EP4301640A1 - Verfahren zur bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen geschwindigkeit eines schienenfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen geschwindigkeit eines schienenfahrzeugs

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Publication number
EP4301640A1
EP4301640A1 EP22708514.9A EP22708514A EP4301640A1 EP 4301640 A1 EP4301640 A1 EP 4301640A1 EP 22708514 A EP22708514 A EP 22708514A EP 4301640 A1 EP4301640 A1 EP 4301640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
friction element
rail vehicle
temperature
braking
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22708514.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulf Friesen
Ralf FURTWÄNGLER
Fabian Hauss
Werner Machane
Gerhard Stahlbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Publication of EP4301640A1 publication Critical patent/EP4301640A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • B60T8/1701—Braking or traction control means specially adapted for particular types of vehicles
    • B60T8/1705—Braking or traction control means specially adapted for particular types of vehicles for rail vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60T8/32—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration
    • B60T8/321—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration deceleration
    • B60T8/3235—Systems specially adapted for rail vehicles
    • B60T8/3245—Systems specially adapted for rail vehicles responsive to the speed difference between wheels and rail, or between two wheels or two axles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0062—On-board target speed calculation or supervision

Definitions

  • the invention relates to a method for determining an optimal or maximum permissible speed of a rail vehicle depending on a thermal state of at least one friction element of at least one friction brake of the rail vehicle according to the preamble of claim 1.
  • Rail vehicles often have electrodynamic brakes and, in addition, a friction brake system (biending), with the electrodynamic brakes being primarily used in order to reduce wear on the friction brake system. Although some rail vehicles have a friction braking system, they do not have electrodynamic brakes.
  • braking in particular service braking, may have to be carried out primarily or exclusively with the friction brake system.
  • the fluctuation of the coefficient of friction m of the brake disc/brake pad pairing increases, and with it the probability that the coefficient of friction m will decrease.
  • Brake fading is understood to mean the reduction in the braking effect of a friction brake system due to influences such as heating or moisture.
  • brake loss is understood to mean the reduction in the braking effect of a friction brake system due to influences such as heating or moisture.
  • the maximum speed of the rail vehicle is limited by a maximum permitted speed depending on the situation.
  • the generic WO 2018/054736 A1 proposes a method and a device for influencing a kinematic behavior of a vehicle, with at least one friction brake system in which a braking effect by a At least one first friction element and one second friction element are pressed against one another, wherein at least temperatures of at least the first friction element are calculated from information about a speed, a brake pressure and an outside temperature of the vehicle as well as absolute times, and wherein heat conduction through the at least the first friction element and a speed-dependent cooling of the at least first friction element are taken into account, and the kinematic behavior of the vehicle is influenced on the basis of this calculation.
  • the present invention is based on the object of providing a method which, on the one hand, offers greater security against overheating of the friction brake system, but, on the other hand, enables the rail vehicle to travel at the highest possible speed, i.e. driving “at the limit” at an optimal speed.
  • a maximum permissible speed with regard to the thermal state or the thermal load capacity of the at least one friction element also represents an optimal speed, because the "thermal reserve" of the at least one friction element is then utilized to the maximum without this one damage due to overheating.
  • the rail vehicle can then travel at the maximum speed that is just about allowed with regard to the thermal load capacity of the at least one friction element.
  • a rail vehicle has several friction brakes, for example in the form of disc brakes and/or shoe brakes, so that, for example, the friction brake subject to the highest thermal load, as the (thermally) weakest link, can form the benchmark for determining the optimum or maximum permissible speed of the rail vehicle .
  • the maximum permissible speed or the optimum speed of the rail vehicle is referred to below as v ot for the sake of simplicity.
  • a further background to the inventive considerations is that during operation or when the rail vehicle is moving, it should be ensured at all times that a defined type of braking with a defined braking effect, such as emergency, compulsory or Rapid braking can be carried out without the friction element temperature (e.g. brake disc temperature) reaching a critical range as a result of the temperature rise DT generated as a result.
  • a defined type of braking with a defined braking effect such as emergency, compulsory or Rapid braking
  • a rail vehicle is to be understood here as meaning any type of track-bound vehicle with a drive unit, in particular traction vehicles or also without a drive unit such as wagons in rail vehicle formations and a rail vehicle formation made up of a number of rail vehicles.
  • the invention is based on a method for determining an optimal or maximum permissible speed v ot of a rail vehicle as a function of a thermal state of at least one friction element of at least one friction brake of the rail vehicle, including at least the following steps: of the rail vehicle, b) determining or estimating a first influence on the thermal state of the at least one friction element on the basis of the current driving operation situation of the rail vehicle.
  • the method is characterized by the following further steps: c) determining or estimating a (in particular speed-dependent) second influence on the thermal state of the at least one friction element, which would influence the thermal state of the at least one friction element in addition to the first influence if in the current operating situation of the rail vehicle, braking with a defined type of braking would be carried out notionally or theoretically, d) determining the optimum or maximum permissible speed v opt of the rail vehicle in such a way that the at least one friction element under the first influence and under the second influence d1) a permitted maximum friction element temperature Tmax of the at least one friction element is not exceeded, or d2) the permitted maximum friction element temperature Tmax of the at least one friction element is essentially established.
  • the method ensures that a defined type of braking, such as emergency braking, can be carried out at any time during a journey of the rail vehicle without the temperature of the at least one friction element exceeding the permitted maximum temperature T max for the friction element.
  • the additional temperature rise DT resulting from the defined type of braking is therefore taken into account as a second influence when determining the optimal speed v ot .
  • an estimate or calculation of the temperature rise DT can preferably be carried out at any time and/or continuously while driving, but without the defined type of braking actually being carried out. It is therefore not absolutely necessary for the defined type of braking to actually be carried out in parallel with the current driving situation.
  • An estimate or the calculation of the temperature rise DT based on the fictitious braking is carried out for safety reasons in order to avoid a temperature overload of the at least one friction element of the friction brake system at any time during a journey, without it being absolutely necessary that the defined type of braking is actually carried out.
  • the initial situation is therefore the current driving operation situation, in which the rail vehicle is traveling at a specific speed and load and under specific environmental and route conditions along a route that is, for example, level or has a specific gradient or a specific incline. For example, the speed, the load, the gradient or the incline are then recorded as parameters.
  • the current driving operation situation can also include the fact that service braking that deviates from the defined type of braking, for example, has already been triggered, in which case, for example, the current brake pressure and/or the current braking force and/or the current braking torque is (are) recorded as parameters.
  • the first influence for example as a first temperature component T CU rrent , of a predictive friction element Temperature T pr ed calculated based on the current driving situation of the rail vehicle or estimated using a model.
  • This first temperature component T CU rrent then corresponds to the temperature that actually occurs on the at least one friction element due to the current driving situation.
  • the first temperature component T CU rrent is constantly calculated, for example, even if a specific type of braking is currently being carried out.
  • a model should be understood to mean any physical-mathematical model that can be implemented by a storable program in a computing unit and with the help of which the variables mentioned can be calculated based on the parameters.
  • the parameter and/or the parameter for characterizing the current driving situation is not a temperature variable.
  • the first temperature component T CU rrent of the predicted friction element temperature T pr ed can then be estimated or calculated from the at least one parameter using a model, but the first temperature component T CU rrent is not measured by a temperature sensor, for example.
  • at least one temperature sensor could be used for the direct or indirect detection of the first temperature component T CU rrent .
  • the temperature rise DT described above which represents the second influence, is taken into account as the second temperature component DT of the predicted friction element temperature T pre d or as the second influence.
  • the temperature rise DT as the second temperature component of the predicted friction element temperature T P re d is particularly dependent on the speed.
  • the second temperature component DT would occur in addition to the first temperature component T CU rrent on the at least one friction element of the friction brake system if, in the current driving situation of the rail vehicle, braking with a defined type of braking were notionally carried out, which is not or not yet the case in the current driving situation has been or is being requested, but could be requested in the current driving situation.
  • the predicted friction element temperature T pre d of the at least one friction element of the friction brake system can be determined as the sum of the first temperature component Tcurrent and the second temperature component DT.
  • This predictive The friction element temperature T pr ed would therefore theoretically or notionally be estimated or calculated on or in the at least one friction element if the defined type of braking is being carried out in the current driving situation.
  • the defined type of braking includes at least one of the following types of braking: emergency braking, forced braking, emergency braking, emergency braking.
  • Emergency braking Emergency braking activated automatically by signal or protection systems (e.g. train control systems);
  • the emergency brake pull handle is the operating interface of a passenger alarm system.
  • Safety braking specific to short-haul braking systems braking with a higher level of safety than service and emergency braking.
  • the braking capacity may be lower than with maximum service braking or emergency braking.
  • Speed of a train including deceleration, stopping and temporary standstill and it is the most commonly used type of braking.
  • the thermal state of the at least one friction element can preferably be represented by a predictive friction element temperature T pr ed of the at least one friction element, which consists of a first temperature component T CU rrent and a second, in particular speed-dependent temperature component DT, where a) the first temperature component T CU rrent of the predicted friction element temperature T pr ed is estimated or determined on the basis of the current driving situation of the rail vehicle as the first influence, and that b) a functional relationship r is defined between the first temperature component T CU rrent and the optimal speed v ot of the rail vehicle, in which the second temperature component DT of the predicted friction element temperature Tpre d is taken into account as a second influence, and where c) the optimal or maximum permissible speed v opt of the rail vehicle is determined based on the functional relationship r depending on the first temperature component T CU rrent.
  • a predictive friction element temperature T pr ed of the at least one friction element which consists of a first temperature component T CU r
  • the thermal state of the at least one friction element can also be represented by a predicted friction element temperature T pre d of the at least one friction element, with a) as the first influence a first temperature component T CU rrent of the predicted friction element temperature T pre d based on the current driving situation of the rail vehicle is estimated or determined, and that b) a (particularly speed-dependent) second temperature component DT of the predicted friction element temperature T pre d is estimated or determined as a second influence, which occurs in addition to the first temperature component Tcurrent on the at least one friction element would be if, in the current driving operation situation of the rail vehicle, braking with a defined type of braking would be carried out notionally or theoretically, wherein c) the determination of the optimum or maximum permissible speed v opt of the rail vehicle takes place in such a way that a sum of d em first temperature component Tcurrent and the second temperature component DT c1) is less than a permitted maximum friction element temperature Tmax of the at least one friction element, or c2) essentially corresponds
  • the current speed v of the rail vehicle is increased in the current driving situation until they im Essentially corresponds to the optimal speed v ot , or if it is determined, or if b) it is determined that the sum of the first temperature component T CU rrent and the second temperature component DT is greater than the permitted maximum friction element temperature Tmax, in the current driving situation current speed v of the rail vehicle is reduced until it essentially corresponds to the optimum or maximum permissible speed v opt .
  • the current speed v of the rail vehicle can be reduced until the first temperature component Tcurrent is less than or equal to the permitted maximum friction element temperature Tmax of the at least one friction element.
  • the optimum speed v ot of the rail vehicle can also be set automatically a) by means of a control device which controls or regulates the traction and/or the brakes of the rail vehicle, and/or b) displayed optically and/or acoustically on a display device.
  • the parameter that characterizes the current driving situation can be at least one of the following parameters: the current speed of the rail vehicle, the current braking force, the current braking torque, the current brake pressure, the ambient temperature of the rail vehicle, the current load and/or loading of the rail vehicle , an uphill or downhill gradient on the route traveled by the rail vehicle, service braking or service braking with a braking effect that is less than the braking effect of the defined type of braking.
  • the at least one friction element can be a brake disc and/or a brake pad of a disc brake of the friction brake system, or a wheel tread and/or a brake pad of a pad brake unit Include friction braking system.
  • the defined type of braking can also include at least one of the following types of braking: emergency braking, emergency braking, emergency braking, emergency braking.
  • the rail vehicle can comprise a plurality of friction brakes, each with at least one friction element, with a local optimum or maximum permissible speed v_ op tjocai being determined for each of the plurality of friction brakes, and the lowest being the optimum or maximum permissible speed v op t of the rail vehicle or the smallest local optimum or maximum permissible speed v_ op tjocai_min among the local optimum or maximum permissible speeds v_ op tjocai of the multiple friction brakes can be used.
  • all determined values for the local optimal or maximum permissible speeds v_ op tjocai can be sorted in a series of increasing values and then an average or highest value taken from the smallest X percent (where X is a predefined percentage).
  • 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a pneumatic friction brake device with a brake disk and a brake caliper with brake pads
  • 2 shows a functional diagram of an exemplary embodiment of a device according to the invention for an embodiment of the method according to the invention
  • 3A/B shows a flow chart of the method according to the invention according to a preferred embodiment
  • Fig. 4 is a diagram in which the dependency of a second
  • FIG. 5 shows a functional relationship r between the speed v of a rail vehicle and a first temperature component T CU rrent of the predicted temperature T pr ed of a friction element of the friction brake of FIG.
  • a section of a friction brake device of a rail vehicle, shown schematically in FIG. 1, shows a pneumatic disk brake.
  • This includes a first friction element 1, which is designed, for example, as a brake disc, which is mounted on an axle of the rail vehicle, not shown, and a brake caliper.
  • the brake caliper has a second friction element 2, which includes two brake pads.
  • the brake caliper has a brake cylinder 4 with compressed air connections 6 and a piston 5 as well as a linkage 3 .
  • the piston 5 actuates the linkage 3, whereby the brake pads arranged on the linkage 3, i.e. the second friction element 2, are pressed against the brake disc, i.e. the first friction element 1.
  • Compressed air from a compressed air system (not shown) of the rail vehicle is applied to the piston 5 via the compressed air connections 6 in order to actuate the linkage 3 .
  • the compressed air system has components for controlling and regulating the friction brake device, such as compressors, brake control units, etc.
  • a preferred embodiment of a device for determining the optimal or maximum permissible speed v ot of the rail vehicle has a computing unit 7 shown in FIG. 2, in which a model is implemented that carries out thermal calculations according to the method according to the invention. the The device also includes a control unit 8 shown in FIG. 2, with which the kinematic behavior of the rail vehicle is influenced on the basis of the results of the thermal calculations.
  • Pressing the first friction element 1 and the second friction element 2 against each other causes a braking effect on the rail vehicle.
  • the kinetic energy of the rail vehicle is converted into heat, which causes the temperature of the first friction element 1 and the second friction element 2 to rise.
  • Detaching the first friction element 1 and the second friction element 2 from one another causes a reduction or cancellation of the braking effect on the rail vehicle.
  • the temperatures in the first friction element 1 and in the second friction element 2 are reduced as a result, as well as through an effect of known heat transfer principles, ie the first friction element 1 and the second friction element 2 cool down.
  • the temperature behavior described is calculated or estimated using the method according to the invention, and the optimal or maximum permissible speed v ot is then determined in the computing unit 7 on the basis of the temperature behavior.
  • the device comprises a driving speed sensor 10 for detecting a driving speed v, a brake pressure sensor 11 for detecting a brake pressure p and thus a braking force FB, an ambient temperature sensor 12 for detecting an ambient temperature Tu, a timer 13 for detecting an absolute time t and a load braking device 14, which are connected via corresponding data lines to a computing unit 7 in order to make the sensor signals available to the model.
  • the driving speed sensor 10, the brake pressure sensor 11 and the ambient temperature sensor 12 are arranged in a non-illustrated chassis of the rail vehicle. However, it is also conceivable that the driving speed v and the brake pressure p are read into the processing unit 7 from a data bus system of the rail vehicle.
  • the brake pressure p is approximately determined from a deceleration and a mass to be braked.
  • the deceleration is calculated, for example, by differentiating the driving speed v or determined using acceleration sensors, and the mass m to be braked is determined using a load braking device 14 .
  • a driving speed v a Angular velocity of a wheel or a wheel speed is detected and the thermal calculations are carried out with this angular velocity or this wheel speed.
  • configuration data of the rail vehicle are stored in a memory (not shown here) of the arithmetic unit 7 and are also available to the model.
  • a permitted friction element maximum temperature Tmax for example of the first friction element 1, is also stored in the memory.
  • the time measuring device 13 and the computing unit 7 are implemented in a control unit (not shown) and arranged in a car body (not shown).
  • the arithmetic unit 7 receives via corresponding data lines from the
  • Driving speed sensor 10 data regarding the driving speed v, from the brake pressure sensor 11 data regarding the brake pressure p or the braking force FB, from the ambient temperature sensor 12 data regarding the ambient temperature Tu, from the load braking device 14 data regarding the vehicle mass m and from the timer 13 data regarding the Absolute time t (time stamp) and leads
  • configuration data of the rail vehicle stored in the memory of the computing unit 7 can also be included in the computing operations of the model.
  • thermal states of the friction brake device shown in FIG. 1 are determined according to the description of FIGS. 3A and 3B , In particular of the first friction element 1 .
  • the arithmetic unit 7 is connected via corresponding data lines to a control unit 8 implemented in a vehicle control (not shown) and arranged in the car body.
  • the control unit 8 influences the kinematic behavior of the rail vehicle in such a way that, for example, the rail vehicle maintains its current driving speed v, is automatically braked or accelerated by signals generated on the basis of a thermal calculation in the model implemented in the computer unit 7 and transmitted to the control unit 8.
  • the optimal speed v ot is set or regulated by the control unit 8 .
  • the braking can preferably be done by controlling the traction, so as not to reduce the brake disc temperature and wear by engaging the disc brakes to increase. In this way, the thermal state of the disc brakes of the rail vehicle can be influenced.
  • a display unit 9 connected to the computing unit 7 via a signal line is arranged in a driver's cab (not shown) of the rail vehicle.
  • Information or warnings determined on the basis of thermal calculations according to the method according to the invention described below are displayed to a train driver, in particular the optimum speed v ot .
  • the thermal state of the friction brakes or the disc brakes can also be monitored.
  • the display unit 9 may additionally display speed limits, permissible decelerations or permissible driving profiles (chronological sequences of acceleration and deceleration sections as well as phases with a constant driving speed v or phases of standstill).
  • additional acoustic and/or visual signals can be output to the train driver via an audio output device of the display unit 9 .
  • the computing unit 7 is arranged in a control station and communicates with the rail vehicle via radio signals, i.e., for example, receives information about its driving speed v and, based on a thermal calculation carried out according to the invention, gives instructions for limiting the driving speed v to the maximum permissible or optimal driving speed v opt sends.
  • 3A and 3B show a flow chart of a preferred embodiment of the method according to the invention for determining the optimum or maximum permissible speed v ot of the rail vehicle depending on the thermal state, for example of the first friction element 1 in the form of the brake disc of the disc brake.
  • the disc brake shown in FIG. 1 is merely representative of a majority or all disc brakes of the rail vehicle. In particular, a majority or all disc brakes are thermally monitored in order to determine the optimum or maximum permissible speed v opt of the rail vehicle.
  • parameters are recorded which characterize a current driving operation situation of the rail vehicle. These include, for example, the current driving speed v, the current braking force FB, the current ambient temperature Tu, data relating to the absolute time t (time stamp), the current mass m of the rail vehicle and the configuration data of the rail vehicle.
  • a first temperature component T CU rrent of a predicted friction element temperature T pre d is then calculated or estimated in the model of the computing unit 7 , for example on the basis of the above-mentioned current operating situation of the rail vehicle.
  • the first temperature component T CU rrent can also be measured directly by a temperature sensor.
  • the first temperature component T CU rrent then corresponds, for example, to the surface temperature calculated or estimated by the model, which occurs on the surface of the first friction element 1 on the basis of the actual current driving situation.
  • the model is then checked to determine whether the first temperature component T CU rrent is greater than the permitted maximum friction element temperature T max of the first friction element 1 . If this is the case ("yes"), the problem is dealt with.
  • the arithmetic unit 7 generates an alarm or warning signal, which is then output, for example optically, on the display unit 9 and which, for example, represents or contains an indication of a critical thermal state of the first friction element 1 .
  • an influencing signal could also be generated, which is output to the control unit 8, which controls the traction and/or the brakes of the rail vehicle controls or regulates.
  • the influencing signal is then used, for example, to reduce the driving speed v and/or the deceleration a of the rail vehicle until the first temperature component T CU rrent is less than or equal to the permitted maximum friction element temperature Tmax of the first friction element 1 .
  • a diagnosis can also be carried out to determine whether, for example, an advanced state of wear on the disk brake has caused the relatively high temperature.
  • a maximum permissible or optimal speed v_ op tjocai of the rail vehicle is determined in step 400 with the aid of a behavior model implemented in the computing unit 7 for, for example, each friction brake, which is referred to there as a braking unit determines or determines at which, in the case of a fictitious braking with a specific type of braking, here, for example, with emergency braking, the temperature T, for example, of the first friction element 1 essentially or exactly assumes or reaches the permitted maximum friction element temperature Tmax of this first friction element 1.
  • a predictive friction element temperature T pr ed occurs on the first friction element (theoretically), for example as the surface temperature of the first friction element 1, if the rail vehicle is notionally braked in the current driving situation with a defined type of braking.
  • This predictive friction element temperature T pre d therefore represents a type of "prediction" of the temperature of the first friction element 1, which this occupies when the rail vehicle is theoretically or notionally braked with the defined type of braking.
  • This predictive friction element temperature T pre d can therefore basically be determined as the sum of the first temperature component T CU rrent and the second temperature component or temperature rise DT:
  • the second temperature component DT of the predicted friction element temperature T pre d then represents the temperature component which would occur on the first friction element 1 solely on the basis of the fictitious braking with the defined type of braking.
  • This second temperature component DT would therefore be set in addition to the first temperature component Tcurrent on the surface of the first friction element 1 if in the current Driving situation of the rail vehicle braking with a defined type of braking would be performed fictitious or theoretical.
  • This defined type of braking has not or not yet been requested in the current driving situation, for example, but could be requested in the current driving situation.
  • the second temperature portion DT of the predicted friction element temperature T pr ed is particularly dependent on the driving speed v, which is present in the current driving situation at time t (time stamp).
  • 4 shows a diagram which is stored, for example, in a characteristic map in the computing unit 7 and in which the dependency of the second temperature component DT on the driving speed v for various load cases defined in the generally known applicable regulations, for example AW1: low load, AW2: medium load and AW3: high load. Of course, other load cases can also be taken into account in the map.
  • the second temperature component DT also increases with increasing driving speed v, which (also) characterizes the current driving operation situation. Consequently, a certain second temperature component DT of the predicted friction element temperature T pr ed is mapped to the driving speed v present in the current driving operation situation and the loading of the rail vehicle in the diagram of FIG. 4 .
  • the second temperature component DT is preferably not explicitly determined.
  • the second temperature component or temperature rise DT is available as a "temperature reserve", which corresponds to a difference between the permitted maximum friction element temperature Tmax here of the first friction element 1 and the first temperature component T CU rrent :
  • a functional relationship r shown in FIG. 5 between the first temperature component Tcurrent and the optimal one is preferred in the method Defines or determines the speed v ot of the rail vehicle, in which the second temperature component DT of the predicted friction element temperature T pr ed is already taken into account. The optimal speed v ot of the rail vehicle is then determined using the functional relationship r as a function of the first temperature component Tcurrent.
  • the rail vehicle is traveling at a speed of 56 km/h and the first temperature component T CU rren t of brake disc 1 of the disc brake from Fig. 1, which is used here as the first friction element, for example, is 300 °C
  • This first temperature component T CU rren t has been measured here, for example, by means of a temperature sensor. Alternatively or additionally, it can also be estimated or calculated from other variables by a model implemented in the computing unit 7 .
  • the temperature rise or second temperature component DT arising in this case as a result of a fictitious emergency braking operation corresponds to the distance between the curve or function G and the permitted maximum friction element temperature Tmax, which is symbolized by a dashed line in FIG.
  • the temperature rise or second temperature component DG is «30° C., which is denoted as ATEBJ OW in FIG.
  • the driving operation situation or the operating point of the rail vehicle at which the predicted temperature T pre d is equal to the permitted maximum friction element temperature T max is then located at the intersection of this vertical straight line with the function G.
  • the second Temperature component DG is equal to 100° C. at this point of intersection and is denoted in FIG. 5 as AT EB _o Pt . Seen in the vertical direction, this intersection point is therefore the optimum or maximum permitted speed v o tjokai, which is 100 km/h, for example, ie that only in relation to the disc brake under consideration
  • the predictive temperature T pr ed is greater than the permitted maximum temperature T max of the friction element of the brake disc 1 (T pred >T max ). Then you are in the thermally critical area.
  • the second temperature component DG is too large in this range and is referred to as AT EBjiigh in FIG.
  • the curve or function G therefore already includes the influence of a fictitious braking under the braking type "emergency braking" and therefore already the influence of the second temperature component or temperature rise DT on the brake disc. Therefore, separate curves or functions G are formed for the types of braking mentioned above and are stored, for example, as characteristic curves in the computing unit 7 .
  • the optimum local temperature v op tjokai is preferably determined not only for one disc brake, but for a plurality or all disc brakes of the rail vehicle, for example, with “local” referring to the position of the respective disc brake in the rail vehicle.
  • a criteria-based evaluation of the local optimum temperatures v o tjokai of the disc brakes and a consolidation to an optimum speed v o t for the entire rail vehicle or train is carried out.
  • the lowest or smallest local optimum speed v_opt_iocai_min among the local optimum speeds v_opt_iocai of all disc brakes can be used for the consolidation as the optimum speed v o t of the rail vehicle.
  • This optimum speed can then be displayed to the railcar driver on the display unit 9 in a step 600 .
  • warning or alarm signals can be displayed on the display unit 9 when critical temperature ranges of the disc brakes have been reached.
  • a currently highest temperature for example the currently highest predicted temperature T pre d and/or the highest first temperature component T CU rrent of the disc brake in question and the localization of the disc brake in question could be displayed cyclically, for example.
  • a particularly cyclical display of the respective optimal speed v opt of the rail vehicle is also conceivable.
  • step 700 the current speed v can be adjusted to the ascertained optimum speed v opt by the control unit 8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements (1, 2) wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte:a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert,b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs,Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren wenigstens die folgenden weiteren Schritte:c) Bestimmen oder Schätzen eines zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2), welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde,d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement (1, 2) unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einflussd1) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) nicht überschritten wird, oderd2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) im Wesentlichen einstellt.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Schienenfahrzeuge weisen oft elektrodynamische Bremsen und zusätzlich ein Reibungsbremssystem auf (Biending), wobei die elektrodynamischen Bremsen vorrangig zum Einsatz kommen, um den Verschleiß des Reibungsbremssystems zu reduzieren. Manche Schienenfahrzeuge weisen zwar ein Reibungsbremssystem, aber keine elektrodynamischen Bremsen auf.
Daher kann es bei einem kompletten oder teilweisen Ausfall der elektrodynamischen Bremsen Vorkommen, dass eine Bremsung, insbesondere eine Betriebsbremsung, hauptsächlich oder ausschließlich mit dem Reibungsbremssystem durchgeführt werden muss. Je höher das Fahrzeuggewicht, welches vom Reibungsbremssystem abgebremst wird, und die Bremseintrittsgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ist, d.h. je höher die Geschwindigkeit ist, bei welcher mit der Reibungsbremsung begonnen wird, desto höher ist der Energieeintrag und damit die Temperaturerhöhung der Bremsscheiben und Bremsbeläge. Als Konsequenz erhöht sich die Schwankung des Reibbeiwerts m der Bremsscheibe-Bremsbelag-Paarung und damit die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Reibbeiwert m verringert. Bei hohen Bremseintrittsgeschwindigkeiten besteht daher die Gefahr, dass aufgrund von Bremsfading sich die Bremswege verlängern.
Unter Bremsfading (Bremsschwund) versteht man hierbei das Nachlassen der Bremswirkung eines Reibungsbremssystems durch Einflüsse wie Erwärmung oderNässe. Um Bremsfading wegen Erwärmung zu vermeiden, wird die maximale Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs situationsbedingt limitiert durch eine maximal erlaubte Geschwindigkeit.
Hierzu schlägt die gattungsgemäße WO 2018/054736 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines kinematischen Verhaltens eines Fahrzeugs vor, mit zumindest einem Reibungsbremssystem, bei dem eine Bremswirkung durch ein Gegeneinanderdrücken zumindest eines ersten Reibelements und eines zweiten Reibelements erzeugt wird, wobei zumindest aus Informationen über eine Geschwindigkeit, einen Bremsdruck und eine Außentemperatur des Fahrzeugs sowie über Absolut-Zeiten zumindest Temperaturen zumindest des ersten Reibelements berechnet werden, und wobei bei dieser Berechnung eine Wärmeleitung durch das zumindest erste Reibelement sowie eine geschwindigkeitsabhängige Abkühlung des zumindest ersten Reibelements berücksichtigt werden, und wobei eine Beeinflussung des kinematischen Verhaltens des Fahrzeugs auf Basis dieser Berechnung erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches einerseits eine höhere Sicherheit gegenüber einer Überhitzung des Reibungsbremssystems bietet, aber andererseits eine möglichst hohe Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, also ein Fahren „am Limit“ unter optimaler Geschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Offenbarung der Erfindung
Hintergrund der erfinderischen Überlegungen ist, dass eine im Hinblick auf den thermischen Zustand oder die thermische Belastbarkeit des wenigstens einen Reibelements maximal zulässige Geschwindigkeit gleichzeitig eine optimale Geschwindigkeit darstellt, weil dann die „thermische Reserve“ des wenigstens einen Reibelements maximal ausgenutzt wird, ohne dass dieses einen Schaden aufgrund von Überhitzung nimmt. Das Schienenfahrzeug kann dann mit der maximalen Geschwindigkeit fahren, die im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit des wenigstens einen Reibelements gerade noch erlaubt ist. Dabei ist klar, dass ein Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen beispielsweise in Form von Scheibenbremsen und/oder Klotzbremsen aufweist, so dass beispielsweise die thermisch am höchsten belastete Reibungsbremse als (thermisch) schwächstes Glied den Maßstab für die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bilden kann. Die maximal zulässige Geschwindigkeit bzw. die optimale Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wird vereinfachend im Folgenden mit vo t bezeichnet.
Ein weiterer Hintergrund der erfinderischen Überlegungen ist, dass im Betrieb bzw. unter Fahrt des Schienenfahrzeugs jederzeit gewährleistet sein soll, dass eine definierte Bremsart mit einer definierten Bremswirkung wie z.B. eine Not-, Zwangs- bzw. Schnellbremsung durchgeführt werden kann, ohne dass durch den dadurch erzeugten Temperaturhub DT die Reibelement-Temperatur (z.B. Bremsscheibentemperatur) in einen kritischen Bereich gelangt.
Unter einem Schienenfahrzeug soll hier jegliche Art von spurgebundenem Fahrzeug mit Antriebsmaschine, insbesondere Triebfahrzeuge oder auch ohne Antriebsmaschine wie Wagen in Schienenfahrzeugverbänden sowie ein Schienenfahrzeugverband aus mehreren Schienenfahrzeugen verstanden werden.
Die Erfindung geht aus von Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vo t eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte: a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert, b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch die folgenden weiteren Schritte gekennzeichnet: c) Bestimmen oder Schätzen eines (insbesondere geschwindigkeitsabhängigen) zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements, welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einfluss d1 ) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements nicht überschritten wird, oder d2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements im Wesentlichen einstellt. Das Verfahren gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt einer Fahrt des Schienenfahrzeugs eine definierte Bremsart wie z.B. eine Notbremsung durchgeführt werden kann, ohne dass dadurch die Temperatur des wenigstens einen Reibelements die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax übersteigt. Der durch die definierte Bremsart entstehende zusätzliche Temperaturhub DT wird daher als zweiter Einfluss bei der Bestimmung der optimalen Geschwindigkeit vo t berücksichtigt.
Dabei kann bevor die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird, eine Schätzung oder Berechnung des Temperaturhubs DT vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt und/oder kontinuierlich während der Fahrt durchgeführt werden, ohne dass jedoch die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird. Es ist daher nicht zwingend notwendig, dass die definierte Bremsart dann auch tatsächlich parallel zur aktuellen Fahrbetriebssituation durchgeführt wird. Eine Schätzung oder die Berechnung des Temperaturhubs DT aufgrund der fiktiven Bremsung wird aus Sicherheitsgründen durchgeführt, um eine Temperaturüberlastung des wenigstens einen Reibelements des Reibungsbremssystems zu jedem Zeitpunkt einer Fahrt zu vermeiden, ohne dass dabei zwingend notwendig ist, dass die definierte Bremsart tatsächlich ausgeführt wird.
Die Ausgangssituation bildet daher die aktuelle Fahrbetriebssituation, in welcher das Schienenfahrzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Beladung und unter bestimmten Umgebungs- und Streckenbedingungen entlang einer Strecke fährt, welche beispielsweise eben ist oder ein bestimmtes Gefälle oder eine bestimmte Steigung aufweist. Beispielsweise die Geschwindigkeit, die Beladung, das Gefälle bzw. die Steigung werden dann als Parameter erfasst. Auch kann die aktuelle Fahrbetriebssituation umfassen, dass bereits eine beispielsweise von der definierten Bremsart abweichende Betriebsbremsung ausgelöst worden ist, wobei dann beispielsweise der aktuelle Bremsdruck und/oder die aktuelle Bremskraft und/oder das aktuelle Bremsmoment als Parameter erfasst wird (werden). Alternativ kann in der aktuellen Fahrbetriebssituation auch nicht gebremst werden, dann sind die Parameter den aktuellen Bremsdruck und/oder die aktuelle Bremskraft und/oder das aktuelle Bremsmoment betreffend gleich Null. Weiter alternativ kann in der aktuellen Fahrbetriebssituation auch bereits mit einer definierten Bremsart gebremst werden.
Auf der Basis dieser aktuellen Fahrbetriebssituation kann dann als erster Einfluss beispielsweise als erster Temperaturanteil TCUrrent einer prädiktiven Reibelement- Temperatur Tpred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs berechnet oder mittels eines Modells geschätzt werden. Dieser erste Temperaturanteil TCUrrent entspricht dann der Temperatur, welche sich aufgrund der aktuellen Fahrbetriebssituation an dem wenigstens einen Reibelement tatsächlich einstellt. Der erste Temperaturanteil TCUrrent wird beispielsweise ständig berechnet, auch wenn momentan eine bestimmte Bremsart durchgeführt wird.
Unter einem Modell soll jegliches physikalisch-mathematische Modell verstanden werden, welches durch ein speicherbares Programm in einer Recheneinheit implementierbar ist und mit dessen Hilfe basierend auf den Parametern die genannten Größen berechnet werden können.
Der Parameter und/oder die Kenngröße zur Charakterisierung der aktuellen Fahrsituation ist insbesondere keine Temperaturgröße. Dann kann der erste Temperaturanteil TCUrrent der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred aus dem wenigstens einen Parameter anhand eines Modells geschätzt oder berechnet werden, wobei aber der erste Temperaturanteil TCUrrent beispielsweise nicht von einem Temperatursensor gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich könnte aber wenigstens ein Temperatursensor zur direkten oder indirekten Erfassung des ersten Temperaturanteils TCUrrent herangezogen werden.
Zusätzlich wird beispielsweise der oben beschriebene Temperaturhub DT, der den zweiten Einfluss repräsentiert, als zweiter Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred bzw. als zweiter Einfluss berücksichtigt. Der Temperaturhub DT als zweiter Temperaturanteil der prädiktiven Reibelement- Temperatur TPred ist insbesondere geschwindigkeitsabhängig. Der zweite Temperaturanteil DT würde sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil TCUrrent an dem wenigstens einen Reibelement des Reibungsbremssystems einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv durchgeführt werden würde, welche in der aktuellen Fahrbetriebssituation nicht oder noch nicht angefordert worden ist oder wird, aber in der aktuellen Fahrbetriebssituation angefordert werden könnte.
Beispielsweise kann die prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred des wenigstens einen Reibelements des Reibungsbremssystems als Summe aus dem ersten Temperaturanteil Tcurrent und dem zweiten Temperaturanteil DT bestimmt werden. Diese prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred würde sich daher theoretisch oder fiktiv an oder in dem wenigstens einen Reibelement geschätzt oder berechnet einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation die definierte Bremsart ausgeführt wird.
Insbesondere basiert die Erfindung dann auf der Überlegung, dass ein als „Temperaturreserve“ zur Verfügung stehender zweiter Temperaturanteil oder Temperaturhub DT, welcher beispielsweise noch für eine Erhöhung der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bis zur optimalen Geschwindigkeit vopt zur Verfügung steht, einer Differenz zwischen der erlaubten Reibelement- Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements und dem ersten Temperaturanteil TCUrrent entspricht:
DT = Tmax “ Tcurrent (1 )
Ein Betrieb des Schienenfahrzeugs mit der optimalen Geschwindigkeit vo t oder mit einer Geschwindigkeit v kleiner als die optimale Geschwindigkeit vo t führt dann dazu, dass auch bei einer Ausführung der definierten Bremsart wie Not-, Zwangs- oder Schnellbremse die prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred insbesondere stets kleiner oder gleich in Bezug auf eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements der Reibungsbremse ist oder wird.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Wie oben bereits angedeutet, umfasst die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
Nach DIN EN 14478:2005-06 sind diese Bremsarten wie folgt definiert:
Schnellbremsung
Aufbringen einer vordefinierten Bremskraft unter Anwendung aller einsatzfähigen Bremsen, das das geforderte Bremsvermögen und das geforderte
Sicherheitsniveau gewährleistet. Das in fahrzeugspezifischen Europäischen Normen (EN) beschriebene Bremsvermögen und das Sicherheitsniveau der Schnellbremsung sind unter der Voraussetzung, dass der benötigte Kraftschluss und andere notwendige Voraussetzungen gegeben sind, üblicherweise gleich oder größer als die entsprechenden Werte einer maximalen Betriebsbremsung (Vollbremsung). Im Deutschen kann sich der Begriff abhängig vom jeweiligen Zugtyp oder Verkehrssystem und der Art der Aktivierung der Schnellbremsung, wie nachfolgend erläutert, ändern:
Schnellbremsung Schnellbremsung, die vom Triebfahrzeugführer ausgelöst wird;
Gefahrbremsung Schnellbremsung bei Nahverkehrsbremssystemen;
Zwangsbremsung Schnellbremsung, die durch Signal oder Schutzsysteme automatisch aktiviert wird (z. B. Zugbeeinflussungssysteme);
Notbremsung Schnellbremsung, die von Passagieren oder dem Zugpersonal durch Betätigung eines Notbremszuggriffs ausgelöst wird. Der Notbremszuggriff ist die Betätigungsschnittstelle eines Fahrgastalarmsystems.
Vollbremsung größtes erreichbares Niveau der Betriebsbremsung
Sicherheitsbremsung spezifisch für Nahverkehrsbremssysteme, Bremsung mit einem höheren Sicherheitsniveau als bei Betriebs- und Gefahrbremsungen. Das Bremsvermögen kann geringer als bei maximaler Betriebsbremsung oder bei einer Gefahrbremsung sein.
Betriebsbremsung Aufbringen einer einstellbaren Bremskraft zur Regulierung der
Geschwindigkeit eines Zuges einschließlich der Reduzierung der Geschwindigkeit, des Anhaltens und des vorübergehenden Stillstands und es ist die am häufigsten benutzte Bremsart.
Wie oben bereits angedeutet, kann bevorzugt der thermische Zustand des wenigstens einen Reibelements durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred des wenigstens einen Reibelements repräsentiert werden, welche aus einem ersten Temperaturanteil TCUrrent und einem zweiten, insbesondere geschwindigkeitsab hängigen Temperaturanteil DT besteht, wobei a) der erste Temperaturanteil TCUrrent der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs als erster Einfluss geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) eine funktionale Beziehung r zwischen dem ersten Temperaturanteil TCUrrent und der optimalen Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs definiert wird, in welcher der zweite Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement- Temperatur Tpred als zweiter Einfluss berücksichtigt wird, und wobei c) die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung r abhängig von dem ersten Temperaturanteil TCUrrent bestimmt wird.
Auch kann der thermische Zustand des wenigstens einen Reibelements durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred des wenigstens einen Reibelements repräsentiert werden, wobei a) als erster Einfluss ein erster Temperaturanteil TCUrrent der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) als zweiter Einfluss ein (insbesondere geschwindigkeitsabhängiger) zweiter Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred geschätzt oder bestimmt wird, welcher sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil Tcurrent an dem wenigstens einen Reibelement einstellen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, wobei c) die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs derart erfolgt, dass eine Summe aus dem ersten Temperaturanteil Tcurrent und dem zweiten Temperaturanteil DT c1 ) kleiner als eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements ist, oder c2) im Wesentlichen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements entspricht.
Vorzugsweise wird, falls in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs a) festgestellt wird, dass die Summe aus dem ersten Temperaturanteil Tcurrent und dem zweiten Temperaturanteil DT kleiner als die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax ist, in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange erhöht, bis sie im Wesentlichen der optimalen Geschwindigkeit vo t entspricht, oder falls festgestellt wird, oder falls b) festgestellt wird, dass die Summe aus dem ersten Temperaturanteil TCUrrent und dem zweiten Temperaturanteil DT größer als die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax ist, in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vopt entspricht.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann, falls festgestellt wird, dass bereits der erste Temperaturanteil TCUrrent alleine größer als die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements ist, a) ein Warnsignal und/oder ein Diagnosesignal erzeugt werden, und/oder b) in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs solange reduziert werden, bis der erste Temperaturanteil Tcurrent kleiner oder gleich in Bezug auf die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements ist.
Auch kann die optimale Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs a) mittels einer Steuereinrichtung, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt, automatisch eingestellt werden, und/oder b) an einer Anzeigeeinrichtung optisch und/oder akustisch angezeigt werden.
Insbesondere kann der Parameter, welcher die aktuelle Fahrbetriebssituation charakterisiert, wenigstens einer der folgenden Parameter sein: Die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Bremskraft, das aktuelle Bremsmoment, der aktuelle Bremsdruck, die Umgebungstemperatur des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Last und/oder Beladung des Schienenfahrzeugs, eine Steigung oder ein Gefälle der durch das Schienenfahrzeug befahrenen Strecke, eine Service-Bremsung oder eine Betriebs-Bremsung, mit einer Bremswirkung, welche geringer ist als die Bremswirkung bei der definierten Bremsart.
Gemäß einer Fortbildung kann das wenigstens eine Reibelement eine Bremsscheibe und/oder einen Bremsbelag einer Scheibenbremse des Reibungsbremssystems, oder eine Radlauffläche und/oder einen Bremsklotz einer Klotzbremseinheit des Reibungsbremssystems beinhalten.
Auch kann die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten umfassen: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
Gemäß einer Fortbildung kann das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement umfassen, wobei für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_optjocai bestimmt wird, und wobei als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs die geringste oder kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_optjocai_min unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_optjocai der mehreren Reibungsbremsen herangezogen werden.
Für eine Konsolidierung können verschiedene Verfahren verwendet werden:
- Im einfachsten Fall wird, wie oben beschrieben die geringste oder kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit v_optjocai_min unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_optjocai der mehreren Reibungsbremsen herangezogen;
- Daneben oder alternativ stehen Verfahren zur Elimination von statistischen Ausreißern zur Verfügung. Beispielsweise können alle ermittelten Werte für die lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten v_optjocai in einer Reihe ansteigender Werte sortiert und von den kleinsten X Prozent (wobei X ein vordefinierter Prozentsatz ist) dann ein gemittelter oder höchster Wert herangezogen werden.
Zeichnung
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung einer pneumatischen Reibungsbremseinrichtung mit einer Bremsscheibe und einer Bremszange mit Bremsbelägen; Fig. 2 ein Funktionsschaubild einer beispielhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3A/B einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit eines zweiten
Temperaturanteils DT einer prädiktiven Temperatur Tpred eines Reibelements der Reibungsbremse von Fig. 1 von der Fahrgeschwindigkeit v und Beladungszustand dargestellt ist;
Fig. 5 eine funktionale Beziehung r zwischen der Geschwindigkeit v eines Schienenfahrzeugs und eines ersten Temperaturanteils TCUrrent der prädiktiven Temperatur Tpred eines Reibelements der Reibungsbremse von Fig. 1 dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Ausschnitt aus einer Reibungsbremseinrichtung eines Schienenfahrzeugs zeigt eine pneumatische Scheibenbremse. Diese umfasst ein erstes Reibelement 1 , das beispielsweise als Bremsscheibe ausgeführt ist, die auf einer nicht dargestellten Radsatzwelle des Schienenfahrzeugs gelagert ist sowie eine Bremszange. Die Bremszange weist ein zweites Reibelement 2 auf, welches zwei Bremsbeläge umfasst. Weiterhin weist die Bremszange einen Bremszylinder 4 mit Druckluftanschlüssen 6 und einen Kolben 5 sowie ein Gestänge 3 auf. Der Kolben 5 betätigt das Gestänge 3, wodurch die auf dem Gestänge 3 angeordneten Bremsbeläge, d.h. das zweite Reibelement 2 an die Bremsscheibe, d.h. das erste Reibelement 1 gepresst werden. Über die Druckluftanschlüsse 6 wird der Kolben 5 zur Betätigung des Gestänges 3 mit Druckluft aus einem nicht dargestellten Druckluftsystem des Schienenfahrzeugs beaufschlagt. Das Druckluftsystem weist Komponenten zur Steuerung und Regelung der Reibungsbremseinrichtung, wie z.B. Kompressoren, Bremssteuergeräte etc. auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs weist eine in Fig. 2 dargestellte Recheneinheit 7 auf, in welcher ein Modell implementiert ist, das thermische Berechnungen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine in Fig. 2 dargestellte Regeleinheit 8, mit welcher das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs aufgrund von Ergebnissen der thermischen Berechnungen beeinflusst wird.
Ein Gegeneinanderdrücken des ersten Reibelements 1 und des zweiten Reibelements 2 verursacht eine Bremswirkung auf das Schienenfahrzeug. Dabei erfolgt eine Umwandlung von kinetischer Energie des Schienenfahrzeugs in Wärme, wodurch eine Temperaturerhöhung des ersten Reibelements 1 und des zweiten Reibelements 2 verursacht wird. Ein Lösen des ersten Reibelements 1 und des zweiten Reibelements 2 voneinander bewirkt eine Reduktion bzw. eine Aufhebung der Bremswirkung auf das Schienenfahrzeug. Dadurch sowie durch eine Wirkung bekannter Wärmeübergangsprinzipien werden die Temperaturen in dem ersten Reibelement 1 sowie in dem zweiten Reibelement 2 reduziert, d.h. das erste Reibelement 1 und das zweite Reibelement 2 kühlen ab. Das beschriebene Temperaturverhalten wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet oder geschätzt und auf der Basis des Temperaturverhaltens dann die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit vo t in der Recheneinheit 7 bestimmt.
Die Vorrichtung umfasst einen Fahrgeschwindigkeitssensor 10 zur Erfassung einer Fahrgeschwindigkeit v, einen Bremsdrucksensor 11 zur Erfassung eines Bremsdrucks p und damit einer Bremskraft FB, einen Umgebungstemperatursensor 12 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur Tu, ein Zeitmessgerät 13 zur Erfassung einer Absolut-Zeit t sowie eine Lastbremsvorrichtung 14, die über entsprechende Datenleitungen mit einer Recheneinheit 7 verbunden sind, um die Sensorsignale dem Modell zur Verfügung zu stellen. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 10, der Bremsdrucksensor 11 und der Umgebungstemperatursensor 12 sind in einem nicht dargestellten Fahrwerk des Schienenfahrzeugs angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Fahrgeschwindigkeit v sowie der Bremsdruck p aus einem Datenbussystem des Schienenfahrzeugs in die Recheneinheit 7 eingelesen werden. Weiterhin ist es auch vorstellbar, dass der Bremsdruck p aus einer Verzögerung und einer abzubremsenden Masse näherungsweise bestimmt wird. Die Verzögerung wird dabei beispielsweise durch Differentiation der Fahrgeschwindigkeit v berechnet oder über Beschleunigungssensoren ermittelt und die abzubremsende Masse m über eine Lastbremsvorrichtung 14 bestimmt. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass statt einer Fahrgeschwindigkeit v eine Winkelgeschwindigkeit eines Rads bzw. eine Raddrehzahl erfasst und die thermischen Berechnungen mit dieser Winkelgeschwindigkeit bzw. dieser Raddrehzahl durchgeführt werden. Weiterhin sind in einem hier nicht dargestellten Speicher der Recheneinheit 7 Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs abgespeichert und stehen dem Modell ebenfalls zur Verfügung. In dem Speicher ist auch eine erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax beispielsweise des ersten Reibelements 1 abgespeichert.
Das Zeitmessgerät 13 sowie die Recheneinheit 7 sind, implementiert in ein nicht dargestelltes Steuergerät, in einem nicht dargestellten Wagenkasten angeordnet. Die Recheneinheit 7 empfängt über entsprechende Datenleitungen von dem
Fahrgeschwindigkeitssensor 10 Daten bezüglich der Fahrgeschwindigkeit v, von dem Bremsdrucksensor 11 Daten bezüglich des Bremsdrucks p bzw. der Bremskraft FB, von dem Umgebungstemperatursensor 12 Daten bezüglich der Umgebungstemperatur Tu, von der Lastbremsvorrichtung 14 Daten bezüglich der Fahrzeugmasse m sowie von dem Zeitmessgerät 13 Daten bezüglich der Absolut-Zeit t (Zeitstempel) und führt
Rechenoperationen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus. Weiterhin können auch in dem Speicher der Recheneinheit 7 gespeicherten Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs in die Rechenoperationen des Modells einfließen.
Hier beispielsweise unter Heranziehen der Fahrgeschwindigkeit v, der Bremskraft FB, der Umgebungstemperatur Tu, der Absolut-Zeit t, der Masse m und der Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs werden gemäß der Beschreibung zu Fig. 3A und 3B thermische Zustände der in Fig. 1 dargestellten Reibungsbremseinrichtung ermittelt, insbesondere von deren erstem Reibelement 1 .
Die Recheneinheit 7 ist über entsprechende Datenleitungen mit einer in einer nicht dargestellten Fahrzeugsteuerung implementierten, in dem Wagenkasten angeordneten Regeleinheit 8 verbunden. Die Regeleinheit 8 beeinflusst das kinematische Verhalten des Schienenfahrzeugs in einerWeise, dass z.B. das Schienenfahrzeug durch aufgrund einer thermischen Berechnung in dem in der Recheneinheit 7 implementierten Modell erzeugte und an die Regeleinheit 8 übertragene Signale seine aktuelle Fahrgeschwindigkeit v beibehält, automatisch abgebremst oder beschleunigt wird. Insbesondere wird die optimale Geschwindigkeit vo t durch die Regeleinheit 8 eingestellt oder eingeregelt. Das Abbremsen kann vorzugsweise durch eine Kontrolle der Traktion erfolgen, um nicht durch einen Eingriff der Scheibenbremsen die Bremsscheibentemperatur und den Verschleiß zu erhöhen. Hierdurch kann eine Beeinflussung des thermischen Zustands der Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs realisiert werden.
Weiterhin ist eine über eine Signalleitung mit der Recheneinheit 7 verbundene Anzeigeeinheit 9 in einem nicht gezeigten Führerstand des Schienenfahrzeugs angeordnet. Auf ihr werden einem Triebfahrzeugführer aufgrund thermischer Berechnungen entsprechend dem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Hinweise oder Warnungen angezeigt, insbesondere die optimale Geschwindigkeit vo t. Hierdurch kann auch eine Überwachung des thermischen Zustands der Reibungsbremsen bzw. der Scheibenbremsen realisiert werden.
Auch ist es möglich, dass mit der Anzeigeeinheit 9 zusätzlich Geschwindigkeitsbeschränkungen, zulässige Verzögerungen oder zulässige Fahrprofile (zeitliche Abfolgen von Beschleunigungs- und Verzögerungsabschnitten sowie Phasen mit konstanter Fahrgeschwindigkeit v oder Phasen des Stillstands) angezeigt werden.
Zur Warnung vor einem ungünstigen kinematischen Verhalten des Schienenfahrzeugs im Hinblick auf thermische Zustände der Reibungsbremsen können über eine Audio- Ausgabeeinrichtung der Anzeigeeinheit 9 zusätzlich akustische und/oder optische Signale an den Triebfahrzeugführer ausgegeben werden.
Dabei sind verschiedene Ausführungen und Anordnungen des Fahrgeschwindigkeitssensors 10, des Bremskraftsensors 11 , des Umgebungstemperatursensors 12, des Zeitmessgeräts 13, der Anzeigeeinheit 9, der Recheneinheit 7, der Lastbremsvorrichtung 14 und der Regeleinheit 8 vorstellbar. Es ist beispielsweise denkbar, wie in Fig. 2 gezeigt, die Recheneinheit 7 und die Regeleinheit 8 getrennt anzuordnen, oder aber die Recheneinheit 7 und die Regeleinheit 8 in einer Baueinheit zu integrieren.
Weiterhin ist es auch vorstellbar, dass beispielsweise die Recheneinheit 7 in einem Leitstand angeordnet ist und über Funksignale mit dem Schienenfahrzeug kommuniziert, d.h. beispielsweise Informationen über dessen Fahrgeschwindigkeit v empfängt und auf Grundlage einer durchgeführten, erfindungsgemäßen thermischen Berechnung Instruktionen zur Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit v auf die maximal zulässige oder optimale Fahrgeschwindigkeit vopt sendet. Fig. 3A und 3B zeigen einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs abhängig von dem thermischen Zustand beispielsweise des ersten Reibelements 1 in Form der Bremsscheibe der Scheibenbremse. Es ist dabei klar, dass die in Fig. 1 gezeigte Scheibenbremse lediglich stellvertretend für eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs ist. Insbesondere werden eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen thermisch überwacht, um die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs zu bestimmen.
Hierzu werden in einem Schritt 100 Parameter erfasst, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisieren. Hierzu zählen hier beispielsweise die aktuelle Fahrgeschwindigkeit v, die aktuelle Bremskraft FB, die aktuelle Umgebungstemperatur Tu, Daten bezüglich der Absolut-Zeit t (Zeitstempel), die aktuelle Masse m des Schienenfahrzeugs sowie die Konfigurationsdaten des Schienenfahrzeugs.
In dem Modell der Recheneinheit 7 wird dann in einem Schritt 200 ein erster Temperaturanteil TCUrrent einer prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred beispielsweise des ersten Reibelements 1 beispielsweise auf der Basis der oben genannten aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs berechnet oder geschätzt. Alternativ oder auch zusätzlich kann der erste Temperaturanteil TCUrrent auch direkt durch einen Temperatursensor gemessen werden. Der erste Temperaturanteil TCUrrent entspricht dann beispielsweise der durch das Modell berechneten oder geschätzten Oberflächentemperatur, welche sich aufgrund der tatsächlichen aktuellen Fahrbetriebssituation an der Oberfläche des ersten Reibelements 1 einstellt.
In einem nachfolgenden Schritt 300 wird dann in dem Modell überprüft, ob der erste Temperaturanteil TCUrrent größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des ersten Reibelements 1 ist. Ist dies der Fall („ja“), so wird eine Problembehandlung durchgeführt. Beispielsweise erzeugt die Recheneinheit 7 ein Alarm- oder Warnsignal, welches dann an der Anzeigeeinheit 9 beispielsweise optisch ausgegeben wird und welches beispielsweise einen Hinweis auf einen kritischen thermischen Zustand des ersten Reibelements 1 repräsentiert oder beinhaltet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch ein Beeinflussungssignal erzeugt werden, welches an die Regeleinheit 8 ausgegeben wird, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt. Mittels des Beeinflussungssignals wird dann beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit v und/oder die Verzögerung a des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis der erste Temperaturanteil TCUrrent kleiner oder gleich in Bezug auf die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des ersten Reibelements 1 ist. Zusätzlich kann auch eine Diagnose dahingehend durchgeführt werden, ob beispielsweise ein fortgeschrittener Verschleißzustand der Scheibenbremse die relativ hohe Temperatur verursacht hat.
Ist dies jedoch nicht der Fall („nein“), so wird in einem Schritt 400 mit Hilfe eines in der Recheneinheit 7 implementierten Verhaltensmodells für beispielsweise jede Reibungsbremse, die dort als Bremseinheit bezeichnet ist, eine maximal zulässige oder optimale Geschwindigkeit v_optjocai des Schienenfahrzeugs ermittelt oder bestimmt, bei welcher im Falle einer fiktiven Bremsung mit einer bestimmten Bremsart, hier beispielsweise mit einer Notbremsung die Temperatur T hier beispielsweise des ersten Reibelements 1 im Wesentlichen oder exakt die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur Tmax dieses ersten Reibelements 1 annimmt oder erreicht.
Flierzu sind verschiedene Ansätze möglich. Wie eingangs bereits angedeutet, stellt sich an dem ersten Reibelement (theoretisch) eine prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred beispielsweise als Oberflächentemperatur des ersten Reibelements 1 ein, wenn das Schienenfahrzeug in der aktuellen Fahrbetriebssituation mit einer definierten Bremsart fiktiv abgebremst wird. Diese prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred stellt daher eine Art „Vorhersage“ der Temperatur des ersten Reibelements 1 dar, welches dieses einnimmt, wenn das Schienenfahrzeug theoretisch oder fiktiv mit der definierten Bremsart abgebremst wird.
Diese prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred kann daher grundsätzlich als Summe aus dem ersten Temperaturanteil TCUrrent und dem zweiten Temperaturanteil oder Temperaturhub DT bestimmt werden:
TPred = Tcurrent + DT (2)
Der zweite Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred stellt dann den Temperaturanteil dar, welcher sich an dem ersten Reibelement 1 alleine aufgrund der fiktiven Bremsung mit der definierten Bremsart einstellen würde. Dieser zweite Temperaturanteil DT würde sich daher zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil Tcurrent an der Oberfläche des ersten Reibelements 1 einstellen, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde. Diese definierte Bremsart ist beispielsweise in der aktuellen Fahrbetriebssituation nicht oder noch nicht angefordert worden, könnte aber in der aktuellen Fahrbetriebssituation angefordert werden.
Der zweite Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred ist insbesondere abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v, welche in der aktuellen Fahrbetriebssituation zum Zeitpunkt t (Zeitstempel) vorliegt. Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches beispielsweise in einem Kennfeld in der Recheneinheit 7 abgelegt ist und in welchem die Abhängigkeit des zweiten Temperaturanteils DT von der Fahrgeschwindigkeit v für verschiedene in den allgemein bekannten geltenden Vorschriften definierten Lastfälle, beispielsweise AW1 : geringe Beladung, AW2: mittlere Beladung und AW3: hohe Beladung dargestellt ist. Selbstverständlich können in dem Kennfeld auch andere Lastfälle berücksichtigt sein. Wie zu sehen, steigt mit steigender Fahrgeschwindigkeit v, welche (auch) die aktuelle Fahrbetriebssituation charakterisiert, auch der zweite Temperaturanteil DT an. Folglich wird durch das Diagramm von Fig. 4 der in der aktuellen Fahrbetriebssituation vorliegenden Fahrgeschwindigkeit v und Beladung des Schienenfahrzeugs ein bestimmter zweiter Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred kennfeldartig zugeordnet.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren aber der zweite Temperaturanteil DT nicht explizit bestimmt. Wie oben bereits ausgeführt, steht der zweite Temperaturanteil oder Temperaturhub DT als „Temperaturreserve“ zur Verfügung, welcher einer Differenz zwischen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur Tmax hier des ersten Reibelements 1 und dem ersten Temperaturanteil TCUrrent entspricht:
DT = Tmax “ Tcurrent (3)
Ein Betrieb des Schienenfahrzeugs mit der optimalen Geschwindigkeit vo t oder mit einer Geschwindigkeit v kleiner als die optimale Geschwindigkeit vo t soll dann dazu führen, dass auch bei einer Ausführung der definierten Bremsart wie Not-, Zwangs- oder Schnellbremse die prädiktive Reibelement-Temperatur Tpred insbesondere stets kleiner oder gleich in Bezug auf eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax des wenigstens einen Reibelements der Reibungsbremse ist oder wird.
Hierzu wird bei dem Verfahren bevorzugt eine in Fig. 5 dargestellte funktionale Beziehung r zwischen dem ersten Temperaturanteil Tcurrent und der optimalen Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs definiert oder bestimmt, in welcher der zweite Temperaturanteil DT der prädiktiven Reibelement-Temperatur Tpred bereits berücksichtigt wird. Dann wird die optimale Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung r abhängig von dem ersten Temperaturanteil Tcurrent bestimmt.
In dem anhand von Fig. 5 erläuterten Beispiel fährt das Schienenfahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 56 km/h und der erste Temperaturanteil TCUrrentder Bremsscheibe 1 der Scheibenbremse von Fig. 1, welche hier beispielsweise als erstes Reibelement herangezogen wird, beträgt dabei 300 °C. Dieser erste Temperaturanteil TCUrrent ist hier beispielsweise mittels eines Temperatursensors gemessen worden. Alternativ oder zusätzlich kann er auch durch ein in der Recheneinheit 7 implementiertes Modell aus anderen Größen geschätzt oder berechnet werden.
Der in diesem Fall entstehende Temperaturhub oder zweite Temperaturanteil DT durch eine fiktive Notbremsung entspricht dem Abstand der Kurve oder Funktion G von der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur Tmax, welche in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie symbolisiert wird. Bei einer Geschwindigkeit v = 56 km/h und Tcurrent = 300° C ist der Temperaturhub oder zweite Temperaturanteil DG « 30° C, welcher in Fig. 5 als ATEBJOW bezeichnet ist. Die aktuelle Geschwindigkeit v = 56 km/h, welche von der aktuellen Fahrbetriebssituation umfasst ist, ist daher zu gering, damit unter Annahme einer fiktiven Notbremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax = 400° C an der Bremsscheibe 1 erreicht wird.
Das bedeutet, dass alleine bezogen auf die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 das Schienenfahrzeug schneller fahren könnte als mit der aktuellen Geschwindigkeit v = 56 km/h.
Die im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 optimale oder maximal erlaubte Geschwindigkeit vo t ist dann dem Diagramm von Fig. 5 entnehmbar, indem ausgehend von der aktuellen Fahrbetriebssituation (v = , Tcurrent = 300° C eine vertikale Gerade nach oben gezogen wird. Am Schnittpunkt dieser vertikalen Geraden mit der Funktion G liegt dann die Fahrbetriebssituation oder der Betriebspunkt des Schienenfahrzeugs, an welcher oder an welchem die prädiktive Temperatur Tpred gleich der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur Tmax ist. Der zweite Temperaturanteil DG ist an diesem Schnittpunkt gleich 100° C und wird in Fig. 5 als ATEB_oPt bezeichnet. An diesem Schnittpunkt liegt in vertikaler Richtung gesehen daher die optimale oder maximal erlaubte Geschwindigkeit vo tjokai, welche beispielsweise 100 km/h beträgt, d.h., dass lediglich in Bezug auf die betrachtete Scheibenbreme das
Schienenfahrzeug mit v „thermischen Limit“ gefahren werden kann, ohne dass durch eine fiktive Notbremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax der Bremsscheibe 1 dieser Scheibenbremse überschritten wird.
Für den Geschwindigkeitsbereich v > 100^· ist allerdings die prädiktive Temperatur Tpred größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax der Bremsscheibe 1 ( Tpred > Tmax). Dann befindet man sich im thermisch kritischen Bereich. Der zweite Temperaturanteil DG ist in diesem Bereich zu groß und wird in Fig. 5 als ATEBjiigh bezeichnet. Die Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs muss daher entweder durch den Triebwagenführer, welchem die kritische Situation an der Anzeigeeinheit 9 angezeigt worden ist, und/oder automatisch durch die Regeleinheit 8 verringert werden, und zwar bestenfalls auf höchstens v = 100—. h
Die Kurve oder Funktion G beinhaltet daher bereits den Einfluss einer fiktiven Bremsung unter der Bremsart „Notbremsung“ und daher bereits den Einfluss des zweiten Temperaturanteils oder Temperaturhubs DT auf die Bremsscheibe. Daher werden für in Frage kommende, oben genannte Bremsarten jeweils eigene Kurven oder Funktionen G gebildet und beispielsweise als Kennlinien in der Recheneinheit 7 abgespeichert.
Das Fahren am „thermischen Limit“ mit der optimalen oder maximal erlaubten Geschwindigkeit vopt erlaubt daher das optimale Ausnutzen der thermischen Belastbarkeit der Bremsscheibe 1 der Scheibenbremse unter der Bedingung, dass auch durch eine fiktive Bremsung die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur Tmax der Bremsscheibe 1 nicht überschritten wird. Diese Optimierung wird auch dadurch erreicht, dass man die tatsächliche Beladung des Zuges in Betracht zieht, nicht die maximal erlaubte Beladung. Trotz des oben beschriebenen temperaturgesteuerten Verfahrens muss natürlich stets der Fahrplan eingehalten werden, d.h. Stationen dürfen nicht schneller als üblich angefahren werden. Aber akkumulierte Verspätungen können durch schnelleres Fahren zwischen den Stationen wieder hereingeholt werden. Auch muss nicht stets mit der optimalen Geschwindigkeit vo t gefahren werden. Es könnte für einen Betreiber des Schienenfahrzeugs auch bereits ausreichend sein, dass die Bremsscheiben im Zug nie in kritische Temperaturbereiche kommen, d.h. auch ein langsameres Fahren wird akzeptiert.
Bevorzugt wird nicht nur für eine Scheibenbremse, sondern beispielsweise für eine Mehrzahl oder alle Scheibenbremsen des Schienenfahrzeugs die dann jeweils lokale optimale Temperatur voptjokai ermittelt, wobei sich „lokal“ auf die Position der jeweiligen Scheibenbremse im Schienenfahrzeug bezieht.
Dann wird in einem Schritt 500 eine kriterienbasierte Bewertung der lokalen optimalen Temperaturen vo tjokai der Scheibenbremsen und eine Konsolidierung zu einer schienenfahrzeugweiten oder zugweiten optimalen Geschwindigkeit vo t vorgenommen.
Beispielsweise kann für die Konsolidierung als optimale Geschwindigkeit vo t des Schienenfahrzeugs die geringste oder kleinste lokale optimale Geschwindigkeit v_opt_iocai_min unter den lokalen optimalen Geschwindigkeiten v_opt_iocai aller Scheibenbremsen herangezogen werden.
Diese optimale Geschwindigkeit kann dann in einem Schritt 600 dem Triebwagenführer an der Anzeigeeinheit 9 angezeigt werden. Zusätzlich können an der Anzeigeeinheit 9 beispielsweise Warn- oder Alarmsignale angezeigt werden, wenn kritische Temperaturbereiche der Scheibenbremsen erreicht sind. Auch könnte eine aktuell höchste Temperatur, beispielsweise die aktuell höchste prädiktive Temperatur Tpred und/oder der höchste erste Temperaturanteil TCUrrent der betreffenden Scheibenbremse und die Lokalisierung der betreffenden Scheibenbremse beispielsweise zyklisch angezeigt werden. Schließlich ist auch eine insbesondere zyklische Anzeige der jeweiligen optimalen Geschwindigkeit vopt des Schienenfahrzeugs denkbar.
Zusätzlich oder alternativ zu Schritt 600 kann in einem Schritt 700 die aktuelle Geschwindigkeit v auf die ermittelte optimale Geschwindigkeit vopt durch die Regeleinheit 8 eingeregelt werden.
Es ist klar, dass das oben beschriebene Verfahren anstatt für die Bremsscheiben der Scheibenbremsen auch für die Bremsklötze sowie auch für jede Art von Reibungsbremse angewendet werden kann. Bezugszeichenliste
1 erstes Reibelement
2 zweites Reibelement
3 Gestänge
4 Bremszylinder
5 Kolben
6 Druckluftanschlüsse
7 Recheneinheit
8 Regeleinheit
9 Anzeigeeinheit
10 Fahrgeschwindigkeitssensor
11 Bremsdrucksensor
12 Umgebungstemperatursensor
13 Zeitmessgerät
Tcurrent erster Temperaturanteil
DT zweiter Temperaturanteil
Tpred prädiktive Reibelement-Temperatur
Tmax erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur v0pt optimale oder maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit v_oPtjocai lokale optimale oder maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit r Funktionale Beziehung zwischen der optimalen Geschwindigkeit vo t und dem ersten Temperaturanteil TCUrrent der prädiktiven Reibelement- Temperatur

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung einer optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vo t) eines Schienenfahrzeugs abhängig von einem thermischen Zustand wenigstens eines Reibelements (1, 2) wenigstens einer Reibungsbremse des Schienenfahrzeugs, beinhaltend wenigstens die folgenden Schritte: a) Erfassen von wenigstens einem Parameter, welche eine aktuelle Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs charakterisiert, b) Bestimmen oder Schätzen eines ersten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens eines Reibelements (1 , 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs, gekennzeichnet durch wenigstens die folgenden weiteren Schritte: c) Bestimmen oder Schätzen eines zweiten Einflusses auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1 , 2), welcher zusätzlich zu dem ersten Einfluss den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) beeinflussen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, d) Bestimmen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) des Schienenfahrzeugs derart, dass an dem wenigstens einen Reibelement (1, 2) unter dem ersten Einfluss und unter dem zweiten Einfluss d1) eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) nicht überschritten wird, oder d2) sich die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) im Wesentlichen einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur (Tpred) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) repräsentiert wird, welche aus einem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) und einem zweiten Temperaturanteil (DT) besteht, wobei a) der erste Temperaturanteil (TCUrrent) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (Tpred) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs als erster Einfluss geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) eine funktionale Beziehung (r) zwischen dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) und der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vo t) des Schienenfahrzeugs definiert wird, in welcher der zweite Temperaturanteil (DT) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (Tpred) als zweiter Einfluss berücksichtigt wird, und wobei c) die optimale Geschwindigkeit (vo t) des Schienenfahrzeugs anhand der funktionalen Beziehung (r) abhängig von dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Zustand des wenigstens eines Reibelements (1, 2) durch eine prädiktive Reibelement-Temperatur (Tpred) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) repräsentiert wird, wobei a) als erster Einfluss ein erster Temperaturanteil (TCUrrent) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (Tpred) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs geschätzt oder bestimmt wird, und dass b) als zweiter Einfluss ein zweiter Temperaturanteil (DT) der prädiktiven Reibelement-Temperatur (Tpred) geschätzt oder bestimmt wird, welcher sich zusätzlich zu dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) an dem wenigstens einen Reibelement (1 , 2) einstellen würde, wenn in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs eine Bremsung mit einer definierten Bremsart fiktiv oder theoretisch durchgeführt werden würde, wobei c) die Bestimmung der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vo t) des Schienenfahrzeugs derart erfolgt, dass eine Summe aus dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) und dem zweiten Temperaturanteil (DT) c1) kleiner als eine erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist, oder c2) im Wesentlichen der erlaubten Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass falls in der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs festgestellt wird, dass a) die Summe aus dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) und dem zweiten Temperaturanteil (DT) kleiner als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T max) ist, dann wird in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange erhöht, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vo t) entspricht, oder b) die Summe aus dem ersten Temperaturanteil (TCUrrent) und dem zweiten Temperaturanteil (DT) größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (T max) ist, dann wird in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange reduziert, bis sie im Wesentlichen der optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeit (vopt) entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass falls festgestellt wird, dass bereits der erste Temperaturanteil (TCUrrent) alleine größer als die erlaubte Reibelement-Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist, a) ein Warnsignal und/oder ein Diagnosesignal erzeugt wird, und/oder b) in der aktuellen Fahrbetriebssituation die aktuelle Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs solange reduziert wird, bis der erste Temperaturanteil (Tcurrent) kleiner als gleich in Bezug auf die die erlaubte Reibelement- Maximaltemperatur (Tmax) des wenigstens einen Reibelements (1, 2) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Geschwindigkeit (vo t) des Schienenfahrzeugs a) mittels einer Steuereinrichtung, welche die Traktion und/oder die Bremse des Schienenfahrzeugs steuert oder regelt, automatisch eingestellt wird, und/oder b) an einer Anzeigeeinrichtung optisch und/oder akustisch angezeigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, welcher die aktuelle
Fahrbetriebssituation charakterisiert, wenigstens einer der folgenden Parameter ist: Die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Bremskraft, das aktuelle Bremsmoment, der aktuelle Bremsdruck, die Umgebungstemperatur des Schienenfahrzeugs, die aktuelle Last und/oder Beladung des Schienenfahrzeugs, eine Steigung oder ein Gefälle der durch das Schienenfahrzeug befahrenen Strecke, eine Service-Bremsung oder eine Betriebs-Bremsung, mit einer Bremswirkung, welche geringer ist als die Bremswirkung bei der definierten Bremsart.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Reibelement (1, 2) eine Bremsscheibe und/oder einen Bremsbelag einer Scheibenbremse des Reibungsbremssystems, oder eine Radlauffläche und/oder einen Bremsklotz einer Klotzbremseinheit des Reibungsbremssystems beinhaltet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einfluss auf den thermischen Zustand des wenigstens einen Reibelements (1, 2) auf der Basis der aktuellen Fahrbetriebssituation des Schienenfahrzeugs mittels eines Modells geschätzt und/oder anhand von Sensorsignalen einer Sensoreinrichtung des Schienenfahrzeugs bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Bremsart wenigstens eine der folgenden Bremsarten umfasst: Eine Notbremsung, eine Zwangsbremsung, eine Schnellbremsung, eine Gefahrbremsung.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement (1, 2) umfasst, und dass für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_optjocai i) bestimmt wird, und dass als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (vopt) des Schienenfahrzeugs die kleinste lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_opt_iocai _min) unter den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten (v_oPt_iocai) der mehreren Reibungsbremsen herangezogen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug mehrere Reibungsbremsen mit jeweils wenigstens einem Reibelement (1, 2) umfasst, und dass für jede der mehreren Reibungsbremsen jeweils eine lokale optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (v_optjocai i) bestimmt wird, und dass als optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (vo t) des Schienenfahrzeugs eine aus den lokalen optimalen oder maximal zulässigen Geschwindigkeiten nach festgelegen Kriterien ermittelte optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs herangezogen wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Geschwindigkeit (v) des
Schienenfahrzeugs an die optimale oder maximal zulässige Geschwindigkeit (vo t) angepasst wird.
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