EP1609691B1 - Verfahren zur Minimierung des Radverschleisses eines Schienenfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur Minimierung des Radverschleisses eines Schienenfahrzeuges Download PDF

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EP1609691B1
EP1609691B1 EP05450098A EP05450098A EP1609691B1 EP 1609691 B1 EP1609691 B1 EP 1609691B1 EP 05450098 A EP05450098 A EP 05450098A EP 05450098 A EP05450098 A EP 05450098A EP 1609691 B1 EP1609691 B1 EP 1609691B1
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EP
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wheel
track
wheels
friction
axle
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EP05450098A
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Klaus Six
Martin Teichmann
Christian Kitzmüller
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Siemens AG Oesterreich
Original Assignee
Siemens Transportation Systems GmbH and Co KG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/38Arrangements or devices for adjusting or allowing self- adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves, e.g. sliding axles, swinging axles
    • B61F5/383Adjustment controlled by non-mechanical devices, e.g. scanning trackside elements

Definitions

  • the invention relates to a method for minimizing the wheel wear of a rail vehicle.
  • the situation is similar for vehicles with single wheels.
  • the regulation is carried out by adjusting the angular position of the axis via the torque setpoints of the individual wheel drives.
  • a computing unit outputs control signals to active actuators on the output side as a function of the track data received on the input side.
  • the DE 197 02 409 A1 describes a method for detecting the position of track-guided vehicle wheels in the track channel by measuring the local torque-dependent preforming of the bearing environment as an element of a single-wheel or wheelset control.
  • Variables that are relevant for the friction performance represent, for example, parameters such as routing data (radius of curvature, track cant, etc.), wheel / rail contact ratio (sliding friction coefficient for the wheel / rail contact, contact geometry, etc.), vehicle speed, payload mass and drive or braking torques.
  • a mathematical model for a quasi-stationary arc run of the rail vehicle wherein the model contains at least one variable that is relevant for the friction power, minimizes an equation for the friction power and evaluated with the instantaneous values of the variable quantities.
  • the wheel position in the track can be calculated in such a way that the friction power is minimized with regard to a profile service life ( Fig. 2 ).
  • an angle between a wheel axle of the at least one wheel and a chassis frame can be adjusted by means of control.
  • a differential torque between the wheels of an axle superimposed on the drive and braking torques can be provided.
  • a speed difference between the wheels of an axle can be measured and regulated by means of the differential torque to a calculated target speed difference out, wherein the target speed difference is advantageously calculated assuming cylindrical wheels.
  • the target speed difference can also be calculated assuming any wheel / rail profile pairings.
  • the target speed difference for a bow travel can be calculated so that the different ways are balanced slip-rolling off, bow outer and inner bow wheels.
  • the transverse deflection of the wheel axle of the at least one wheel can be measured relative to the tracks and be controlled to a calculated Sollquerauslenkung out in single-wheel vehicles.
  • the transverse deflection can be regulated, for example, by means of a differential torque between the wheels of an axle which is superimposed on the drive and braking torques to the nominal transverse deflection determined by calculation.
  • the transverse deflection can also be controlled by means of a steering torque about the vertical axis of the axis to the calculated Sollquerauslenkung out.
  • a particularly easy-to-implement variant of the invention provides that the desired transverse deflection is regulated to the value zero.
  • Fig. 1 can in the inventive method data DAT the variable, relevant for the friction size or size, such as routing data, data on wheel / rail contact ratios, vehicle speed data, as well as data on driving braking torques of a rail vehicle SCH are recorded while driving, for example by means of suitable sensors SE1.
  • variable size data DAT used for calculation is not picked up during a drive, but is, for example, recorded. B. be queried depending on the route from a database.
  • routing data of predefinable routes can be stored in a database.
  • the detection of routing data by means of a navigation or location system is possible, for example by means of a satellite-based navigation or location system, such as the GPS system.
  • the data DAT are forwarded to an evaluation unit ASW, which determines the optimum position of the wheels PAO with regard to the friction power from the data DAT on the basis of an algorithm which contains a mathematical model which describes the interaction of the rail vehicle SCH with the plug.
  • the algorithm is based on a mathematical modeling of the rail vehicle, which generally corresponds to the equations of motion of the rail vehicle SCH.
  • the mathematical modeling is in the simplest case linear, but can in principle also be nonlinear.
  • For the mathematical modeling of rail vehicles SCH with wheelsets or idler wheels see for example: Kalman Filter for the State Estimation of a 2 Axle Railway Vehicle; TX Mei (UK), RM Goodall (UK), H. Li (UK), European Control Conference 99, Düsseldorf, Germany, August Sept., and "State Estimaton for Active Steering of Railway Vehicles"; H. Li and RM Goodall 1999 IFAC or also the lecture script "Lateraldynamik von Schienen scholaren” by Prof. Dr.-Ing K. Knothe and the DE 4309183 A1 ,
  • the equation for the frictional power is determined for dynamic or quasi-stationary states in the arc.
  • the dynamic friction power can also be considered.
  • the friction coefficient equation includes, directly and indirectly, depending on the model depth, magnitudes derived from the mathematical model of the vehicle's interaction with the track, such as: B. Vehicle geometry data, stiffness, mass data and the variables mentioned - indirectly therefore da y 1.2 and ⁇ 1.2 also depend on the mentioned sizes.
  • the friction energy equation is minimized to determine the friction power optimum.
  • An optimal wheel position is determined by the calculated position of a considered wheel at the determined friction power minimum depending on the instantaneous values of the variable quantities DAT.
  • This embodiment of the invention leads, for example, to an optimal steering torque T opt with respect to the friction power, according to which a friction-optimized control can take place.
  • the operating point (wheel position in the track) can be calculated in such a way that the friction loss is minimized with regard to the service life of the profile, resulting in uniform wear over the profile ( Fig. 2 ).
  • PR1 corresponds to an unworn profile
  • PR2 to a removal of material at a friction power minimum in terms of profile life
  • PR3 to a removal of material at the friction power minimum.
  • the setting of the wheel position can be done by means of control or regulation or by a combination of both.
  • corresponding to the wheels of the rail vehicle SCH associated with a control unit STR actuators STG may be arranged.
  • a control unit REG can be provided.
  • the control can be designed, for example, as state control with or without observer, as control with output feedback or as fuzzy logic control.
  • a particularly favorable embodiment of the invention consists in a combination of control and regulation.
  • the control here is that in a vehicle with Einzelradachsen the angle between the Einzelradachsen and the chassis or vehicle frame by the actuators STG, which act from the chassis or vehicle frame on the Einzelradachsen be set.
  • at least one independent wheel per axle may have its own drive ANT or a brake, whereby it is possible to generate a differential torque between opposing individual wheels via the control unit REG so that an optimal position the Einzelradachsen can be realized in the track. This differential torque is superimposed on the drive torque in driven systems.
  • the actual speed difference of the wheels of an axle can be measured and the difference to the desired speed difference can be determined.
  • the determined difference represents the input variable of the controller, which regulates the difference over the above-mentioned differential torque to zero.
  • the target speed difference is in the straight track zero, whereby a one-sided start of the wheels is prevented.
  • the target speed difference is calculated, for example, so that the different paths of the slip-rolling outside and bow inner wheels are compensated assuming cylindrical wheels as a function of the vehicle speed, the wheel radius and the radius of curvature.
  • sensors can additionally be provided which detect the transverse deflection of the individual wheel axles relative to the track.
  • This transverse displacement represents the input variable of the controller, which regulates the transverse deflection to the setpoint via the described differential torque.
  • This setpoint is in the straight track zero which prevents unilateral starting.
  • the desired value of the transverse deflection for example, also be zero, which again a multi-point contact is avoided and together with the control described above, an operation in the vicinity of the friction power optimum can be realized.
  • the controller is again designed so that a sufficient stability for all operating conditions is guaranteed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Regulating Braking Force (AREA)
  • Platform Screen Doors And Railroad Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung des Radverschleißes eines Schienenfahrzeuges.
  • Bekannte Verfahren zur Minimierung der Reibleistung und damit des Radverschleißes im Rad/Schiene-Kontakt bei Schienenfahrzeugen versuchen während einer Bogenfahrt die Stellung der Räder relativ zum Gleis so zu beeinflussen, dass Gleiteffekte im Kontaktpunkt vermieden bzw. minimiert werden. Bei allen bekannten Verfahren sollte daher die vermeintlich optimale Stellung im Voraus bekannt sein.
  • Der größte Teil der heute im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeuge ist mit Radsätzen (mehr oder weniger starre Kopplung der Radscheiben über die Radsatzwelle) ausgestattet. Bei solchen Fahrzeugen wird davon ausgegangen, dass die optimale Stellung der Räder im Gleis der Radialstellung entspricht. Dies findet sich unter anderem in der EP 0 600 172 A1 , DE 30 04 082 A1 , EP 0 007 225 A1 .
  • Bei dem aus der EP 0 600 172 A1 bekannten Verfahren stellt sich zwar in vielen Betriebszuständen ein günstiges Verschleißverhalten ein, jedoch entspricht dieses nicht dem Optimum. Das Reibleistungsoptimum hängt bei Radsätzen vielmehr von einer Reihe von Faktoren ab, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Reibungskoeffizienten, der Fahrzeuggeometrie, dem Bogenradius der Gleise, der Rad/Schiene-Geometrie etc. Im Allgemeinen entspricht das Reibleistungsoptimum nicht der Radialstellung, sondern einer Stellung im Gleis, bei welcher sowohl Längs- als auch Querschlüpfe auftreten.
  • Außerdem wird bei dem aus der EP 0 600172 A1 bekannten Verfahren keine Radialstellung der Radsätze relativ zum Gleis realisiert, sondern nur der Winkel zwischen Radsatz und Fahrwerksrahmen entsprechend der Radialstellung eingestellt. Die tatsächliche Stellung der Räder relativ zum Gleis bleibt bei diesem Verfahren jedoch unbekannt.
  • Ähnlich stellt sich die Situation bei Fahrzeugen mit Einzelrädern dar.
  • Zwar entspricht dort die Radialstellung der Räder so lange dem Reibleistungsoptimum, so lange aufgrund der Rad/Schiene Kontakt-Geometrie kein Mehrpunktkontakt auftritt. Tritt jedoch ein Mehrpunktkontakt bei Radialstellung der Räder auf, treten hohe Längsschlupfe auf. Die tatsächliche optimale Radsstellung hängt dann wiederum von einer Reihe von Faktoren ab, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Reibungskoeffizienten, der Fahrzeuggeometrie, dem Bogenradius der Gleise, der Rad/Schiene-Geometrie, usw.
  • Auch die bekannten Verfahren, die sich auf die Reibleistungsminimierung bei Schienenfahrzeugen mit Einzelrädern beziehen, gehen im Allgemeinen davon aus, dass die Radialstellung der Räder im Gleis immer dem Reibleistungsoptimum entspricht.
  • So offenbart die DE 198 26 452 ein Verfahren zur Antriebskoordinierung eines einzelradgetriebenen, spurgeführten Fahrzeuges bei Bogenfahrten. Das Fahrzeug weist mindestens eine gegenüber dem Fahrwerkrahmen drehbar gelagerte Achse auf, wobei in einer Variante der bekannten Ausführungsform die Winkelstellung der Achse gegenüber dem Fahrwerkrahmen so geregelt ist, dass die Räder tangential zur Schiene stehen (= "Radialstellung"). Die Regelung erfolgt hierbei dadurch, dass die Winkelstellung der Achse über die Drehmoment Sollwerte der Einzelradantriebe eingestellt wird. Zwar stellt sich bei diesem Verfahren in vielen Betriebszuständen ein günstigeres Verschleißverhalten ein, jedoch ist auch hier das erzielbare Verschleißverhalten im Allgemeinen nicht optimal. Außerdem wird auch bei diesem Verfahren nur der Winkel der Radachsen relativ zum Fahrwerksrahmen entsprechend der Radialstellung erzeugt. Die tatsächliche Stellung im Gleis bleibt auch bei diesem Verfahren unbekannt.
  • Aus der DE 199 10 256 A1 ist eine aktive Radialsteuerung für ein Schienenfahrzeug im Gleisbogen bekannt. Eine Recheneinheit gibt in Abhängigkeit der eingansseitig empfangenen Streckendaten ausgangsseitig Steuersignale an aktive Stellglieder ab.
  • Die DE 197 02 409 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erkennung der Position von Rädern spurgeführter Fahrzeuge im Spurkanal durch Messung der lokalen momentenabhängigen Vorformung der Lagerumgebung als Element einer Einzelrad- oder Radsatzsteuerung.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu schaffen, der es ermöglicht, bei einem Schienenfahrzeug den Radverschleiß weiter zu verringern und somit die Lebensdauer der Räder zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
  • Variable, für die Reibleistung relevante Größen stellen beispielsweise Parameter, wie Trassierungsdaten (Bogenradius, Gleisüberhöhung, etc), Rad/Schienekontaktverhältnissse (Gleitreibungskoeffizienten für den Rad/Schienekontakt, Kontaktgeometrie, etc), Fahrzeuggeschwindigkeit, Zuladungsmasse sowie Antriebs- bzw. Bremsmomente, dar.
  • Parameter für eine eine minimale Reibleistung der Räder beschreibende Optimalstellung sind beispielsweise eine Querauslenkung der Achsen relativ zum Gleis, der Anlaufwinkel relativ zum Gleis (=Gierwinkel relativ zum Gleis) oder auch eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern einer Achse (bei Einzelradfahrzeugen).
  • Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die tatsächlich optimale Stellung der Räder in Abhängigkeit von den relevanten Daten, wie Trassierungsdaten, Daten über Rad/Schienekontaktverhältnisse, Fahrzeuggeschwindigkeit, sowie Daten über Antriebs- und Bremsmomente bzw. der Zuladungsmasse des Schienenfahrzeuges ermittelt und eingestellt werden kann, wodurch sich der Radverschleiß wesentlich minimieren lässt.
  • Zur Bestimmung der der minimalen Reibleistung entsprechenden Stellung des zumindest einen Rades bei einer Bogenfahrt kann aus einem mathematischen Modell für einen quasistationären Bogenlauf des Schienenfahrzeuges, wobei das Modell die zumindest eine variable, für die Reibleistung relevante Größe enthält, eine Gleichung für die Reibleistung gewonnen, minimiert und mit den Momentanwerten der variablen Größen ausgewertet werden.
  • Weiters kann die Radstellung im Gleis so berechnet werden, dass die Reibleistung hinsichtlich einer Profilstandzeit minimiert wird (Fig. 2).
  • In einer einfach zu realisierenden Variante der Erfindung kann abhängig vom Bogenradius der Gleise ein Winkel zwischen einer Radachse des zumindest einen Rades und einem Fahrwerksrahmen mittels Steuerung eingestellt werden.
  • Weiters kann bei Einzelradfahrzeugen als Stellgröße für die Regelung der Radsstellung ein den Antriebs und Bremsmomenten überlagertes Differenzdrehmoment zwischen den Rädern einer Achse vorgesehen sein. Hierzu kann eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern einer Achse gemessen und mittels des Differenzdrehmoments auf eine rechnerisch ermittelte Solldrehzahldifferenz hin geregelt werden, wobei die Solldrehzahldifferenz vorteilhafterweise unter Annahme zylindrischer Räder berechnet wird. Prinzipiell kann die Solldrehzahldifferenz jedoch auch unter Annahme beliebiger Rad/Schiene Profilpaarungen berechnet werden. Insbesondere kann die Solldrehzahldifferenz für eine Bogenfahrt so berechnet werden, dass die unterschiedlichen Wege schlupffrei abrollender, bogenäußerer und bogeninnerer Räder ausgeglichen werden.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann bei Einzelradfahrzeugen die Querauslenkung der Radachse des zumindest einen Rades relativ zu den Gleisen gemessen und auf eine rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt werden. So kann die Querauslenkung beispielsweise mittels eines den Antriebs- und Bremsmomenten überlagerten Differenzdrehmomentes zwischen den Rädern einer Achse auf die rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt werden. Die Querauslenkung kann aber auch mittels eines Lenkmomentes um die Hochachse der Achse auf die rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt werden. Eine besonders einfach zu realisierende Variante der Erfindung sieht vor, dass die Sollquerauslenkung auf den Wert Null hin geregelt wird.
  • Die Erfindung samt weiterer Vorteile wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen schematisch:
  • Fig. 1
    ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    Fig. 2
    Profile mit unterschiedlichem Materialabtrag.
  • Gemäß Fig. 1 können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Daten DAT der variablen, für die Reibleistung relevanten Größe bzw. Größen, beispielsweise Trassierungsdaten, Daten über Rad/Schienekontaktverhältnisse, Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten, sowie Daten über Antriebs- Bremsmomente eines Schienenfahrzeuges SCH während einer Fahrt aufgenommen werden, beispielsweise mittels hierfür geeigneter Sensoren SE1.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Daten DAT der variablen Größe bzw. Größen, die zur Berechnung herangezogen wird bzw. werden, nicht während einer Fahrt aufgenommen sondern z. B. abhängig vom Fahrweg aus einer Datenbank abgefragt werden. So können beispielsweise Trassierungsdaten vorgebbarer Strecken in einer Datenbank abgelegt sein. Prinzipiell ist auch die Erfassung von Trassierungsdaten mittels eines Navigations- bzw. Ortungssystems möglich, beispielsweise mittels eines satellitengestützten Navigations- bzw. Ortungssystems, wie des GPS-Systems.
  • Die Daten DAT werden an eine Auswerteeinheit ASW weitergeleitet, welche aus den Daten DAT anhand eines Algorithmus, der ein mathematisches Modell beinhaltet, welches die Interaktion des Schienenfahrzeuges SCH mit der Stecke beschreibt, die optimale Stellung der Räder PAO hinsichtlich der Reibleistung ermittelt.
  • Dem Algorithmus liegt eine mathematische Modellierung des Schienenfahrzeuges zugrunde, die im allgemeinen den Bewegungsgleichungen des Schienenfahrzeuges SCH entspricht. Die mathematische Modellierung ist im einfachsten Fall linear, kann prinzipiell aber auch nichtlinear sein. Zur mathematischen Modellbildung von Schienenfahrzeugen SCH mit Radsätzen bzw. Losrädern siehe beispielsweise: Kalman Filter for the State Estimation of a 2 Axle Railway Vehicle; T. X. Mei (UK), R. M. Goodall (UK), H. Li (UK) European Control Conference 99, Karlsruhe, Germany, August Sept. bzw. "State Estimaton for active Steering of Railway Vehicles"; H. Li and R. M. Goodall 1999 IFAC oder auch das Vorlesungsskript "Lateraldynamik von Schienenfahrzeugen" von Prof. Dr.-Ing K. Knothe bzw. die DE 4309183 A1 .
  • Anhand des mathematischen Modells des Schienenfahrzeuges SCH wird für dynamische bzw. quasistationäre Zustände im Bogen die Gleichung für die Reibleistung bestimmt.
  • Für linearisierte Lauffahrzeuge mit starren Radsätzen kann die quasistationäre Reibleistung beispielsweise die folgende Form annehmen P 1 , 2 = 2 f 11 λ r y 1 , 2 - b R 2 v + 2 f 22 ψ 1 , 2 2 v ,
    Figure imgb0001
    wobei P1,2 die Reibleistung in den Radschienekontakten eines ersten und eines zweiten Radsatzes, f11 und f22 den Kraftschlussbeiwert längs bzw. quer zum Gleisverlauf, λ die Konizität der Räder, r den Radradius, y1,2 die Querverschiebung der Radsätze relativ zum Gleis, R den Bogenradius eines durchfahrenen Gleisbogens, b die halbe Spurweite, v die Fahrzeuggeschwindigkeit und ψ1,2 die Verdrehung der Radsätze relativ zu einem Gleis (=Gierwinkel, bzw. Anlaufwinkel) bedeuten. Natürlich kann anstelle der quasistationären Reibleistung, wie bereits oben erwähnt, auch die dynamische Reibleistung betrachtet werden.
  • Die Gleichung für die Reibleistung beinhaltet direkt und indirekt, je nach Modelltiefe Größen, die aus dem mathematischen Modell der Interaktion des Fahrzeuges mit der Strecke stammen wie z. B. Fahrzeuggeometriedaten, Steifigkeiten, Massendaten sowie die erwähnten variablen Größen - indirekt deshalb da y1,2 und ψ1,2 ebenfalls von den erwähnten Größen abhängen.
  • Die Gleichung der Reibleistung wird zur Bestimmung des Reibleistungsoptimums minimiert. Eine optimale Radstellung ist durch die berechnete Lage eines betrachteten Rades bei dem ermittelten Reibleistungsminimum abhängig von den Momentanwerten der variablen Größen DAT bestimmt.
  • Die Minimierung der obigen Gleichung für die Reibleistung kann beispielsweise gemäß den Randbedingungen P T 1 = 0
    Figure imgb0002
    und P T 2 = 0
    Figure imgb0003
    erfolgen, worin T1 und T2 auf die Radsätze wirkende Lenkmomente bedeuten, die die Stellung y1,2 und ψ1,2 der Radsätze und somit die Reibleistung P1,2 beeinflussen und somit Variablen der Funktionen y1,2 sowie ψ 1,2 darstellen.
  • Diese Ausführungsform der Erfindung führt beispielsweise zu einem hinsichtlich der Reibleistung optimalen Lenkmoment Topt, gemäß welchem eine reibleistungsoptimierte Steuerung erfolgen kann.
  • Weiters kann der Betriebspunkt (Radstellung im Gleis) so berechnet werden, dass die Reibleistung hinsichtlich der Profilstandzeit minimiert wird, wodurch sich ein gleichmäßiger Verschleiß über das Profil ergibt (Fig. 2). In Fig. 2 entspricht PR1 einem unverschlissenen Profil, PR2 einem Materialabtrag bei einem Reibleistungsminimum hinsichtlich der Profilstandzeit und PR3 einem Materialabtrag bei dem Reibleistungsminimum.
  • Als Ausgangsgröße des Algorithmus können je nach Ausführungsform der Erfindung beispielsweise eine Sollquerauslenkung der Achsen relativ zum Gleis, ein Sollanlaufwinkel relativ zum Gleis (=Gierwinkel relativ zum Gleis) oder auch eine Solldrehzahldifferenz zwischen den Rädern einer Achse erhalten werden. Die Einstellung der Radposition kann mittels Steuerung oder Regelung oder auch mittels einer Kombination von beiden erfolgen. Zur Steuerung können beispielsweise an den Rädern des Schienenfahrzeuges SCH entsprechende mit einer Steuerungseinheit STR verbundene Stellglieder STG angeordnet sein. Zur Regelung kann eine Regeleinheit REG vorgesehen sein. Die Regelung kann beispielsweise als Zustandsregelung mit oder ohne Beobachter, als Regelung mit Ausgangsrückführung oder als Fuzzy-Logic Regelung ausgeführt sein.
  • Bei einem Einzelradfahrzeug ergibt sich aus dem Modell der Interaktion Fahrzeug-Schiene, dass für einen großen Bereich der möglichen Betriebszustände jene Stellung der Räder relativ zum Gleis nahe am Reibleistungsoptimum liegt, bei der bei kleinen Anlaufwinkeln die Querauslenkungen der Radachsen gegenüber einer symmetrischen Stellung im Gleis nur sehr kleine Werte annimmt. Dadurch ist es möglich, auf die Erfassung der Rad/Schienekontaktverhältnisse und der Zuladungsmasse, der Schienengeometrie und des Gleitreibungskoeffizienten zu verzichten. Daraus resultieren die im Folgenden erläuterten vorteilhaften Varianten der Erfindung.
  • Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung besteht in einer Kombination von Steuerung und Regelung. Die Steuerung besteht hierbei darin, dass bei einem Fahrzeug mit Einzelradachsen der Winkel zwischen den Einzelradachsen und dem Fahrwerks- bzw. Fahrzeugrahmen durch die Stellglieder STG, die vom Fahrwerks- bzw. Fahrzeugrahmen auf die Einzelradachsen wirken, eingestellt werden. Um eine mit der Steuerung kombinierte Regelung zu verwirklichen, kann mindestens ein Einzelrad je Achse über einen eigenen Antrieb ANT bzw. eine Bremse verfügen, wodurch es möglich ist, ein Differenzdrehmoment zwischen einander gegenüberliegenden Einzelrädern über die Regeleinheit REG so zu erzeugen, dass eine optimale Stellung der Einzelradachsen in dem Gleis realisiert werden kann. Dieses Differenzdrehmoment wird bei angetriebenen Systemen den Antriebsmomenten überlagert.
  • Zur Realisierung der Regelung kann die Ist-Drehzahldifferenz der Räder einer Achse gemessen und die Differenz zu der Soll-Drehzahldifferenz ermittelt werden. Die ermittelte Differenz stellt die Eingangsgröße des Reglers dar, der die Differenz über das oben genannte Differenzdrehmoment auf Null regelt. Die Solldrehzahldifferenz ist im geraden Gleis Null, wodurch ein einseitiges Anlaufen der Räder verhindert wird. Im gekrümmten Gleis wird die Soll-Drehzahldifferenz beispielsweise so berechnet, dass die unterschiedlichen Wege der schlupffrei abrollenden bogenäußeren und bogeninneren Räder bei Annahme zylindrischer Räder in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Radradius und dem Bogenradius ausgeglichen werden. Dies hat den Effekt, dass im Bogen aufgrund der realen konischen Radprofile die Regelung die Einzelradachsen immer in Richtung Gleismitte führt, da nur dort die Einzelräder einer Achse den gleichen Rollradius - wie bei den zur Ermittlung der Soll-Drehzahldifferenz vorausgesetzten zylindrischen Rädern - haben. Auf diese Weise wird ein Mehrpunktkontakt vermieden und das System bewegt sich zusammen mit der oben ausgeführten Steuerung in der Nähe des Reibleistungsoptimums. Der Regler wird hierbei so ausgelegt, dass eine ausreichende Stabilität für alle Betriebszustände gewährleistet ist.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung können zusätzlich Sensoren vorgesehen sein, welche die Querauslenkung der Einzelradachsen relativ zum Gleis erfassen. Diese Querauslenkung stellt hierbei die Eingangsgröße des Reglers dar, der über das beschriebene Differenzdrehmoment die Querauslenkung auf den Sollwert regelt. Dieser Sollwert ist im geraden Gleis Null wodurch das einseitige Anlaufen verhindert wird. Im gekrümmten Gleis kann der Sollwert der Querauslenkung beispielsweise ebenfalls Null sein, wodurch wieder ein Mehrpunktkontakt vermieden wird und zusammen mit der oben beschriebenen Steuerung ein Betrieb in der Nähe des Reibleistungsoptimums realisiert werden kann. Der Regler wird hierbei wieder so ausgelegt, dass eine ausreichende Stabilität für alle Betriebszustände gewährleistet ist.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Minimierung des Radverschleißes eines Schienenfahrzeuges (SCH), bei dem anhand von Daten (DAT) von zumindest einer während einer Fahrt des Schienenfahrzeuges (SCH) variablen, für die Reibleistung relevanten Größe zumindest ein einer minimalen Reibleistung zwischen zumindest einem Rad und einem Gleis entsprechender Sollwert (PAO) eines die Stellung des zumindest einen Rades relativ zum Gleis charakterisierenden Parameters rechnerisch ermittelt wird, wobei die Gradstellung gemäß dem Sollwert mittels Steuerung, Regelung oder einer Kombination von beiden eingestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines die Interaktion zwischen dem Schienenfahrzeug (SCH) und dem Gleis beschreibenden, mathematischen Modells des Schienenfahrzeuges (SCH) sowie der Daten (DAT) der zumindest einen variablen für die Reibleistung relevanten Größe die der minimalen Reibleistung zwischen dem zumindest einem Rad und dem Gleis entsprechende Stellung des zumindest einen Rades berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der der minimalen Reibleistung entsprechenden Stellung des zumindest einen Rades bei einer Bogenfahrt aus einem mathematischen Modell für einen quasistationären Bogenlauf des Schienenfahrzeuges (SCH), das die zumindest eine variable, für die Reibleistung relevante Größe enthält, eine Gleichung für die Reibleistung gewonnen, minimiert und mit den Momentanwerten der variablen Größen (DAT) ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radstellung im Gleis so berechnet wird, dass die Reibleistung hinsichtlich einer Profilstandzeit minimiert wird (Fig. 2).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass abhängig vom Bogenradius der Gleise ein Winkel zwischen einer Radachse des zumindest einen Rades und einem Fahrwerksrahmen mittels Steuerung eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einzelradfahrzeugen als Stellgröße für die Regelung der Radsstellung ein den Antriebs- und Bremsmomenten überlagertes Differenzdrehmoment zwischen den Rädern einer Achse vorgesehen ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern einer Achse gemessen und mittels des Differenzdrehmoments auf eine rechnerisch ermittelte Solldrehzahldifferenz hin geregelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Solldrehzahldifferenz unter Annahme beliebiger Rad/Schiene Profilpaarungen berechnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahldifferenz unter Annahme zylindrischer Rädern berechnet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahldifferenz für eine Bogenfahrt so berechnet wird, dass die unterschiedlichen Wege schlupffrei abrollender, bogenäußerer und bogeninnerer Räder ausgeglichen werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einzelradfahrzeugen die Querauslenkung der Radachse des zumindest einen Rades relativ zu den Gleisen gemessen und auf eine rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querauslenkung mittels eines den Antriebs- und Bremsmomenten überlagerten Differenzdrehmomentes zwischen den Rädern einer Achse auf die rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querauslenkung mittels eines Lenkmoments um die Hochachse der Achse auf die rechnerisch ermittelte Sollquerauslenkung hin geregelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass die Sollquerauslenkung auf den wert Null hin geregelt wird.
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