DE4131892C2

DE4131892C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Anfahrbeschleunigung und/oder der Bremsverzögerung von Nahverkehrszügen elektrischer Bahnen

Info

Publication number: DE4131892C2
Application number: DE19914131892
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Behmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-25
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-09-26
Also published as: DE4131892A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 37 37 633 A1).

Nahverkehrszüge elektrischer Rad/Schiene-Bahnen, insbesondere City-Bahnen, S-Bahnen, U-Bahnen, Hochbahnen, Stadtbahnen und Straßenbahnen, müssen, um kurze Fahrzeiten zu erreichen, mit relativ hohen Beschleunigungen anfahren und mit relativ hohen Verzögerungen bremsen. Dies muß, um den Fahrplan zuverlässig einzuhalten, mit möglichst geringem Schleuder- und Gleitrisiko geschehen.

Es ist bekannt, beispielsweise aus VÖV-Empfehlung 6.030.1 Ausgabe April 1990 Anlage 3 und aus DE 37 37 633 A1, insbesondere Fig. 2 und 3, daß das Anfahrdrehmoment der elektrischen Antriebsmotoren solcher Bahnen, dem die Treibradumfangskraft näherungsweise proportional ist, und daraus resultierend näherungsweise die Anfahrbeschleunigung in der Ebene so gesteuert oder geregelt wird, daß diese Größen von niedriger Geschwindigkeit kurz nach dem Stillstand bis zu einer mittleren Geschwindigkeit konstant sind und ab dieser Geschwindigkeit bis zur Höchstgeschwindigkeit abnehmen, und zwar bei modernen Antriebsausrüstungen umgekehrt proportional mit der Geschwindigkeit, wie beispielsweise in DE 37 37 633 A1 Fig. 2 zu sehen, und daß die Bremsverzögerung solcher Bahnen mindestens von mittlerer Geschwindigkeit bis zu niedriger Geschwindigkeit kurz vor dem Stillstand näherungsweise konstant gesteuert oder geregelt wird.

Es ist ferner bekannt, daß der Anteil der angetriebenen Radsätze (Treibradsätze) bei solchen Bahnen und Zügen relativ hoch, unter Umständen bis zu 100% aller Radsätze sein muß, damit der Kraftschluß zwischen Rad und Schiene nicht zu hoch beansprucht wird, das Schleuder- und Gleitrisiko insbesondere bei ungünstigen Kraftschlußverhältnissen also möglichst niedrig gehalten wird. Dabei ist streng genommen nicht der zahlenmäßige Anteil der Treibradsätze, sondern der Anteil der auf diesen lastenden Gewichtskraft des Zuges maßgebend, der mit zunehmender Konzentration der Antriebsausrüstungen überproportional steigt. So lasten beispielsweise bei den Zügen der Metropolitano Lissabon mit 2/3-Antrieb 76% ihrer gesamten Gewichtskraft auf den Treibradsätzen (Siemens Druckschrift VT 52.92/17 106950) und bei den Zügen Baureihe 485 der S-Bahn Berlin mit 1/2-Antrieb 58%, bei 1/3-Antrieb etwa 50% und bei 1/4-Antrieb ca. 40%.

Es ist schließlich bekannt, daß bei feuchten, nassen, schmierigen oder schlüpfrigen Schienen die Kraftschlußbeiwerte bei niedrigen Geschwindigkeiten kurz nach dem Stillstand deutlich höher sind als bei mittleren Geschwindigkeiten (Weber, H. H.: Untersuchungen und Erkenntnisse über das Adhäsionsverhalten elektrischer Lokomotiven. In: Elektrische Bahnen 37 (1966), H. 8, S. 181-190, und H. 9, S. 209-214, insbesondere Bilder 18, 19 und 20; Kraft, K.: Die Haftreibung. In: Elektrische Bahnen 39 (1968), H. 6, S. 142-150, H. 7, S. 161-170, H. 8, S. 190-198 und H. 9, S. 214-219, insbesondere Bilder 22, 23, 26, 29 und 30; Fiehn, H., Weinhardt, M., Zeevenhoven, N.: Drehstromversuchsfahrzeug der Niederländischen Eisenbahnen - Adhäsionsmessungen -. In: Elektrische Bahnen 77 (1979), H. 12, S. 329-338, insbesondere Bild 14). Beim Beschleunigen mit konstanter Treibradumfangskraft liegt somit der kritische Punkt der Kraftschlußbeanspruchung bei derjenigen mittleren Geschwindigkeit, bei der die konstante Beschleunigung in die abnehmende übergeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei solchen Bahnen und Zügen den Kraftschluß im Bereich niedriger Geschwindigkeit kurz nach dem Stillstand bis zu der mittleren Geschwindigkeit optimal auszunutzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sollwert der Anfahrbeschleunigung und/oder der der Bremsverzögerung oder als Näherungsgröße dafür der Sollwert des Drehmoments der elektrischen Antriebsmotoren nach einer geschwindigkeitsabhängigen unteren Hüllkurve des Streubereichs ungünstiger Rad/ Schiene-Kraftschlußbeiwerte f(v) geregelt werden/wird, für die gilt df(v)/dv<0.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird in einem Sollwertvorgabegerät eine dem Verlauf dieser Kraftschlußbeiwerthüllkurve entsprechende Funktion gespeichert. Dem Gerät werden als Eingabe Meßwerte der Fahrgeschwindigkeit zugeführt, und es erzeugt als Ausgabe an ein Fahr- und/oder Bremssteuergerät den geschwindigkeitsabhängigen Sollwert für die Anfahrbeschleunigung und/oder die Bremsverzögerung oder für das Motordrehmoment.

Die Sollwertvorgabe als Funktion der Geschwindigkeit wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung in die Fahr- und/oder Bremssteuerung und -regelung integriert.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß bei einer solchen Drehmoment-, das heißt Beschleunigungs- und/oder Verzögerungscharakteristik bei gleichen Kraftschlußverhältnissen ein niedrigerer Gewichtkraftanteil auf Treibradsätzen benötigt wird, also ein geringerer Anteil an Treibradsätzen, was erhebliche Einsparungen an Investitionen und deren Kapitalkosten sowie auch an Betriebskosten in Form von Energieverbrauch und Instandhaltung solcher Züge bewirkt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Maximum der beim Beschleunigen aus dem Fahrleitungsnetz entnommenen Leistung und/oder das Maximum der beim Verzögern in das Fahrleitungsnetz zurückgespeisten Leistung eine kürzere Zeit lang auftritt oder auftreten, wodurch entweder geringere elektrische Verluste, also wiederum niedrigere Betriebskosten entstehen, oder daß die elektrischen Betriebsmittel für etwas geringere thermische Belastbarkeit dimensioniert werden können, was wiederum die Investitionen vermindert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert. Fig. 1 zeigt die Ergebnisse der oben erwähnten Kraftschlußmessungen der Niederländischen Eisenbahnen aus dem Jahre 1978, und zwar nur für nasse Schienen. Darin ist zusätzlich die untere Hüllkurve des Streubereichs dieser Kraftschlußbeiwerte bis zum mittleren Geschwindigkeitsbereich durch eine Näherungsfunktion f(v) = f₀ · (1+v/v₀)^-1/n mit f₀ = 0,175, v₀ = 10 km/h und n = 3 dargestellt. Zahlreiche andere Kombinationen von Koeffizienten und Exponent sowie auch unstetige Funktionen sind denkbar. In Fig. 2 sind eine Beschleunigungscharakteristik (2) gemäß dieser Näherungsfunktion und demgegenüber eine anfänglich konstante und dann abnehmende Beschleunigung (1) wie beispielsweise in OS DE 37 37 633 A1 Fig. 2 dargestellt. In den Bezeichnungen bedeuten g = 9,81 m/s² und γ_1;2 die jeweils erforderlichen Gewichtskraftanteile auf Treibradsätzen. Die Charakteristik (2) ist rechnerisch exakt so in ihrer Lage zur Charakteristik (1) bestimmt, daß sie genau die gleiche Fahrzeit bis zur Höchstgeschwindigkeit ergibt wie jene. Dann ist in diesem Ausführungsbeispiel γ₂ : γ₁ = 0,79, was bedeutet, daß sich der zahlenmäßige Anteil der Treibradsätze eines nach Charakteristik (2) beschleunigenden Zuges gegenüber einem nach Charakteristik (1) beschleunigenden um eine Stufe verringern läßt, also beispielsweise von 1/1 auf 2/3 oder von 2/3 auf 1/2, wenn alle sonstigen Parameter und Bedingungen gleich sind. Das gleiche gilt für Verzögerung nach diesen Charakteristiken.

In Fig. 3 ist das Schema eines Sollwertvorgabegerätes (3) dargestellt, in dem eine Kraftschlußbeiwert/ Geschwindigkeits-Funktion (4) speicherprogrammierbar ist. Diesem Gerät wird eine Meßgröße für die Fahrgeschwindigkeit (5) eingegeben, entsprechend der es anhand der gespeicherten Funktion (4) eine elektrische Größe für Sollwerte (6) bildet und an ein Fahr- und/oder Bremssteuergerät (7) ausgibt, das auf elektrische und/oder mechanische Stellglieder (8 und 9) wirkt. Damit ist auch dargestellt, daß sich die geschwindigkeitsabhängige Regelung des Sollwertes der Verzögerung auch auf die mechanischen Bremsen erstrecken kann.

In Fig. 4 ist dargestellt, daß das Sollwertvorgabegerät (3) auch in ein Fahr- und/oder Bremssteuergerät (7) integriert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Anfahrbeschleunigung und/oder der Bremsverzögerung von Nahverkehrszügen elektrischer Bahnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Anfahrbeschleunigung und/oder der Bremsverzögerung oder als Näherungsgröße dafür der Sollwert des Drehmoments der elektrischen Antriebsmotoren nach einer geschwindigkeitsabhängigen unteren Hüllkurve (2) des Streubereichs ungünstiger Rad/ Schiene-Kraftschlußbeiwerte f(v) geregelt werden/wird, für die gilt df(v)/dv<0.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertvorgabegerät (3) einen Speicher für eine programmierbare Kraftschlußbeiwert/Geschwindigkeits-Funktion (4) enthält, wobei der Speicher aus der Meßgröße der Fahrgeschwindigkeit (5) den geschwindigkeitsabhängigen Sollwert (6) für die Anfahrbeschleunigung und/oder die Bremsverzögerung oder für das Motordrehmoment bildet und an ein Fahr- und/oder Bremssteuergerät (7) ausgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der im Sollwertvorgabegerät (3) gespeicherten Kraftschlußbeiwert/Geschwindigkeits-Funktion (4) ein Bremssteuergerät (7) einen geschwindigkeitsabhängigen Sollwert an ein Stellglied (9) für die mechanische Bremskraft ausgibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwertvorgabegerät (3) in ein Fahr- und/oder Bremssteuergerät (7) integriert ist.