DE3724760A1 - Verfahren und anordnung zur messung der rollinie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung von mechanisch-optischen sowie elektronischen Bauteilen für die berührungslose kontinuierliche Messung der von WICKENS defi­ nierten Rollinie während der Fahrt eines Schienenfahrzeuges. Die Anweisung bietet sich insbesondere im Bereich der rechne­ rischen Ermittlung von Fahrzeugkenngrößen auf der Basis rea­ ler Ausgangswerte der Fahrbahn und bei der Gleislagerbeurtei­ lung für konventionelle Bahnen an, wo eine stationäre Auswer­ tung dieser Daten zu zeitaufwendig ist und bisher übliche Ver­ fahren nur begrenzte Informationsmengen liefern können.

Es ist bekannt, daß zur Messung der Rollinie bisher ein auf­ wendiges stationäres Meßverfahren eingesetzt wurde. Der Meß­ ablauf ist in der Dissertation von Strothmann "Horizontale Störfunktion eines Gleises - Messung und Anwendung", TU Braunschweig, Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik, 1977, beschrieben. Von Nachteil ist bei diesem Verfahren neben seiner stationären Anwendung die Notwendigkeit diverser Hilfs­ einrichtungen wie Laser-Richtungsreferenz, eines speziellen Meßradsatzes, die manuelle Handhabung der Gerätetechnik, die maximale Meßlänge von nur etwa 1200 m sowie die Notwendigkeit einer Streckensperrung. Damit scheidet das Verfahren für eine ständige Praxisanwendung bei den Eisenbahnverwaltungen aus. Außerdem kann bei diesem Verfahren nicht die Schienenbelastung durch die Fahrzeuge in die Messung einbezogen werden.

Es ist weiterhin eine Anordnung zur Radstellungsmessung be­ kannt, die auf der Auswertung zweier unabhängiger Wegmessungen mittels IR-Diode und Empfänger basiert (ZEV Glasers Annalen 101 (1977) 8/9, S. 391-394). Da jedoch die Außenseiten von Rad und Schiene angetastet werden, ergeben sich Probleme beim Befahren von Weichen und Kreuzungen. Außerdem ist mit diesem Verfahren keine Erfassung des für die Rollinie erforderlichen Radaufstandspunktes möglich.

Es ist weiterhin bekannt, daß eine Anordnung zur Aufnahme des Rad/Schiene-Berührungsbereichs im Weichenabschnitt entwickelt wurde (ETR 34 (1985) 6, S. 482; VDI-Bericht Nr. 510; Dynamik schneller Bahnsysteme, 1984, S. 261-266).

Mittels Winkelauslegern vor bzw. hinter dem Radsatz werden über Umlenkspiegel die Rad/Schiene-Berührungen auf einen 16 mm- Film aufgezeichnet. Zur Synchronisation von aufgenommenen Da­ ten und Wegstrecke dienen Lichtschranken und Reflexionsfolien am Gleis. Von Nachteil ist die erst anschließende Auswertung des 16 mm-Films durch Digitalisierung. Selbst bei automatischer Umsetzung ist eine on line-Verarbeitung (Rechnereingabe) zur Berechnung der Rollinienkoordinaten nur sehr zeitverzögert möglich. Außerdem wurde das Verfahren vor allem für die kurz­ zeitige Aufnahme der Rad/Schiene-Berührungsgeometrie (Weichen­ durchfahrten) entwickelt, so daß längere Messungen mit wesent­ lich größeren anfallenden Datenmengen die Speicherkapazität des Films überschreiten und die Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter senken würden.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, die es ermöglicht, die von WICKENS definierte Rollinie quasikontinuierlich während der Fahrt des Schienen­ fahrzeuges bei den üblichen Fahrgeschwindigkeiten zu messen und eine sofortige Aussage zu dieser Fahrbahnkenngröße zu er­ halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anord­ nung zur Messung der Rollinie zu schaffen, die es gestattet, die bisher verwendete stationäre Meßmethode zu ersetzen, wobei die Messungen berührungslos durchgeführt, automatisierter Echtzeitbetrieb durch automatisierte Aufnahme- und Verarbei­ tungstechnik ermöglicht und die Gleisbelastung durch die Fahrzeuge einbezogen werden sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch optische Systeme die für die Rollinie erforderlichen Koordi­ naten erfaßt, in elektrische Größen umgewandelt und unter An­ wendung moderner elektronischer Rechentechnik verarbeitet wer­ den. Durch den Einsatz von CCD-Elementen wird dabei sowohl eine hohe Auflösung als auch eine hohe Verarbeitungsgeschwin­ digkeit möglich.

Die Anordnung gliedert sich in die mechanisch-optischen und die elektrischen Komponenten.

Die mechanischen Komponenten nehmen sowohl die optischen Ele­ mente auf, welche die Umlenkung der Lichtwege dienen, vorzugs­ weise Spiegel oder Lichtleitfasern, als auch die lichtwandeln­ den Einrichtungen, vorzugsweise schnelle Fotoelemente oder CCD-Zeilen. Weiterhin tragen die mechanischen Komponenten die erforderlichen Beleuchtungs- und Fokussiereinrichtungen, vor­ zugsweise modulierbare Halogen- bzw. Xenonblitzlampen sowie Prismen- und Linsensysteme.

Die elektrischen Komponenten bestehen aus Modulatoren für die Beleuchtungseinrichtungen, den Fotohalbleitern, vorzugsweise CCD-Elemente, den Auswerteschaltungen und einem Mikrorechner zur Ermittlung der wegabhängigen Koordinate der Rollinie. Die Funktionsweise ist derart, daß durch lichtempfindliche Wand­ lerelemente jeweils Relativkoordinaten (Rad/Schiene-Kontakt­ punkt zu Meßrahmen; Radrückflanke zu Meßrahmen; Fahrkante der Schiene zu Meßrahmen) bestimmt werden, die unter Anwendung schneller Arithmetik (Mikrorechner) mit der tiefpaßgefilterten Gleisrichtung als Referenz verglichen und als wegabhängige Koordinatenpunkte ausgegeben werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Hierbei zeigt Fig. 1 die Gesamtanord­ nung aller Wandlerelemente am Meßradsatz 1 mit den optischen Strahlengängen 7. Der Meßrahmen 2 ist gemäß UIC-Vorschriften in der erforderlichen Mindesthöhe über Schienenoberkante, vorzugsweise an den Achslagergehäusen, befestigt. Es handelt sich beim Meßrahmen um eine extrem steife Leichtbaukonstruk­ tion, vorzugsweise aus Titanlegierungen mit X-Querschnitt. Der Meßrahmen nimmt sämtliche Lichtquellen und -empfänger auf und dient als einheitliches Bezugsnormal aller Messungen. Die am Meßrahmen befestigten Einrichtungen 3 zur Ermittlung der Fahrkante nach DD-WP 2 34 648 sind vorzugsweise über Licht­ leitfasern verbunden, so daß eine Auswertung des Mittelswertes der Helligkeitssprünge und damit der Abstände Meßrahmen- Fahrkante möglich ist. Denkbar ist aber auch die Ausrüstung jedes Aufnahmekopfes mit Wandlerelementen und eine rein elek­ trische Mittelwertberechnung.

Mit dem Entfernungsmeßkopf 5 wird die Relativverschiebung zwi­ schen Radsatz und Meßrahmen bestimmt. Das Funktionsprinzip des Meßkopfes, dargestellt in Fig. 2, ist derart, daß von zwei schräg zueinander angeordneten fokussierten Lichtemitterdioden 12 auf die Spurkranzrückflanke ( Abbildungsebene 9, 10) zwei Lichtpunkte definierten Durchmessers entsprechend den Strahlen­ gängen 14 projiziert werden. Der Abstand der Lichtpunkte ver­ ändert sich, wenn die Austrittsebene 8 der Lichtpunkte ihren Abstand zur Spurkranzrückflanke ändert, proportional. Letztere Abstandsänderung wird somit durch die Lichtpunkte angezeigt und mittels Linsensystem 11 auf fotoelektrische Wandlerelemente 13, vorzugsweise eine CCD-Zeile, übertragen und in elektrische Impulse umgesetzt.

Die Lichtquelle 6 und der Aufnahmekopf 4 dienen der Ermittlung des Kontaktpunktes von Rad und Schiene sowie seiner Entfernung vom Meßrahmen. Dabei zeigt Fig. 3 die Art und Weise der Ab­ tastung der Kontaktzone und die elektrische Wandlung der opti­ schen Information. Die Rad/Schiene-Kontaktzone 17 wird durch einen Lichtstreifen 16, der von der fokussierten Lichtquelle 6 erzeugt wird, beleuchtet. Dieser Lichtstreifen hat einen defi­ nierten Abstand z (20) zur senkrechten Meßrahmenebene 15. Der Kontaktpunkt Rad/Schiene bildet sich als Dunkelzone ab, wäh­ rend die Umgebung heller erscheint. Die Lichtmenge Φ (18) wird von einem Wandlerelement in eine proportionale elektrische Spannung umgesetzt. Deren zeitlicher Verlauf wechselt im Be­ reich der Kontaktzone von H auf L-Potential. Der L-Impuls wird anschließend invertiert und im Verhältnis 1 : 2 geteilt. Die Impulslücke liefert so den Mittenabstand y (19) der Kontakt­ zone zum Ende des Abtastfeldes. Mit diesem variablen Abstand und dem festen Abstand Aufnahmekopf zu Meßrahmenebene ist die Relativkoordinate der Entfernung des Kontaktpunktes zur Meß­ rahmenebene bestimmt.

Die drei Relativkoordinaten liegen als elektrisch analoge Sig­ nale vor und werden mittels einer Schaltung nach Fig. 4 zur wegabhängigen Koordinate der Rollinie verknüpft. Die Schaltung ist bis auf geringe Unterschiede bei der vorzeichenbehafteten Mittelwertbildung symmetrisch für linkes und rechtes Rad aufge­ baut. Sie kann aus diskreten Elementen bestehen oder als Mikro­ rechnerprogrammablauf vorliegen.

Als Referenz dient das analoge Signal der Gleisrichtungsmessung 21, das durch einen Tiefpaß 25 gefiltert wird. Anschließend er­ folgt mit den A/D-Umsetzern 26 eine Digitalisierung der drei Relativkoordinaten und der Richtungsreferenz. Aus den Signalen der Richtungsreferenz und des Abstandes Fahrkante zu Meßrahmen wird mittels Addierer 27 eine neue Summenkoordinate gebildet. Unter Einsatz der Subtrahierschaltung 28 erfolgt die Bildung einer Differenzkoordinate aus den Relativkoordinaten vom Ab­ stand Kontaktpunkt Rad/Schiene zu Meßrahmen und vom Abstand Spurkranzrückflanke zu Meßrahmen. Die Differenzkoordinaten von linker und rechter Seite werden durch Addierer und Teiler 1 : 2 (30) gemittelt, auf der linken Seite durch den Invertierer 29 geleitet und mit den Differenzkoordinaten aus 23 und 24 verknüpft; auf der rechten Seite wird dazu entgegengesetzt die Differenzkoordinate invertiert und mit dem gemittelten Signal verknüpft. Anschließend erfolgt auf linker und rechter Seite gleichermaßen eine Summation der Summenkoordinaten aus 21 und 22 mit den verknüpften Differenzsignalen 23 und 24. Beide nun vorhandenen Summensignale (links und rechts) werden anschlie­ ßend durch Summierer und Teiler 1 : 2 gemittelt. Die Zusammen­ fassung mit der Wegmarke s ergibt dann die wegabhängige Koor­ dinate der Rollinie h _dyn (s).

Das Gesamtsystem wird mit einem variablen Takt getriggert, des­ sen Regelung proportional zur Fahrgeschwindigkeit erfolgt, so daß die Wegmarkenabstände s stets konstant bleiben.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
   1 - Radsatz
   2 - Meßrahmen
   3 - Einrichtung zur Ermittlung der Fahrkante nach DD-WP B 61 K 2 34 648
   4 - Aufnahmekopf
   5 - Entfernungsmeßkopf
   6 - Lichtquelle
   7 - Lichtweg
   8 - Lichtaustrittsebene
   9 - Abbildungsebene bei Minimalentfernung
  10 - Abbildungsebene bei Maximalentfernung
  11 - Linsensystem
  12 - Kleinstlichtquelle mit Fokussiereinrichtung
  13 - Fotoelektrisches Wandlerelement
  14 - Strahlengang
  15 - Meßrahmen senkrecht
  16 - Licht- bzw. Aufnahmefeld
  17 - Kontaktzone Rad/Schiene
  18 - Triggerpegel (optisch)
  19 - Entfernung Mittel Kontaktpunkt zu Ende Aufnahmefeld (variabel)
  20 - Entfernung Ende Aufnahmefeld zu Meßrahmenebene (fest)
  21 - Gleisrichtungssignal (analog)
  22 - Abstandssignal Fahrkante-Meßrahmen
  23 - Abstandssignal Kontaktpunkt Schiene-Meßrahmen
  24 - Abstandssignal Rückflanke Rad-Meßrahmen
  25 - Tiefpaß
  26 - Analog-Digital-Umsetzer
  27 - Addierer
  28 - Subtrahierer
  29 - Inverter
  30 - Teiler 1 : 2
  31 - Verzweigungsstelle

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Rollinie unter Einsatz optischer und elektronischer Bauelemente sowie anschließender Aus­ wertung mittels elektronischer Schaltungen, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils für die rechte und die linke Schiene gleichzeitig mittels lichtempfindlicher Wandlerelemente die Relativkoordinaten Rad/Schiene-Kontaktpunkt zu Meßrahmen, Radrückflanke zu Meßrahmen, Fahrkante der Schiene zu Meß­ rahmen bestimmt, in elektrische Größen umgewandelt, unter Anwendung schneller Arithmetik mit der tiefpaßgefilterten Gleisrichtung als Referenz verglichen und als wegabhängige Koordinatenpunkte ausgegeben werden.

2. Verfahren zur Messung der Rollinie nach Punkt 1., gekenn­ zeichnet dadurch, daß zur Bestimmung der Relativkoordinate Radrückflanke zu Meßrahmen ein spezieller Meßkopf einge­ setzt wird, der den Abstand zweier auf die Radrückflanke projizierter Lichtpunkte mittels Triangulation und an­ schließender lichtelektrischer Wandlung in eine dem Abstand Radrückflanke zu Meßrahmen laufzeitproportionale elektri­ sche Impulsgruppe umformt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet dadurch, daß an dem Meßrahmen (2), der einen Radsatz (1) mit definiertem Laufflächenprofil umgibt, symmetrisch zur Radsatzachse je ein Entfernungsmeßkopf (5), eine an sich bekannte Lösung zur Ermittlung der Fahrkante (3) und eine Lichtquelle (6) bzw. ein Aufnahmekopf (4) angeordnet sind, wobei die Auswertung der elektrischen Signale mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung erfolgt.

4. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß die fokussierte Lichtquelle (6) die Rad/Schiene-Kontaktzone mit einem Lichtstreifen (16) definierter Abmessung und definier­ ten Abstandes (20) zur Meßrahmenebene (15) beleuchtet sowie dem Aufnahmekopf (4), wobei Lichtquelle (6) und Aufnahme­ kopf (4) in einer senkrechten Ebene liegen und zur Schienen­ oberfläche unter einem bestimmten Winkel geneigt sind.

5. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß der Entfernungsmeßkopf (5) aus zwei schräg zueinander angeord­ neten fokussierten Lichtemitterdioden (12) und fotoelek­ trischen Wandlerelementen, vorzugsweise einer CCD-Zeile (13) sowie einer vorgesetzten Linse (12) besteht.

6. Anordnung nach Punkt 3., gekennzeichnet dadurch, daß die der Auswertung dienende Schaltungsanordnung in den Signal­ zweigen der Richtungsfrequenz (21) und der Relativkoordi­ naten (22), (23) und (24) A/D-Umsetzer aufweist, wobei der Zweig der Richtungsfrequenz davor noch einen Tiefpaß (25) enthält, die Zweige (21) und (22) mit einem Addierer (27), die Zweige (23) und (24) über einem Substrahierer (28) zu­ sammengefaßt sind, denen ein weiterer Addierer (27) und ein Teiler 1 : 2 (30) nachgeschaltet sind, sich auf der rechten Seite ein Inverter (29) hinter der Verzweigungs­ stelle (31) und auf der linken Seite ein Inverter (29) nach dem Teiler 1 : 2 (30) befinden, in den Zweigen (23) je­ weils zwei weitere Addierer (27) angeordnet sind, deren Ausgänge auf einen Addierer (27), einen nachfolgenden Tei­ ler 1 : 2 (30) und einen Addierer (27), der die Wegmarken­ verknüpfung realisiert, geschaltet sind, wobei die gesamte Schaltung mit einem zentralen Takt versorgt wird.