabschnitte überlappen, da hierdurch
ein leichter Anschluß der einzelnen Meß-Unterabschnitte aneinander möglich ist.
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Die vorstehend kurz beschriebene Auswerteschaltung ermittelt dann
aus den gemessenen Daten sowie dem gemessenen zurückgelegten Weg in der in Fig .
3 angegebenen Weise quasikontinuierlich bei digitaler Verarbeitung oder kontinuierlich
bei analoger Verarbeitung die entsprechenden Gleisgeometrieparameter für den zu
vermessenden Unterabschnitt und setzt gegebenfalls die einzelnen Unterabschnitte
zu dem insgesamt zu vermessenden Abschnitt zusammen.
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