EP1582429B1 - Verfahren zur Prüfung und Beurteilung einer Überlaufgeometrie von Gleisbauteilen - Google Patents

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EP1582429B1 EP05000969A EP05000969A EP1582429B1 EP 1582429 B1 EP1582429 B1 EP 1582429B1 EP 05000969 A EP05000969 A EP 05000969A EP 05000969 A EP05000969 A EP 05000969A EP 1582429 B1 EP1582429 B1 EP 1582429B1
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    • 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
    • B61K9/08—Measuring installations for surveying permanent way
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims

Definitions

  • the invention relates to a method for testing and assessing a geometry of track components of rail traffic routes in an area in which these track components are touched by wheels of rail vehicles, a so-called. Overflow geometry.
  • track components - such as frogs in points
  • rail extensions o.ä. - be subjected to a regular inspection and, if necessary, a repair with regard to their geometric condition, so that further damage or failure of the component can be ruled out until the subsequent inspection.
  • Deviations from a given target geometry for example, extensions on the frog and wing rail
  • an overflow geometry test involves only a test and assessment of a frog ramp and a frog tip 7 using simple measuring instruments (ruler, measuring wedge or measuring point probe).
  • Fig. 1a the use of a measuring point probe 9, Fig. 1b of a ruler 10 as well Fig. 1c
  • a height difference between the top edge of the frog and a wing rail 6 in a cross section "L1", a theoretical wheel overflow, and "L” is measured by means of a heart gauge.
  • the disadvantage of these measuring methods is that they are inaccurate, time-consuming and heavily influenced by the subjective influences of operating and evaluating personnel.
  • Out DE 24 60 618 A1 is a mobile device for measuring a track position, ie the altitude and the track width of a track, known.
  • a chassis frame rolls over the track on a total of three track rollers or wheels.
  • the height of the track is determined by means of a mounted on the chassis frame theodolites, the gauge via an adjustable boom of the chassis frame.
  • a track geometry measurement is known in which a sensor-based online detection system with evaluation of wheel and track-related data during a train journey by interpretation of the measured values is used with the aid of temporal and geometric correlation analysis ( DE 198 27 271 A1 ).
  • As part of this track geometry measurement no determination of the actual movement of the wheel is performed.
  • the contact geometry between wheel and rail which significantly influences the trajectory, in particular when driving over a turnout or a rail extension, is not determined.
  • the spatial course of the trajectory of a wheel provided with a reference wheel profile when rolling over the respective track component in a spatially fixed coordinate system is determined directly or indirectly and then evaluated in terms of its dynamic effects.
  • the advantage here is that the validity of the test of the geometric state by the inventive determination of the vertical movement of a component rolling over the wheel in a spatially fixed coordinate system and their subsequent computer-aided evaluation significantly improved and objectified.
  • a higher than the prior art measurement accuracy is achieved at the same time higher measurement speed.
  • the entire area of the design-related lowering and subsequent lifting of the wheel (wing rail bend to K point) is continuously recorded and assessed.
  • intervention thresholds for the repair must be specified for these variables, see Fig. 2 .
  • the concrete definition of intervention thresholds is influenced by numerous constraints and must be based on a technical and economic analysis by the infrastructure manager. Claim 2 includes a reciprocal to claim 1 method.
  • a state of wear of wheels of rail vehicles is determined by the spatial profile of the trajectory of the respective wheel when rolling over a reference track member in a spatially fixed coordinate system directly or indirectly determined and then evaluated in terms of its dynamic effects.
  • the state of wear of wheels can also advantageously be determined by measuring means which are moved via a track body, in particular by the wheel provided with the reference wheel profile of claim 1.
  • the inventive determination of the vertical trajectory of the wheel is carried out using a suitable Referenzradprofils that is performed in a defined position (eg Radsatzffenwolf somehow) on the component.
  • a measurement of the transverse profiles of the track component is carried out with subsequent calculation of the vertical movement of the reference wheel.
  • the measured transverse profiles must necessarily be specified in a common space-fixed reference system. This can be ensured, for example, by a measuring frame oriented parallel to the track plane, on which a profile measuring device which can be displaced in the longitudinal direction is placed.
  • an optical measurement of the transverse profiles by means of laser light section from a moving vehicle is conceivable.
  • the fixed spatial reference for example, by the combination of profiling with an inertial (gyro) can be produced. The position of the moving measuring system in the room is continuously determined and recorded.
  • a first particularly advantageous embodiment relates to a direct mechanical scanning of the geometry of the track.
  • a measuring roller 1 which is movable vertically and horizontally in a measuring base 2 oriented parallel to the track plane and having the shape of the reference wheel profile is guided over the area of the possible vertical lowering 3.
  • the lowering of the measuring roller 1 on the taxiway 4 is continuously recorded and subsequently evaluated using an evaluation software.
  • a second embodiment relates to a profile measurement and subsequent calculation of the vertical wheel movement with an indirect method.
  • a measurement of the transverse profiles of the track component is carried out with subsequent calculation of the vertical movement of the reference wheel.
  • the measured transverse profiles must necessarily be specified in a common space-fixed reference system. This can be ensured, for example, by a measuring frame oriented parallel to the track plane, on which a profile measuring device which can be displaced in the longitudinal direction is placed.
  • an optical measurement of the transverse profiles by means of laser light section from the moving vehicle is conceivable.
  • the fixed spatial reference For example, be produced by combining the profiling with an inertial (gyro platform). The position of the moving measuring system in the room is continuously determined and recorded. With the help of this information, a transformation of the measured transverse profiles into the track level is then carried out.
  • the smallest possible sampling interval is generally to be selected in order to obtain a realistic trajectory of the center of gravity of the wheel.
  • a contact geometric calculation is carried out, in which the vertical position of the wheel is determined for each measuring cross section.
  • the vertical trajectory of the wheel which is now available for further evaluation. If the number or density of the measuring cross-sections is not sufficient to determine the trajectory of the wheel sufficiently accurately, the evaluation can also be carried out for additional interpolated cross-sections.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung und Beurteilung einer Geometrie von Gleisbauteilen von Schienenverkehrswegen in einem Bereich, in dem diese Gleisbauteile von Rädern von Schienenfahrzeugen berührt werden, einer sog. Überlaufgeometrie.
    Zur Gewährleistung eines sicheren und wirtschaftlichen Bahnbetriebes müssen Gleisbauteile - wie beispielsweise Herzstücke in Weichen, Schienenauszüge o.ä. - bezüglich ihres geometrischen Zustandes einer regelmäßigen Inspektion und im Bedarfsfall einer Instandsetzung unterzogen werden, so dass eine weitere Schädigung bzw. ein Versagen des Bauteils bis zur nachfolgenden Inspektion auszuschließen ist. Für eine im Vorfeld der Instandsetzung durchzuführende schweißtechnische Arbeitsaufnahme müssen Abweichungen von einer vorgegebenen Sollgeometrie (beispielsweise Ausfahrungen an Herzstück und Flügelschiene) gemessen werden, um daraus notwendige Korrekturmaßnahmen ableiten zu können.
    Im Stand der Technik gemäß Fig. 1 umfasst eine Prüfung der Überlaufgeometrie lediglich eine Prüfung und Beurteilung einer Herzstückrampe und einer Herzstück-Spitze 7 unter Verwendung einfacher Messmittel (Lineal, Messkeil oder Messpunkttaster). Hierbei zeigt Fig. 1a die Verwendung eines Messpunkttasters 9, Fig. 1b eines Lineals 10 sowie Fig. 1c einer Herzstückmesslehre 11. Zusätzlich wird eine Höhendifferenz zwischen der Oberkante von Herzstück und einer Flügelschiene 6 in einem Querschnitt "L1", einem theoretischen Radüberlauf, und "L" mit Hilfe einer Herzstückmesslehre gemessen.
    Nachteil dieser Messverfahren ist jedoch, dass diese ungenau, zeitraubend und stark von subjektiven Einflüssen von bedienendem und auswertendem Personal geprägt sind. Desweiteren kann aus erfassten Messgrößen nur unzureichend auf dynamische Auswirkungen von festgestellten Abweichungen von der Sollgeometrie geschlossen werden, da die Herzstückrampe nur punktuell erfasst wird und sich eine tatsächliche vertikale Bewegung eines Rades aufgrund einer Profilgeometrie von Rad und Schiene deutlich von dem mittels Bezug auf eine Schienenoberkante erfassten Rampenverlauf unterscheiden kann.
  • Aus DE 24 60 618 A1 ist ein fahrbares Gerät zur Messung einer Gleislage, d.h. der Höhenlage und der Spurweite eines Gleises, bekannt. Hierbei rollt ein Fahrgestellrahmen auf insgesamt drei Gleisrollen bzw. Rädern über das Gleis. Die Höhenlage des Gleises wird mit Hilfe eines auf dem Fahrgestellrahmen angebrachten Theodoliten, die Spurweite über einen verstellbaren Ausleger des Fahrgestellrahmens ermittelt. Eine Prüfung und Beurteilung einer Geometrie von einzelnen Gleisbauteilen ist mit diesem Gerät jedoch nicht möglich.
    Bekannt ist eine Gleisgeometriemessung, wobei ein sensorgestütztes Online-Erfassungssystem mit Auswertung von rad- und gleisbezogenen Daten während einer Zugfahrt durch Interpretation der Messwerte mit Hilfe einer zeitlichen und geometrischen Korrelationsanalyse zum Einsatz kommt ( DE 198 27 271 A1 ).
    Im Rahmen dieser Gleisgeometriemessung wird keine Ermittlung der tatsächlichen Bewegung des Rades durchgeführt. Die Berührgeometrie zwischen Rad und Schiene, die insbesondere beim Überfahren einer Weiche oder eines Schienenauszuges die Bahnkurve erheblich beeinflusst, wird nicht ermittelt.
  • Weiterhin ist es aus DE 100 40 139 A1 bekannt, Schienenprofile und Gleislageabweichungen zu vermessen, wobei das Schienenquerprofil optisch durch eine Laserabtastung vermessen wird. Mittels dieser Lösung werden der höchste Punkt der Schiene (sog. Scheitelpunkt) und der 14 mm unterhalb liegende sog. Spurweitenpunkt, die die Lage des Schienenprofils in vertikaler und horizontaler Richtung angeben, ermittelt.
    Auch mit dieser Lösung wird nicht die tatsächliche Berührgeometrie berücksichtigt und daher nicht die tatsächliche Bewegung des Rades ermittelt. Für die Beurteilung der Überlaufgeometrie z.B. in Weichen ist dieses Verfahren somit nicht geeignet.
  • Ebenso verhält es sich mit den aus der WO 96/00159 und der US 2002/0077733 A1 bekannten Messverfahren.
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik bei der Beurteilung der Überlaufgeometrie von Gleisbauteilen gelöst werden.
    Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Hierbei wird der räumliche Verlauf der Bahnkurve eines mit einem Referenzradprofil versehenen Rades beim Überrollen des jeweiligen Gleisbauteils in einem raumfesten Koordinatensystem direkt oder indirekt bestimmt und anschließend hinsichtlich seiner dynamischen Auswirkungen bewertet.
    Vorteil ist hierbei, dass die Aussagekraft der Prüfung des geometrischen Zustandes durch die erfindungsgemäße Bestimmung der Vertikalbewegung eines das Bauteil überrollenden Rades in einem raumfesten Koordinatensystem und deren anschließende computergestützte Bewertung wesentlich verbessert und objektiviert wird. Insbesondere wird eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Messgenauigkeit bei gleichzeitig höherer Messgeschwindigkeit erzielt. Dabei wird erstmals der gesamte Bereich der konstruktiv bedingten Absenkung und anschließenden Anhebung des Rades (Flügelschienenknick bis K-Punkt) kontinuierlich erfasst und beurteilt. Zudem ist es nun möglich, auch die Auswirkungen des Querprofilverschleißes von Flügelschiene und/oder Herzstück auf den Radüberlauf zu bestimmen.
    Untersuchungen haben gezeigt, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der vertikalen Radbewegung und den auftretenden Kräften zwischen Rad und Schiene und damit weiterführend der Bauteilschädigung besteht. Für die Größe der Kräfte ist dabei nicht nur die Amplitude der Vertikalbewegung des Radschwerpunktes, sondern auch der Anstieg und die Krümmung seiner Bahnkurve entscheidend. Daher müssen für diese Größen entsprechende Eingriffsschwellen für die Instandsetzung vorgegeben werden, siehe Fig. 2 . Die konkrete Festlegung der Eingriffsschwellen wird von zahlreichen Randbedingungen beeinflusst und muss auf der Basis einer technischen und wirtschaftlichen Analyse durch den Infrastrukturbetreiber erfolgen.
    Anspruch 2 beinhaltet ein zu Anspruch 1 reziprokes Verfahren. Hierbei wird ein Verschleißzustand von Rädern von Schienenfahrzeugen ermittelt, indem der räumliche Verlauf der Bahnkurve des jeweiligen Rades beim Überrollen eines Referenzgleisbauteils in einem raumfesten Koordinatensystem direkt oder indirekt bestimmt und anschließend hinsichtlich seiner dynamischen Auswirkungen bewertet wird. Mit diesem Verfahren kann vorteilhaft auch der Verschleißzustand von Räder von Messmitteln ermittelt werden, die über einen Gleiskörper bewegt werden, insbesondere von dem mit dem Referenzradprofil versehenen Rad aus Anspruch 1.
    Die erfindungsgemäße Bestimmung der vertikalen Bahnkurve des Rades erfolgt unter Verwendung eines geeigneten Referenzradprofils, das in einer definierten Position (z.B. Radsatzmittelstellung) über das Bauteil geführt wird. Dies kann sowohl direkt (Messen der Vertikalbewegung) als auch indirekt (rechnerisch) geschehen, wobei für die Berechnung der vertikalen Radbewegung die vorherige Messung der wegveränderlichen Querprofile des Gleisbauteiles in einem raumfesten Referenzsystem notwendig ist.
    Nach Anspruch 3 wird bei einer direkten mechanischen Abtastung der Geometrie des Gleises eine in einer parallel zur Gleisebene ausgerichteten Messbasis vertikal und horizontal bewegliche Messrolle mit der Form des Referenzradprofils über den Bereich der möglichen vertikalen Absenkung geführt. Der Absenkungsverlauf der Messrolle über dem Rollweg wird dabei kontinuierlich erfasst und im Anschluss mit Hilfe einer Auswertesoftware bewertet. Bei großen erforderlichen Stützweiten der Messbasis ist ggf. eine Möglichkeit zur Kompensation der Durchbiegung der Messbasis vorzusehen, insbesondere eine "optische Sehne".
    Nach Anspruch 4 wird bei einem indirekten Verfahren eine Vermessung der Querprofile des Gleisbauteils mit anschließender Berechnung der Vertikalbewegung des Referenzrades durchgeführt. Dabei müssen die gemessenen Querprofile unbedingt in einem gemeinsamen raumfesten Bezugssystem angegeben werden. Dies kann z.B. durch einen parallel zur Gleisebene ausgerichteten Messrahmen, auf den ein in Längsrichtung verschiebbares Profilmessgerät aufgesetzt wird, sichergestellt werden. Darüber hinaus ist auch eine optische Vermessung der Querprofile mittels Laser-Lichtschnitt von einem fahrenden Fahrzeug aus denkbar. Hier kann der feste Raumbezug beispielsweise durch die Kombination der Profilmesstechnik mit einem Inertialsystem (Kreiselplattform) hergestellt werden. Dabei wird die Lage des sich bewegenden Messsystems im Raum kontinuierlich bestimmt und aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Informationen wird anschließend eine Transformation der gemessenen Querprofile in die Gleisebene durchgeführt.
    Bei der Querprofilmessung ist generell ein möglichst kleines Abtastintervall zu wählen, um eine realitätsnahe Bahnkurve des Radschwerpunktes zu erhalten.
    Anschließend wird unter Verwendung des Referenzradprofils eine berührgeometrische Berechnung durchgeführt, bei der für jeden Messquerschnitt die vertikale Lage des Rades bestimmt wird. Somit erhält man auch hier die vertikale Bahnkurve des Rades, die nun für eine weitere Beurteilung zur Verfügung steht. Reicht die Anzahl bzw. Dichte der Messquerschnitte nicht aus, um die Bahnkurve des Rades hinlänglich genau zu bestimmen, kann die Auswertung auch für zusätzliche interpolierte Gleisquerschnitte erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele und einer Zeichnung mit vier Figuren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
    • Fig. 1
    schematisch Verfahren zur Beurteilung der Überlaufgeometrie von Gleisbauteilen gemäß dem Stand der Technik und hierbei in
    Fig. 1a mit einem Messpunktraster,
    Fig. 1b mit einem Lineal,
    Fig.1c mit einer Herzstückmesslehre;
    Fig. 2
    einen beispielhaften gemessenen Verlauf einer Radabsenkung in einem Herzstückbereich,
    Fig. 3
    schematisch Verfahren zur Beurteilung der Überlaufgeometrie einer Weiche mittels einer Messrolle in Draufsicht,
    Fig. 4
    schematisch Verfahren zur Beurteilung der Überlaufgeometrie einer Weiche mittels einer Messrolle als vertikales Schnittbild.
  • Ein erstes besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel betrifft eine direkte mechanische Abtastung der Geometrie des Gleises. Gemäß Fig. 3 und Fig. 4 wird eine in einer parallel zur Gleisebene ausgerichteten Messbasis 2 vertikal und horizontal bewegliche Messrolle 1 mit der Form des Referenzradprofils über den Bereich der möglichen vertikalen Absenkung 3 geführt. Der Absenkungsverlauf der Messrolle 1 über dem Rollweg 4 wird dabei kontinuierlich erfasst und im Anschluss mit Hilfe einer Auswertesoftware bewertet. Bei großen erforderlichen Stützweiten ist ggf. eine Möglichkeit zur Kompensation der Durchbiegung der Messbasis 2 vorzusehen (z.B. eine "optische Sehne").
    Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft eine Profilmessung und anschließende Berechnung der vertikalen Radbewegung mit einem indirekten Verfahren. Hierbei wird eine Vermessung der Querprofile des Gleisbauteils mit anschließender Berechnung der Vertikalbewegung des Referenzrades durchgeführt. Dabei müssen die gemessenen Querprofile unbedingt in einem gemeinsamen raumfesten Bezugssystem angegeben werden. Dies kann z.B. durch einen parallel zur Gleisebene ausgerichteten Messrahmen, auf den ein in Längsrichtung verschiebbares Profilmessgerät aufgesetzt wird, sichergestellt werden. Darüber hinaus ist auch eine optische Vermessung der Querprofile mittels Laser-Lichtschnitt vom fahrenden Fahrzeug aus denkbar. Hier kann der feste Raumbezug beispielsweise durch die Kombination der Profilmesstechnik mit einem Inertialsystem (Kreiselplattform) hergestellt werden. Dabei wird die Lage des sich bewegenden Messsystems im Raum kontinuierlich bestimmt und aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Informationen wird anschließend eine Transformation der gemessenen Querprofile in die Gleisebene durchgeführt.
    Bei der Querprofilmessung ist generell ein möglichst kleines Abtastintervall zu wählen, um eine realitätsnahe Bahnkurve des Radschwerpunktes zu erhalten.
    Anschließend wird unter Verwendung des Referenzradprofils eine berührgeometrische Berechnung durchgeführt, bei der für jeden Messquerschnitt die vertikale Lage des Rades bestimmt wird. Somit erhält man auch hier die vertikale Bahnkurve des Rades, die nun für eine weitere Beurteilung zur Verfügung steht. Reicht die Anzahl bzw. Dichte der Messquerschnitte nicht aus, um die Bahnkurve des Rades hinlänglich genau zu bestimmen, kann die Auswertung auch für zusätzliche interpolierte Gleisquerschnitte erfolgen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messrolle
    2
    Messbasis
    3
    Bereich der vertikalen Absenkung
    4
    Rollweg
    5
    Bewegungsrichtung der Messrolle
    6
    Flügelschiene
    7
    Herzstück-Spitze
    8
    Flügelschiene
    9
    Messpunkttaster
    10
    Lineal im Querprofil
    11
    Herzstückmesslehre

Claims (4)

  1. Verfahren zur Prüfung und Beurteilung einer Überlaufgeometrie von Gleisbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Verlauf Bahnkurve eines mit einem Referenzradprofil versehenen Rades beim Überrollen des jeweiligen Gleisbauteils in einem raumfesten Koordinatensystem direkt oder indirekt bestimmt und anschließend hinsichtlich seiner dynamischen Auswirkungen bewertet wird.
  2. Verfahren zur Prüfung und Beurteilung eines Verschleißzustandes von Rädern von Schienenfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Verlauf der Bahnkurve des jeweiligen Rades beim Überrollen eines Referenzgleisbauteils in einem raumfesten Koordinatensystem direkt oder indirekt bestimmt und anschließend hinsichtlich seiner dynamischen Auswirkungen bewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer parallel zur Gleisebene ausgerichteten Messbasis (2) geführte Messrolle (1) über ein Gleisbauteil bewegt und dabei eine Vertikalbewegung über dem Rollweg (4) aufgezeichnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalbewegung des Rades rechnerisch durch Kombination der jeweiligen Querprofile von Rad und Gleisbauteil bestimmt wird, wobei die ggf. gemessenen Querprofile des Gleisbauteils zuvor in ein gemeinsames raumfestes Bezugssystem transformiert werden.
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