DE4237713C2 - Meßanordnung zum kontinuierlichen Messen von wellenförmigen Unebenheiten einer Schiene - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum kontinuierlichen Messen von wellen­ förmigen Unebenheiten, insbesondere Schienenriffeln, in der Fahroberfläche einer Schiene eines Gleises, mit einem auf dem Gleis abrollbare Spurkranzräder sowie einen Wagenrahmen aufweisenden Meßwagen und einem am Wagenrahmen ange­ ordneten Abstandsdetektor zur berührungslosen Messung des Abstandes von der Schiene, sowie mit einer Vorrichtung zum Aufzeichnen, Verarbeiten und Ausgeben der Meßsignale.

Bei in Gleisen verlegten Eisenbahnschienen kann es als Folge von Verschleiß - aus teilweise noch unerforschten Gründen - zum Auftreten von Riffeln und längeren Wellen kommen. Im allgemeinen bezeichnet man als Riffel kurzwellige periodische Unebenheiten der Schienenfahroberfläche mit Amplituden bis ca. 0,4 mm und Wel­ lenlängen bis etwa 100 mm (wobei diese Maximallänge - je nach Betrachtungswei­ se - auch bis zu 500 mm betragen kann). Da diese Deformierungen im Laufe der Zeit größer werden und progressiv zunehmende Schäden an Oberbau und Fahr­ zeugen bewirken, ist es wichtig, regelmäßige Messungen durchzuführen, um den wirtschaftlichsten Zeitpunkt zur Beseitigung der Riffel, z. B. durch Schienenschleifen, zu bestimmen.

Es ist bereits - gemäß US-PS 4,288,855 - eine Meßanordnung zum Messen von Schienenriffeln und auch längeren Wellen in einer Schienenoberfläche bekannt, bei der ein mit Spurkranzrädern ausgestatteter Meßwagen von einem Gleisfahrzeug mit einer gegebenen Geschwindigkeit entlang des Schienenweges gezogen wird. Am Rahmen des Meßwagens bzw. in Schienenlängsrichtung voneinander distanziert sind zwei (oder, in einer anderen Ausführungsform, drei) Abstandsdetektoren über einer Schiene angeordnet, die als kontaktlose elektronische Fühler ausgebildet sind und nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten. Mittels dieser Detektoren können die Amplituden der Riffel bzw. Wellen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenberei­ ches gemessen werden. Der Abstand der Detektoren bzw. Fühler zueinander ist da­ bei kleiner als die kürzeste auftretende Wellenlänge in diesem gewählten Wellen­ längenbereich. Die Fühler sind mit einer Meßschaltung verbunden, die anhand eines Vergleichers die Differenz der beiden gemessenen Abstände bildet und zu­ gleich die mittlere tatsächliche Länge der erfaßten Welle bestimmt. Aus diesen Da­ ten kann - unter Berücksichtigung eines vom Verhältnis des Abstandes der Fühler zueinander zur Wellenlänge abhängigen Übertragungskoeffizienten - die Amplitude der Schienendeformierung im tatsächlichen Wert bestimmt werden. Auf Grund der Befestigung der Abstandsdetektoren am Wagenrahmen dient dieser quasi als Refe­ renzbasis, auf die die gemessenen Abstände von der Schiene bezogen sind. Da sich diese Referenzbasis ihrerseits jedoch direkt auf dem Gleis abstützt, wird ihre Lage relativ zum Gleis durch vorhandene Gleisfehler - bzw. auch durch die Riffel und Wellen selbst - beeinflußt und verändert, wodurch die Meßergebnisse zu einem gewissen Grad verfälscht werden und nicht als Absolutwerte gelten können. Die Meßfehler können zwar durch Verlängerung der Meßbasis verkleinert, aber nie ganz eliminiert werden.

Eine weitere - aus der AT-PS 390 626 bekannte - Meßanordnung weist einen Rah­ men auf, der über an seinen Enden angeordnete Rollen auf dem zu vermessenden Gleis aufliegt und als Meßbasis dient. In der Mitte dieser Meßbasis sind zwei Win­ kelsensoren angeordnet, von denen der eine den Winkel mißt, um den der Rahmen in einem inertialen Koordinatensystem geneigt ist. Der zweite Winkelsensor be­ stimmt jenen Winkel, um den ein Flächenelement der zu vermessenden Schiene in bezug auf den Rahmen geneigt ist. Dieser zweite Winkelsensor kann als Abtastele­ ment ausgebildet sein oder aber auch - bei hinreichend spiegelnder Schienenober­ fläche - berührungslos nach dem Prinzip der Autokollimationsoptik arbeiten. Hierbei wird ein Lichtstrahl auf die Schiene gerichtet und dessen Reflektion auf einem De­ tektor, z. B. einer positionsempfindlichen Fotodiode, abgebildet. Eine Auswerteschal­ tung addiert die Ausgangssignale der Winkelsensoren und integriert diese über den von der Anordnung zurückgelegten Weg. Die so ermittelte Größe entspricht der über die Länge des gemessenen Flächenelementes gemittelten Profilkurve. Bei dieser Meßanordnung wird die Meßgenauigkeit ebenso durch etwaige Unebenhei­ ten der Schiene im Bereich der Auflagestellen der Rollen negativ beeinflußt.

In der US-PS 4,922,752 ist eine Anordnung zum Messen bzw. Aufzeichnen der Un­ ebenheiten einer Fahrbahn geoffenbart. Ein vierrädriges, langgestrecktes Fahrzeug weist in seinem mittleren Bereich einen an seiner Unterseite befestigten Sensor auf, der aus einem auf die Fahrbahn gerichteten Lasersender und einem CCD- Empfänger besteht. Ein einem der Räder zugeordneter Encoder mißt die zurückge­ legte Wegstrecke. Die erfaßten Daten werden anhand eines auf dem Fahrzeug vor­ gesehenen Schreibers aufgezeichnet. Auch hier wirkt sich die Befestigung des Sen­ sors direkt am Fahrzeugrahmen ungünstig aus, da störende Eigenfrequenzen des Fahrzeugs die Meßgenauigkeit der Anordnung nachteilig beeinflussen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Schaffung einer Meßanord­ nung für Schienenriffel, die genauere und zuverlässigere sowie einfacher zu verarbeitende Meßergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Meßanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstandsdetektor in einer mit dem Wagenrahmen verbundenen Linearführung in vertikaler Richtung zum Wagenrahmen verschiebbar sowie schwingungsge­ dämpft gelagert ist.

Der besondere Vorteil einer derartigen Anordnung bzw. Lagerung des Abstandsde­ tektors liegt darin, daß dieser dadurch weitestgehend von störenden, die Meßge­ nauigkeit beeinträchtigenden Einflüssen isoliert werden kann. Solche Einflüsse bestehen beispielsweise aus Vibrationen verschiedener Art, in die der Wagenrah­ men des Meßwagens versetzt wird, wenn dessen Spurkranzräder eine unebene Schienenoberfläche überfahren. Dies trifft natürlich beim Riffelmessen in besonde­ rem Ausmaß zu, da ja hier mit dem gehäuften Auftreten von wellenförmigen Un­ ebenheiten auf der Schiene zu rechnen ist, wodurch der Wagenrahmen nicht als zu­ verlässige, konstant bleibende Meßbasis zu verwenden ist. Die schwingungsge­ dämpfte Lagerung schafft gewissermaßen ein vom Meßwagen unabhängiges Inertialsystem für den Abstandsdetektor, der auf diese Weise den Abstand zur Fahr­ oberfläche der Schiene - speziell bei höherer Geschwindigkeit der Meßfahrt - relativ ungestört von Vibrationen kontinuierlich bestimmen kann. Die Linearführung sorgt dabei dafür, daß der Detektor nur in vertikaler Richtung beweglich ist, während sei­ ne horizontale Position, insbesondere in Relation zur zu messenden Schienenober­ fläche, unverändert bleibt und somit eine ununterbrochene Messung gewährleistet.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 schafft in überra­ schender Weise die Möglichkeit, die Schienenriffel hinsichtlich ihrer Form praktisch unverzerrt aufzeichnen zu können. Die Hilfsmasse schwingt auf Grund der Massen­ trägheit mit einer sehr niedrigen Frequenz und absorbiert dabei die vom Meßwagen bzw. Wagenrahmen übertragenen Vibrationen und Schwingungen. Dementspre­ chend besteht das vom Abstandsdetektor abgegebene Meßsignal aus zwei Kompo­ nenten: der langsamen und relativ konstanten Schwingung der Hilfsmasse und den im Gegensatz dazu relativ schnellen Änderungen des Abstandssignals der gemes­ senen Riffel, wobei die Geschwindigkeit dieser Änderungen im direkten Zusammen­ hang zur Meßfahrtgeschwindigkeit steht. Es ist technisch gesehen kein Problem, diese einander überlagernden Signalkomponenten zu trennen bzw. das Riffelmeß­ signal herauszufiltern, welches dann der wahren Form der Riffel entspricht.

Bei der Ausbildung nach Anspruch 4 werden in vorteilhafter Weise und unter Ver­ wendung der bewährten und zuverlässigen Laser-Technologie beide Schienen des Gleises in einer einzigen Meßfahrt vermessen.

Ist die Meßanordnung gemäß Anspruch 5 beschaffen, so ermöglicht dies die län­ genmäßige Zuordnung der Riffelabstandsmessungen und in weiterer Folge die un­ verzerrte Aufzeichnung der Riffel auch hinsichtlich ihrer Lage.

Weiters ist eine Ausbildung gemäß Anspruch 6 zweckmäßig. Ein derartiger Hoch­ paßfilter, beispielsweise ein Butterworthfilter 4. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 2 Hz, über den die Meßsignale zur Verarbeitung geführt werden, kann zuverläs­ sig das relevante Riffelsignal aus dem zusammengesetzten Signal herausisolieren, welches dann über den Schreiber als sozusagen maßstabgetreues Abbild der Schienenriffel aufgezeichnet wird.

Schließlich ermöglicht die in Anspruch 7 dargelegte Maßnahme die Verwendung der Meßanordnung auch in der herkömmlichen Weise zur Durchführung einer soge­ nannten Pfeilhöhenmessung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Meßwagens einer Meßanordnung zum Messen von Schienenriffeln,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Meßwagen gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Meßsignalverlaufes mit die Signalverarbeitung erläuternden Diagrammen.

In Fig. 1 und 2 ist ein Meßwagen 1 zu sehen, der Teil einer Meßanordnung 2 zum kontinuierlichen Messen von Riffeln 3 in der Fahroberfläche 4 einer Schiene 5 eines Gleises 6 ist. Der Meßwagen 1 weist einen Wagenrahmen 7 sowie auf den Schie­ nen 5 abrollbare Spurkranzräder 8 auf und ist über eine Deichsel 9 an ein - nicht näher dargestelltes - auf dem Gleis 6 verfahrbares Fahrzeug 10 gekuppelt. Auf die­ sem befindet sich weiters eine Vorrichtung 11 zum Aufzeichnen, Verarbeiten und Ausgeben von Meßsignalen, die später anhand der Fig. 3 noch näher erläutert wer­ den wird.

Am Wagenrahmen 7 ist eine aus voneinander distanzierten, vertikalen Führungs­ stangen 12 bestehende Linearführung 13 angeordnet. Die oberen Enden der Füh­ rungsstangen 12 sind mittels eines in Wagenlängsrichtung verlaufenden Balkens 14 miteinander verbunden und stabilisiert. Zwischen den Führungsstangen 12 bzw. zwischen Wagenrahmen 7 und Balken 14 befindet sich eine Hilfsmasse 15, die mit­ tels Gleitmanschetten 16 auf der Linearführung 13 in vertikaler Richtung verschieb­ bar gelagert ist (siehe Pfeil 17 in Fig. 1). Die Hilfsmasse 15 ist über eine Luftfeder 18 mit dem Balken 14 verbunden bzw. an diesem federnd aufgehängt. Ein Dämpfer 19 ist ebenfalls zwischen Hilfsmasse 15 und Balken 14 angeordnet und hemmt bzw. bremst die vertikale Schwingungsbewegung der Hilfsmasse. Die Hilfsmasse 15, die Tragkraft der Luftfeder 18 und die Wirkung des Dämpfers 19 sind derart dimensio­ niert bzw. aufeinander abgestimmt, daß - bei Bewegung des Meßwagens 1 entlang des Gleises 6 - die Hilfsmasse auf Grund der Massenträgheit (Inertialsystem) mit ei­ ner Eigenfrequenz von ca. 1 bis 2 Hz schwingt.

An den beiden in Gleisquerrichtung einander gegenüberliegenden Längsseiten des Meßwagens 1 ist jeweils ein berührungslos arbeitender Abstandsdetektor 20 an der Hilfsmasse 15 befestigt und - zur Messung des Abstandes von der Schiene - genau über der Fahroberfläche 4 jeweils einer Schiene 5 zentriert angeordnet. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel sind die Abstandsdetektoren als Laserdistanzmesser 21 ausgebildet, die über eine Signalleitung 22 mit der Vorrichtung 11 auf dem Fahr­ zeug 10 verbunden sind und den Abstand zur Fahroberfläche 4 der Schiene mittels eines auf diese gerichteten und reflektierten Laserstrahles 23 genau bestimmen können. Eines der Spurkranzräder 8 ist weiters als Wegmeßrad 24 ausgebildet und mit einem Prioritätsencoder 25 zur Abgabe von Wegimpulsen ausgestattet, die über eine Signalleitung 26 an die Vorrichtung 11 zur Verarbeitung weitergeleitet werden.

Anhand des in Fig. 3 schematisch dargestellten Meßsignalverlaufes wird nun die Arbeitsweise der Meßanordnung 2 erklärt. Der Laser-Distanzmesser 21 mißt konti­ nuierlich den Abstand d zur Fahroberfläche 4 der Schiene 5, während er mit einer Meßgeschwindigkeit von beispielsweise 10 km/h entlang des Gleises 6 bewegt wird. Bei Vorhandensein von Schienenriffeln 3 ändert sich der Abstand d mit einer von der Riffellänge abhängigen Frequenz f. Sind die Riffel, in Gleislängsrichtung ge­ messen, beispielsweise etwa zwischen 5 cm und 50 cm lang, so ergibt sich daraus bei der besagten Meßgeschwindigkeit eine Meßfrequenz f von ca. 5 bis 60 Hz, mit der das Meßsignal über die Signalleitung 22 geführt wird. Diese Meßfrequenz wird noch überlagert von der 1 bis 2 Hz niedrigen Eigenschwingungsfrequenz der Hilfs­ masse 15, mit der der Laser-Distanzmesser 21 fest verbunden ist. Diagramm A zeigt dieses zusammengesetzte Signal, wobei d[mm] der gemessene Abstand in Millimeter und s[m] der zurückgelegte Weg in Metern ist, der über das Wegmeßrad 24 bzw. den Prioritätsencoder 25 registriert wird.

In weiterer Folge gelangt das Signal zu einem der Vorrichtung 11 zugeordneten elektronischen Hochpaßfilter 27, z. B. einem Butterworthfilter 4. Ordnung, mit einer Grenzfrequenz von 2 Hz, der die Aufgabe hat, die zwei Komponenten des zusam­ mengesetzten Meßsignals zu trennen. Diagramm B illustriert die Filtercharakteristik des Hochpaßfilters 27, nach der alle Frequenzen f, die unter einer Grenzfrequenz fg von 2 Hz liegen, herausgefiltert werden. Nur die höheren Frequenzen werden voll verstärkt (v) und - zur Aufzeichnung bzw. Ausgabe - an einen Schreiber 28 weiter­ geleitet. Diagramm C zeigt das resultierende Meßsignal, welches den Riffeln 3 nun­ mehr unverzerrt sowohl hinsichtlich ihrer Höhe r in Millimeter als auch ihrer längen­ mäßigen Lage entspricht. Anstelle des Schreibers 28 wäre auch ein anderes Auf­ zeichnungsgerät, wie z. B. ein Computer, denkbar, in dem die Meßdaten weiter­ verarbeitet werden können. Möglichkeiten einer derartigen Weiterverarbeitung wä­ ren beispielsweise die Berechnung der mittleren Amplitude der Riffel oder die Be­ rechnung der anteiligen Wellenlängen und Amplituden mit Hilfe der Fourier- Transformation (Frequenzspektrumsbildung). Die Meßgeschwindigkeit der Anord­ nung ist praktisch nur durch die Geschwindigkeit der Datenausgabe limitiert.

Die Meßanordnung kann darüber hinaus auch zur Durchführung einer Riffelmes­ sung in Form einer Pfeilhöhenmessung verwendet werden. Dazu wird die Hilfsmas­ se 15 mittels einer Feststellvorrichtung 29 (Fig. 1) auf der Linearführung 13 fixiert, wodurch der Abstandsdetektor 20 fest mit dem Wagenrahmen 7 verbunden ist. Die­ ser wird dann zur Bezugsbasis für die Riffelmessung in der herkömmlichen Weise.

Claims (7)

1. Meßanordnung (2) zum kontinuierlichen Messen von wellenförmigen Un­ ebenheiten, insbesondere Schienenriffeln (3), in der Fahroberfläche (4) einer Schiene (5) eines Gleises (6), mit einem auf dem Gleis (6) abrollbare Spurkranzrä­ der (8) sowie einen Wagenrahmen (7) aufweisenden Meßwagen (1) und einem am Wagenrahmen (7) angeordneten Abstandsdetektor (20) zur berührungslosen Mes­ sung des Abstandes von der Schiene (5), sowie mit einer Vorrichtung (11) zum Auf­ zeichnen, Verarbeiten und Ausgeben der Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsdetektor (20) in einer mit dem Wagenrahmen (7) verbundenen Li­ nearführung (13) in vertikaler Richtung zum Wagenrahmen (7) verschiebbar sowie schwingungsgedämpft gelagert ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ standsdetektor (20) mit einer Hilfsmasse (15) verbunden ist, die mittels einer wei­ chen Feder, insbesondere Luftfeder (18), und eines Dämpfers (19) auf der Linear­ führung (13) vertikal verschiebbar gelagert ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Abstandsdetektor (20) verbundene Hilfsmasse (15) eine Eigenschwingungsfre­ quenz von etwa 1 bis 2 Hz aufweist.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jeder Längsseite des Wagenrahmens (7) im Bereich über der Fahroberfläche (4) jeder Schiene (5) jeweils ein als Laserdistanzmesser (21) ausge­ bildeter Abstandsdetektor (20) vorgesehen ist.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwagen (1) mit einem einen Prioritätsencoder (25) aufweisen­ den Wegmeßrad (24) zur Abgabe von Wegimpulsen versehen ist.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung (11) zum Verarbeiten der von den Laserdistanz­ messern (21) abgegebenen Meßsignale einen Filter, insbesondere elektronischen Hochpaßfilter (27), sowie einen Schreiber (28) aufweist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Feststellvorrichtung (29) zur lösbaren festen Verbindung der Hilfsmasse (15) mit der Linearführung (13) vorgesehen ist.