WO2013034717A1

WO2013034717A1 - Verfahren zum bestimmen einer wirksamen menge eines adhäsionssteigernden mittels

Info

Publication number: WO2013034717A1
Application number: PCT/EP2012/067549
Authority: WO
Inventors: Reinhold Mayer; Thomas Rasel; Andreas Trinkberger; Joerg-Johannes Wach
Original assignee: Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-03-14
Also published as: EP2753524A1; CN103796896A; EP2753524B1; DE102011112969B4; DE102011112969A1; CN103796896B; WO2013034717A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Menge (38) eines adhäsionssteigernden Mittels (6), das zwischen ein Rad (14) eines Schienenfahrzeugs und einer Schiene (4), auf der das Rad (14) fährt aufgetragen wird, umfassend: Bestimmen (30) einer durch die wirksame Menge (38) verursachten tatsächlichen Reibwirkung (32) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4); Bestimmen (42) einer Grundreibwirkung (40) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4), die sich ohne die wirksame Menge (38) ergibt; und Bestimmen (36) der wirksamen Menge (38) basierend auf einer Gegenüberstellung der tatsächlichen Reibwirkung (32) und der Grundreibwirkung (40).

Description

Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Menge eines adhasionssteigernden Mittels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Menge eines Adhasionssteigernden Mittels, ein Verfahren zum Auftragen eines adhasionssteigernden Mittels zwischen ein Rad eines Schienenfahrzeuges und eine Schiene, eine Steuervorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren und ein Schienenfahrzeug mit der Steuervorrichtung. Aus der DE 600 26 290 T2 ist eine Steuereinheit für ein Schienenfahrzeug bekannt, die eine erforderliche Menge an zwischen ein Rad des Schienenfahrzeuges und einer Schiene, auf der das Schienenfahrzeug fährt, zu streuenden Sand berechnet, um eine geforderte Verlangsamung des Schienenfahrzeuges zu erreichen. Es ist Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren zum Verlangsamen eines Schienenfahrzeuges mittels Ausstreuen von adhasionssteigernden Mitteln zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevor- zugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Menge eines adhäsionssteigernden Mittels, das zwischen ein Rad eines Schienenfahrzeugs und einer Schiene, auf der das Rad fährt aufgetragen wird, die Schritte:

- Bestimmen einer durch die wirksame Menge verursachten tatsächlichen Reibwirkung zwischen dem Rad und der Schiene;

- Bestimmen einer Grundreibwirkung zwischen dem Rad und der Schiene, die sich ohne die wirksame Menge ergibt; und - Bestimmen der wirksamen Menge basierend auf einer Gegenüberstellung der tatsächlichen Reibwirkung und der Grundreibwirkung.

Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass für eine geforder- te Verlangsamung eines Schienenfahrzeuges eine Menge an adhäsionssteigernden Mittel notwenig ist, dass auch am Rad des Schienenfahrzeuges ankommt. Demgegenüber wird im Rahmen des angegebenen Verfahrens erkannt, dass das ein aus einer Dosiereinrichtung ausgegebenes adhäsionssteigerndes Mittel nicht vollständig am Rad ankommen kann, weil es beispielsweise durch den Fahrtwind des Schienen- fahrzeuges verweht wird. Insofern ist es zwar möglich eine Menge an adhäsionssteigernden Mittel für die oben genannte geforderte Verlangsamung zu bestimmen, wichtig wäre aber zu bestimmen, ob diese Menge an adhäsionssteigernden Mittel auch wirklich am Rad des Schienenfahrzeuges angekommen ist. Dazu wird im Rahmen des angegebenen Verfahrens vorgeschlagen, die Reibkoeffizienten zwischen Schiene in einem Grundzustand und in einem Zustand zu betrachten, in dem der Sand aufgetragen ist. Die Differenz zwischen dem Grundzustand und dem sozusagen gesandeten Zustand ist direkt abhängig davon, wie viel adhäsionssteigerndes Mittel auf die Schiene aufgetragen ist.

In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens kann die Grundreibung zwischen dem Rad und der Schiene wenigstens basierend auf einem Modell der Schiene berechnet werden. Das Modell kann beispielsweise rechentechnisch in einer Steuervorrichtung hinterlegt sein und basierend auf aktuellen Zustandsgrößen der Schiene und/oder der Umgebung um die Schiene aktualisiert werden. Auf diese Weise kann die Grundreibung der Schiene ohne eine direkte Messung erfasst werden.

In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst das Modell einen Zustand der Schiene. Unter einem Zustand der Schiene sollen zeitlich verän- derliche Eigenschaften der Schiene verstanden werden. Unter diese zeitlich veränderlichen Eigenschaften können beispielsweise Alterserscheinungen, wie Rost fallen. Diese zeitlich veränderlichen Eigenschaften könnten messtechnisch erfasst und im Modell der Schiene berücksichtigt werden. In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst das Modell einen Belag auf der Schiene. Derartige Beläge können beispielsweise sich absetzende Niederschläge oder Verschmutzungen sein, die sich beispielsweise aufgrund von Verwehungen auf der Schiene festsetzen können. Diese Beläge verän- dern die Grundreibung der Schiene adhäsionssteigernd oder adhäsionssenkend und können in einer dem Fachmann bekannten Weise messtechnisch erfasst und im Modell berücksichtigt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst das Mo- dell eine auf die Schiene über das Rad wirkende Normalkraft. Diese Normalkraft ist insbesondere dann günstig, wenn die zuvor genannten Beläge berücksichtigt werden, denn die Normalkraft hat einen Einfluss darauf, wie tief das Rad in einen Belag gedrückt wird. Die Normalkraft kann beispielsweise abhängig von einer Zuladung des Schienenfahrzeuges sein und somit ebenfalls messtechnisch erfasst werden.

In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist die Grundreibung zwischen dem Rad und der Schiene von einer Temperatur der Schiene abhängig. Die Temperatur der Schiene hat einen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Schiene und somit einen direkten Einfluss auf die Adhäsion zwischen Rad und Schiene.

In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist die Grundreibung zwischen dem Rad und der Schiene von Umgebungsbedingungen um das Rad und die Schiene abhängig. Diese Umgebungsbedingungen können beispielsweise direkt einen Einfluss auf den Zustand der Schiene haben.

In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfassen die Umgebungsbedingungen eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Lufttemperatur, die beispielsweise einen Einfluss auf den oben genannten Belag auf der Schiene haben können, so dass dieser gegebenenfalls nicht selbst messtechnisch erfasst werden muss. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Auftragen eines adhasionssteigernden Mittels zwischen ein Rad eines Schienenfahrzeuges und eine Schiene, auf der das Schienenfahrzeug fährt, die Schritte:

Erfassen einer wirksamen Menge des adhäsionssteigernden Mittels mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche,

Bestimmen einer notwendigen Menge des adhäsionssteigernden Mittels, um einen gewünschten Reibschluss zwischen der Schiene und dem Rad des Schienenfahrzeuges bereitzustellen, und

Ansteuern einer das adhäsionssteigernde Mittel auftragenden Dosiereinrich- tung basierend auf einer Gegenüberstellung der notwendigen Menge und der wirksamen Menge.

Dem angegebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch der Menge des am Rad ankommenden adhäsionssteigernden Mittels die Menge an adhäsions- steigernden Mittels, das für eine bestimmte Verzögerung des Schienenfahrzeuges notwendig ist, geregelt werden kann. Mit anderen Worten kann als Führungsgröße dieses Regelkreises nun direkt die Menge an adhäsionssteigernden Mittel verwendet werden, das am Rad ankommen soll. Zwar könnte als Führungsgröße die gewünschte Verzögerung herangezogen werden, im Rahmen des angegebenen Verfahrens wird jedoch erkannt, dass das Zeitverhalten eines derartigen Regelkreises (wie bei einer Raumheizung) sehr langsam ist, was zu einer unnötig hohen Menge an aufgetragenem adhäsionssteigernden Mittel führen kann, weil sich der Regelkreis sehr langsam einschwingt. Die direkte Regelung der Menge des auf die Schiene aufzubringenden adhäsionssteigernden Mittels verbessert das Zeitverhalten und sorgt da- für, dass sich der Regelkreis schneller einschwingen und auf Veränderungen reagieren kann.

Zudem kann das aufzutragende adhäsionssteigernde Mittel mit dem angegebenen Verfahren auch mit einem bestimmten zeitlichen Verlauf geregelt auf die Schiene aufgetragen werden. Soll das adhäsionssteigernde Mittel beispielsweise zunächst stoßartig und anschließend nur noch mit einem geringen Massenstrom werden, brächte hier nur die notwendige Menge an adhäsionssteigernden Mittels entsprechend zeitlich variabel dargestellt werden. Dies wäre mit einem Regelkreis unmöglich, in dem direkt die gewünschte Verzögerung geregelt wird. In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens kann das adhäsionssteigernde Mittel in verschiedenen Partikelarten, Partikelgrößen und/oder Partikelnnengen aus der Dosiereinrichtung ausgegeben werden. Das heißt, dass die Menge an adhäsi- onssteigernden Mittel nicht allein durch eine Menge an Partikeln des adhäsionsstei- gernden Mittels beeinflusst werden muss.

In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird das adhäsionssteigernde Mittel in einer Partikelnnenge pro Wegstrecke aus der Dosiereinrich- tung ausgegeben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen. Die Steuervorrichtung kann dabei insbesondere derart erweitert werden, dass sie eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Unteransprüche durchzuführen.

In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Pro- zessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Schienenfahrzeug eine der angegebenen Steuervorrichtungen. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:

Fig. 1 ein schematische Darstellung eines Regelkreises zur Regelung eines auf eine Schiene aufzubringendes adhäsionssteigernden Mittels, und Fig. 2 ein Strukturdiagramm zur Bestimmung einer wirksamen Menge an adhäsionssteigernden Mittel auf der Schiene zeigen.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein schematische Darstellung eines Regelkreises 2 zur Regelung eines auf eine Schiene 4 aufzubringendes adhäsionssteigernden Mittels 6. Als adhäsionssteigerndes Mittel 6 soll nachstehend beispielhaft Sand 6 betrachtet werden.

Der Sand 6 wird in der vorliegenden Ausführung aus einer Dosiereinrichtung 8 auf die Schiene 4 ausgestreut, wobei die Dosiereinrichtung 8 aus einer Druckluftquelle 10 mit einem Istdruck 12 beaufschlagt wird, um den Sand 6 auszustreuen. Auf diese Beaufschlagung der Dosiereinrichtung 8 mit dem Istdruck 12 wird an späterer Stelle näher eingegangen.

Der Sand 6 wird in der vorliegenden Ausführung zwischen ein Rad 14 und die Schiene 4 gestreut, um eine Adhäsion zwischen dem Rad 14 und der Schiene 4 zu steigern. Das Rad 14 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Schienenfahrzeuges, dass über das Rad 14 auf der Schiene 4 fortbewegt wird und kann durch eine Bremse 16 abgebremst werden, was wiederum zu einer Bremskraft 18 auf das Rad 14 und somit auf das nicht gezeigte Schienenfahrzeug führt. Auf der Schiene 4 kann ein Belag 20 ausgebildet sein, der sich beispielsweise aufgrund von Verunreinigungen wie Laub oder verwehte Erde oder aufgrund von Feuchtigkeit bilden kann. Das Rad 14 wird in diesen Belag 20 aufgrund einer auf das Rad 14 wirkenden Normalkraft 22 in den Belag 20 gedrückt, was an der Stelle des Rades 14 zu einer nicht weiter referenzierten reduzierten Dicke des Belages 20 führt.

Das Rad 14 bewegt sich über die Schiene 4 mit einer Geschwindigkeit 24, die am Rad 14 direkt oder über das nicht weiter dargestellte Schienenfahrzeug bestimmt werden kann. Aus dieser Geschwindigkeit 24 kann in einem Differenzierglied 26 eine Verzögerung 28 des Rades 14 bestimmt werden.

Aus der Verzögerung 28 kann in einer dem Fachmann bekannten Weise in einer Reibwertberechnungseinrichtung 30 aktuelle, zwischen der Schiene 4 und dem Rad 14 wirkende Ist-Reibwert 32 berechnet werden, der durch den ausgestreuten Sand verursacht wird. Dazu kann in dem Fachmann bekannter Weise die rotierende Masse 34 des Rades 14 sowie die Normalkraft 22 berücksichtig werden.

Aus dem Ist-Reibwert 32 wird in einer dem Fachmann bekannten Weise in einer Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 die Wirkmenge 38 an Sand 6 berechnet, die das Rad 14 aus der Dosiereinrichtung 8 erreicht und somit einen Einfluss auf den Ist- Reibwert 32 hat. Grundgedanke der Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 ist es eine nicht weiter dargestellte Differenz zwischen dem Ist-Reibwert 32 und einem Grundreibwert 40 als Grundlage zur Berechnung der Wirkmenge 38 an Sand 6 heranzuziehen, der am Rad 14 ankommt. Diese Differenz ist abhängig von der Wirk- menge 38, wobei diese Abhängigkeit beispielsweise durch Versuche bestimmt und als Kennlinie in der Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 hinterlegt werden kann.

Der Grundreibwert 40 kann beispielsweise in einer Modellierungseinrichtung 42 berechnet und an die Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 ausgegeben werden. Dabei kann in der Modellierungseinrichtung 42 ein mathematisches Modell hinterlegt sein, dass den Grundreibwert 40 als Reibwert zwischen dem Rad 14 und der Schiene 4 nachbildet, ohne dass Sand 6 dazwischen gestreut wird. Dieses Modell könnte beispielsweise ausschließlich das Modell der Schiene 4 umfassen oder aber auch zusätzlich das Rad berücksichtigen. Als Parameter könnte in diesem Modell eine Temperatur 44 der Schiene 4, eine Umgebungstemperatur 46 um die Schiene 4 und das Rad 14, eine Umgebungsfeuchtigkeit 48 um die Schiene 4 und das Rad 14 sowie ein Alterungszustand 50 berücksichtigt werden, der beispielsweise angibt inwieweit sich auf der Schiene 4 eine Rostschicht angesetzt hat. Das Modell kann analog zur Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 durch Versuche bestimmt und in Form von einer oder mehrerer Kennlinien in der Modellierungseinrichtung 42 hinterlegt sein.

Die Wirkmenge 38 an Sand 6 kann dann einer Regeleinrichtung 52 zugeführt wer- den, die in einer dem Fachmann bekannten Weise eine Sollmenge 54 an Sand 6, die am Rad 14 ankommen soll, um eine bestimmte Solladhäsion zwischen dem Rad 14 und der Schiene 4 hervorzurufen, der Wirkmenge 38 gegenüberstellt und basierend auf einer Abweichung der Wirkmenge 38 und der Sollmenge 54 ein entsprechendes Mengenreglerausgangssignal 56 erzeugt.

Das Mengenreglerausgangssignal 56 wird dann als Solldruck 56 für eine Druckregeleinrichtung 58 verwendet, die basierend auf einer Abweichung zwischen dem oben genannten Istdruck 12 und dem Solldruck 56 ein Druckreglerausgangssignal 60 erzeugt und damit als Stellglied ein Ventil 62 zur Einstellung des Istdruckes 12 an- steuert.

Auf diese Weise kann die Wirkmenge 38 des am Rad 14 ankommenden Sandes 6 an die Sollmenge 54 angepasst werden. Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die ein Strukturdiagramm zur Bestimmung einer Wirkmenge 38 an Sand 6 auf der Schiene 4 zeigt.

Aus der Dosiereinrichtung 6 wird eine Ausstoßmenge 64 an Sand 6 auf die Schiene 4 gestreut, von der aufgrund eines beispielsweise von Fahrwindverwehungen be- einflussten Wirkungsgrades 66 die Wirkmenge 38 am Rad 14 ankommt. Die Wirkmenge 38 führt aufgrund eines Reibschlusses 68 zwischen Rad 14 und Schiene 4 zum Ist-Reibwert 32, der in Verbindung mit der Normalkraft 22 und ohne einen weiteren Eingriff durch die Bremse 16 die Bremskraft 18 auf das Rad 14 hervorruft. Gemäß dem Grundgedanken der Wirkmengenberechnungseinrichtung 36 wird der Ist-Reibwert 32 dem Grundreibwert 40 aus der Modellierungseinrichtung 42 gegenübergestellt und in der bereits beschriebenen Weise die zuvor nicht bekannte Wirkmenge 38 an Sand 6 berechnet.

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen Menge (38) eines adhäsionssteigern- den Mittels (6), das zwischen ein Rad (14) eines Schienenfahrzeugs und einer Schiene (4), auf der das Rad (14) fährt aufgetragen wird, umfassend:

- Bestimmen (30) einer durch die wirksame Menge (38) verursachten tatsächlichen Reibwirkung (32) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4);

- Bestimmen (42) einer Grundreibwirkung (40) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4), die sich ohne die wirksame Menge (38) ergibt; und

- Bestimmen (36) der wirksamen Menge (38) basierend auf einer Gegenüberstellung der tatsächlichen Reibwirkung (32) und der Grundreibwirkung (40).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Grundreibung (40) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4) wenigstens basierend auf einem Modell der Schiene (4) berech- net wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Modell einen Zustand (50) der Schiene (4), einen Belag (22) auf der Schiene (4) und/oder eine auf die Schiene (4) über das Rad (14) wirkende Normalkraft (22) berücksichtigt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grundreibung (40) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4) von einer Temperatur (44) der Schiene (4) abhängig ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Grundreibung (40) zwischen dem Rad (14) und der Schiene (4) von Umgebungsbedingungen (46, 48) um das Rad (14) und die Schiene (4) abhängig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Umgebungsbedingungen (46, 48) eine Luft- feuchtigkeit (48) und/oder eine Lufttemperatur (46) umfassen.

7. Verfahren zum Auftragen eines adhäsionssteigernden Mittels (6) zwischen ein Rad (14) eines Schienenfahrzeuges und eine Schiene (4), auf der das Schienenfahrzeug fährt, umfassend: Erfassen (36) einer wirksamen Menge (38) des adhäsionssteigernden Mittels (6) mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche,

Bestimmen einer notwendigen Menge (54) des adhäsionssteigernden Mittels (6), um einen gewünschten Reibschluss (68) zwischen der Schiene (4) und dem Rad (14) des Schienenfahrzeuges bereitzustellen, und

Ansteuern (58, 62) einer das adhäsionssteigernde Mittel (6) auftragenden Dosiereinrichtung (8) basierend auf einer Gegenüberstellung (52) der notwendigen Menge (54) der wirksamen Menge (38).

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das adhäsionssteigernde Mittel (6) in einer Partikelmenge pro Wegstrecke aus der Dosiereinrichtung (8) ausgegeben wird

9. Steuervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.

10. Schienenfahrzeug mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 9.