EP1448423B1 - Vorrichtung und verfahren zum erfassen von schienenbewegungen - Google Patents

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EP1448423B1
EP1448423B1 EP02802295A EP02802295A EP1448423B1 EP 1448423 B1 EP1448423 B1 EP 1448423B1 EP 02802295 A EP02802295 A EP 02802295A EP 02802295 A EP02802295 A EP 02802295A EP 1448423 B1 EP1448423 B1 EP 1448423B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
receiver
transmitter
assembly part
deformation
retainer
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02802295A
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English (en)
French (fr)
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EP1448423A1 (de
Inventor
Siegfried Pieper
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1448423B1 publication Critical patent/EP1448423B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for a transmitter and a receiver for detecting various states of deformation of a component, which are arranged independently of one another at a distance from each other via a receptacle on the component.
  • European Patent Application EP 0 352 464 A discloses such a device.
  • a deformation transducer from international application WO 01/18487 A1 is already known, in which a transmitter and a receiver for measuring deformation states are jointly arranged on a plate.
  • the plate is in this case attached via at least one clamping element to a component, wherein the clamping element has two pointed or round bearing parts and at least one bore corresponding to the plate.
  • the invention has the object of providing a holding device for a transmitter-receiver unit in such a way and to arrange that a simple and accurate installation is guaranteed.
  • the object is achieved according to the invention in that the transmitter are arranged via a first receptacle on a first holding part and the receiver via a second receptacle on a second holding part, wherein the respective receptacle and the respective holding part one or more connecting elements or one or more clamping and form a positive connection or an adhesive connection or a welded connection with the component.
  • This ensures that transmitter and receiver are arranged independently of each other on the component, wherein the receptacle for the transmitter and the receiver serves as part of the clamp connection at the same time.
  • the recording and the Holding part have a corresponding fit, wherein the fit as a tongue and groove connection and / or as a dowel pin is trained.
  • the inclusion as a claw trained and by means of a pen and / or Screw connection is connected to the holding part, wherein the receptacle and / or the holding part as a bolt, Screw and / or cam trained clamping element has, which is in operative connection with the component.
  • an additional clamping element can the recording regardless of the clamp connection on the Holding part to be attached.
  • the recording together with the holding part be moved relative to the component, without the connection between receiving and holding part must be solved.
  • the receptacle is a holding element for the transmitter and / or having the receiver, wherein the retaining element as a bore is formed and trained as a cap nut Fixing element for the transmitter and / or the receiver having.
  • the training as precision drilling ensures optimal protection for the transmitter or the receiver, with sufficient length of the bore in this can be inserted and sunk there.
  • the first recording for the Transmitter and the second receiver for the receiver at least a corresponding, via a mounting aid in Having connectable adjustment surface, wherein the Adjustment surface as a groove, bore and / or chamfer is formed and the mounting aid with the adjustment surface corresponding adjusting elements such as a spring or a Pen.
  • the mounting aid can for Any recordings find use and need not be at the Device remain behind.
  • transmitters and receivers are on each opposite sides of the rail, so with respect to the longitudinal axis of the rail on the right and the left Side of the rail, provided and extend over a track section to be measured between 3 m and 30 m.
  • the deformation .DELTA.X of the Component is proportional to the detected angle change ⁇ and is detected as a function of the component length L, wherein the area of a so determined Deformation graph "X over L" by a Averaging ⁇ X 'of all one load cycle too Underlying deformation graphs is normalized and the Ratio of deformation ⁇ X to normalized Deformation ⁇ X 'is calculated.
  • ⁇ X normalized Deformation
  • the connecting element from the positionable under the rail foot holding part and one at this height arranged, from two Legs formed receiving part, wherein in the one leg at least two screws screwed are, with the one screw against the component or the Rail foot can be applied and the other screw part one firm connection between the holding part and the component or the rail makes, the second leg against the holding part can be pressed via at least one screw.
  • Figure 1a is a railroad rail 70 with a Rail head 71 and a rail foot 72 in the Side view shown.
  • the force F is here on Point P introduced into the rail.
  • Point P introduced into the rail.
  • the force F in the idealized illustrated substrate 76, 76 'and the Track bed derived in the form of a surface pressure.
  • the load F is a deformation of the rail 70 and of the elastic track bed, via a transmitter 2 and a receiver 3 is recorded.
  • the transmitter 2 or the receiver 3 is here in one first receptacle 20 and a second receptacle 30th provided, which via a first holding part 21 or via a second holding part 31 on the rail foot 72 of the rail 70th are arranged.
  • the first recording 20 and the second receptacle 30 of the load F generated deformation of the rail 70 and deformation of the Rail foot 72 follow and thus the deformation cycle take up.
  • To record the deformation cycle is between the transmitter 2 and the first recording 20 and the Receiver 3 and the second receptacle 30 no force transferred so that the deformation cycle lossless or is determined without influence.
  • a unitary transmitter-receiver unit is provided 32 arranged in the region of the rail foot 72.
  • the Transmitter-receiver unit 32 can be used as Strain gauge and / or be designed as a light guide, which is arranged in the longitudinal direction of the rail.
  • FIG. 1c shows two transceiver units 32, 32 '. with respect to the longitudinal direction of the rail 70 opposite arranged. The attachment is again at the respective Rail foot 72 and 72 '. The respective transmitter-receiver unit 32 is here over the entire length between the Threshold 75 and the threshold 75 'provided.
  • the first receptacle 20 for the transmitter 2 and the receiver 3 on the rail foot 72 of the rail 70th arranged.
  • the first receptacle 20 has this one Screw 22 with a first holding part 21.
  • a fit 40, the off a spring 42 of the first receptacle 20 and a groove 41 of the first holding part 21 consists.
  • the spring 42 in the groove 41st pressed so that at the junction between the first receptacle 20 and the first holding part 21 a positive connection is ensured.
  • the first receptacle 20 is substantially L-shaped formed and has a first leg 20.1 and a second leg 20.2. Between the second Leg 20.2 and the first holding part 21 is the Fit 40 provided with the spring 42 and the groove 41. The Spring 42 is on the second leg 20.2 of the first Receiving 20 and the groove 41 is on the first holding part 21st arranged. By the fit 40 is next to the Screw 22 a positive connection between the first receptacle 20 and the first holding part 21 guaranteed.
  • the connecting element may be from under the rail foot placeable holding part and one at this herebybeweglich arranged, formed from two legs receiving part exist, wherein in the one leg at least two Screws are screwed, with one screw against the component or the rail foot can be applied and that other screw part a firm connection between the Holding part and the component or the rail manufactures, wherein the second leg against the holding part over at least a screw is pressable.
  • the first leg 20.1 of the first receptacle 20 has a formed as a bore holding member 24, the Recording of the transmitter 2 and the receiver 3 is used.
  • Fixation of the transmitter 2 and the receiver 3 is not a illustrated trained as a cap nut fixing element provided, which on the front side of the transmitter or the Receiver is arranged.
  • the screw 22 is passed through the first leg 20.1 and engages in a Thread 21.1 of the first holding part 21 a.
  • a Clamping element 23 is provided, which via a thread 23.1 the rail foot 72 is guided. That as a screw trained clamping element 23 thus braces the first Recording 20 via the first holding part 21 against the Rail foot 72.
  • a screw trained clamping element 23 thus braces the first Recording 20 via the first holding part 21 against the Rail foot 72.
  • the fit 40 is a clear Position of the second leg 20.2 relative to the first Holding part 21 ensures.
  • the biasing force of the Clamping element 23 is a bending force in the second Leg 20.2 initiated, leading to deformation and thus to an adjustment of the retaining element 24 for the Transmitter 2 and the receiver 3 leads.
  • a second groove 41 ' On the opposite side of the rail 70 has the first holding part 21, a second groove 41 ', the Fixation of another recording, not shown serves.
  • the first receptacle 20 and the first Holding part 21 provided in the region of the rail foot 72.
  • a second holding part 31 shown for receiving the second receptacle 30 for the receiver 3 is used.
  • the mounting aid 51 has Adjusting elements 52, 52 ', which with an adjustment surface 50th the first holding part 21 and an adjusting surface 50 'of the second holding part 31 are connectable.
  • the Adjusting elements 52, 52 ' are in this case pin-shaped trained and engage in the trained as a bore Justier vom 50 and 50 'a.
  • the adjustment surface 50 and the Adjusting surface 50 'on the bottom of the first Holding part 21 and the second holding part 31 is provided. It is also possible, the Justier vom 50, 50 'on a other side surface of the receptacle 20 and / or the To provide holding part 21.
  • the schematic diagram according to FIG. 4a shows a rail 70 with the two thresholds 75, 75 'and a transmitter 2 and a receiver 3.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 are via a first receptacle 20 and a second receptacle 30, respectively the rail 70 is arranged.
  • At the still unloaded Rail hits the emitted from the transmitter 2 measuring beam. 4 approximately in the middle of the receiver 3 or not shown receiver surface on.
  • According to Figure 4b meets the Measuring beam 4 at the point E1 of the receiver 3, the Represents zero point. No measurement signal is generated.
  • a load F1 results in a Deformation of the rail 70.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 in their relative position accordingly the deflection of the rail 70 by an angle adl twisted each other.
  • the measuring beam 4 then hits at the Receiver 3 at a position E2, a distance ds1 to point E1. This will be a measurement signal generated, the distance between the point E1 and the Point E2 on the receiver 3 or a receiver surface 3.1 equivalent.
  • the distance which is denoted ds1 according to FIG. 4d is proportional to the angle change da1 and therefore proportional for force change df1 between a rest position according to FIG. 4a and the load state according to FIG. 4c.
  • the change in position of the measuring beam 4 on the receiver 3 or its receiver surface 3.1 is shown from E1 to E2.
  • This position change generates a measuring current I1 or I2, which is transformed by the evaluation unit 60 into a measuring voltage U1 or U2.
  • a traversing wheel 73 generates, on the one hand, a normal force F Q and, on the other hand, a transverse force F Y , where F Y extends both at right angles to F Q and at right angles to the longitudinal axis of the rail 70.
  • F Y ⁇ 1 - ⁇ 2 ⁇ 1 + ⁇ 2
  • the measurement signal of a double Loading cycle shown. Before reaching the measuring point the wheel load generates a relief of the rail 70 in the Area of the measuring point, as the adjacent Rail section is loaded.
  • the measuring signal has a Signal drop L1 on. With reaching the measuring point jumps the measuring signal is analogous to the load at the measuring point a first maximum M1, which after passing through the first Rades drops again. Subsequently, the measurement signal increases with passage of the second wheel back to a second Maximum value M2. After the passage of the second wheel In turn, there is a signal drop analogous to the approach.
  • FIG 8 is shown schematically from above Track bed with a threshold 75 and a pair Rails 70, 70 'shown.
  • a digital or analog detection switch 80 provided on each rail side six transmitter-receiver units 32 follow.
  • the transmitter-receiver units 32 are alternately on the inside and the outside of the rail 70. these can alternatively only on the inside or only on the Be arranged outside.
  • Detection switch 81 ' is provided. By means of Detection switch 81, 81 ', the speed of the Train, the number and the relative position of the wheels determined and the measuring section is activated or deactivated become.
  • the measuring graph G shown in FIG. 9a1, between two thresholds 75, 75 'or between the centers of the two Thresholds 75, 75 'was determined, is in accordance with Figure 9a2 in divided into five specific measuring points.
  • the specific ones Measuring points P3 to P7 serve for further signal processing or correlation with a correction graph according to FIG. 9b2.
  • FIG. 9b1 shows a measuring graph G with a first one relative maximum R1 and a second relative Maximum R2. These relative maxima are due to a Flat location of the wheel and the resulting Alternating load of the rail generated. The flat place leads to a brief drop in the load and thus to a relative minimum F of the graph G.
  • Correction graph K To achieve an independent comparison graph or Correction graph K will be a good bike for everyone graph showing a correction graph K, the is shown in Figure 9b2.
  • the correction graph K is the same an average load cycle of a perfect wheel per sensor and per train crossing and therefore has neither relative maxima nor relative minima on.
  • Figure 9c1 is the series of all correction graphs K1 to K6 represented by six consecutive measuring points.
  • the Measuring points cover a rail section of approx. 3,60 m from. This length corresponds to at least one Wheel circumference.
  • the measuring sections overlap each other each 100 mm to each side, leaving a gapless Recording the load over the entire rail section is guaranteed.
  • Figure 9c2 are by the Wheel load cycles generated standard load graph N1 to N6 for each measuring point 1 to 6 shown.
  • Per Standard load graph N is about 1/6 of the circumference of the wheel shown.
  • the first half of the measured wheel points Accordingly, a flat spot F on, according to FIG 9b1 a Order A follows.
  • FIG. 9d shows the ratio of standard load graph N to correction graph K for a wheel circumference as a load plateau, which ensures a percentage representation of the rail load with reference to the basic load.
  • the standard load graph N according to FIG. 9e here represents the mean value of all the measuring graphs G of a train crossing normalized to the mean surface area. Irregularities of the respective wheel or of the measurement graph G are thereby retained.
  • FIG. 9f specific wheel defects per Recognize wheel rotation based on the generated measurement graphs.
  • Figure 9e1 is a plot on the wheel, the initially generates an overload.
  • FIG. 9e2 are relatively high frequency, symmetric Stress changes that indicate polygons.
  • FIG. 9e3 shows a typical signal of out-of-roundness of the wheel, the leads to a symmetric graph of low frequency nature.
  • Figure 9e4 shows a typical flat of the wheel, the first a load drop and then a Overload generated.

Landscapes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen Sender und einen Empfänger zum Erfassen verschiedener Verformungszustände eines Bauteils, die unabhängig voneinander, mit Abstand zueinander über eine Aufnahme auf dem Bauteil angeordnet sind. Die europaïsche Patentanmeldung EP 0 352 464 A offenbart eine derartige Einrichtung.
Es ist bereits ein Verformungsaufnehmer aus der internationalen Anmeldung WO 01/18487 A1 bekannt, bei der ein Sender und ein Empfänger zur Messung von Verformungszuständen gemeinsam auf einer Platte angeordnet sind. Die Platte ist hierbei über mindestens ein Klemmelement an einem Bauteil befestigt, wobei das Klemmelement zwei spitze oder runde Anlageteile und mindestens eine mit der Platte korrespondierende Bohrung aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haltevorrichtung für eine Sender-Empfänger-Einheit derart auszubilden und anzuordnen, dass eine einfache und präzise Montage gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Sender über eine erste Aufnahme auf einem ersten Halteteil und der Empfänger über eine zweite Aufnahme auf einem zweiten Halteteil angeordnet sind, wobei die jeweilige Aufnahme und das jeweilige Halteteil ein oder mehrere Verbindungselemente oder eine oder mehrere Klemm- und Formschlussverbindungen oder eine Klebeverbindung oder eine Schweißverbindung mit dem Bauteil bilden. Hierdurch wird erreicht, dass Sender und Empfänger unabhängig voneinander am Bauteil angeordnet sind, wobei die Aufnahme für den Sender und den Empfänger gleichzeitig als Teil der Klemmverbindung dient. Durch die Integration der Aufnahme in die Klemmvorrichtung wird beim Klemmvorgang eine Verformung der Aufnahme und damit eine Justierung des Senders bzw. des Empfängers generiert. Die Unabhängigkeit von Sender- und Empfängeraufnahme bzw. Halteteil gewährleistet eine einflussfreie Verformungsaufnahme des Bauteils. Weder Sender noch Empfänger nehmen eine durch die Verformung des Bauteils generierte Kraft auf.
Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass die Aufnahme und das Halteteil eine korrespondierende Passung aufweisen, wobei die Passung als Nut-Feder-Verbindung und/oder als Passstift ausgebildet ist. Durch die Passung wird der Montageaufwand bzw. der Justieraufwand der Aufnahme auf dem Halteteil auf ein Minimum reduziert.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Aufnahme als Pratze ausgebildet und mittels einer Stift- und/oder Schraubverbindung mit dem Halteteil verbunden ist, wobei die Aufnahme und/oder das Halteteil ein als Bolzen, Schraube und/oder Nocke ausgebildetes Klemmelement aufweist, das mit dem Bauteil in Wirkverbindung steht. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Klemmelements kann die Aufnahme unabhängig von der Klemmverbindung auf dem Halteteil befestigt werden. Über das unabhängige Klemmelement kann die Aufnahme zusammen mit dem Halteteil relativ zum Bauteil bewegt werden, ohne dass die Verbindung zwischen Aufnahme und Halteteil gelöst werden muss.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die Aufnahme ein Halteelement für den Sender und/oder den Empfänger aufweist, wobei das Halteelement als Bohrung ausgebildet ist und ein als Hutmutter ausgebildetes Festsetzelement für den Sender und/oder den Empfänger aufweist. Die Ausbildung als Präzisionsbohrung gewährleistet einen optimalen Schutz für den Sender bzw. den Empfänger, der bei ausreichender Länge der Bohrung in diese eingeschoben und dort versenkt werden kann.
Vorteilhaft ist es ferner, dass die erste Aufnahme für den Sender und die zweite Aufnahme für den Empfänger mindestens eine korrespondierende, über eine Montagehilfe in Verbindung bringbare Justierfläche aufweist, wobei die Justierfläche als Nut, Bohrung und/oder als Fase ausgebildet ist und die Montagehilfe mit der Justierfläche korrespondierende Justierelemente wie eine Feder oder einen Stift aufweist. Dadurch können eine Sender-Aufnahme und eine Empfänger-Aufnahme auf einfache Weise relativ zueinander ausgerichtet werden. Die Montagehilfe kann für beliebige Aufnahmen Verwendung finden und muss nicht an der Vorrichtung zurückbleiben.
Ferner ist es vorteilhaft, dass in einem Messbereich des Bauteils mehrere Aufnahmen vorgesehen sind, wobei die Empfänger über eine Auswerteeinheit in Wirkverbindung stehen.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass mehrere an gegenüberliegenden Seiten des Bauteils angeordnete Sender-Empfänger-Paare vorgesehen sind. Bei der Verwendung der Vorrichtung zur Messung bei Gleisanlagen sind die Sender und Empfänger jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Schiene, also mit Bezug auf die Längsachse der Schiene auf der rechten und der linken Seite der Schiene, vorgesehen und erstrecken sich über einen zu messenden Gleisabschnitt zwischen 3 m und 30 m.
Schließlich ist es von Vorteil, dass ein vom Empfänger generierter Messstrom innerhalb der Auswerteeinheit in eine Messspannung transformiert wird und die der Spannungsänderung zu Grunde liegende Winkeländerung zwischen Sender und Empfänger nach folgender Formel ermittelt wird: U 1 - U 2 U 1 + U 2 = Δα1
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, dass die der Verformung des Bauteils zu Grunde liegenden Belastungskräfte FQ, FY rechtwinklig zur Längsrichtung des Bauteils nach folgender Formel ermittelt werden: F Q = Δα1 + Δα2 2 F Y = Δα1 - Δα2 Δα1 + Δα2 wobei FQ die Kraft in Richtung der Lotrechten und FY die Kraft rechtwinklig dazu verläuft und α1, α2 die Winkeländerung von mindestens zwei verschiedenen Sender-Empfänger-Paaren ist, die mit Bezug zur Y-Richtung am Bauteil einseitig und/oder gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass die Verformung ΔX des Bauteils proportional zur erfassten Winkeländerung Δα ist und in Abhängigkeit der Bauteillänge L erfasst wird, wobei der Flächeninhalt eines so ermittelten Verformungsgraphen "X über L" durch eine Mittelwertbildung ΔX' aller einem Belastungszyklus zu Grunde liegenden Verformungsgraphen normiert wird und das Verhältnis von der Verformung ΔX zur normierten Verformung ΔX' errechnet wird. Für die Normierung werden alle einer normalen Belastung entsprechenden Verformungsgraphen gemittelt. Die von einer normalen Verformung abweichenden Graphen werden nicht berücksichtigt, da diese das Gesamtergebnis des mittleren Belastungsgraphen verfälschen. Somit werden alle Einflussgrößen wie Temperatur, Gleisbettbeschaffenheit, Materialbeschaffenheit und Grundbelastung des Bauteils eliminiert, so dass eine Darstellung einer im Verhältnis zur Grundbelastung stehenden Verformung des Bauteils gewährleistet ist.
Vorteilhaft ist es schließlich, dass das Verbindungselement aus dem unter dem Schienenfuß platzierbaren Halteteil und einem an diesem höhenbeweglich angeordneten, aus zwei Schenkeln gebildeten Aufnahmeteil besteht, wobei in den einen Schenkel mindestens zwei Schrauben einschraubbar sind, wobei die eine Schraube gegen das Bauteil oder den Schienenfuß anlegbar ist und das andere Schraubenteil eine feste Verbindung zwischen dem Halteteil und dem Bauteil oder der Schiene herstellt, wobei der zweite Schenkel gegen das Halteteil über mindestens eine Schraube pressbar ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Figur 1a
eine schematische Darstellung einer Schiene mit einem Sender und einem Empfänger;
Figur 1b
eine schematische Darstellung der Schiene mit einer Sender-Empfänger-Einheit;
Figur 2
eine schematische Darstellung der Schiene im Querschnitt mit einer Aufnahme und einem Halteteil;
Figur 3
eine schematische Darstellung der Schiene mit der Aufnahme und einer Montagehilfe;
Figur 4a
eine schematische Darstellung der Schiene mit dem Sender, dem Empfänger und einem Messstrahl;
Figur 4b
eine schematische Darstellung des Senders und des Empfängers mit neutralem Messstrahl;
Figur 4c
eine schematische Darstellung des Senders und des Empfängers mit abgelenktem Messstrahl;
Figur 4d
eine schematische Darstellung des Senders und des Empfängers in der Seitenansicht mit abgelenktem Messstrahl;
Figur 5
den Empfänger mit Stromabgriff und Teil der Auswerteeinheit;
Figur 6
eine schematische Darstellung der Schiene im Querschnitt mit gegenüber angeordneten Empfängern und abgelenktem Messstrahl;
Figur 7
Messgraph zweier Räder mit An- und Abfahrt;
Figur 8
eine schematische Darstellung eines Gleisbetts mit mehreren Sender-Empfänger-Einheiten und zwei Detektionsschalter-Paare;
Figur 9a1
Messgraph einer Biegelinie zwischen zwei Schwellen über der Zeit t;
Figur 9a2
Messgraph einer Biegelinie zwischen zwei Schwellen über dem Weg s;
Figur 9b1
Messgraph einer Biegelinie zwischen zwei Schwellen über dem Weg s mit Flachstelle;
Figur 9b2
Korrekturgraph für eine Biegelinie zwischen zwei Schwellen über dem Weg s;
Figur 9c1
Korrekturgraph für mehrere Messstellen über dem Weg s;
Figur 9c2
Messgraph mehrerer Messstellen über dem Weg s;
Figur 9d
Darstellung des Verhältnisses von Messgraph zu Korrekturgraph über dem Weg s;
Figur 9e1
Darstellung einer Auftragung des Rades durch ein Belastungsplateau;
Figur 9e2
Darstellung einer Polygone des Rades durch ein Belastungsschaubild;
Figur 9e3
Darstellung einer Unrundheit des Rades durch ein Belastungsschaubild;
Figur 9e4
Darstellung einer Flachstelle des Rades durch ein Belastungsschaubild.
In Figur 1a ist eine Eisenbahn-Schiene 70 mit einem Schienenkopf 71 und einem Schienenfuß 72 in der Seitenansicht dargestellt. Auf die Schiene 70 wirkt eine Belastungskraft F eines Rades 73 eines nicht dargestellten Personen- oder Güterzuges. Die Kraft F wird hierbei am Punkt P in die Schiene eingeleitet. Über die Punkte P1 und P2 bzw. die Schwellen 75, 75' wird die Kraft F in den idealisiert dargestellten Untergrund 76, 76' bzw. das Gleisbett in Form einer Flächenpressung abgeleitet. Durch die Belastung F erfolgt eine Verformung der Schiene 70 und des elastischen Gleisbetts, die über einen Sender 2 und einen Empfänger 3 aufgenommen wird.
Der Sender 2 bzw. der Empfänger 3 ist hierbei in einer ersten Aufnahme 20 bzw. einer zweiten Aufnahme 30 vorgesehen, die über ein erstes Halteteil 21 bzw. über ein zweites Halteteil 31 am Schienenfuß 72 der Schiene 70 angeordnet sind. Hierbei wird die erste Aufnahme 20 bzw. die zweite Aufnahme 30 der durch die Belastung F generierten Verformung der Schiene 70 bzw. Verformung des Schienenfußes 72 folgen und somit den Verformungszyklus aufnehmen. Zur Aufnahme des Verformungszyklus wird zwischen dem Sender 2 bzw. der ersten Aufnahme 20 und dem Empfänger 3 bzw. der zweiten Aufnahme 30 keine Kraft übertragen, so dass der Verformungszyklus verlustfrei bzw. einflussfrei ermittelt wird.
Gemäß Figur 1b ist eine einheitliche Sender-Empfänger-Einheit 32 im Bereich des Schienenfußes 72 angeordnet. Die Sender-Empfänger-Einheit 32 kann hierbei als Dehnmessstreifen und/oder als Lichtleiter ausgebildet sein, der in Längsrichtung der Schiene angeordnet ist.
In Figur 1c sind zwei Sender-Empfänger-Einheiten 32, 32' mit Bezug zur Längsrichtung der Schiene 70 gegenüberliegend angeordnet. Die Befestigung erfolgt wiederum am jeweiligen Schienenfuß 72 bzw. 72'. Die jeweilige Sender-Empfänger-Einheit 32 ist hierbei über die gesamte Länge zwischen der Schwelle 75 und der Schwelle 75' vorgesehen.
In Figur 2 ist die erste Aufnahme 20 für den Sender 2 bzw. den Empfänger 3 am Schienenfuß 72 der Schiene 70 angeordnet. Die erste Aufnahme 20 weist hierzu eine Schraubverbindung 22 mit einem ersten Halteteil 21 auf. Neben der Schraubverbindung 22 weist die erste Aufnahme 20 mit dem ersten Halteteil 21 eine Passung 40 auf, die aus einer Feder 42 der ersten Aufnahme 20 und einer Nut 41 des ersten Halteteils 21 besteht. Durch die Schraubverbindung 22 wird die Feder 42 in die Nut 41 gepresst, so dass an der Verbindungsstelle zwischen der ersten Aufnahme 20 und dem ersten Halteteil 21 eine formschlüssige Verbindung gewährleistet ist.
Die erste Aufnahme 20 ist im wesentlichen L-förmig ausgebildet und weist einen ersten Schenkel 20.1 und einen zweiten Schenkel 20.2 auf. Zwischen dem zweiten Schenkel 20.2 und dem ersten Halteteil 21 ist die Passung 40 mit der Feder 42 und der Nut 41 vorgesehen. Die Feder 42 ist am zweiten Schenkel 20.2 der ersten Aufnahme 20 und die Nut 41 ist am ersten Halteteil 21 angeordnet. Durch die Passung 40 wird neben der Schraubverbindung 22 eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Aufnahme 20 und dem ersten Halteteil 21 gewährleistet.
Das Verbindungselement kann aus dem unter dem Schienenfuß platzierbaren Halteteil und einem an diesem höhenbeweglich angeordneten, aus zwei Schenkeln gebildeten Aufnahmeteil bestehen, wobei in den einen Schenkel mindestens zwei Schrauben einschraubbar sind, wobei die eine Schraube gegen das Bauteil oder den Schienenfuß anlegbar ist und das andere Schraubenteil eine feste Verbindung zwischen dem Halteteil und dem Bauteil oder der Schiene herstellt, wobei der zweite Schenkel gegen das Halteteil über mindestens eine Schraube pressbar ist.
Der erste Schenkel 20.1 der ersten Aufnahme 20 weist ein als Bohrung ausgebildetes Halteelement 24 auf, das zur Aufnahme des Senders 2 bzw. des Empfängers 3 dient. Zur Fixierung des Senders 2 bzw. des Empfängers 3 ist ein nicht dargestelltes als Hutmutter ausgebildetes Festsetzelement vorgesehen, welches an der Stirnseite des Senders bzw. des Empfängers angeordnet ist. Die Schraubverbindung 22 ist durch den ersten Schenkel 20.1 geführt und greift in ein Gewinde 21.1 des ersten Halteteils 21 ein.
Neben der Schraubverbindung 22 und der Passung 40 ist ein Klemmelement 23 vorgesehen, das über ein Gewinde 23.1 auf den Schienenfuß 72 geführt wird. Das als Schraube ausgebildete Klemmelement 23 verspannt somit die erste Aufnahme 20 über das erste Halteteil 21 gegen den Schienenfuß 72. Durch die Passung 40 ist eine eindeutige Lage des zweiten Schenkels 20.2 gegenüber dem ersten Halteteil 21 gewährleistet. Durch die Vorspannkraft des Klemmelements 23 wird eine Biegekraft in den zweiten Schenkel 20.2 eingeleitet, die zu einer Verformung und damit zu einer Justierung des Halteelements 24 für den Sender 2 bzw. den Empfänger 3 führt.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Schiene 70 weist das erste Halteteil 21 eine zweite Nut 41' auf, die zur Fixierung einer weiteren nicht dargestellten Aufnahme dient.
Gemäß Figur 3 sind die erste Aufnahme 20 und das erste Halteteil 21 im Bereich des Schienenfußes 72 vorgesehen. Neben dem ersten Halteteil 21 ist ein zweites Halteteil 31 dargestellt, das zur Aufnahme der zweiten Aufnahme 30 für den Empfänger 3 dient. Zur Montage der ersten Aufnahme 20 bzw. der zweiten Aufnahme 30 ist eine Montagehilfe 51 vorgesehen. Die Montagehilfe 51 weist Justierelemente 52, 52' auf, die mit einer Justierfläche 50 des ersten Halteteils 21 und einer Justierfläche 50' des zweiten Halteteils 31 verbindbar sind. Die Justierelemente 52, 52' sind hierbei stiftförmig ausgebildet und greifen in die als Bohrung ausgebildeten Justierflächen 50 und 50' ein.
Gemäß Figur 3 sind die Justierfläche 50 und die Justierfläche 50' auf der Unterseite des ersten Halteteils 21 bzw. des zweiten Halteteils 31 vorgesehen. Es ist auch möglich, die Justierflächen 50, 50' auf einer anderen Seitenfläche der Aufnahme 20 und/oder des Halteteils 21 vorzusehen.
Das Prinzipschaubild gemäß Figur 4a zeigt eine Schiene 70 mit den beiden Schwellen 75, 75' sowie einem Sender 2 und einem Empfänger 3. Der Sender 2 und der Empfänger 3 sind über eine erste Aufnahme 20 bzw. eine zweite Aufnahme 30 an der Schiene 70 angeordnet. Bei der noch unbelasteten Schiene trifft der vom Sender 2 emittierte Messstrahl 4 etwa mittig auf den Empfänger 3 bzw. eine nicht dargestellte Empfängerfläche auf. Gemäß Figur 4b trifft der Messstrahl 4 an der Stelle E1 des Empfängers 3 auf, die den Nullpunkt darstellt. Es wird kein Messsignal generiert.
In Figur 4c kommt es aufgrund einer Belastung F1 zu einer Verformung der Schiene 70. Hierdurch werden der Sender 2 und der Empfänger 3 in ihrer relativen Lage entsprechend der Durchbiegung der Schiene 70 um einen Winkel adl zueinander verdreht. Der Messstrahl 4 trifft dann bei dem Empfänger 3 auf einer Stelle E2 auf, die einen Abstand ds1 zum Punkt E1 aufweist. Hierdurch wird ein Messsignal generiert, das der Entfernung zwischen dem Punkt E1 und dem Punkt E2 auf dem Empfänger 3 bzw. einer Empfängerfläche 3.1 entspricht.
Der Abstand, der gemäß Figur 4d mit ds1 bezeichnet ist, ist proportional zur Winkeländerung da1 und damit proportional zur Kraftänderung df1 zwischen einer Ruhelage gemäß Figur 4a und dem Belastungszustand gemäß Figur 4c.
Gemäß Figur 5 ist die Positionsänderung des Messstrahls 4 auf dem Empfänger 3 bzw. seiner Empfängerfläche 3.1 von E1 nach E2 dargestellt. Diese Positionsänderung generiert einen Messstrom I1 bzw. I2, der durch die Auswerteeinheit 60 in eine Messspannung U1 bzw. U2 transformiert wird. Die zur Verformung bzw. zum Krafteintrag proportionale Winkeländerung da1 berechnet sich nach folgender Formel: U 1 - U 2 U 1 + U 2 = Δα1 = ΔS 1 = ΔF 1
Gemäß Figur 6 wird durch ein überfahrendes Rad 73 zum einen eine Normalkraft FQ generiert und zum anderen eine Querkraft FY, wobei FY sowohl rechtwinklig zu FQ als auch rechtwinklig zur Längsachse der Schiene 70 verläuft. Zur Erfassung beider Querkräfte FQ und FY sind zwei Sender-Empfänger-Einheiten 32, 32' mit jeweils einem Empfänger 3, 3' notwendig, die mit Bezug zur Schiene 70 an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind. Demnach berechnen sich FQ und FY nach folgenden Formeln: F Q = Δα1 + Δα2 2 F Y = Δα1 - Δα2 Δα1 + Δα2
In Figur 7 ist das Messsignal eines doppelten Belastungszyklus dargestellt. Vor Erreichen der Messstelle generiert die Radlast eine Entlastung der Schiene 70 im Bereich der Messstelle, da der benachbarte Schienenabschnitt belastet wird. Das Messsignal weist einen Signalabfall L1 auf. Mit Erreichen der Messstelle springt das Messsignal analog zur Belastung an der Messstelle auf ein erstes Maximum M1 an, das nach Durchlauf des ersten Rades wieder abfällt. Anschließend steigt das Messsignal mit Durchlauf des zweiten Rades wieder auf einen zweiten Maximalwert M2 an. Nach dem Durchlauf des zweiten Rades kommt es wiederum zu einem Signalabfall analog zur Anfahrt.
In Figur 8 ist das schematisch von oben dargestellte Gleisbett mit einer Schwelle 75 und einem Paar Schienen 70, 70' dargestellt. Mit Bezug zur Fahrtrichtung des Zuges ist links von der Sender-Empfänger-Einheit 32 bzw. 32' ein digitaler oder analoger Detektionsschalter 80 vorgesehen, dem auf jeder Schienenseite sechs Sender-Empfänger-Einheiten 32 folgen. Die Sender-Empfänger-Einheiten 32 sind hierbei wechselweise auf der Innenseite und der Außenseite der Schiene 70 angeordnet. Diese können wahlweise auch nur auf der Innenseite oder nur auf der Außenseite angeordnet sein. Anschließend ist ein weiterer Detektionsschalter 81' vorgesehen. Mittels der Detektionsschalter 81, 81' können die Geschwindigkeit des Zuges, die Anzahl und die relative Position der Räder bestimmt und die Messstrecke aktiviert bzw. deaktiviert werden.
Der in Figur 9a1 dargestellte Messgraph G, der zwischen zwei Schwellen 75, 75' bzw. zwischen den Mitten der beiden Schwellen 75, 75' ermittelt wurde, wird gemäß Figur 9a2 in fünf spezifische Messpunkte unterteilt. Die spezifischen Messpunkte P3 bis P7 dienen der weiteren Signalverarbeitung bzw. Korrelation mit einem Korrekturgraphen gemäß Figur 9b2.
Figur 9b1 zeigt einen Messgraphen G mit einem ersten relativen Maximum R1 und einem zweiten relativen Maximum R2. Diese relativen Maxima werden aufgrund einer Flachstelle des Rades und der damit erfolgenden Wechselbelastung der Schiene generiert. Die Flachstelle führt zu einem kurzzeitigen Abfall der Belastung und damit zu einem relativen Minimum F des Graphen G.
Zur Erreichung eines unabhängigen Vergleichsgraphen bzw. Korrekturgraphen K wird aus allen ein gutes Rad darstellenden Graphen ein Korrekturgraph K ermittelt, der in Figur 9b2 dargestellt ist. Der Korrekturgraph K gleicht einem durchschnittlichen Belastungszyklus eines einwandfreien Rades pro Sensor und pro Zugüberfahrt und weist demnach weder relative Maxima noch relative Minima auf.
In Figur 9c1 ist die Reihe aller Korrekturgraphen K1 bis K6 von sechs aufeinanderfolgenden Messstellen dargestellt. Die Messstellen decken hierbei ein Schienenteilstück von ca. 3,60 m ab. Diese Länge entspricht mindestens einem Radumfang. Die Messstrecken überlappen sich hierbei um jeweils 100 mm zu jeder Seite hin, so dass eine lückenlose Erfassung der Belastung über das gesamte Schienenstück gewährleistet ist. In Figur 9c2 sind die durch die Radbelastungszyklen generierten Normbelastungsgraphen N1 bis N6 für jede Messstelle 1 bis 6 dargestellt. Pro Normbelastungsgraph N ist hierbei etwa 1/6 des Radumfangs dargestellt. Die erste Hälfte des gemessenen Rades weist demnach eine Flachstelle F auf, der gemäß Figur 9b1 ein Auftrag A folgt.
In Figur 9d ist das Verhältnis von Normbelastungsgraph N zu Korrekturgraph K für einen Radumfang als Belastungsplateau dargestellt, das eine prozentuale Darstellung der Schienenbelastung mit Bezug zur Grundbelastung gewährleistet. Der Normbelastungsgraph N gemäß Figur 9e stellt hierbei den auf den mittleren Flächeninhalt normierten Mittelwert aller Messgraphen G einer Zugüberfahrt dar. Unregelmäßigkeiten des jeweiligen Rades bzw. des Messgraphen G bleiben dabei erhalten. Der Normbelastungsgraph N und der Kehrwert des Korrekturgraphen K werden hierbei gemäß Figur 9e überlagert und weisen einen gemeinsamen Spiegelwert S auf, mit Hilfe dessen das Verhältnis gemäß Figur 9d nach folgender Formel ermittelt wird: Q = S - N 1 K - S
Gemäß Figur 9f lassen sich spezifische Radmängel pro Radumlauf anhand der generierten Messgraphen erkennen. Nach Figur 9e1 handelt es sich um eine Auftragung am Rad, die zunächst eine Überbelastung generiert. Bei dem Graph gemäß 9e2 handelt es sich um relativ hochfrequente, symmetrische Belastungsänderungen, die auf Polygone hinweisen. Figur 9e3 zeigt ein typisches Signal einer Unrundheit des Rades, die zu einem symmetrischen Graphen niederfrequenter Art führt. Figur 9e4 zeigt eine typische Flachstelle des Rades, die zunächst einen Belastungsabfall und nachfolgend eine Überbelastung generiert.
Bezugszeichenliste
1
Bauteil
2
Sender
3
Empfänger
3'
Empfänger
3.1
Empfängerfläche
4
Messstrahl
11
gegenüberliegende Seite
12
gegenüberliegende Seite
20
erste Aufnahme
20.1
erster Schenkel
20.2
zweiter Schenkel
21
erstes Halteteil
21.1
Gewinde
22
Schraubverbindung
23
Klemmelement
23.1
Gewinde
24
Halteelement
30
zweite Aufnahme
31
zweites Halteteil
32
Sender-Empfänger-Einheit
32'
Sender-Empfänger-Einheit
40
Passung
41
Nut
41'
Nut
42
Feder
50
Justierfläche
50'
Justierfläche
51
Montagehilfe
52
Justierelement
52'
Justierelement
60
Auswerteeinheit
70
Schiene
70'
Schiene
71
Schienenkopf
72
Schienenfuß
72'
Schienenfuß
73
Rad
75
Schwelle, Lager
75'
Schwelle, Lager
80
Detektionsschalter
80'
Detektionsschalter
81
Detektionsschalter
81'
Detektionsschalter

Claims (16)

  1. Vorrichtung für einen Sender (2) und einen Empfänger (3) zum Erfassen verschiedener Verformungszustände eines Bauteils (1), die unabhängig voneinander, mit Abstand zueinander über eine Aufnahme (20, 30) auf dem Bauteil (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) über eine erste Aufnahme (20) auf einem ersten Halteteil (21) und der Empfänger (3) über eine zweite Aufnahme (30) auf einem zweiten Halteteil (31) angeordnet sind, wobei die jeweilige Aufnahme (20, 30) und das jeweilige Halteteil (21, 31) ein oder mehrere Verbindungselemente oder eine oder mehrere Klemm- und Formschlussverbindungen oder eine Klebeverbindung oder eine Schweißverbindung mit dem Bauteil (1) bilden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) einen Verformungsaufnehmer bilden, der unmittelbar an einem Schienenfuß (72) des als Eisenbahnschiene ausgebildeten Bauteils (1) in Längsrichtung der Eisenbahnschiene angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (20, 30) und das Halteteil (21, 31) eine korrespondierende Passung (40) aufweisen.
  4. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passung (40) als Feder-Nut-Verbindung und/oder als Passstift ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (20, 30) als Pratze ausgebildet und mittels einer Stift- und/oder Schraubverbindung (22) mit dem Halteteil (21, 31) verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (20, 30) und/oder das Halteteil (21) ein Klemmelement (23) aufweist, das mit dem Bauteil (1) in Wirkverbindung steht.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmelement (23) als Bolzen, Schraube und/oder Nocke ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (20, 30) ein Halteelement (24) für den Sender (2) und/oder den Empfänger (3) aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (24) als Bohrung ausgebildet ist und ein als Hutmutter ausgebildetes Festsetzelement für den Sender (2) und/oder den Empfänger (3) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aufnahme (20) für den Sender (2) und die zweite Aufnahme (30) für den Empfänger (3) mindestens eine korrespondierende, über eine Montagehilfe (51) in Verbindung bringbare Justierfläche (50) aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierfläche (50) als Nut, Bohrung und/oder als Fase ausgebildet ist, wobei die Montagehilfe (51) mit der Justierfläche (50) korrespondierende Justierelemente (52) aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Messbereich des Bauteils (1) mehrere Aufnahmen (20, 30) vorgesehen sind, wobei die Empfänger (3) über eine Auswerteeinheit (60) in Wirkverbindung stehen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere an gegenüberliegenden Seiten (11, 12) des Bauteils (1) angeordnete Sender (2)-Empfänger (3)-Paare vorgesehen sind.
  14. Verfahren zum Messen der Verformung eines Bauteils mittels der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    a) ein vom Empfänger (3) generierter Messstrom wird innerhalb der Auswerteeinheit (60) in eine Messspannung transformiert,
    b) die der Spannungsänderung zu Grunde liegende Winkeländerung zwischen Sender (2) und Empfänger (3) wird nach folgender Formel ermittelt: U 1 - U 2 U 1 + U 2 = Δα1
    c) die der Verformung des Bauteils zu Grunde liegenden Belastungskräfte FQ, FY rechtwinklig zur Längsrichtung des Bauteils werden nach folgender Formel ermittelt: F Q = Δα1 + Δα2 2 F Y = Δα1 - Δα2 Δα1 + Δα2 wobei FQ die Kraft in Richtung der Lotrechten und FY die Kraft rechtwinklig dazu ist und α1, α2 die Winkeländerung von mindestens zwei verschiedenen Sender (2)-Empfänger (3)-Paaren ist, die mit Bezug zur Y-Richtung am Bauteil (1) einseitig und/oder gegenüberliegend angeordnet sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    a) die Verformung ΔX des Bauteils ist proportional zur erfassten Winkeländerung Δα und wird in Abhängigkeit der Bauteillänge L erfasst,
    b) der Flächeninhalt eines so ermittelten Verformungsgraphen "X über L" wird durch eine Mittelwertbildung ΔX' aller einem Belastungszyklus zu Grunde liegenden Verformungsgraphen normiert,
    c) das Verhältnis von der Verformung ΔX zur normierten Verformung ΔX' wird errechnet.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement aus dem unter dem Schienenfuß (72) platzierbaren Halteteil (21) und einem an diesem höhenbeweglich angeordneten, aus zwei Schenkeln (20.1, 20.2) gebildeten Aufnahmeteil (20) besteht, wobei in den einen Schenkel mindestens zwei Schrauben (22, 23) einschraubbar sind, wobei die eine Schraube (23) gegen das Bauteil (1) oder den Schienenfuß (72) anlegbar ist und das andere Schraubenteil (22) eine feste Verbindung zwischen dem Halteteil (21) und dem Bauteil (1) oder der Schiene (70) herstellt, wobei der zweite Schenkel (20.2) gegen das Halteteil (21) über mindestens eine Schraube (22) pressbar ist.
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