WO2010121907A2 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der rad- und achsgeometrie von radsätzen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur bestimmung der rad- und achsgeometrie von radsätzen Download PDF

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    • G01B2210/28—Beam projector and related sensors, camera, inclinometer or other active sensing or projecting device

Definitions

  • the invention relates to a method and a measuring device for determining the wheel and axle geometry of wheelsets.
  • the wheels of rail vehicles are subject to significant wear during operation.
  • the contact of the metallic rail with the equally metallic rail vehicle wheel on the one hand causes wear of the rail and the wheel. Especially during cornering, the wear is increased, as it inevitably in addition to the rolling load and a sliding load of
  • Wheel surface occurs.
  • the usual wheelsets in which both wheels are firmly mounted on an axle and therefore no speed differences between inside and outside wheels can occur, are subject to wear in particular.
  • Losrad in which the two wheels of an axle are each rotatably mounted on an axle, this problem can be mitigated, but not prevented. Blocking (due to heavy use of brakes, for example) promotes localized wear at the point of contact with the rail and causes wheel eccentricity or breakage of pieces of the wheel surface.
  • Wheel profile not recognized and measured and assigned to a position on the profile.
  • Existing (mobile) measuring devices for determining the wheel geometry of rail vehicle wheels when installed can not perform the same measurements as stationary measuring machines.
  • the invention is therefore based on the object to provide a measuring device for determining the wheel and axle geometry of wheelsets, for their use, the wheelsets can remain on the rail vehicle and which determines the same parameters as a measuring machine according to the prior art.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the subordinate claims.
  • a measuring device is formed from two 3D optical sensors and a spacing element mechanically connecting these two sensors.
  • the spacer ensures that the two 3D sensors are at a distance from one another, which essentially corresponds to the track width of the wheelset to be measured.
  • the measuring device according to the invention comprises an angle determination device. By means of this angle determination device, each measured point of the wheel surface can be assigned to a specific angle of the wheel.
  • the advantage can be achieved to make a Radprofil spot and a Rohnrundheitspond on both wheels of a wheelset at the same time, without having to be removed from the vehicle wheelset.
  • Laser light section sensors can typically achieve a height resolution of the wheel profile of 1 / 100mm as well as a spatial resolution (in the axial direction) of 1/1 Omm.
  • the angle determination device continuously determines the current angular position of the wheelset, so that an unambiguous assignment of each individual measured point of the wheel profiles can be assigned to a specific angle of the wheelset. Any method for measuring the angle of rotation can be used as the angle determination device, wherein it is advantageous to select a method which can be used in the rough ambient conditions typical for the maintenance of rail vehicles. Typical proven resolutions of the
  • Angle measurement is about 4000 to 8000 parts per revolution.
  • the mechanical decrease of the angle of rotation is to be regarded by a (for example by means of a spring) pressed against the rail vehicle wheel Tastrad.
  • This jockey wheel comprises in its hub an angle encoder which detects the angle of rotation.
  • angle determination device provides for the use of an integrated rotation angle sensor or contactless
  • This sensor is temporarily (for example by magnetic force) attached to the wheel disc of the rail vehicle wheel to be measured and continuously determines the direction of gravity, so from the relative direction of gravity in relation to the housing of the rotation angle sensor, the current angular position of the wheelset can be determined.
  • the angle determination device can further by means of so-called non-contact path measurement on the circumference of the wheelset to be measured.
  • a measuring device further comprises an evaluation device, typically designed as a programmable computer, which receives the signals (measured values) of both 3D sensors and the angle determination device and creates from these data a mathematical model of the wheelset.
  • This model advantageously comprises the wheel profiles of both wheels at each detected angle and the geometrical data of the wheels relative to each other.
  • the output of this model data is preferably in a form that supports the further electronic processing and storage. For example, it is advantageous to create and output the geometric model of the wheelset as a so-called "Matlab" file.
  • the invention provides a
  • Referencing devices are designed in such a way that a part of each reference device protrudes into the measuring field of the respectively associated 3D sensor and is detected and measured by this 3D sensor.
  • the application of the measuring device according to the invention is typically carried out in the following steps:
  • the measuring device By means of the measuring device according to the invention, it is possible to detect a wheelset of a rail vehicle in its entire geometry, to which no removal of the wheelset is required.
  • accuracies are far enough for the assessment of the wear of a rail vehicle wheel. It is particularly advantageous that the accuracy of the position of the measuring device in relation to the position of the wheelset no high requirements must be met. Due to the positioning of the measuring device below the wheel, slight deviations from the parallel position of the measuring device to the axis of the wheelset only slightly affect. A manual positioning of the measuring device (without further devices for exact positioning) is sufficient in any case.
  • Fig.l shows an example and schematically a measuring device 1 and a wheelset 2. It is a set of wheels 2 shown, which includes a left wheel 22, a right wheel 23 and one, the two wheels rigidly connecting axis 21. The wheelset 2 is rotatably mounted in a left bearing 24 and a right bearing 25. Other parts of the rail vehicle are not shown for simplicity.
  • a measuring device 1 comprises a left-hand 3D sensor 12, a right-hand 3D sensor 13 and a spacing element mechanically connecting these 3D sensors 12, 13.
  • the measuring device 1 is arranged below the axis 21, so that the profile of the left wheel 22 in the measuring field 14 of the left 3D sensor 12 and the profile of the right wheel
  • a left homing device 16 is releasably attached, which projects into the measuring field 14 of the left 3D sensor 12.
  • a right reference unit 17 is detachably mounted, which projects into the measuring field 15 of the right 3D sensor 13.
  • FIG. 2 shows by way of example and schematically a side view of a measuring device 1 and a wheel set 2. It is the arrangement of Fig.l in the direction of the axis 21 and an angle determination device shown.
  • a jockey wheel 18 is provided which is secured by means of a spacer 11 Lever spring assembly is pressed against the circumference of the left wheel 22 and is driven by this left wheel 22.
  • An angle encoder installed in the hub of the feeler wheel 18 determines the angle of rotation of the feeler wheel 18. By means of this rotation angle of the feeler wheel 18 and the ratio of the diameters of the left wheel 22 and the feeler wheel 18, a determination of the rotation angle of the wheelset 2 is made.
  • FIG. 3 shows by way of example and schematically a block diagram of the electronic circuits of a measuring device.
  • An evaluation device 3 is shown, to which evaluation device 3 the left-hand 3D sensor 12, the right-hand 3D sensor 13 and the angle determination device (feeler wheel) 18 are electrically connected.
  • the evaluation device 3 receives the geometric data of the wheel set 2 detected by the 3D sensors 12, 13 and the angle information associated with each measuring point from the angle determination device (feeler wheel) 18 and uses this data to create a mathematical model 4 of the entire
  • This model 4 is stored in the evaluation device 3 and can be output to a further (not shown) data processing device.

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Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Rad- und Achsgeometrie von an Schienenfahrzeugen eingebauten Radsätzen mittels 3D-Sensoren und Winkelbstimmungseinrichtungen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Rad- und Achsgeometrie von Radsätzen.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Rad- und Achsgeometrie von Radsätzen.
Stand der Technik
Die Räder von Schienenfahrzeugen sind im Betrieb einem deutlichen Verschleiß unterworfen. Der Kontakt der metallischen Schiene mit dem ebenso metallischen Schienenfahrzeugrad ruft einerseits einen Verschleiß der Schiene als auch des Rades hervor. Besonders während der Kurvenfahrt ist der Verschleiß erhöht, da dabei zwangsläufig neben der Rollbelastung auch eine Gleitbelastung der
Radoberfläche auftritt. Die üblichen Radsätze, bei welchen beide Räder fest auf einer Achse montiert sind und deshalb keine Geschwindigkeitsunterschiede zwischen kurveninneren und kurvenäußeren Rädern auftreten können, sind dem Verschleiß in besonderem Maße unterworfen. Mittels sogenannter Losradsätze, bei welchen die beiden Räder einer Achse jeweils drehbar an einer Achse montiert sind, kann dieses Problem abgeschwächt, aber nicht verhindert werden. Blockieren (beispielsweise aufgrund starken Bremseneinsatzes) fördert den lokalen Verschleiß an dem jeweiligen Berührpunkt zur Schiene und ruft Radunrundheiten oder das Herausbrechen von Stücken der Radoberfläche hervor.
Für einen sicheren Bahnbetrieb ist deshalb die regelmäßige Kontrolle aller Schienenfahrzeugräder erforderlich. Bei dieser Kontrolle wird die Geometrie jedes Rades vermessen, wobei eine Radprofilmessung und eine Radunrundheitsmessung durchgeführt werden. Zur Durchführung dieser Messungen ist es erforderlich den Radsatz auszubauen und in einer Messmaschine einzuspannen. Weiters existieren Meßvorrichtungen, welche es erlauben die Radprofilmessungen und Radunrundheitsmessungen direkt an (eingebauten) Rädern vorzunehmen, diese führen jedoch keine gleichzeitigen Messungen beider Räder einer Achse durch, wodurch die sogenannte Phasenbeziehung der Unrundheiten beider Räder einer Achse nicht bestimmt werden kann. Ebenso kann der Abstand der Profile beider Räder zueinander nicht bestimmt werden. Weiters werden mit Einrichtungen nach dem Stand der Technik singuläre geometrisch eng begrenzte Beschädigungen wie Ausbrüche, lokaler Verschleiß, lokale Geometriefehler o.a. des
Radprofils nicht erkannt und vermessen und einer Lage am Profil zugewiesen. Bestehende (mobile) Meßvorrichtungen zur Bestimmung der Radgeometrie von Schienenfahrzeugrädern im eingebauten Zustand können nicht dieselben Messungen vornehmen wie ortsfeste Messmaschinen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Rad- und Achsgeometrie von Radsätzen anzugeben, zu deren Einsatz die Radsätze am Schienenfahrzeug verbleiben können und welche dieselben Meßgrößen bestimmt wie eine Meßmaschine gemäß dem Stand der Technik. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche .
Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird eine Meßeinrichtung aus zwei optischen 3D-Sensoren und einem diese beiden Sensoren mechanisch verbindendem Abstandselement gebildet. Das Abstandselement gewährleistet das sich die beiden 3D- Sensoren in einem Abstand zueinander befinden, der im Wesentlichen der Spurweite des zu messenden Radsatzes entspricht. Weiters umfasst die erfindungsgemäße Meßeinrichtung eine Winkelbestimmungseinrichtung. Mittels dieser Winkelbestimmungseinrichtung jeder gemessene Punkt der Radoberfläche einem bestimmten Winkel des Rades zugeordnet werden.
Durch diese Meßeinrichtung ist der Vorteil erzielbar, eine Radprofilmessung und eine Radunrundheitsmessung an beiden Rädern eines Radsatzes gleichzeitig vornehmen zu können, ohne dass dazu der Radsatz aus dem Fahrzeug ausgebaut werden muss.
Es ist besonders zweckmäßig, die 3D-Sensoren als sogenannte Laser-Lichtschnittsensoren auszuführen, da diese Sensoren eine hohe Meßgenauigkeit und hohe Ortsauflösung gewährleisten. Mit Laser-Lichtschnittsensoren kann typischerweise eine Höhenauflösung des Radprofils von 1/lOOmm sowie eine Ortsauflösung (in Achsrichtung) von 1/1 Omm erreicht werden.
Die Winkelbestimmungseinrichtung ermittelt kontinuierlich die aktuelle Winkelstellung des Radsatzes, sodass eine eindeutige Zuordnung jedes einzelnen gemessenen Punktes der Radprofile einem bestimmten Winkel des Radsatzes zugeordnet werden kann. Als Winkelbestimmungseinrichtung kann jedes Verfahren zur Drehwinkelmessung eingesetzt werden, wobei es vorteilhaft ist ein Verfahren zu wählen, welches in den für die Wartung von Schienenfahrzeugen typischen rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann. Typische bewährte Auflösungen der
Winkelmessung betragen ca. 4000 bis 8000 Teile pro Umdrehung. Als besonders vorteilhaft und einfach anzuwendendes Verfahren ist die mechanische Abnahme des Drehwinkel durch ein (beispielsweise mittels einer Feder) an das Schienenfahrzeugrad angedrücktes Tastrad anzusehen. Dieses Tastrad umfasst in seiner Nabe einen Winkelencoder, welcher den Drehwinkel erfasst.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Winkelbestimmungseinrichtung sieht den Einsatz eines integrierten Drehwinkelsensors oder berührungsloser
Wegmessung am Umfang vor. Dieser Sensor wird temporär (beispielsweise mittels Magnetkraft) an der Radscheibe des zu messenden Schienenfahrzeugrades befestigt und ermittelt kontinuierlich die Richtung der Schwerkraft, sodass aus der relativen Richtung der Schwerkraft in Verhältnis zum Gehäuse des Drehwinkelsensors die aktuelle Winkellage des Radsatzes ermittelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Winkelbestimmungseinrichtung kann weiters mittels sogenannter berührungsloser Wegmessung am Umfang des zu vermessenden Radsatzes.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, die Übertragung der Messwerte der Winkelbestimmungseinrichtung mittels Funk vorzunehmen, da dadurch im praktischen Einsatz der Meßeinrichtung Nachteile vermieden werden können, die beim Einsatz von Kabelverbindungen nicht zu vermeiden sind (Kabelbruch, Verwickeln des Kabels an Bauteilen der Radaufhängung, etc.). Eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung umfasst weiters eine Auswerteeinrichtung, typischerweise als programmierbarer Computer ausgeführt, welche die Signale (Messwerte) beider 3D-Sensoren und der Winkelbestimmungseinrichtung empfängt und aus diesen Daten ein mathematisches Modell des Radsatzes erstellt. Dieses Modell umfasst vorteilhafterweise die Radprofile beider Räder zu jedem erfassten Winkel und die geometrischen Daten der Räder zueinander. Dadurch ist der Radsatz in seiner ganzen, für den Bahnbetrieb wesentlichen Geometrie bestimmt. Die Ausgabe dieser Modelldaten erfolgt vorzugsweise in einer Form, die die weitere elektronische Verarbeitung und Speicherung unterstützt. Beispielsweise ist es vorteilhaft, das geometrische Modell des Radsatzes als sogenannte „Matlab" Datei zur erstellen und auszugeben.
Weiters ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine
Refererenziereinrichtung vorzusehen. Es wird an beiden Seiten des zu messenden Radsatzes eine Referenziereinrichtung an einem feststehenden Teil der Radaufhängung (beispielsweise des Lagerdeckels) temporär angebracht. Diese
Referenziereinrichtungen sind so geformt auszuführen, dass ein Teil jeder Referenziereinrichtung in das Meßfeld des jeweils zugehörigen 3D-Sensors ragt und von diesem 3D-Sensor erfasst und vermessen wird.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung erfolgt typischerweise in folgenden Schritten:
- Anheben des Schienenfahrzeugs, sodass die Radsätze frei drehbar werden, - Unterlegen der Meßeinrichtung (Abstandselement mit zwei 3D-Sensoren) unter der Achse des zu messenden Radsatzes,
- Montage der beiden Referenziereinrichtungen,
- Montage der Winkelbestimmungseinrichtung, - Start der Meßwerterfassung,
- Manuelles Drehen des Radsatzes um mindestens eine Umdrehung,
- Beenden der Meßwerterfassung und Ausgabe der Messwerte (als mathematisches Modell) ,
- Abbau der einzelnen Teile der Meßeinrichtung.
Es ist vorteilhaft die Messung über mehr als eine Umdrehung des Radsatzes vorzunehmen um dadurch durch Mittelung der Messwerte eine höhere Genauigkeit zu erzielen.
Mittels der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist es möglich, einen Radsatz eines Schienenfahrzeugs in seiner gesamten Geometrie zu erfassen, wobei dazu kein Ausbau des Radsatzes erforderlich ist.
Die mittels der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung erzielbaren Genauigkeiten sind für die Beurteilung des Verschleißes eines Schienenfahrzeugrades bei weitem ausreichend. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass an die Genauigkeit der Lage der Meßeinrichtung in Verhältnis zur Lage des Radsatzes keine hohen Erfordernisse erfüllt werden müssen. Aufgrund der Positionierung der Meßeinrichtung unterhalb des Radsatzes wirken sich geringe Abweichungen von der parallelen Lage der Meßeinrichtung zur Achse des Radsatzes nur unwesentlich aus. Eine manuelle Positionierung der Meßeinrichtung (ohne weitere Vorrichtungen zur exakten Positionierung) ist jedenfalls ausreichend.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen beispielhaft: Fig.l Meßeinrichtung und Radsatz.
Fig.l Meßeinrichtung und Radsatz, seitliche Ansicht
Fig.l Blockschaltbild.
Ausführung der Erfindung
Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch eine Meßeinrichtung 1 und einen Radsatz 2. Es ist ein Radsatz 2 dargestellt, welcher ein linkes Rad 22, ein rechtes Rad 23 und eine, die beiden Räder starr verbindende Achse 21 umfasst. Der Radsatz 2 ist in einem linken Lager 24 und einem rechten Lager 25 drehbar gelagert. Weitere Teile des Schienenfahrzeugs sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Eine Meßeinrichtung 1 umfasst einen linken 3D-Sensor 12, einen rechten 3D-Sensor 13 und ein, diese 3D-Sensoren 12, 13 mechanisch verbindendes Abstandselement. Die Meßeinrichtung 1 ist unter der Achse 21 angeordnet, sodass das Profil des linken Rads 22 im Meßfeld 14 des linken 3D-Sensors 12 und das Profil des rechten Rads
23 im Meßfeld 15 des rechten 3D-Sensors 13 befindlich ist. Am linken Lager 24 ist eine linke Referenziereinrichtung 16 lösbar befestigt, welche in das Meßfeld 14 des linken 3D- Sensors 12 ragt. Am rechten Lager 25 ist eine rechte Referenziereinheit 17 lösbar befestigt, welche in das Meßfeld 15 des rechten 3D-Sensors 13 ragt.
Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch eine seitliche Ansicht einer Meßeinrichtung 1 und eines Radsatzes 2. Es ist die Anordnung aus Fig.l in Richtung der Achse 21 und eine Winkelbestimmungseinrichtung dargestellt. Als Winkelbestimmungseinrichtung ist ein Tastrad 18 vorgesehen, welches mittels einer am Abstandselement 11 befestigten Hebel-Federanordnung an den Umfang des linken Rads 22 angedrückt ist und von diesem linken Rad 22 angetrieben wird. Ein in die Nabe des Tastrads 18 eingebauter Winkelencoder bestimmt den Drehwinkel des Tastrades 18. Mittels dieses Drehwinkels des Tastrades 18 und des Verhältnisses der Durchmesser des linken Rades 22 und des Tastrades 18 zueinander erfolgt eine Bestimmung des Drehwinkels des Radsatzes 2.
Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltungen einer Meßeinrichtung. Es ist eine Auswerteeinrichtung 3 dargestellt, an diese Auswerteeinrichtung 3 ist der linke 3D-Sensor 12, der rechte 3D-Sensor 13 und die Winkelbestimmungseinrichtung (Tastrad) 18 elektrisch angeschlossen. Die Auswerteeinrichtung 3 empfängt die von den 3D-Sensoren 12, 13 erfassten geometrischen Daten des Radsatzes 2 und die zu jedem Meßpunkt zugehörige Winkelinformation von der Winkelbestimmungseinrichtung (Tastrad) 18 und erstellt aus diesen Daten ein mathematisches Modell 4 des gesamten
Radsatzes. Dieses Modell 4 wird in der Auswerteeinrichtung 3 gespeichert und kann an eine weitere (nicht dargestellte) Datenverarbeitungseinrichtung ausgegeben werden.
Liste der Bezeichnungen
1 Meßeinrichtung 11 Abstandselement
12 3D-Sensor links
13 3D-Sensor rechts
14 Meßfeld links
15 Meßfeld rechts 16 Referenziereinrichtung links
17 Referenziereinrichtung rechts
18 Tastrad
2 Radsatz 21 Achse 22 Rad links
23 Rad rechts
24 Lager links
25 Lager rechts
3 Auswerteeinrichtung 4 mathematisches Modell

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Rad- und Achsgeometrie von Radsätzen mit folgenden Verfahrensschritten: entlasten des Schienenfahrzeugs, sodass die
Radsätze frei drehbar werden, unterlegen einer Meßeinrichtung unter der Achse des zu messenden Radsatzes, - montieren von zwei Referenziereinrichtungen an feststehenden Teilen des Schienenfahrzeugs, montieren einer Winkelbestimmungseinrichtung, starten der Meßwerterfassung, drehen des Radsatzes um mindestens eine Umdrehung, - beenden der Meßwerterfassung bestimmen eines Mathematischen Modells der
Geometrie des Radsatzes ausgeben dieses mathematisches Modell, abbauen der einzelnen Teile der Meßeinrichtung.
2. Meßeinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, umfassend eine Winkelbestimmungseinrichtung, zwei
Referenziereinrichtungen, zwei 3D-Sensoren und eine Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden 3D-Sensoren mittels eines Abstandselements im Abstand der Spurweite des Radsatzes angeordnet sind und die Auswerteeinrichtung Mittel umfasst, welche die von den 3D-Sensoren erfassten Meßwerte in ein mathematisches Modell der Geometrie des Radsatzes umwandeln
3. Winkelbestimmungseinrichtung zum Einsatz in einer Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbestimmungseinrichtung den Drehwinkel des Radsatzes mittels eines Tastrades erfasst .
4. Winkelbestimmungseinrichtung zum Einsatz in einer Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbestimmungseinrichtung den Drehwinkel des Radsatzes mittels eines integrierten Drehwinkelsensors erfasst.
5. Referenzierungseinrichtung zum Einsatz in einer Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzierungseinrichtung Mittel zur lösbaren Befestigung an einem feststehenden Bauteile des Schienenfahrzeugs umfasst und die
Referenzierungseinrichtung in das Meßfeld des ihr zugeordneten 3D-Sensors ragt.
6. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Sensoren als Laser- Lichtschnittsensoren ausgebildet sind.
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