WO2008122319A1

WO2008122319A1 - Messanordnung zur berührungslosen und kontinuierlichen bestimmung von trassierung und gleislage von bahnschienen

Info

Publication number: WO2008122319A1
Application number: PCT/EP2007/061581
Authority: WO
Inventors: Martin Kollmann; Thomas Stefan; Andreas Koller
Original assignee: Siemens Transportation Systems Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur berührungslosen und kontinuierlichen Bestimmung von Trassierung und Gleislage von Bahnschienen (204) sowie der Geometrie des Schienenkopfes von Bahnschienen, wobei die Messanordnung zumindest zwei optische Messvorrichtungen (207) zur optisch-elektronischen Messung der Geometrie der Bahnschienenköpfe und zur Messung des Verlaufs der Schienen (204) aufweist, die unabhängig voneinander montierbar sind, und zumindest eine Messeinheit (209) zur Ermittlung von Trassierungsdaten vorgesehen ist, wobei alle Elemente der Messanordnung auf einem Drehgestell (201) eines Schienenfahrzeuges angeordnet sind.

Description

Beschreibung

Messanordnung zur berührungslosen und kontinuierlichen Bestimmung von Trassierung und Gleislage von Bahnschienen

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur berührungslosen und kontinuierlichen Bestimmung von Trassierung und Gleislage von Bahnschienen sowie der Geometrie des Schienenkopfes von Bahnschienen .

Die Überwachung des Zustandes von Bahnschienen ist von großer Wichtigkeit für Betreiber von Schienennetzen. Trassierung und Gleislage sowie die Geometrie des Schienenkopfes verändern sich durch den laufenden Fahrbetrieb und sollten daher in regelmäßigen Abständen überprüft werden, vorwiegend aus Gründen der Sicherheit und des Fahrkomforts.

Bisher wird die Überprüfung überwiegend mit eigenen Messfahrzeugen durchgeführt, die über große und aufwendige Messtechnik zur Sensorik, Datenspeicherung und Datenbearbeitung verfügen. Viele, speziell kleinere Verkehrsbetriebe können sich aber aufgrund der hohen Kosten keine eigenen Messwagen leisten, auch das Anmieten eines solchen Fahrzeugs ist sehr teuer und aufwendig. Weiters sind solche Messfahrzeuge nicht universell einsetzbar, Straßenbahn, Metro, Regional- und Hochgeschwindigkeitsverkehr brauchten jeweils eigene Fahrzeuge, ganz zu schweigen von den verschiedenen Gleisstandards, die auf der ganzen Welt unterschiedlich sind.

In der jüngeren Vergangenheit wurden Versuche gestartet, solche Messvorrichtungen als kompakte Einheiten zu realisieren, die mit geringem Aufwand auf beliebige Schienenfahrzeuge montiert werden können. Die DE 20 2004 005 713 Ul zeigt eine solche Messanordnung, die am Drehgestell eines Schienenfahrzeugs lösbar positioniert werden kann. Dabei werden mit verschiedenen berührungslosen

Messvorrichtungen sowie einer Messachse mit Kunststoffrädern, die mittels eines Druckelements auf die Schienen gedrückt wird, verschiedene Parameter betreffend die Gleislage und die Geometrie des Schienenkopfes der Bahnschienen ermittelt.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist vor allem die Verwendung der Messachse, die den Aufbau der Vorrichtung erheblich kompliziert und den Geschwindigkeitsbereich, in dem die Messanordnung verwendbar ist, stark einschränkt.

Die „Krabbe" der tschechischen Commercial railway research Ltd. (Komercni zeleznicni vyzkum spol. s.r.o. - http://www.kzv.cz/) beschreibt eine weitere kompakte Lösung zur Messung von geometrischen und sonstigen Größen auf Eisenbahn- und Straßenbahnstrecken. Dabei handelt es sich um einen dreirädrigen Messkleinwagen mit inkludierter

Auswerteeinheit, der vom Benutzer über die zu vermessende Bahnstrecke geschoben wird. Die Messvorrichtung ist zwar vergleichsweise günstig in der Anschaffung und leicht für verschiedene Gleisstandards zu adaptieren, allerdings kann wegen ihres geringen Gewichts keine Messung der Schienen unter realistischer Belastung sichergestellt werden. Aufgrund der Fortbewegung mittels Schieben durch den Benutzer können längere Strecken kaum in vernünftiger Zeit vermessen werden. Die „Krabbe" eignet sich eher für kurze Baustellenabschnitte, Weichen oder Bahnhofsabschnitte.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung zur Überprüfung des Zustands von Bahnschienen bereitzustellen, die bei ausreichender Messgenauigkeit kompakt im Aufbau, günstig in der Anschaffung und vielseitig im Einsatz ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Messanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messanordnung zumindest zwei optische Messvorrichtungen zur optisch-elektronischen Messung der Geometrie der Bahnschienenköpfe und zur Messung des Verlaufs der Schienen aufweist, die unabhängig voneinander montierbar sind, und weiters zumindest eine Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten vorgesehen ist, wobei alle Elemente der Messanordnung auf einem Fahrwerk bzw. Drehgestell eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Zumindest eine der zumindest zwei optischen Messvorrichtungen misst dabei den Verlauf der linken Schiene, während die andere/n den Verlauf der rechten Schiene messen.

Es ist ein Verdienst der Erfindung, dass der Zustand eines

Schienennetzes, also Trassierung, Gleislage und Geometrie der Schienenköpfe, rasch und unkompliziert vermessen werden können. Der modulare Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung erlaubt höchste Mobilität und Flexibilität und die Messung des Gleiszustandes unter realer betrieblicher

Belastung. Weiters lässt sich die Messanordnung am Fahrwerks- bzw. Drehgestellrahmen von nahezu jedem beliebigen Fahrzeug (Passagierfahrzeug, Servicefahrzeug, etc.) anbringen und an beliebige Spurweiten wie Normalspur, Meterspur, Kap-Spur, russische Spur, spanische Spur etc. anpassen. Einschränkungen diesbezüglich ergeben sich nicht über die Messanordnung sondern nur über den zur Verfügung stehenden Einbauraum am jeweiligen Fahrzeug.

Die zumindest zwei optischen Messvorrichtungen sind dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, dass sie die Bewegungen der Schiene vertikal und lateral erfassen. Dadurch lassen sich unter der Voraussetzung, dass die optischen Messvorrichtungen starr mit der Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten verbunden sind, die jeweils aufgenommenen Daten miteinander kombinieren. Besonders günstig ist es, wenn die zumindest zwei optischen Messvorrichtungen quer zur Fahrtrichtung in einem Winkel im Winkelbereich von 20°-70° gegen die Horizontale angeordnet sind. Der Winkel bezeichnet dabei den Blickwinkel der optischen Messvorrichtungen. Dabei ist darauf zu achten, dass die optischen Messvorrichtungen die Fahrkante (Schieneninnenseite) in unmittelbarer Nähe der RadaufStandspunkte einer Achse eines Fahrwerks bzw. Drehgestells erfassen, um die jeweilige Schiene unter der Belastung durch das Fahrwerk bzw. Drehgestell zu messen. Werden bei der erfindungsgemäßen Messanordnung optische Messvorrichtungen mit Weitwinkel-Gesichtsfeld gewählt und in ausreichender Nähe und geeigneter Position über dem Schienenkopf montiert, so kann mit den optischen Messvorrichtungen zusätzliche Information über Schiene und Schienenkopf gewonnen werden. Beispielsweise kann bei Rillenschienen mit derartigen optischen Messvorrichtungen die Rillentiefe erfasst werden.

Bei Verwendung an Drehgestellen mit zumindest zwei Achsen ist es besonders günstig, wenn die oben erwähnten zumindest zwei optischen Messvorrichtungen an einer ersten Achse des Drehgestells angeordnet sind und zumindest zwei weitere optische Messvorrichtungen an einer zweiten Achse desselben Drehgestells angeordnet sind. Durch diese zumindest vier optischen Messvorrichtungen kann dann die gesamte räumliche Relativbewegung des Drehgestells gegenüber den Schienen mit erhöhter Genauigkeit erfasst und mit aufgenommenen Trassierungsdaten kombiniert werden.

Zur Datenerfassung kann an Bord des Schienenfahrzeugs eine Datenerfassungseinheit vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, die Daten sämtlicher verwendeter Sensoren zeitsynchron aufzuzeichnen und für eine spätere Auswertung zu speichern, oder aber gesammelt direkt an eine Auswerteeinheit weiterzuleiten.

Die Messanordnung kann vorteilhaft in ihrer Funktion erweitert werden, wenn weiters eine Geschwindigkeits- Messvorrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mit hoher Genauigkeit misst. Beispielsweise können dafür optische Methoden und/oder Radar verwendet werden, grundsätzlich sind aber auch andere Methoden möglich. Durch diese Vorrichtung kann Ortsinformation aus den Messungen der Messanordnung gewonnen werden, beispielsweise auch dann, wenn sich das Schienenfahrzeug in einem Tunnel oder an anderen Orten befindet, wo keine Verbindung zu den Satelliten eines möglicherweise verwendeten satellitengestützten Navigationssystem besteht. Solche Situationen können bei Metros oder Zügen, die auf gebirgigen Strecken mit vielen Tunnels verkehren, häufig auftreten. Die Information dieser Geschwindigkeits-Messvorrichtung kann als Stützsignal für die Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten verwendet werden.

Die Messanordnung kann weiters zumindest zwei Beschleunigungssensoren beinhalten, die an den Achslagern einer Achse des Fahrwerks bzw. Drehgestells des Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Durch die Beschleunigungssensoren, die vertikale und laterale Beschleunigungen messen, können beispielsweise Höhenfehler und auch Stöße der Schienen detektiert werden. Ein Beschleunigungssensor je Achslager ist vorzusehen, wenn so genannte Zweiwegesensoren verwendet werden, die sowohl laterale als auch vertikale Beschleunigungen messen. Wenn für die Messung von lateralen und vertikalen Beschleunigungen je ein eigener Sensor verwendet wird, sind dementsprechend zumindest vier Sensoren, also zwei an jedem Achslager einer Achse, vorzusehen.

Weiters ist es von Vorteil, wenn die Messanordnung zumindest zwei Wegsensoren umfasst, die an Primärfedern des Fahrwerks bzw. Drehgestells des Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Diese Wegsensoren sind parallel zu den Primärfedern angeordnet und messen deren Federwege. Bei einem Drehgestell mit zumindest zwei Achsen ist es günstig, wenn in jedem Achslager jeder der zumindest zwei Achsen ein solcher Wegsensor angebracht ist, sodass die Nick- und Rollwinkel des Fahrwerkrahmens erfasst werden können. Vorteilhafterweise kann ein Empfänger zur Nutzung eines satellitengestützten Navigationssystems vorgesehen sein. Dadurch wird eine Möglichkeit geschaffen, aus den zeitbasierten Messungen der oben genannten Messvorrichtungen Ortsinformationen zu erhalten. Bei dem Empfänger handelt es sich beispielsweise um einen GPS-Empfänger, grundsätzlich sind natürlich auch andere satellitengestützte Navigationssystem wie Galileo verwendbar.

Es ist besonders günstig, wenn dieser Empfänger zur Nutzung eines satellitengestützten Navigationssystems am Dach eines Schienenfahrzeuges angeordnet ist. Wenn die Messungen dieses Empfängers mit Messungen der Federwege von Primär- und Sekundärfedern eines Fahrwerks bzw. Drehgestells, die den Wankwinkel des Wagenkastens definieren, kombiniert werden, kann so die Messanordnung sehr viel genauere Ergebnisse liefern .

Zur Auswertung der Messergebnisse kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein. Dadurch lassen sich die Messungen der verschiedenen Elemente der erfindungsgemäßen Messanordnung zeit- oder wegbasiert auswerten. Die Auswerteeinheit kann dabei die Daten aus der Datenerfassungseinheit übernehmen, es ist aber grundsätzlich auch denkbar, dass die Auswerteeinheit direkt mit den verschiedenen Messvorrichtungen der erfindungsgemäßen Messanordnung verbunden ist. Die Auswerteeinheit berechnet abhängig vom Fahrzeugtyp

(Straßenbahn, Metro, Hochgeschwindigkeitszug, etc.) mittels geeigneter Algorithmen zeit- oder wegbasiert aus den Messdaten beispielsweise die Lage des Gleises im Raum (Trassierung) , die Lage der linken und rechten Schiene in Bezug auf die Soll-Gleismittelachse (Gleislage) und die Geometrie des Schienenkopfes (Verschleißprofil) . Die Datenausgabe kann dann nach individuellen Anforderungen gestaltet werden. Es ist auch denkbar, die Auswerteeinheit mit einer Sende-Empfangseinrichtung zu koppeln, sodass die Ergebnisse der Messanordnung an eine Betriebszentrale gesendet werden können, bzw. Befehle von dieser Betriebszentrale an die Messanordnung übermittelt werden können .

In einer günstigen Erweiterung der erfindungsgemäßen Messanordnung sind zur Messung der Rillentiefe bei Bahnrillenschienen zumindest zwei weitere optische Messvorrichtungen vorgesehen. Vorteilhafterweise sind dabei die zumindest zwei weiteren optischen Messvorrichtungen derart angeordnet, dass im Wesentlichen zumindest je eine Vorrichtung die Oberseite je einer Schiene erfasst. Die

Anbringung dieser zusätzlichen optischen Messvorrichtungen kann natürlich entfallen, wenn es sich bei den grundsätzlich vorgesehenen optischen Messvorrichtungen um solche mit Weitwinkel-Gesichtsfeld handelt.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn es sich bei den optischen Messvorrichtungen um Lichtschnittsensoren handelt. Gängig sind vor allem Laser-Lichtschnittsensoren. Solche optische Sensoren sind in der Messtechnik bereits etabliert, relativ günstig in der Anschaffung und weiters durch ihr geringes Gewicht bei geringer Baugröße gut für die erfindungsgemäße Messanordnung geeignet. Durch diese Sensoren lassen sich die Schienenköpfe berührungslos vermessen.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten um eine Beschleunigungs- und Drehraten-Messvorrichtung, die die Beschleunigungen in drei Raumrichtungen ermitteln kann. Dabei können translatorische und rotatorische Bewegungen in den drei Raumrichtungen gemessen werden. Besonders günstig ist dabei die Verwendung einer Inertialplattform als Beschleunigungs- und Drehraten- Messvorrichtung. Eine solche Inertialplattform errechnet aus den Beschleunigungswerten und Drehraten die Positions- und Raumwinkeldaten und gibt diese aus. Diese Vorrichtung ist aufgrund der implementierten Rechenalgorithmen und ihrer Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen sehr gut für die Anwendung in der erfindungsgemäßen Messanordnung geeignet.

Die Messanordnung zeichnet sich weiters dadurch aus, dass sie mittels einer Kalibrierungseinrichtung auf beliebige Spurweiten und Systeme eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise umfasst die dafür verwendete Kalibrierungsvorrichtung zwei Stiegenprofile, die durch ein Verbindungsstück starr miteinander verbunden sind, wobei die Stiegenprofile der Kalibrierungsvorrichtung beim Kalibrierungsvorgang im Wesentlichen auf den Bahnschienen zu liegen kommen. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Messanordnung rasch und unkompliziert an verschiedene Schienenfahrzeugtypen und verschiedene Gleisstandards anzupassen. Die Kalibrierungsvorrichtung mit den Stiegenprofilen arbeitet dabei mit ausreichender Genauigkeit und ist leicht und schnell zu handhaben.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. In dieser zeigt schematisch:

Fig. 1 eine schematische Frontalansicht der erfindungsgemäßen Messanordnung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Messanordnung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anwendung eines Lichtschnittsensors auf eine Schiene,

Fig. 4 die grafische Darstellung einer Messung wie in Fig. 3 dargestellt,

Fig. 5 Schema eines Schienenfahrzeugs mit Anordnung der Elemente der erfindungsgemäßen Messanordnung, Fig. 6 Darstellung einer Kalibrierungsvorrichtung, und

Fig. 7 den diagrammatischen Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Frontalansicht (in Bewegungsrichtung) eines Drehgestells 101 eines Schienenfahrzeugs, wobei am Drehgestellrahmen 105 eine Achse 102 mit zwei Rädern 103 angeordnet ist. Die Räder 103 lasten auf Schienen 104. Zwischen Achse 102 und Drehgestellrahmen 105 sind die Primärfedern 106 angeordnet. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung an

Achsen von Fahrwerken oder Drehgestellen angeordnet sein. In weiterer Folge ist als Anwendungsbeispiel die Positionierung an einer Achse eines Drehgestells beschrieben, was aber nicht als einschränkend hinsichtlich anderer Anwendungsmöglichkeiten zu verstehen ist.

Der Drehgestellrahmen 105 dient als Messrahmen für die erfindungsgemäße Messanordnung. Die optischen Sensoren, bei denen es sich im vorliegenden Fall um Lichtschnittsensoren 107 handelt, sind starr und unabhängig voneinander mit dem Drehgestellrahmen 105 verbunden. Sie sind in einem spitzen Winkel gegen die Horizontale angeordnet und messen die Geometrie der Schienenköpfe sowie die Spurweite der Schienen 104. Durch die schräge Anordnung können sie dabei Veränderungen der Schienen 104 vertikal und lateral erfassen. Im vorliegenden Fall liegt der Blickwinkel der

Lichtschnittsensoren 107 im Bereich zwischen 20°-70°. Ein Lichtschnittsensor besteht aus einer Lichtquelle, meistens einem Laser, und einer elektronischen Kamera. Die Lichtquelle projiziert eine möglichst schmale und helle Linie auf ein Messobjekt, die Kamera beobachtet die Projektion der Linie auf das Objekt. Die Verschiebung der Linie im Kamerabild wird mit Methoden der Photogrammetrie in 3D-Koordinaten umgerechnet. Mit den Lichtschnittsensoren 107 ist es also möglich, ein Höhenprofil der Schiene 104 zu erstellen. Damit ist eine berührungslose optische Vermessung der Schienenköpfe möglich.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung eines Lichtschnittsensors 307 auf eine Schiene 304. Der Messbereich 313 des Lichtschnittsensors 307 ist hier in Form eines Dreiecks dargestellt. Fig. 4 zeigt die grafische Darstellung der Messung eines Lichtschnittsensors 307 nach der Auswertung durch eine Auswertungssoftware. Es zeigt sich, dass zwischen einem ersten Punkt 415 und einem zweiten Punkt 416 an der Schiene die Messung nicht das tatsächliche

Höhenprofil der Schiene wiedergibt. Wie in Fig. 3 erkennbar ist erklärt sich das dadurch, dass ein Teil der Schiene 304 durch den Schienenkopf verdeckt ist. Anhand der Beschattungslinie 314, die den ersten Punkt 315 und den zweiten Punkt 316 verbindet, wird das verständlich. Da aber grundsätzlich durch die Lichtschnittsensoren 307 die Geometrie der Schienenköpfe vermessen werden soll, stellt diese Beschattung kein Problem dar.

Fig. 1 zeigt am Drehgestellrahmen 105 weiters eine Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten. Bei der

Messeinheit zur Ermittlung von Trassierungsdaten handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Interialplattform 109, die mit einem GPS-Empfänger 110 verbunden ist. Es kann natürlich auch eine Inertialplattform 109 mit integriertem GPS- Empfänger verwendet werden, dann muss nur noch eine GPS-

Antenne vorgesehen werden. Der GPS-Empfänger 110 dient dazu, gekoppelt mit den Daten der Inertialplattform 109 die Lage des Gleises im Raum (Trassierung) zu bestimmen.

Der Drehgestellrahmen 105 sorgt dafür, dass die Lichtschnittsensoren 107 und die Intertialplattform 109 starr miteinander verbunden sind. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Messergebnisse beider Messvorrichtungen wechselseitig verwendet werden können. In anderen denkbaren Konfigurationen, die nicht in der Zeichnung dargestellt sind - beispielsweise bei Verwendung einer Konsole - muss dafür gesorgt werden, dass die Konsole, auf der die Inertialplattform 109 montiert ist, starr mit den optischen Sensoren verbunden ist.

Weiters befindet sich am Drehgestellrahmen 105 eine

Geschwindigkeitsmessvorrichtung 111, die beispielsweise mit einem optischen Verfahren oder mit Radar die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt. Wichtig ist, dass es sich dabei um eine schlupffreie Geschwindigkeitsmessung handelt. Diese Messung ist notwendig für den Fall, dass der GPS- Empfänger 110 den Kontakt zu den, für das GPS-Verfahren notwendigen, Satelliten verliert, wie es bei einer Metro oder einem Zug, der durch einen Tunnel fährt, leicht passieren kann. Dank der Daten der Geschwindigkeitsmessvorrichtung 111 können dann die Messergebnisse der anderen Messvorrichtungen örtlich zugeordnet werden.

An den beiden Achslagern der Räder 103 der Achse 102 des Drehgestells 101 sind zusätzlich noch Beschleunigungssensoren 108 angebracht, die die laterale und die vertikale Beschleunigung in den Achslagern messen. Damit können

Höhenfehler und Stöße der Schienen ermittelt werden. Diese Daten können dann dank der GPS-Daten des GPS-Empfängers 110 oder dank der Daten der Geschwindigkeitsmessvorrichtung 111 örtlich zugeordnet werden. Es können weiters auch Sensoren zur Messung des Federweges an den Primärfedern 106 und eventuell auch an Sekundärfedern vorgesehen werden, diese Sensoren sind allerdings in der Zeichnung nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Ansicht eines Drehgestells 201 mit der erfindungsgemäßen Messanordnung. Am Drehgestellrahmen 205 ist eine Achse 202 angeordnet, die die Räder trägt, wobei hier nur ein Rad 203 auf einer Schiene 204 dargestellt ist. Neben der Primärfeder 206 ist hier auch die Sekundärfeder 212 dargestellt. Ein Beschleunigungssensor 208, mit dem Stöße und Unebenheiten in vertikaler und lateraler Richtung gemessen werden können, ist im Achslager der Achse 202 angeordnet. Die Geschwindigkeitsmessvorrichtung 211 ist am Drehgestellrahmen 205 positioniert. Die Inertialplattform 209 mit dem GPS- Empfänger 210 ist mit dem Drehgestellrahmen 205 starr verbunden.

Fig. 2 zeigt die genaue Anordnung des Lichtschnittsensors 207, der halb verdeckt vom Rad 203 dargestellt ist. Die Lichtlinie 214, die strichpunktiert dargestellt ist, trifft möglichst nahe am Rad 203 auf der Schiene 204 auf. Der Messbereich 213 der Kamera, die Teil des Lichtschnittsensors 207 ist, ist hier als dreieckig dargestellt. Je näher am Rad 203 die Lichtlinie 214 auf die Schiene 204 auftrifft, desto realistischer können Lage und Form der Schiene 204 unter der Belastung durch das Schienenfahrzeug gemessen werden.

Für die Verwendung bei Bahnrillenschienen kann die erfindungsgemäße Messanordnung derart erweitert werden, dass auch die Messung der Rillentiefe der Schienen möglich ist. Diese Erweiterung ist in der Zeichnung nicht dargestellt und wird deshalb hier kurz beschrieben: Um die Rillentiefe der Bahnrillenschiene zu ermitteln, werden zumindest zwei weitere optische Messvorrichtungen vorgesehen. Diese

Messvorrichtungen werden derart angeordnet, dass je zumindest eine Messvorrichtung die Oberseite je einer Schiene erfasst. Die Messvorrichtungen werden also im Wesentlichen senkrecht über den Schienen montiert. Dadurch ist es beispielsweise bei der Verwendung von Lichtschnittsensoren möglich, das Höhenprofil der Schienen und damit die Rillentiefe zu ermitteln. Die weitere Behandlung der Messdaten erfolgt wie bisher und in weiterer Folge beschrieben. Grundsätzlich ist auch vorstellbar, dass keine weiteren optischen

Messvorrichtungen vorgesehen werden: Wenn die verwendeten optischen Messvorrichtungen ein Weitwinkel-Gesichtsfeld aufweisen, können sie derart angeordnet werden, dass sowohl Schiene und Schienenkopf als auch Rillentiefe erfasst werden. Fig. 5 zeigt anhand eines Teils eines Schienenfahrzeugs 500, wie die Elemente der erfindungsgemäßen Messanordnung angeordnet sein können: Die Inertialplattform 509 ist am Drehgestellrahmen 505 des Drehgestells 501 des Schienenfahrzeugs 500 positioniert und starr mit diesem verbunden. Der zugehörige GPS-Empfänger 510 ist am Dach des Schienenfahrzeugs 500 angeordnet. Der Lichtschnittsensor 509 ist ebenfalls am Drehgestell 501 angeordnet und starr mit dem Drehgestellrahmen 505 verbunden. Natürlich sind die einzelnen Elemente in der Realität innerhalb des Schienenfahrzeugs 500 angeordnet und von außen nicht erkennbar. Die gewählte Darstellungsform in Fig. 5 dient also nur zur Erklärung.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung liegt darin, dass sie mit ihrem modularen Aufbau sehr mobil ist und an beliebigen Schienenfahrzeugen positionierbar und an beliebige Gleisstandards adaptierbar ist. Um allerdings die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, muss die Anordnung für die jeweilige Verwendung kalibriert werden. Die Vorgehensweise ist in Fig. 6 anhand eines Drehgestells 601 eines Schienenfahrzeugs, das mit der erfindungsgemäßen

Messanordnung ausgestattet ist, dargestellt; zur Kalibrierung wird eine Kalibrierungsvorrichtung 616 verwendet. Sie besteht aus zwei Stiegenprofilen 617 (in Fig. 6 durch je einen Kreis markiert) die durch ein Verbindungsstück 618 starr miteinander verbunden sind. Die Kalibrierungsvorrichtung 616 wird nun so auf die Schienen 604 aufgelegt, dass die Stiegenprofile 617 jeweils auf den Schienenköpfen im Messbereich der Lichtschnittsensoren 607 zu liegen kommen. Nach der Messung durch die Lichtschnittsensoren 607 kann dann ermittelt werden, um welchen Winkel die weiteren Messungen der Lichtschnittsensoren 607 gedreht werden müssen, um die erforderliche Genauigkeit zu liefern.

Anhand von Fig. 7 wird beispielhaft der Ablauf einer Messung mit der erfindungsgemäßen Messanordnung geschildert. Dabei ist nur ein Teil der möglichen Sensoren in Verwendung, beispielsweise sind an den Primär- und Sekundärfedern keine Wegsensoren angeordnet. Allerdings ändert sich der Messablauf durch die Verwendung von zusätzlichen Messvorrichtungen nur unwesentlich, daher soll diese Konfiguration verwendet werden. Fig. 7 zeigt dabei die verschiedenen Ebenen, auf denen die Elemente der Messanordnung bei Positionierung an einer Achse eines Drehgestells eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind:

Im ungefederten Bereich des Achslagers 702 befinden sich der linke Beschleunigungssensor 708 und der rechte

Beschleunigungssensor 708'. Diese beiden Sensoren messen die laterale und vertikale Beschleunigung in den Achslagern, die beispielsweise durch Höhenfehler oder auch Stöße der Schienen entstehen .

Im primärgefederten Bereich des Drehgestellrahmens 705 befinden sich der linke Lichtschnittsensor 707 und der rechte Lichtschnittsensor 707' . Weiters findet sich in diesem Bereich die Inertialplattform 709 sowie die Geschwindigkeitsmesseinrichtung 711.

Im Bereich des Wagenkastens 718, der sowohl primär- als auch sekundärgefedert ist, befinden sich eine

Datenerfassungseinheit 719, eine Auswerteeinheit 720 mit dazugehöriger Stromversorgung 721 sowie der GPS-Empfänger 710.

Die Sensorik der Messanordnung umfasst also eine

Inertialplattform 709, die Beschleunigungen in alle drei Raumrichtungen messen kann und in Kombination mit einem GPS- Empfänger 710 diese Messungen örtlich zuordnen kann; weiters Beschleunigungssensoren 708, 708' zumindest an den beiden Achslagern einer Achse am Drehgestell sowie eine schlupffreie Geschwindigkeitsmesseinrichtung 711 zur Messung der Geschwindigkeit als Stützgröße. Weiters sind optische Sensoren, beispielsweise Lichtschnittsensoren 707, 707' zur berührungslosen Vermessung der Schienenköpfe und der Spurbreite vorgesehen.

Die Datenerfassung erfolgt in einer Datenerfassungseinheit 719, die im Schienenfahrzeug aufgestellt wird und die zeitsynchron erfassten Daten aller verwendeten Sensoren aufzeichnet. Eine Auswerteeinheit 720 berechnet dann - vorzugsweise offline - aus den Daten durch entsprechende Algorithmen abhängig vom Fahrzeugtyp die Lage des Gleises im Raum (Trassierung) , die Lage der linken und rechten Schiene in Bezug auf die Soll-Gleismittelachse (Gleislage) und die Geometrie des Schienenkopfes (Verschleißprofil) . Die Datenausgabe kann dann nach individuellen Anforderungen gestaltet werden.

Der Algorithmus zur Berechnung der Trassierungsdaten benötigt als Input die Daten der Inertialplattform 709, die vorzugsweise am Drehgestellrahmen 705 montiert ist, und korrigiert mit Hilfe der optischen Vermessung zur Schiene durch die Lichtschnittsensoren 707, 707' die

Relativbewegungen der Inertialplattform 709 bezogen auf die Schiene. Beispiele für solche Relativbewegungen sind Nicken und Sinuslauf. Es ist besonders wichtig, dass die Inertialplattform 709 starr an einem Objekt befestigt ist und die optischen Sensoren an demselben Objekt starr befestigt sind. Im vorliegenden Fall sind sowohl Inertialplattform 709 als auch Lichschnittsensoren 707, 707' starr mit dem

Drehgestellrahmen 705 verbunden. Weiters sind die optischen Sensoren so anzuordnen, dass die Relativbewegung der Inertialplattform 709 zur Schiene vertikal und lateral erfasst wird.

Die Höhenfehler oder Stöße der Schienen, die mit den

Beschleunigungssensoren 708, 708' gemessen werden, werden ebenfalls in der Auswerteeinheit 720 berechnet: Der Algorithmus zur Bestimmung der Höhenfehler führt zu diesem Zweck eine zweifache Integration der Beschleunigungssignale durch. Schienenstöße werden direkt aus den

Beschleunigungsdaten ermittelt und mit Hilfe der GPS-Daten des GPS-Empfängers 710 bzw. den Geschwindigkeitsdaten der Geschwindigkeitsmesseinrichtung 711 der gefahrenen Strecke örtlich zugeordnet.

Spurweite und Geometrie des Schienenkopfes werden aus den Daten der optischen Vermessung durch die Lichtschnittsensoren 707, 707' berechnet.

Die gesamte erfindungsgemäße Messanordnung lässt sich leicht transportfähig verpacken, wodurch sie einfach weltweit zu jedem beliebigen Verkehrsbetrieb verbracht und dort an einem geeigneten Fahrzeug angebracht werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Messanordnung zur berührungslosen und kontinuierlichen Bestimmung von Trassierung und Gleislage von Bahnschienen sowie der Geometrie des Schienenkopfes von Bahnschienen, dadurch gekennzeichnet, dass

*)die Messanordnung zumindest zwei optische

Messvorrichtungen (107) zur optisch-elektronischen Messung der Geometrie der Bahnschienenköpfe und zur Messung des Verlaufs der Schienen (104) aufweist, die unabhängig voneinander montierbar sind, und

*) zumindest eine Messeinheit (109) zur Ermittlung von Trassierungsdaten vorgesehen ist, wobei

*)alle Elemente der Messanordnung auf einem Fahrwerk bzw. Drehgestell (101) eines Schienenfahrzeuges angeordnet sind.

2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine optische Messvorrichtung die linke Schiene erfasst und zumindest eine optische Messvorrichtung die rechte Schiene erfasst.

3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei optischen Messvorrichtungen (107) derart angeordnet sind, dass sie die Bewegungen der Schienen (104) vertikal und lateral erfassen.

4. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei optischen

Messvorrichtungen (107) quer zur Fahrtrichtung in einem Winkel im Winkelbereich von 20°-70° gegen die Horizontale angeordnet sind.

5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Drehgestell (101) mit zumindest zwei Achsen die zumindest zwei optischen Messvorrichtungen (107) an einer ersten Achse (102) des Drehgestells angeordnet sind und zumindest zwei weitere optische Messvorrichtungen an einer zweiten Achse desselben Drehgestells angeordnet sind.

6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenerfassungseinheit (719) an Bord des Schienenfahrzeuges vorgesehen ist.

7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiters eine Geschwindigkeits- Messvorrichtung (111) vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs misst.

8. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Beschleunigungssensoren (108) beinhaltet, die an den Achslagern einer Achse (102) des Fahrwerks bzw. Drehgestells (101) des Schienenfahrzeugs angeordnet sind.

9. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Wegsensoren beinhaltet, die an Primärfedern des Fahrwerks bzw. Drehgestells des Schienenfahrzeugs angeordnet sind.

10. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfänger (110) zur Nutzung eines satellitengestützten Navigationssystems vorgesehen ist.

11. Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (110, 510) zur Nutzung eines satellitengestützten Navigationssystems am Dach eines Schienenfahrzeugs (500) angeordnet ist.

12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Messergebnisse eine Auswerteeinheit (720) vorgesehen ist.

13. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Rillentiefe bei

Bahnrillenschienen zumindest zwei weitere optische Messvorrichtungen vorgesehen sind.

14. Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei weiteren optischen Messvorrichtungen derart angeordnet sind, sodass im Wesentlichen zumindest je eine Vorrichtung die Oberseite je einer Schiene (104) erfasst .

15. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den optischen Messvorrichtungen (107) um Lichtschnittsensoren handelt.

16. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Messeinheit (109) zur Ermittlung von Trassierungsdaten um eine Beschleunigungs- und Drehraten-Messvorrichtung handelt, die die Beschleunigungen in drei Raumrichtungen ermitteln kann. Zusammenfassung