EP1100707A1 - Device for monitoring railway vehicle wheels - Google Patents

Device for monitoring railway vehicle wheels

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Publication number
EP1100707A1
EP1100707A1 EP00908906A EP00908906A EP1100707A1 EP 1100707 A1 EP1100707 A1 EP 1100707A1 EP 00908906 A EP00908906 A EP 00908906A EP 00908906 A EP00908906 A EP 00908906A EP 1100707 A1 EP1100707 A1 EP 1100707A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rail
force sensor
base plate
rail base
force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00908906A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Lustenberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Digi Sens AG
Original Assignee
Digi Sens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Digi Sens AG filed Critical Digi Sens AG
Publication of EP1100707A1 publication Critical patent/EP1100707A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/02—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts
    • B61L1/06—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts actuated by deformation of rail; actuated by vibration in rail
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims

Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring the condition of the wheels or tires of rail vehicles according to the preamble of claim 1.
  • Such devices are known, for example from DE 33 09 908 AI (Dl) and US 5,743,495 (D2).
  • a measuring device which consists of about 20 measuring points per rail. Each measuring point is generated by a strain gauge measuring bridge attached to the rail - usually on the side of the web.
  • the associated electronics determine the mean value of the Ra ⁇ _ast for each wheel and the peak values resulting from any flat spots. Relative values from peak load to load value are also calculated. With the device presented, the static loads can also be determined.
  • a device is known from D2 in which vibration, movement or acceleration sensors on the rails record their horizontal and / or vertical displacement or acceleration. This is intended to detect flat spots on the wheels and even - accidentally in the measuring section or when there are rail breaks.
  • the object of the present invention is to reliably determine damage to wheels or wheel tires of railway vehicles, to determine the type of damage with great certainty, to assign the possible shows to the relevant axis and the train number and, if appropriate, to trigger a suitable alarm. Moreover, it is to integrate the Aufgaoe the invention, this device cost herzustelle and a vertretoaren effort in the substructure, especially without interfering with the sliding b s.
  • the solution of the stated problem is wie ⁇ erpressed in the characterizing part of claim 1 zeicrnenden "mengine the main features. ⁇ en in further advantageous embodiments Patentansprucnen respect An-.ard of the accompanying Ze_chnu '" g ⁇ d e invention will ei.a ⁇ tert Raner. It eiger
  • 1 is a schematic representation of the device
  • 2 shows the sound of a force sensor when it is driven over by a wheel
  • FIG. 5 shows the schematic section through a first exemplary embodiment of a force sensor
  • FIG. 6 shows the schematic section through a second exemplary embodiment of a force sensor
  • FIG. 7 shows the schematic section through a solution for a force sensor that includes several exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows in schematic form an embodiment of the device according to the invention.
  • a railroad rail 1 lies on rail base plates 3 carried by sleepers 2.
  • a number of rail base plates 3 - in FIG. 1 there are four of them - contain suitable force sensors integrated therein
  • the force sensors 4 nachgeschal ⁇ are et preamplifier
  • the individual preamplifiers 5 are connected to a signal analyzer 6, and this to a recnner 7 and a web control center 8.
  • the computer 7 can of course also contain the signal analyzer 6, however. also be designed as an independent unit.
  • ⁇ b s width of the threshold v, train speed until the wheel leaves the second threshold 2, followed by a linear drop corresponding to the increase.
  • the time from the end of the signal rise to the end of its fall is denoted here by ⁇ t s , where
  • d s distance between the same edges of two sleepers.
  • the signal curves in FIGS. 2 and 3 are idealized; the wheel under consideration also shows no irregularities.
  • 3a is the representation of the signal curves of, for example, four successive sensors 4. If each signal is considered individually and related to that of the immediately adjacent force sensor, the train speed can be determined from ⁇ t s :
  • J-I results in the course shown in FIG. 3b: after the first ascent, the signal remains essentially constant until the wheel leaves the last threshold 2 with force sensor 4, whereupon the signal drop shown occurs.
  • the number n of force sensors 4 to be provided is determined by the threshold distance ⁇ b s and the largest possible wheel diameter D R that is to be detected, so that ⁇ -D p n>
  • the signal forms that occur with a certain damage pattern are typical of the type of damage, furthermore speed-dependent and ultimately specific for the type of force sensor 4 used.
  • the train speed v z is determined from the time interval between the signal increases; this is now used as a normalization factor for the signal heights, since the dynamic loads acting on the force sensors 4 are essentially speed-proportional.
  • Various signal forms corresponding to the individual damage patterns are stored in the computer 7.
  • the basic signals - already speed-standardized by the computer 7 - are subtracted from the total signal.
  • the basic signal thus means the sum signal s tc- generated by driving a damage-free wheel.
  • the remaining, also speed-standardized signals are compared in the signal analyzer 6 with the stored signals. The results of the comparison are transmitted to the web control center 8, via electrical cables, light guides or wirelessly.
  • the railway control center either makes repair decisions or - in serious cases - arrives directly and without human intervention Triggered alarm that stops the Z-iges; the locomotive via route signals or direct transmission.
  • 5 to 7 show different exemplary embodiments of force sensors in an exemplary but not restrictive design.
  • 5 is the cross section through a rail foot 11 and a first exemplary embodiment of the force sensor 4. This is designed as a rail base plate and guides the entire wheel load to the threshold 2 a b. 5 is composed of an upper and a lower elastomer layer 12, a lower and an upper insulation layer 13, a lower and an upper electrode 14 and the piezoelectric layer 15. The two electrodes 14 are connected to conductors 16 which lead to the preamplifier 5, not shown here.
  • Piezoelectric layers 15 come e.g. Polyvinyl fluoride materials in question because of their elastic properties and the low dielectric constants are particularly suitable. The outer ends of the force sensor against weather and environmental influences are not shown.
  • FIG. 5 is intended as a schematic illustration, since further details, such as rail fastening and means for adjusting the track, are omitted as known, which are also used when the rail base plates 3 are replaced by the force sensor 4 according to FIG. 5 do not need to experience any change.
  • 6 shows a further exemplary embodiment with piezoelectric fresh transducers.
  • a large number of ceramic piezoelectric transducers 17 m are inserted into an elastomer plate 18, which in turn is a rail base plate 3 in the functional unit.
  • the individual transducers 17 are connected in series, for example.
  • the corresponding overall signal is with the. Ladders 16 tapped.
  • the elastomer surrounding the transducer 1 ⁇ partially acts as a force bypass or elastic reduction.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 7 stands for several transducers which are possible according to the invention: embedded in the rail base plates 3 is a schematic transducer 19 which converts the force or distance into an electrically unambiguously dependent signal.
  • This can be a known and suitably shaped metallic body with a strain gauge bridge, it can also be a vibrating string transducer, a capacitive transducer or a deformable light guide; all without restrictive character. It is essential for all of the transducers described in FIGS. 5 to 7 that they can bear the entire wheel load, as in FIG.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

The invention relates to a device consisting of a number of force sensors (4) which are configured as rail support slabs (3) and along the measuring section replace said slabs at the level of both rails (1). The electric signals emitted by the force sensors (4) are sent via pre-amplifiers (5) to a signal analyzer (6) which is connected to a computer (7). Relevant results generated by the computer (7), that is results indicating flat spots or even fractures of railway vehicle wheels, are transmitted by wire, fibre-optic cable or radio to a railway control station (8).

Description

Ueber achungsvorrichtung für EisenbahnräderMonitoring device for railway wheels
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes der Rader bzw. Raαreifen von Eisen- bahnfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Solche Vorrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus DE 33 09 908 AI (Dl) und US 5,743,495 (D2).The present invention relates to a device for monitoring the condition of the wheels or tires of rail vehicles according to the preamble of claim 1. Such devices are known, for example from DE 33 09 908 AI (Dl) and US 5,743,495 (D2).
In Dl wird eine Messvorrichtung vorgestellt, die aus etwa 20 Messstellen pro Schiene besteht. Jede Messstelle wird durch eine an der Schiene - in der Regel seitlich am Steg - angebrachte DMS-Messbrucke erzeugt. Die assoz_ιerte Elektronik ermittelt für --jedes Rad Mittelwert der Raα_ast und die von allfalligen Flachstelleen herrührenden Spitzenwerte. Ebenso werden Relativwerte von Spitzenlast zu Lastr_ttelwert berech- net. Mit der vorgestellten Vorrichtung können auch die statischen Lasten ermittelt werden.In Dl a measuring device is presented, which consists of about 20 measuring points per rail. Each measuring point is generated by a strain gauge measuring bridge attached to the rail - usually on the side of the web. The associated electronics determine the mean value of the Raα_ast for each wheel and the peak values resulting from any flat spots. Relative values from peak load to load value are also calculated. With the device presented, the static loads can also be determined.
Durch D2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Vibrations-, Bewegungs- oder Beschleunigungssensoren an den Schienen deren Horizontal- und/oder Vertikalversetzung oder -Beschleunigung aufnehmen. Damit sollen Flachstelleen an der Radern und sogar - zufälligerweise in der Messstrecke oder nanebei sich ereignende - Schienenbruche festgestellt werden.A device is known from D2 in which vibration, movement or acceleration sensors on the rails record their horizontal and / or vertical displacement or acceleration. This is intended to detect flat spots on the wheels and even - accidentally in the measuring section or when there are rail breaks.
Das Anbringen von DMS gemass Dl an Eisenbahnschienen kann - wenn zuverlässige Messstellen erzielt werde*" sollen - nur so erfolgen, dass entweder die ganze, alle Messstellen enthaltende Lange der Eisenbahnschiene, oder mehrere kurze , nur die einzelnen Messstellen enthaltende Schιe~enstucke aus dem Scnienenstran herausgetrennt werden; anscnliessend werden d_e DMS aufgeklebt und die herausgetrennte" Schienen wieder e_ngeschweιsst . Eine ιn-s^tu-Montage von T'IS ergibt, falls die Sensoren direkt auf die Stege gekleb" werden sollen, keine Sensoren der für Bainsicherheitsanlaαen erforderliche Zuverlässigkeit. D_e von Flacnstellen a*~ de^ Eιsenbaκ"_adern bewirkten Kraftstosse auf die Schieren si^ - im Gegensatz zu den ungestörten Radlasten - stark cesch ndigkeitsarnangig . Die in Dl beschriebenen Kriterien vc- Fraf differenze und hraftquoti- e^ten mussten, was dort -*ιchτ: offenbart _st, die Fahrge- schwmdigkeit in die Auswertung einbeziehεn. Ohne solchen Einbezug können die ermittelten Werte keine eindeutige Aussage über den Zustand der Rader machen.Can nschienen attaching DMS PURSUANT Dl to Railroad h - when reliable measuring points will achieve * "should - just be such that either the whole, all measuring points containing length of railroad track, or more short, only the individual measuring points Schιe ~ containing enstucke from are cut out of the rail, then the strain gauges are glued on and the cut out rails are welded again. An ιn-s ^ tu assembly by T'IS, if the sensors are to be glued directly onto the webs, does not result in any sensors of the reliability required for bain safety systems. D_e of flap locations a * ~ de ^ Eιsenba κ "_adren caused power surges on the Schieren si ^ - in Gege n set to the undisturbed wheel loads - strong cesch ndigkeitsarnangig. The criteria vc-Fraf difference and power quotas described in Dl had to, what there - * ιchτ: reveals _st, the driving Include drowsiness in the evaluation. Without such inclusion, the determined values cannot make a clear statement about the condition of the wheels.
Wahrend aus D2 detailliert bekannt ist, wie Schienenbruche in der Messstrecke oder wenig davon entfernt festgestellt werden können, wird über die Feststellung von Flachstelleen an Eisenbahnradern verhaltnismassig wenig bekannt. Ausser dem Vorschlag, die gemessenen Vibrationen einer Frequenzanalyse zuzuführen, ist der technische Mitteilungsgεnalt bescheiden. Ferner erfahrt man nichts über die Befestigung der verwendeten Sensoren an den Schienen.While it is known in detail from D2 how rail breaks can be ascertained in the measurement section or a short distance away, relatively little is known about the detection of flat spots on railway wheels. In addition to the suggestion that the measured vibrations be subjected to a frequency analysis, the technical communication content is modest. Furthermore, one learns nothing about the attachment of the sensors used on the rails.
Die Ueberprufung des Zustandes von Radern bz-v. Radreifen von Eisenbahnfahrzeugen hat erhöhte Aktualität erlangt aufgrund von Unfällen, bei denen Bruche von Radreifen mindestens als Ursache in Frage kommen. Abgenutzte Raαer und Radreifen, insbesondere solche mit ortlichen Flachstelleen, stellen einerseits ein Unfallrisiko dar, anderseits fuhren sie zu Schaden an den Schienen und drittens, besonαers hinsichtlich der Erhöhungen der Zugsdichte und der honen angestrebten Zugsgeschwindigkeiten, sind sie störende Larrquellen.Checking the condition of wheels or v. Tires for railway vehicles have become more topical due to accidents in which breaks in tires are at least a possible cause. Worn wheels and wheel tires, especially those with local flat spots, pose an accident risk on the one hand, on the other hand they damage the rails and thirdly, especially with regard to increases in train density and the desired train speeds, they are annoying sources of noise.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Schaden an Radern bzw. Radreifen von Eisenbahnfahrzeugen zuverlässig festzustellen, die Art des Schadens mit grosser Sicherheit zu ermitteln, die allfalligen Schauen der betreffenden Achse und der Zugsnummer zuzuordnen und geαebenenfalls einen geeigneten Alarm auszulosen. Fernerhin ist es die Aufgaoe der Erfindung diese Vorrichtung kostengünstig herzustelle und mit einem vertretoaren Aufwand in den Unterbau zu integrieren, vornehmlich ohne Eingriffe in die Schieben. Die Losung der gestellten Aufgabe ist wieαergegeben im kenn- zeicrnenden Teil des Patentanspruches 1 "msichtlich der Hauptmerkmale, in αen weiteren Patentansprucnen hinsichtlich vorteilhafter Ausbildungen . An-.ard der beigefugten Ze_chnu'"g wird d^e Erfindung raner ei.aαtert. Es eigerThe object of the present invention is to reliably determine damage to wheels or wheel tires of railway vehicles, to determine the type of damage with great certainty, to assign the possible shows to the relevant axis and the train number and, if appropriate, to trigger a suitable alarm. Moreover, it is to integrate the Aufgaoe the invention, this device cost herzustelle and a vertretoaren effort in the substructure, especially without interfering with the sliding b s. The solution of the stated problem is wieαergegeben in the characterizing part of claim 1 zeicrnenden "msichtlich the main features. Αen in further advantageous embodiments Patentansprucnen respect An-.ard of the accompanying Ze_chnu '" g ^ d e invention will ei.aαtert Raner. It eiger
Fig. 1 eine scnematische Darste_lung der Vorrichtung, Fig. 2 den Signalverlaut eines Kraftsensors beim Ueberfahren durch ein Rad,1 is a schematic representation of the device, 2 shows the sound of a force sensor when it is driven over by a wheel,
Fig. 3 die Signalverlaufe mehrerer Kraftsensoren,3 shows the waveforms of several force sensors,
Fig. 4 den Summensignalverlauf beim Ueberfahren durch ein Rad mit einer Flachstelle,4 shows the sum signal curve when passing over a wheel with a flat spot,
Fig. 5 den schematischen Schnitt durch ein erstes Ausfuh- rungsbeispiel eines Kraftsensors,5 shows the schematic section through a first exemplary embodiment of a force sensor,
Fig. 6 den schematischen Schnitt durch ein zweites Ausfuh- rungsbeispiel eines Kraftsensors,6 shows the schematic section through a second exemplary embodiment of a force sensor,
Fig. 7 den schematischen Schnitt durcn eine mehrere Ausfuhrungsbeispiele erfassende Losung für einen Kraftsensor.7 shows the schematic section through a solution for a force sensor that includes several exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt in schematischer Art ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemassen Vorrichtung. Eine Eisenbahnschiene 1 liegt auf von Schwellen 2 getragenen Schienenunterlagsplatten 3. Eine Anzahl von Schienenunterlagsplatten 3 - in Fig. 1 sind es deren viere - enthalt integriert geeignete KraftsensorenFig. 1 shows in schematic form an embodiment of the device according to the invention. A railroad rail 1 lies on rail base plates 3 carried by sleepers 2. A number of rail base plates 3 - in FIG. 1 there are four of them - contain suitable force sensors integrated therein
4, die in Fig. 5 bis 7 naher dargestellt und beschrieben sind. Den Kraftsensoren 4 nachgeschal~et sind Vorverstärker4, which are shown and described in more detail in FIGS. 5 to 7. The force sensors 4 nachgeschal ~ are et preamplifier
5, die dem verwendeten Kraftsensor entsprechend als Ladungs- verstarker oder Impedanzwandler ausgelegt sein können.5, which can be designed according to the force sensor used as a charge amplifier or impedance converter.
Die einzelnen Vorverstärker 5 sind mit einem Signalanalysator 6 verbunden, und dieser mit einem Recnner 7 und einer Bahn- leitstelle 8. Der Rechner 7 kann selbstverständlich den Signalanalysator 6 mitenthalten, jedocr. auch als selbständige Einheit ausgeführt sein.The individual preamplifiers 5 are connected to a signal analyzer 6, and this to a recnner 7 and a web control center 8. The computer 7 can of course also contain the signal analyzer 6, however. also be designed as an independent unit.
Ohne zunächst auf Aufbau und Art des Kraftsensors einzugehen, werden in Fig. 2, 3 die auftretenden Kraftsignale dargestellt.Without first going into the structure and type of the force sensor, the force signals occurring are shown in FIGS. 2, 3.
Fig. 2 zeigt den dem am Kraftsensor 4 auftretenden Kraftverlauf entsprechenden Verlauf s(t) des elektrischen Signals, wenn ein Rad von einer ersten Schwelle 2 zur zweiten rollt, die für dieses Beispiel mit einem Kraftsensor 4 versehen ist. Im Zeitpunkt t = 0 verlasst das Rad die erste Schwelle 2, an der zweiten beginnt ein linearer Kraftanstieg, der bis zum Maximum von s = s0 verlauft, wo das Rad auf der zweiten Schwelle 2 angekommen ist. Auf diesem Wert s0 verharrt das Signal s(t), wahrend der Zeit2 shows the curve s (t) of the electrical signal corresponding to the force curve occurring at the force sensor 4 when a wheel rolls from a first threshold 2 to the second, which is provided with a force sensor 4 for this example. At time t = 0, the wheel leaves the first threshold 2, at the second a linear increase in force begins, which proceeds to the maximum of s = s 0 , where the wheel has reached the second threshold 2. The signal s (t) remains at this value s 0 during the time
Δbs Δb s
ΔtB =— ■*-Δt B = - ■ * -
V z wo V z where
Δbs = Breite der Schwelle v, Zugsgeschwindigkeit bis das Rad die zweite Schwelle 2 verlasst, worauf ein dem Anstieg entsprechender linearer Abfall sich anschliesst. Die Zeit vom Ende des Signalanstieges bis zum Ende von dessen Abfall ist hier mit Δts bezeichnet, wobeiΔb s = width of the threshold v, train speed until the wheel leaves the second threshold 2, followed by a linear drop corresponding to the increase. The time from the end of the signal rise to the end of its fall is denoted here by Δt s , where
wo ds = Abstand der gleichen Kanten zweier Schwellen. Die Signalverlaufe in Fig. 2 und Fig. 3 sind idealisiert; das betrachtete Rad weist auch keine Unregelmassigkeiten auf. Fig. 3a ist die Darstellung der Signalverlaufe von beispiels- weise vier aufeinander folgende Sensoren 4. Wird hier -jedes Signal einzeln betrachtet und in Beziehung gesetzt zu jenem des unmittelbar benachbarten Kraftsensors -, so lasst sich aus Δts die Zugsgeschwindigkeit ermitteln: where d s = distance between the same edges of two sleepers. The signal curves in FIGS. 2 and 3 are idealized; the wheel under consideration also shows no irregularities. 3a is the representation of the signal curves of, for example, four successive sensors 4. If each signal is considered individually and related to that of the immediately adjacent force sensor, the train speed can be determined from Δt s :
Δb. v, =Δb. v, =
Nimmt man jedoch die Signale aller hier beispiels'.eise vierHowever, taking the signals of all here example '.eise four
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Kraftsensoren 4 zu einem Summensignal sC0I = s zusammen, so Force sensors 4 to a sum signal s C0I = s together, see above
J-I ergibt sich der in Fig. 3b gezeigte Verlauf: Nach αem ersten Anstieg bleibt das Signal im wesentlichen konstant, bis das Rad die letzte Schwelle 2 mit Kraftsensor 4 verlasst, worauf der gezeigte Signal-Abfall erfolgt.J-I results in the course shown in FIG. 3b: after the first ascent, the signal remains essentially constant until the wheel leaves the last threshold 2 with force sensor 4, whereupon the signal drop shown occurs.
Sind die Kra sensoren entweder nicht völlig gleich eingestellt oder ^st das elektrische Sigral nicht eire lineare Funktion der auf den Kraftsensor wirkenden Last, so erscheint anstelle eines konstanten ein durch die Schwellen strukturiertes welliges Signal.Are the Kra sensors either the electrical Sigral set not identical or ^ st eire not linear function appears on the force sensor THAT CONDITION n the load, instead of a constant a wavy signal structured by the thresholds.
In Fig. 4 ist das Summensignal dargestellt, wie es beispielsweise auftreten kann, wenn ein Rad eine Flachstelle aufweist. Zuerst wird die Schiene 1 - und damit auch ein Kraftsensor 4 - entlastet; darauf folgt ein harter und in der Analyse hochfrequenter Schlag. Das in der Zeit spätere analoge Signal stammt von einem weiteren Kraftsensor 4.4 shows the sum signal, as can occur, for example, when a wheel has a flat spot. First, the rail 1 - and thus also a force sensor 4 - is relieved; this is followed by a hard and high-frequency blow in the analysis. The later analog signal comes from another force sensor 4.
Die vorzusehende Anzahl n Kraftsensoren 4 ist bestimmt durch den Schwellenabstand Δbs und den grosstmoglichen Raddurchmesser DR der erfasst werden soll, so dass π-Dp n >The number n of force sensors 4 to be provided is determined by the threshold distance Δb s and the largest possible wheel diameter D R that is to be detected, so that π-D p n>
Δbs Δb s
Die Signalformen, die bei einem bestimmten Schadenbild auftreten, sind typisch für die Art des Schadens, ferner ge- schwindigkeitsabhängig und letztlich spezifisch für die Art des eingesetzten Kraftsensors 4.The signal forms that occur with a certain damage pattern are typical of the type of damage, furthermore speed-dependent and ultimately specific for the type of force sensor 4 used.
Fährt nun ein Eisenbahnfahrzeug oder ein Zug über die erfin- dungsgemässe Vorrichtung, so wird aus dem zeitlichen Abstand der Signalanstiege die Zugsgeschwindigkeit vz ermittelt; diese wird nun als Normierungsfaktor für die Signalhόhen verwendet, da die dynamischen Lasten, die auf die Kraftsen- sore 4 wirken, im wesentlichen geschwindigkeitsproportional sind. Im Rechner 7 sind verschiedene, den einzelnen Schadenbildern entsprechende Signalformen gespeichert. Im Signalanalysator 6 werden die - bereits durch den Rechner 7 geschwindigkeitsnor- mierten - Grundsignale vom Gesamtsign.al suotrahiert. Grundsignal bedeutet also das durch die Uecerfahrt eines schadenlosen Rades erzeugte Summensignal stc-. Nun werden ebenfalls im Signalanalysator 6 die verbleibenden, ebenfalls geschwin- digkeitsnormierten Signale mit den gespeicherten verglichen. Die Resultate des Vergleiches werden an die Bahnleitstelle 8 übermittelt, über elektrische Kabel, Lichtleiter oder drahtlos. Je nach der Art des Schadenbildes trifft nun die Bahn- leitstelle entweder Reparaturentscheiάe ocer es wird - in gravierenden Fallen - direkt und ohne menschliches Zutun ein Alarm ausgelost, der zum Anhalten des Z-iges fuhrt; über Streckensignale oder direkte Uebermittlung m die Lokomotive. Fig. 5 bis 7 zeigen verschiedene Ausfuhrungsbeispiele von Kraftsensoren in beispielsweiser, jedoch nicht beschränkender Bauart.If a railway vehicle or a train now runs over the device according to the invention, the train speed v z is determined from the time interval between the signal increases; this is now used as a normalization factor for the signal heights, since the dynamic loads acting on the force sensors 4 are essentially speed-proportional. Various signal forms corresponding to the individual damage patterns are stored in the computer 7. In the signal analyzer 6, the basic signals - already speed-standardized by the computer 7 - are subtracted from the total signal. The basic signal thus means the sum signal s tc- generated by driving a damage-free wheel. Now the remaining, also speed-standardized signals are compared in the signal analyzer 6 with the stored signals. The results of the comparison are transmitted to the web control center 8, via electrical cables, light guides or wirelessly. Depending on the type of damage, the railway control center either makes repair decisions or - in serious cases - arrives directly and without human intervention Triggered alarm that stops the Z-iges; the locomotive via route signals or direct transmission. 5 to 7 show different exemplary embodiments of force sensors in an exemplary but not restrictive design.
Fig. 5 ist der Querschnitt durch einen Schienenfuss 11 und ein erstes Ausfuhrungsbeispiel des Kraftsensors 4. Dieser ist ausgeführt als Schienenunterlagsplatte und führt die gesamte Radlast an die Schwelle 2 a b. Aufgebaut ist der Kraftsensor 4 gemass Fig. 5 aus einer oberen und einer unteren Elastomerschicht 12, einer unteren und einer oberen Isolationsschicht 13, einer unteren und einer oberen Elektrode 14 und der piezoelektrischen Schicht 15. Die beiden Elektroden 14 sind mit Leitern 16 verbunden, die zum hier nicht dargestellten Vorverstärker 5 fuhren. Als piezoelektrische Schichten 15 kommen z.B. Polyvinyfluorid-Materialien in Frage, die wegen ihrer elastischen Eigenschaften und der kleinen Dielektrizitätskonstanten besonders geeignet sind. Nicht dargestellt sind die äusseren Abschlüsse des Kraftsensors gegen Witte- rungs- und Umwelteinflüsse.5 is the cross section through a rail foot 11 and a first exemplary embodiment of the force sensor 4. This is designed as a rail base plate and guides the entire wheel load to the threshold 2 a b. 5 is composed of an upper and a lower elastomer layer 12, a lower and an upper insulation layer 13, a lower and an upper electrode 14 and the piezoelectric layer 15. The two electrodes 14 are connected to conductors 16 which lead to the preamplifier 5, not shown here. Piezoelectric layers 15 come e.g. Polyvinyl fluoride materials in question because of their elastic properties and the low dielectric constants are particularly suitable. The outer ends of the force sensor against weather and environmental influences are not shown.
Der hier dargestellte und beschriebene Kraftsensor ersetzt vollständig die heute verbreitet üblichen Schienenunterlags- platten aus Kunststoff. In diesem Sinne ist Fig. 5 als schematische Darstellung gedacht, da weitere Details, wie Schie- nenbefestigung und Mittel zur Einstellung αer Spur als bekannt weggelassen sind, die auch beim den Ersatz der Schie- r.enunterlagsplatten 3 durch den Kraftsensor 4 gemass Fig. 5 keine Aenderung erfahren müssen. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel mit piezoelek- frischen Wandlern. Hier ist eine Vielzahl von beispielsweise keramischen piezoelektrischen Wandlern 17 m eine Elastomerplatte 18 eingesetzt, die wiederum in Funktionseinheit Schie- nenunterlagsplatten 3 ist. Die einzelnen Wandler 17 sind beispielsweise in Serie geschaltet. Das entsprechende Gesamt- Signal wird mit den. Leitern 16 abgegriffen. Der die Wandler 1~ umgebende Elastomer wirkt teilweise als Kraftbypass oder elastische Untersetzung. Das Ausführungsbeispiel gemass Fig. 7 steht für mehrere erfindungsgemäss mögliche Wandler: In die Schienenunterlags- platten 3 eingebettet ist ein schematischer Wandler 19 dargestellt, welcher Kraft oder Weg in ein elektrisch eindeutig abhängiges Signal wandelt. Dies kann ein bekannter und geeignet geformter metallischer Körper mit einer DMS-Brücke sein, ebenso ist ein Schwingsaitenwandler, ein kapazitiver Wandler oder ein verformbarer Lichtleiter sein; alles ohne beschränkenden Charakter. Wesentlich ist für alle in Fig. 5 bis 7 beschriebenen Wandler, dass sie - wie in Fig. 5 - die ganze Radlast zu tragen vermögen, oder dass der den Hauptteil der Schienenunterlagsplatten 3 bildende Elastomer als Kraftbypass wirken kann und den - grösseren - Teil der Radlast direkt auf die Schwelle 2 überträgt. Als elektrische Verbindungen sind überall die zwei Leiter 16 mit schematischer Bedeutung eingetragen. Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung entweder Koaxialleiter oder auch mehrdrähtige Verbindungen einzusetzen. Lösungsbeiträge wie Achszählung, Zuordnung von Schadensbil- dern zu bestimmten Achsen, Zeit- und Geschwindigkeitsprotokolle und weitere bahndienstliche Informationen sind entweder an sich bekannt oder können leicht durch die Programmierung des Rechners 7 erhältlich gemacht werden. Erfindungswesentlich ist der Einbau der Kraftsensoren 4 oder Wandler 19 in die Schienenunterlagsplatte 3 und die Verwendung von im wesentlichen kommerziell erhältlichen elektronischen Geräten oder Baugruppen, was beides sowohl den Bau und auch den Unterhalt der erfindungsgemassen Vorrichtung wirtschaftlich attraktiv macht, als auch hohe Zuverlässigkeit ermöglicht.The force sensor shown and described here completely replaces the common plastic base plates used today. In this sense, FIG. 5 is intended as a schematic illustration, since further details, such as rail fastening and means for adjusting the track, are omitted as known, which are also used when the rail base plates 3 are replaced by the force sensor 4 according to FIG. 5 do not need to experience any change. 6 shows a further exemplary embodiment with piezoelectric fresh transducers. Here, a large number of ceramic piezoelectric transducers 17 m, for example, are inserted into an elastomer plate 18, which in turn is a rail base plate 3 in the functional unit. The individual transducers 17 are connected in series, for example. The corresponding overall signal is with the. Ladders 16 tapped. The elastomer surrounding the transducer 1 ~ partially acts as a force bypass or elastic reduction. The exemplary embodiment according to FIG. 7 stands for several transducers which are possible according to the invention: embedded in the rail base plates 3 is a schematic transducer 19 which converts the force or distance into an electrically unambiguously dependent signal. This can be a known and suitably shaped metallic body with a strain gauge bridge, it can also be a vibrating string transducer, a capacitive transducer or a deformable light guide; all without restrictive character. It is essential for all of the transducers described in FIGS. 5 to 7 that they can bear the entire wheel load, as in FIG. 5, or that the elastomer forming the main part of the rail base plates 3 can act as a force bypass and the - larger - part of the Transfers wheel load directly to threshold 2. The two conductors 16 with schematic meaning are entered as electrical connections everywhere. Of course, it is within the meaning of the invention to use either coaxial conductors or multi-wire connections. Contributions to solutions such as axle counting, assignment of damage images to specific axles, time and speed logs and other railway information are either known per se or can easily be made available by programming the computer 7. Essential to the invention is the installation of the force sensors 4 or transducers 19 in the rail base plate 3 and the use of essentially commercially available electronic devices or assemblies, which both makes the construction and the maintenance of the device according to the invention economically attractive and also enables high reliability.
Der Einbau der Kraftsensoren 4 in elastische Schienenunterlagsplatten 3 hat neben den bereits beschriebenen Vorteilen noch den nicht unerheblichen, dass selche Schienenunterlagsplatten 3 als mechanische Tief assfilter wirken mit einem Eckwert von einigen hundert Hz. Damit werden unerwünschte Signale und Signalanteile schon durch den mechanischen Teil der Vorrichtung eliminiert. Selbstverständlich können individuelle Schwellen 2 - besonders in Tunnels - auch als durchgehende Betonplatten ausgeführt sein; die Schienenunterlagsplatten 3 liegen dann zwischen Schienenfuss 11 und der genannten Betonplatte. Wenn also hier von Schwellen 2 gesprochen wird, sind solche durchgehenden Betonplatten immer mitgedacht. The installation of the force sensors 4 in elastic rail base plates 3 has, in addition to the advantages already described, the not inconsiderable fact that such rail base plates 3 act as mechanical low-ass filters with a basic value of a few hundred Hz. This means that unwanted signals and signal components are eliminated by the mechanical part of the device eliminated. Of course, individual sleepers 2 - especially in tunnels - can also be designed as continuous concrete slabs; the rail base plates 3 are then between the rail base 11 and the said concrete plate. So when talking about thresholds 2, such continuous concrete slabs are always considered.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Ueberwachung des Zustances der Rader und Radreifen von Eisenbahnfahrzeugen mit an den vermittels Schienenunterlagsplatten (3) an Schwellen (2) oder einem harten Unterlagsgrund angeschraubten Eisenbahnschienen (1) angebrachten Kraftsensoren (4), welche elektrische Signale abgeben, ferner mit elektroniscnen Auswertemitteln und Mitteln zur Uebertragung von Auswerteresultaten an eine geeignete Stelle des Eisenbahnbetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenunterlagsplatten (3) so ausgeführt sind, dass sie die Kraftsensoren (4) integriert enthalten, eine Messstrecke aus an jeder Eιse~Dahnschιene mm- destens zwei an aufeinanderfolgenαen Schwellen (2) aufliegenden und die Eisenbahnschienen (1) tragenden und die Kraftsensoren (4) integriert enthaltenden Schienenunterlagsplatten (3) besteht, elektronische Auswertemittel (5, 6, 7) vorhanden sind zur Auswertung und rechnerischen Bearbeitung der von den Kraftsensoren (4) erzeugten und über Leiter (16) an die genannten elektronischen Auswertemittel (6, 7) übermittelten elektrischen Signale,1.Device for monitoring the condition of the wheels and wheel tires of rail vehicles with force sensors (4) attached to the rail rails (3) attached to the sleepers (2) or to a hard base rail (1), which emit electrical signals, also with electronic evaluation means and means for transferring evaluation results to a suitable point of the railway company, characterized in that the rail base plates (3) are designed in such a way that they contain the force sensors (4) in an integrated manner, a measuring section consisting of at least two consecutive lines on each axis Thresholds (2) lying on the rail support plates (3) supporting the railroad tracks (1) and containing the force sensors (4) are integrated, electronic evaluation means (5, 6, 7) are available for evaluating and calculating processing of the force sensors (4) and called to the conductor (16) electrical signals transmitted by electronic evaluation means (6, 7),
Uebertragungsmittel vorbanden sind, um die von den Auswertemitteln (6, 7) ermittelter Daten an eineTransmission means are pre-banded in order to send the data determined by the evaluation means (6, 7) to a
Bahnleitstelle (8) als geeigneter Stelle des Eisenbahnbetriebes weiterzuleiten.To forward the railway control center (8) as a suitable location of the railway company.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Schienenunterlagsplatte (3) als einen2. Device according to claim 1, characterized in that the rail base plate (3) as one
Kraftsensor (4) bildender piezoelektrischer Wandler (17) ausgeführt ist.Force sensor (4) forming piezoelectric transducer (17) is executed.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, daα-.rch gekennzeich- net, dass αie als piezoelektrischer Wandler (17) ausgebildete Scnienenunterlagsplatte (3) aufcebaut ist aus einer oberen und einer unteren Elastomerschicht '12), die die Schienenunterlagsplatte (3) und gleichzeitig -lü¬3. Device according to claim 2, characterized in that α-.rch that αie designed as a piezoelectric Wa n dler (17) Scienienenunterlagplatte (3) is constructed of an upper and a lower elastomer layer '12) which the rail base plate (3) and at the same time -lü¬
den Wandler (17) nach oben und nach unten begrenzen und abschliessen, je einer sich an die Elastomerschicht (12) nach innen anschliessenden oberen und unteren Isolationsschicht (13), e einer an der Isolationsschicht (13) anliegenden oberen und unteren Elektrode (14), einer zwischen der unteren und der oberen Elektrode liegenden piezoelektrischen Schicht (15), - zwei Leitern (16) von denen je einer mit je einer der Elektroden (14) verbunden ist.limit and terminate the transducer (17) at the top and at the bottom, each with an upper and lower insulation layer (13) adjoining the elastomer layer (12), and an upper and lower electrode (14) resting on the insulation layer (13) , a piezoelectric layer (15) lying between the lower and the upper electrode, - two conductors (16), each of which is connected to one of the electrodes (14).
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenunterlagsplatte (3) aus einem Elas- tomer besteht und in diesen eingebettet mindestens einen Kraftsensor (4) enthalt, wobei der Elastomer teilweise als Kraftbypass ausgebildet ist.4. Device according to claim 1, characterized in that the rail base plate (3) consists of an elastomer and contains at least one force sensor (4) embedded therein, the elastomer being partially designed as a force bypass.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Schienenunterlagsplatte (3) mindestens einen piezoelektrischen Wandler (17) als Kraftsensor (4) eingebettet enthalt.5. Device according to claim 4, characterized in that the rail base plate (3) contains at least one piezoelectric transducer (17) embedded as a force sensor (4).
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Schienenunterlagsplatte (3) einen mit DMS versehenen metallischen elastischen Korper als Kraftsensor (4) eingebettet enthalt.6. Device according to claim 4, characterized in that the rail base plate (3) contains a metal elastic body provided with strain gauges embedded as a force sensor (4).
7. Vorrichtung nach Patentanspr-ich 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Schienenunterlagsplatte (3) einen7. Device according to patent claim I 4, characterized in that the rail base plate (3) has a
Schwmgsaitenwandler als Kraftsensor (4) eingebettet enthalt.Schwmgsaitenwandler embedded as a force sensor (4) contains.
8. Vorrichtung nac Patentansp uch 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Scnienenunterlagsplatte (3) mindestens einen apazιtιven Wandler als Kraftsensor (4) eingebettet enthalt. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenunterlagsplatte (3) einen verformbaren Lichtleiter als Kraftsensor (4) eingebettet enthält. 8. Device according to patent claim 4, characterized in that the scaffold base plate (3) contains at least one apacιtιven transducer embedded as a force sensor (4). Device according to claim 4, characterized in that the rail base plate (3) contains a deformable light guide embedded as a force sensor (4).
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