EP1904356B1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der entgleisungsgefahr von schienenfahrzeugen - Google Patents

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EP1904356B1
EP1904356B1 EP06741044A EP06741044A EP1904356B1 EP 1904356 B1 EP1904356 B1 EP 1904356B1 EP 06741044 A EP06741044 A EP 06741044A EP 06741044 A EP06741044 A EP 06741044A EP 1904356 B1 EP1904356 B1 EP 1904356B1
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rail
horizontal
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measuring
strain gauges
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Johannes Stephanides
Dietmar Maicz
Walter Weilinger
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Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
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Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/042—Track changes detection
    • B61L23/047—Track or rail movements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL 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
    • B61F9/00—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels
    • B61F9/005—Rail vehicles characterised by means for preventing derailing, e.g. by use of guide wheels by use of non-mechanical means, e.g. acoustic or electromagnetic devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • E01B35/12—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for measuring movement of the track or of the components thereof under rolling loads, e.g. depression of sleepers, increase of gauge

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the risk of derailment of rail vehicles by means of a measuring section of a series of attached to the rails measuring elements and a connected with these electronic Signalauswoke pain, wherein the measuring elements mounted on both sides of the rail web and are designed as strain gauges for receiving rail longitudinal stress and the rail foot is supported by a measuring element which receives the horizontal and vertical forces in a horizontally traveling wheel contact point.
  • the invention also relates to a method for detecting the derailment risk of rail vehicles.
  • a cost-efficient and safe railway operation is only possible by accurate knowledge of the condition of track and vehicle.
  • the assessment of driving safety plays a central role here. From the vehicle behavior, the resulting resource consumption and changes to the superstructure can be derived.
  • Fixed measuring sections for detecting rail loads are known, which comprise a weighing section in a track section.
  • the rails are based on load cells, e.g. are installed in weighing sleepers, which are designed so that they are insensitive to bending moments and shear forces.
  • the EP 1 521 072 discloses a method for detecting forces of elastic deformations of at least one rail and track. For this purpose, measuring elements of the underside of the rail head and the top of the rails are arranged and read out electronically. Disadvantage of this teaching is that the special arrangement of the measuring elements can not detect all occurring on the rail deformations and the reliability of the detection of derailment factors is therefore limited.
  • the JP 2002/236065 A describes a method for determining the transverse force acting transversely to the rail direction, wherein four symmetrically arranged on both sides of the rail measuring strip pairs measure the horizontal forces by four pairs of measuring strips form a Wheatstone bridge that provides a correspondingly large signal when displaced.
  • the measuring elements can detect only a few parameters due to their limited number of positions on the rail.
  • the invention has for its object to provide a method of the type described above, with the derailment risk factors can be reliably detected and evaluated by means of a fixed measuring point.
  • the device achieves this by the fact that measuring elements are formed on the rail head outer edge and on both rail outer edges as strain gauges which absorb horizontal displacements, and that the measuring element supporting the rail foot has at least one bar-shaped force introduction part, which can be connected to the rail foot, and at least one bar-shaped force discharge part, which is connectable to a threshold, these parts are arranged parallel and horizontal one above the other, and that between the force and Kraftaus effetsutz at least one Meßsenkungsschreib is provided on at least one deformation body, wherein the force introduction member is spaced by a horizontal transverse gap from the Kraftaus effetsteil, and both parts are laterally connected to a respective at least partially vertically oriented deformation body, in which vertically spaced at least two Meßsenkungspaare vo are provided, wherein the upper Meßsenkungsschreib is provided for detecting the horizontal and the lower Meßsenkungsbin for detecting the vertical forces and the Radaufstandsfurs.
  • strain gauges are expediently applied as measuring elements. It can be applied to the rail web in the neutral fiber strain gauges at a negative and a positive 45 ° angle to the neutral fiber.
  • strain gauges are applied at a 0 degree angle to the neutral fiber for detecting longitudinal stresses.
  • An embodiment of the invention is also a method for detecting the derailment risk of rail vehicles with a device according to the invention, which is characterized in that in the signal evaluation from the transmitted signals, a continuous information array is formed indicating the instability propensity of vehicles and track shift forces.
  • an information array of a plurality of information cells is formed so that their signal components continuously join, preferably the Schieneneinsenkache and also the horizontal rail movements are decomposed into relevant shares and taken into account in the immediate vicinity of Radaufstandscons.
  • Fig. 1a and 1b in each case a schematic cross-section through a measuring element supporting the associated rail foot according to the invention, including a measuring display diagram, wherein different load application cases are shown, Fig. 2 a schematic partial representation of the Schienenmeßorder, Fig. 3a a schematic perspective partial view of a rail with the applied thereto measuring elements, and Fig. 3b a force diagram.
  • Fig. 1 shows in section an arranged below the rail S Y / Q-force measuring element, which makes it possible to record forces in the Y and Q direction, which originate from a wheel and are introduced via the rail S.
  • the foot of the measuring element In the area of rail fastening, for example, it corresponds exactly to that of a "UIC-60" rail cross-section.
  • standard rail fastening elements tension clamp, elastic intermediate layer, angle guide plate
  • a steel trough sleeper or a fixed roadway adapter are used.
  • the measuring element supporting the rail foot has at least one bar-shaped force introduction part, which can be connected to the rail foot, and at least one bar-shaped force discharge part, which can be connected to a threshold. These parts are arranged parallel and horizontally one above the other. Between the force introduction part and the force extraction part, at least one pair of countersinks is provided on at least one deformation body.
  • the force introduction part is spaced by a horizontal transverse gap from the force extraction part, and both parts are laterally connected, each with an at least partially vertically oriented deformation body in which vertically spaced at least two Meßsenkungspaare are provided.
  • the upper Meßsenkungsschreib is provided for detecting the horizontal and the lower Meßsenkungsschreib for detecting the vertical forces.
  • the point of application of the Q-force moves due to movements of the wheel R, for example by ⁇ 10 mm in the Y direction.
  • the Q-force was introduced in the middle, in the case of Fig. 1b
  • the non-centric introduction of force results in the measurement diagram, a voltage increase of the load-side lower Meßsenkungsharm by about 0.2 mV / V.
  • Fig. 3a and 3b are in the test section also on the rails S strain gauges on the rail head outer edge SKR for receiving horizontal displacements, on both sides of the rail web STL in the neutral fiber for receiving Graionsverursachten longitudinal stresses, and at attached to the two outer edges of the rail foot SFR for receiving horizontal displacements.
  • the measured signals are evaluated in an electronic evaluation device, not shown, according to predetermined programs, wherein a continuous signal evaluation is performed by the measured data are approximated in a non-linear parameter variation with problem-adapted approach functions. This will continue to update the discrete data in the time and distance domain.
  • the forces are calculated as a dynamic signal when crossing an axis over the entire measuring range.
  • the mean value of the ballast stiffness can be specified.
  • the system is redundant because it includes a metering and evaluation process secured by at least two different single measurement systems.
  • Radio frequency simulation support of an elastic track and wheelset model also enables an adaptive system. In the context of the invention, clear and reproducible measurement results are possible even at wheel spacings> 0.7 m.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen mit Hilfe einer Meßstrecke aus einer Reihe von an den Schienen angebrachten Meßelementen und einer mit diesen verbundenen elektronischen Signalauswerteeinrichtung, wobei die Meßelemente auf beiden Seiten des schienensteges angebracht und als Dehnungsmeßstreifen zur Aufnahme von Schienenlängsspannung ausgebildet sind, und der Schienenfuß von einem Meßelement abgestützt ist, welches die Horizontal- und Vertikalkräfte in einem in horizontaler Richtung wandernden Radaufstandspunkt aufnimmt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen.
  • Ein kosteneffizienter und sicherer Bahnbetrieb ist nur durch genaue Kenntnis des Zustandes von Gleis und Fahrzeug möglich. Die Beurteilung der Fahrsicherheit spielt hierbei eine zentrale Rolle. Aus dem Fahrzeugverhalten können der resultierende Ressourcenverbrauch und Veränderungen am Oberbau abgeleitet werden. Es sind ortsfeste Meßstrecken zur Erfassung von Schienenbelastungen bekannt, die eine Wägestrecke in einem Gleisabschnitt umfassen. Die Schienen stützen sich auf Wägezellen ab, die z.B. in Wägeschwellen eingebaut sind, welche so ausgelegt sind, daß sie für Biegemomente und Querkräfte unempfindlich sind.
  • Die EP 1 521 072 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Kräften von elastischen Verformungen zumindest einer Schiene und eines Oberbaus. Dazu werden Meßelemente der Unterseite des Schienenkopfes und der Oberseite der Schienen angeordnet und elektronisch ausgelesen. Nachteil dieser Lehre ist, daß die spezielle Anordnung der Meßelemente nicht alle an der Schiene auftretenden Verformungen erfassen kann und die Zuverlässigkeit der Erfassung von Entgleisungsfaktoren daher eingeschränkt ist.
  • Die JP 2002/236065 A beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der quer zur Schienenrichtung wirkenden Horizontalkraft, wobei vier symmetrisch auf beiden Seiten der Schiene gekreuzt angeordnete Meßstreifenpaare die Horizontalkräfte messen, indem jeweils vier Meßstreifenpaare eine Wheatstone Brücke bilden, die bei Verschiebungen ein entsprechend großes Signal liefert. Nachteil dieser Lehre ist auch hier, daß die Meßelemente aufgrund ihrer eingeschränkten Zahl von Positionierungen an der Schiene nur wenige Parameter erfassen können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Art zu schaffen, mit dem auch Entgleisungsrisikofaktoren mit Hilfe einer ortsfesten Meßstelle zuverlässig erfaßt und ausgewertet werden können.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht dies dadurch, daß Meßelemente am Schienenkopfaußenrand und an beiden Schienenfußaußenrändern als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind, welche Horizontalverschiebungen aufnehmen, und daß das den Schienenfuß abstützende Meßelement mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil aufweist, der mit einer Schwelle verbindbar ist, wobei diese Teile parallel und horizontal übereinander angeordnet sind, und daß zwischen den Kraftein- und Kraftausleitungsteilen mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen ist, wobei der Krafteinleitungsteil durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet ist, und beide Teile seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden sind, in denen vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind, wobei das obere Meßsenkungspaar zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte und des Radaufstandspunktes vorgesehen ist.
  • Im Rahmen der Erfindung werden zweckmäßig als Meßelemente Dehnungsmeßstreifen aufgebracht. Dabei können am Schienensteg in der neutralen Faser Dehnungsmeßstreifen unter einem negativen und einem positiven 45°-Winkel zur neutralen Faser aufgebracht sein.
  • Alternativ sind am Schienensteg in der neutralen Faser Dehnungsmeßstreifen unter einem 0 Grad Winkel zur neutralen Faser zur Erfassung von Längsspannungen aufgebracht.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Signalauswerteeinrichtung aus den übermittelten Signalen ein kontinuierliches Informationsarray gebildet wird, das Instabilitätsneigungen von Fahrzeugen und Gleisverschiebekräfte anzeigt.
  • Vorzugsweise wird ein Informationsarray aus mehreren Informationszellen derart gebildet, daß sich ihre Signalanteile stetig aneinanderfügen, wobei vorzugsweise die Schieneneinsenkungen und auch die horizontalen Schienenbewegungen in relevante Anteile zerlegt und in der unmittelbaren Umgebung des Radaufstandspunktes berücksichtigt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Die Fig. 1a und 1b jeweils einen schematischen Querschnitt durch ein den zugehörigen Schienenfuß abstützendes Meßelement gemäß der Erfindung samt Meßanzeigediagramm, wobei unterschiedliche Krafteinleitungsfälle dargestellt sind, Fig. 2 eine schematische Teildarstellung der Schienenmeßstrecke, Fig. 3a eine schematische perspektivische Teildarstellung einer Schiene mit den an dieser aufgebrachten Meßelementen, und Fig. 3b ein Kräftediagramm.
  • Fig. 1 zeigt im Schnitt ein unterhalb der Schiene S angeordnetes Y/Q-Kraftmeßelement, das es ermöglicht, Kräfte in Y und Q-Richtung aufzuzeichnen, die von einem Rad stammen und über die Schiene S eingeleitet werden. Der Fuß des Meßelementes entspricht im Bereich der Schienenbefestigung beispielsweise exakt jenem eines "UIC-60" Schienenquerschnittes. Zur Befestigung des Meßelementes an der Schiene werden Standard-Schienenbefestigungselemente (Spannklemme, elastische Zwischenlage, Winkelführungsplatte) einer Stahltrogschwelle oder eines Adapters in fester Fahrbahn verwendet.
  • Das den Schienenfuß abstützende Meßelement weist mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil auf, der mit einer Schwelle verbindbar ist. Diese Teile sind parallel und horizontal übereinander angeordnet. Zwischen dem Krafteinleitungsteil und dem Kraftausleitungsteil ist mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen. Der Krafteinleitungsteil ist durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet, und beide Teile sind seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden, in dem vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind. Das obere Meßsenkungspaar ist zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte vorgesehen.
  • Im Betrieb wandert der Angriffspunkt der Q-Kraft infolge Bewegungen des Rades R z.B. um ± 10 mm in Y-Richtung. Im Falle der Fig. 1a erfolgte die Q-Krafteinleitung mittig, im Falle der Fig. 1b erfolgte eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes in horizontaler Richtung um etwa 10 mm. Die nicht zentrische Krafteinleitung ergibt im Meßdiagramm einen Spannungsanstieg des lastseitigen unteren Meßsenkungskörpers um etwa 0,2 mV/V.
  • Nach den Fig. 3a und 3b sind in der Meßstrecke außerdem an den Schienen S Dehnungsmeßstreifen am Schienenkopfaußenrand SKR zur Aufnahme von Horizontalverschiebungen, auf beiden Seiten des Schienensteges STL in der neutralen Faser zur Aufnahme von traktionsverursachten Längsspannungen, und an den beiden Außenrändern des Schienenfußes SFR zur Aufnahme von Horizontalverschiebungen angebracht. Die gemessenen Signale werden in einer nicht gezeigten elektronischen Auswerteeinrichtung nach vorbestimmten Programmen ausgewertet, wobei eine kontinuierliche Signalauswertung vorgenommen wird, indem in einer nichtlinearen Parametervariation mit problemangepaßten Ansatzfunktionen die Meßdaten approximiert werden. Damit werden die diskreten Daten im Zeit- und Wegbereich kontinuisiert. Die Kräfte werden als dynamisches Signal bei der Überfahrt einer Achse über den gesamten Meßbereich errechnet. Zusätzlich kann der Mittelwert der Bettungssteifigkeit angegeben werden. Sicherheitsrelevante Entscheidungen werden so auf eine objektive und zeitnahe Basis gestellt. Das System ist redundant, weil es ein durch mindestens zwei unterschiedliche Einzelmeßsysteme abgesichertes Meß- und Auswerteverfahren umfaßt. Durch Hochfrequenz-Simulationsunterstützung eines elastischen Fahrweg- und Radsatzmodells wird außerdem ein lernfähiges System ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung sind eindeutige und reproduzierbare Meßergebnisse bereits bei Radabständen > 0,7 m möglich.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen, mit einer Meßstrecke aus einer Reihe von an den Schienen angebrachten Meßelementen und einer mit diesen verbundenen elektronischen Signalauswerteeinrichtung, wobei Meßelemente auf beiden Seiten des Schienensteges angebracht und als Dehnungsmeßstreifen zur Aufnahme von Schienenlängsspannungen
    ausgebildet sind, und der Schienenfuß von einem Meßelement abgestützt ist, welches die Horizontal- und Vertikalkräfte in einem in horizontaler Richtung wandernden Radaufstandspunkt aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß Meßelemente am Schienenkopfaußenrand (SKR) und an beiden Schienenfußaußenrändern (SFR) als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind, welche Horizontalverschiebungen aufnehmen, und daß das den Schienenfuß abstützende Meßelement mindestens einen balkenförmigen Krafteinleitungsteil, der mit dem Schienenfuß verbindbar ist, und mindestens einen balkenförmigen Kraftausleitungsteil aufweist, der mit einer Schwelle verbindbar ist, wobei diese Teile parallel und horizontal übereinander angeordnet sind, und daß zwischen den Kraftein- und Kraftausleitungsteilen mindestens ein Meßsenkungspaar an mindestens einem Verformungskörper vorgesehen ist, wobei der Krafteinleitungsteil durch einen horizontalen Querspalt vom Kraftausleitungsteil beabstandet ist, und beide Teile seitlich mit je einem zumindest teilweise vertikal ausgerichteten Verformungskörper verbunden sind, in denen vertikal beabstandet mindestens je zwei Meßsenkungspaare vorgesehen sind, wobei das obere Meßsenkungspaar zur Erfassung der horizontalen und das untere Meßsenkungspaar zur Erfassung der Vertikalkräfte und des Radaufstandspunktes vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Schienensteg in der neutralen Faser, wie an sich bekannt, Dehnungsmeßstreifen unter einem negativen und einem positiven 45°-Winkel zur neutralen Faser aufgebracht sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Schienensteg in der neutralen Faser Dehnungsmeßstreifen unter einem 0°-Winkel zur neutralen Faser zur Erfassung von Längsspannungen aufgebracht sind.
  4. Verfahren zur Erfassung der Entgleisungsgefahr von Schienenfahrzeugen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalauswerteeinrichtung aus den übermittelten Signalen ein kontinuierliches Informationsarray gebildet wird, das Instabilitätsneigungen von Fahrzeugen und Gleisverschiebekräfte anzeigt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Informationsarray aus mehreren Informationszellen gebildet wird, derart, daß sich ihre Signalanteile quasi stetig aneinanderfügen, wobei vorzugsweise die Schieneneinsenkungen und auch die horizontalen Schienenbewegungen in relevante Anteile zerlegt und in der unmittelbaren Umgebung des Radaufstandspunktes berücksichtigt werden.
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