WO2023186400A1 - Method and device for approximating an acceleration signal plot, detected when a railbound vehicle travels via a measurement route, to the characteristic features of a corresponding force signal plot - Google Patents

Method and device for approximating an acceleration signal plot, detected when a railbound vehicle travels via a measurement route, to the characteristic features of a corresponding force signal plot Download PDF

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WO2023186400A1
WO2023186400A1 PCT/EP2023/054000 EP2023054000W WO2023186400A1 WO 2023186400 A1 WO2023186400 A1 WO 2023186400A1 EP 2023054000 W EP2023054000 W EP 2023054000W WO 2023186400 A1 WO2023186400 A1 WO 2023186400A1
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WO
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acceleration
measuring section
signal curve
acceleration signal
force
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/054000
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Viktor RAIS
Ralph Mueller
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Schenck Process Europe Gmbh
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Publication date
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/50—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades
    • B61L27/57—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades for vehicles or trains, e.g. trackside supervision of train conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims
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    • B61L1/06—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts actuated by deformation of rail; actuated by vibration in rail
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    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed

Definitions

  • the invention relates to a method for approximating an acceleration signal curve a(t) recorded when a rail-bound vehicle travels over a measuring section to the characteristic features of a corresponding force signal curve F(t) according to the preamble of claim 1 and to a device for carrying out the method according to the Preamble of claim 7.
  • the treads of the wheels of rail-bound vehicles are of crucial importance with regard to travel comfort and safety in rail traffic, as the static and dynamic forces that occur during travel are introduced into the rails via the treads and wheel flanges.
  • the geometry of the treads corresponds to a slightly conical surface that runs concentrically around the wheel axle and with which the wheels roll on the rails.
  • the treads thus form the rotating part of the wheel-rail contact.
  • Deviations from the circular ideal shape for example due to uneven wear, material and manufacturing defects and the like, are referred to as out-of-roundness. These include, among other things, singular out-of-roundness such as flat spots, flattening and material deposits as well as periodic out-of-roundness such as eccentricities, ovalities and polygonization.
  • a method and a device for detecting out-of-roundness and flat spots on vehicle wheels of rail vehicles are already known from EP 1 212 228 B1, in which the vertical forces acting on the rails are recorded with the help of several force transducers within a predetermined measuring section.
  • the force transducers are designed as load cells, which are arranged between the rails and stationary sleepers over a length of at least one wheel circumference.
  • an electronic evaluation device calculates an average weight load from the vertical force signals and compares this with the time course of the signal. If a specified deviation is exceeded, a non-roundness or flat spot is displayed. In this way, out-of-roundness and flat spots can be detected very reliably.
  • this method involves relatively high investments for the construction of the measuring section due to the necessary force transducers.
  • EP 0 282 615 A1 describes an arrangement for detecting wheel damage using acceleration sensors that extend linearly along a rail.
  • the linear acceleration sensors record the acceleration transmitted from the wheel to the rail at any point along their length.
  • the individual measurement signals obtained in this way are subjected to an evaluation procedure in order to obtain information about the extent of wheel damage.
  • Characteristics are filtered out of the measurement signal curve using suitable frequency filter stages and/or an FFT analysis, which provide information about the type and severity of the wheel damage.
  • the disadvantage of this gauge is that it only provides a rough measurement result. In addition, it is not possible to make any statements about the level of load on the track during the crossing.
  • EP 1 883 565 A1 discloses a method for detecting the wheel shapes of the wheels of rail vehicles using a measuring section which is formed from a series of measuring elements attached to the rails.
  • the wheel loads acting on the measuring elements generate force-proportional electrical signals that are fed to an electronic evaluation device for evaluation.
  • an information array is generated in the evaluation device from the signals derived from the measuring elements, which correspond to the movement of the rail in the vertical direction and preferably also in the transverse direction, which represents at least one wheel circumference.
  • the Information array is composed of several information cells, whereby the respective signal components of different information cells can be continuously joined together and relevant signal components are evaluated.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device with which the out-of-roundness of a wheel of a rail-bound vehicle can be determined in an economical manner, reliably and with a high degree of accuracy.
  • a further object of the invention is to be able to make quantitative statements about the wheel loads underlying the acceleration signal curve from an existing acceleration signal curve.
  • the invention is based on the idea of drawing conclusions about the corresponding force signal curve F(t) from the acceleration signal curve a(t), which is recorded when a rail vehicle travels over a measuring section, without this having to be additionally recorded.
  • the corresponding force signal curve F(t) refers to the force signal curve F(t), which is not or at most partially known, and which is the cause of the recorded acceleration signal curve a(t), i.e. which forms the basis for it.
  • the solution according to the invention provides for filtering the acceleration signal curve a(t) recorded by means of a measuring section, with signal components below a lower limit frequency fi. and are blocked or strongly attenuated above an upper limit frequency fH.
  • the filtering results in an adjustment of the acceleration signal curve a(t) to the measurement technology as well as its preparation for numerical integration.
  • a device according to the invention has suitable low-pass and high-pass filters or a corresponding bandpass filter.
  • the acceleration signal curve a'(t) obtained in this way is numerically integrated, which can be carried out by electronic data processing in a suitable evaluation unit.
  • the acceleration signal curve a"(t) is so close to the corresponding force signal curve F(t) that sufficiently qualified statements can be made about the state of wear and the need for repair of a wheel.
  • above-average maximum and minimum values in the amplitude of the numerically integrated acceleration signal curve a"(t) indicate wheel out-of-roundness or the actual circumference of a wheel and thus its state of wear can be concluded based on matching repetitions in the acceleration signal curve a(t).
  • the invention is a particularly interesting alternative from an economic point of view, especially for operators of track systems.
  • the acceleration signal curve a"(t) is calibrated on the basis of known wheel contact forces F. According to a preferred embodiment of the invention, this can be done by scaling the acceleration signal curve a"(t) by multiplying the individual values of the acceleration signal curve a"(t) by a uniform factor k and thus adapting them to the force signal curve F(t).
  • the factor k can be stored in the evaluation unit as a fixed value for a specific type of rail vehicle.
  • a measuring section suitable for this purpose is advantageously divided into a first partial measuring section, which is equipped with a force transducer, and a second partial measuring section with acceleration sensors.
  • the first partial measuring section and the second partial measuring section can overlap, for example in that the second partial measuring section with the acceleration sensors extends over the entire length of the measuring section, and the second partial measuring section, which is shorter in comparison, only extends over a longitudinal section of the measuring section.
  • the acceleration signal a and force signal F are recorded at the same time, so that a later calibration of the integrated acceleration signal curve a(t) can be carried out on the basis of the actual wheel contact forces. With this approach, extremely reliable values for the wheel contact force F can be derived from the acceleration signal curve a(t) obtained through numerical integration.
  • the first partial measuring section and the second partial measuring section follow one another in the direction of the rail track. Since both partial measuring sections are shorter than the measuring section as a whole, the full length of the measuring section only results from a combination of the two partial measuring sections.
  • This embodiment is particularly suitable if there is already a measuring section with force transducers for determining the wheel contact forces, the functionality of which is to be expanded with regard to the condition of the wheels of a rail vehicle. But new measuring routes can also be implemented economically with this embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an oblique view of a first embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention
  • FIG. 3 shows an oblique view of a second embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention
  • FIG. 4a shows the time course of the force signal F detected with the device according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows an oblique view of a third embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention
  • FIG. 6a shows the time course of the force signal F detected with the device according to FIG. 5,
  • FIG. 6b shows the time course of the acceleration signal a detected with the device according to FIG. 5, and
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a measuring section 1 for detecting and evaluating the acceleration a that occurs during the passage of a rail-bound vehicle over the measuring section 1.
  • a section of a rail track 2 designed as a measuring section 1 with two rails 3 running parallel to one another, which are supported by a large number of sleepers 4.
  • the mutual distance between the thresholds 4 is in a range of approximately 600 mm to 700 mm.
  • the rail track 2 is traveled by a rail-bound vehicle at a speed v, for example a passenger car or freight car, for which only the wheels 5 of a wheelset axle (not shown) are shown.
  • the direction of travel of the rail-bound vehicle is denoted by x, the wheel contact force exerted by a wheel 5 on a rail 3 by F.
  • the measuring section 1 extends over a length L, which in the present exemplary embodiment corresponds to at least 1.2 times the wheel circumference U of the wheels 5 of the vehicles traveling on the rail track 2, preferably 1.5 times, most preferably 2 times. With a standard wheel diameter of approximately 1250 mm, this results in a length L of at least 4710 mm, preferably at least 5888 mm, most preferably 7850 mm.
  • a measuring device for detecting the acceleration a exerted on the rail 3 by a rolling wheel 5 is integrated into the rail track 2.
  • the measuring device initially comprises two transverse force transducers 6, 7 arranged on a rail 3, one of which is installed at the beginning and the other at the end of the measuring section 1.
  • these are measuring eyes or strain gauges that analogously record the shear stresses induced by the wheels 5 in the rails 3 and convert them into digital measurement signals.
  • the transverse force sensors 6, 7 serve to optionally determine the wheel contact forces.
  • the transverse force sensors 6, 7 can be used as switches for the start and end of the measuring process of the measuring device and/or for axle detection and vehicle identification.
  • the measuring device includes acceleration sensors 11 for detecting the acceleration a.
  • the acceleration sensors 11 are each fastened between two sleepers 4 on the underside of the rails 3, which results in a mutual distance between the acceleration sensors 11 in the direction of the rail track 2, which corresponds to the single threshold distance, but can also be larger and, for example, can correspond to twice the threshold distance .
  • the transverse force sensors 6, 7 and acceleration sensors 11 are connected via data lines 12 to an electronic evaluation unit 13, in which data storage and data processing takes place.
  • the evaluation unit 13 can, for example, have high-pass, low-pass and/or band filters in order to filter the acceleration signal, and/or calculation algorithms are executed in the evaluation unit 13, by means of which a numerical integration of the acceleration curve a(t ) he follows.
  • the data of a measurement process or the results of the evaluation are transmitted to a higher-level central location via radio or another data line 14. It is also possible to carry out some or all of the data processing at the higher-level central location.
  • the rolling over of the transverse force transducer 6 by the wheel 5 corresponds to the time tA at which the measuring process by the measuring device begins.
  • the rolling over of the transverse force transducer 7 by the same wheel 5 defines the time tE, which defines the end of the measuring process.
  • the time period T lying between the times tA and tE in turn corresponds to the duration of the journey over the measuring section 1.
  • the amplitude of the acceleration signal a oscillates more or less strongly around the value zero at high frequency depending on the quality of the running surface of the wheel 5.
  • Significant deviations from this fluctuation range represent the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 of the acceleration signal curve a(t), which indicate a non-roundness on the tread of the wheel 5.
  • the time of the first occurrence of the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 is denoted by ti.
  • the wheel 5 rolls at least part of its circumference U a second time within the measuring section 1 as the measuring process continues.
  • an acceleration signal curve a(t) is generated, the characteristic features of which correspond to those of the previous acceleration signal curve a(t).
  • the most striking repetition is the second acceleration maximum 16 'or second acceleration minimum 17' at time t2, which can be assigned to the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 due to their amplitude and shape.
  • the time period At between the times ti and t2 corresponds to the duration with which the wheel 5 rolls once over its circumference U.
  • the circumference U of the wheel 5 can be determined according to the relationship:
  • the acceleration signal curve a(t) detected with the measuring device forms the basis for carrying out the method according to the invention, in which the acceleration signal curve a(t) is approximated to the force signal curve F(t) on which the acceleration signal curve a(t) is based, which is described in detail below Fig. 7 is explained in more detail.
  • a second embodiment of a device according to the invention is the subject of FIGS. 3, 4a and 4b.
  • the measuring section T shown in FIG. 3 corresponds to the measuring section 1 described in FIG. 1, supplemented by a partial measuring section 1.1 for detecting the wheel contact force F in the area of the partial measuring section 1.1.
  • a partial measuring section 1.1 for detecting the wheel contact force F in the area of the partial measuring section 1.1.
  • the measuring section T with transverse force sensors 6, 7, acceleration sensors 11, data lines 12, evaluation unit 13 etc. which apply accordingly.
  • the partial measuring section 1.1 extends over a length L1, which is smaller than the length L of the measuring section 1' and, in the present exemplary embodiment, corresponds to at least the simple wheel circumference U of the wheels 5 of the vehicles traveling on the rail track 2. With a standard wheel diameter of around 1250 mm, this results in a length of at least 2925 mm.
  • the measuring section 1' and partial measuring section 1.1 overlap in the direction of travel x, whereby they have a common beginning defined by the transverse force transducers 6.
  • the first partial measuring section 1.1 ends after the length L1 with the transverse force transducers 8, while the measuring section T continues up to the transverse force transducers 7, which mark the end of the measuring section 1'.
  • the measuring device also includes transverse force transducers arranged on the rails 3, which can correspond to the transverse force transducers 6 at the beginning of the partial measuring section 1.1 and the transverse force transducer 8 installed there at the end of the partial measuring section 1.1.
  • Additional transverse force transducers 9 can be arranged in between, their mutual distance for example, corresponds to one or two times the threshold distance.
  • the transverse force transducers 6, 8, 9 are preferably measuring eyes or strain gauges, which analogously record the shear stresses induced by the wheels 5 in the rails 3 and convert them into digital measurement signals.
  • the transverse force transducers 8, 9 serve to correct force shunts in order to compensate for interference from neighboring rail sections. In this way, the partial measuring section 1.1 is segmented into smaller measuring sections.
  • the transverse force sensors 6, 7, 8, 9 can also be used to determine the wheel contact force F.
  • force transducers 10 are provided for detecting the wheel contact force F, for example weighing beams, load cells or weighing discs.
  • a force transducer 10 is arranged between each sleeper 4 and each rail 3, which results in a mutual distance between the force transducers 10 in the direction of the rail track 2 corresponding to the simple threshold distance .
  • embodiments are also within the scope of the invention in which the distance between successive force transducers 10 in the direction of travel x corresponds to twice or three times the threshold distance.
  • the transverse force transducers 6, 7, 8, 9 and the force transducers 10 are connected by means of the data lines 12 to an electronic evaluation unit 13 in which the data storage and data processing takes place.
  • the data of a measurement process and, if necessary, their evaluation are transmitted to a higher-level central location via radio or another data line 14.
  • both the detection of the wheel contact force F by means of the force transducers 10 and the detection of the acceleration a by means of the acceleration transducers 11 begin at the time tA. Accordingly, in this embodiment of the invention, the force signal curve F(t) recorded over the length L1 at the same time as the acceleration signal curve a(t).
  • Fig. 4a shows the time course of the force signal F measured by force transducers 10 when crossing the partial measuring section 1.1, which begins with the wheel 5 rolling over the transverse force transducer 6 and ends at the time tx, at which the wheel 5 rolls over the transverse force transducer 8 and thus leaving the area of the first partial measuring section 1.1.
  • the amplitude of the force signal F oscillates more or less strongly depending on the quality of the running surface of the wheel 5 by a value which corresponds to the static load component F s tat of the force F exerted by a wheel 5 on a rail 3. Deviations that are significant from the fluctuation range represent the maximum force 14 or minimum force 15 at time ti, which, due to their gradient and amplitude, indicate a non-roundness on the tread of the wheel 5.
  • the acceleration signal curve a(t) as shown in FIG. 4b corresponds to that described in FIG. 2, so to avoid repetition, reference is made to what was said there. It should be noted that a non-roundness on the tread of a wheel 5 at the same time ti leads to maximum values 14, 15 in the force signal curve F(t) and to maximum values 16, 17 in the acceleration signal curve a(t).
  • an approximation of the acceleration signal curve a(t) recorded with the measuring device to the force signal curve F(t) on which the acceleration signal curve a(t) is based takes place on the basis of the acceleration signal curve a(t) in combination with the force signal curve F(t), which will be explained in more detail in the description of FIG. 7.
  • the measuring section 1" in the direction of the rail track 2 is composed of a first partial measuring section 1.1 of length L1 and a second partial measuring section 1.2 of length L2, which merge seamlessly into one another in the direction of travel x .
  • the first partial measuring section 1.1 with Force transducers 10 are similar to those described in FIG. 3, so that the statements there apply accordingly.
  • the second partial measuring section 1.2 with the acceleration sensors 11 has a structural design that is basically the same as the measuring section 1 described in FIG. 1, so that what is said there applies accordingly.
  • an essential difference is that the length L2 of the second partial measuring section 1.2 is significantly smaller than the length L of the measuring section 1, whereby the length L2 of the second partial measuring section 1.2 can be smaller than the length L1 of the first partial measuring section 1.1 in the present embodiment, or greater than the length L1 of the first partial measuring section 1.1.
  • the first partial measuring section 1.1 and second partial measuring section 1. 2 together result in the measuring section 1".
  • transverse force transducers 6 are again arranged on the rails 3, and at the end of the measuring section 1" transverse force transducers 7.
  • a force signal curve F(t) is recorded over the length L1 in the area of the first partial measuring section 1.1 from the time tA, for which the maximum force 14 and minimum force 15 are characteristic, as already described under FIG. 4a .
  • the detection of the acceleration signal a begins over the length L2 of the second partial measuring section 1.2, which is the acceleration curve a shown in Fig. 6b (t) with the acceleration maximum 16 or acceleration minimum 17.
  • the measuring process ends with the wheels 5 passing over the transverse force transducers 7 at the end of the measuring section 1".
  • the acceleration signal curve a(t) is approximated using the method according to the invention to the force signal curve F(t) on which the acceleration curve a(t) is based, which is explained in more detail below with reference to FIG. 7.
  • a continuous force signal curve F(t) is created, which can be used for further evaluation.
  • Fig. 7a Based on Fig. 7, the different method steps for approximating the acceleration signal curve a (t) as shown in Fig. 7a are shown below underlying force signal curve F(t), which in turn is the subject of FIG. 7d and whose curve should be reproduced as much as possible by step-by-step processing of the acceleration signal curve a(t).
  • the data processing required for this can take place entirely or partially in the evaluation unit 13, or entirely or partially at a higher level to which the necessary data is transmitted for this purpose.
  • FIG. 7a shows the acceleration signal curve a(t), as recorded, for example, when a rail vehicle travels over a measuring section 1, 1' using its acceleration sensor 11. Due to the high frequency of the oscillating acceleration signal a, qualified conclusions about the associated force signal curve F(t) (see Fig. 7d) are not easily possible. Nevertheless, exceptional deviations from the average acceleration signal curve a(t) can be seen in the area of the first maximum 16 and first minimum 17 at time t1, which can be attributed to the wheel 5 being out of roundness. Due to the length L of the measuring section 1, 1', which is larger than the circumference U of the wheel 5, when the wheel 5 rolls again over the measuring section 1, 1', these maximum values are repeated in the form of the maximum 16' and minimum 17' Time t2. This applies analogously to the partial measuring section 1.2, which differs from measuring sections 1, T only in its shorter length L2.
  • the acceleration signal curve a(t) shown in FIG. 7a is filtered with a high-pass filter and low-pass filter or a band-pass filter.
  • the lower limit frequency fi. is between 5 Hz and 60 Hz, preferably between 10 Hz and 30 Hz and most preferably at 15 Hz, and the upper limit frequency fn between 400 Hz and 800 Hz, preferably between 500 Hz and 700 Hz and most preferably at 600 Hz.
  • the filter produces the acceleration signal curve a'(t) shown in FIG. 7b.
  • acceleration signal curve a'(t) is processed by numerical integration, which leads to the acceleration signal curve a"(t) shown in FIG. 7c.
  • This is characterized by a further approximation to the force signal curve F(t).
  • they correspond Amplitude ratios from maximum 16, 16' to minimum 17, 17' the acceleration signal curve a"(t) is already close to that of the force signal curve F(t).

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Abstract

The invention relates to a method and device for approximating an acceleration signal plot a(t), detected when a railbound vehicle travels via a measurement route (1, 1', 1''), to the characteristic features of a corresponding force signal plot F(t). The measurement route (1, 1', 1'') is in the form of a rail (3) with at least one acceleration sensor (11) with the acceleration signals a thereof being transferred to an electronic evaluation unit (13) for receipt and processing. According to the invention, the following method steps are carried out: a) determining the acceleration signal plot a(t) resulting from the vertical wheel forces F acting on the measurement route (1, 1', 1'') when it is travelled, by continuously detecting the acceleration a by means of the at least one acceleration sensor (11); b) filtering the acceleration signal plot a(t) determined in step a) with a high-pass filter and a low pass filter or a band-pass filter; and c) numerically integrating the acceleration signal plot filtered in step b). The device according to the invention is characterised in that the electronic evaluation unit (13) is designed for carrying out the above-mentioned steps a) to c).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Approximation eines bei der Überfahrt eines schienengebundenen Fahrzeugs über eine Messstrecke erfassten Beschleunigungs- signalverlaufs an die charakteristischen Merkmale eines damit korrespondierenden Kraftsignalverlaufs Method and device for approximating an acceleration signal curve recorded when a rail-bound vehicle travels over a measuring section to the characteristic features of a corresponding force signal curve
Gebiet der Technik field of technology
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Approximation eines bei der Überfahrt eines schienengebundenen Fahrzeugs über eine Messstrecke erfassten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) an die charakteristischen Merkmale eines damit korrespondierenden Kraftsignalverlaufs F(t) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. The invention relates to a method for approximating an acceleration signal curve a(t) recorded when a rail-bound vehicle travels over a measuring section to the characteristic features of a corresponding force signal curve F(t) according to the preamble of claim 1 and to a device for carrying out the method according to the Preamble of claim 7.
Stand der Technik State of the art
Den Laufflächen der Räder schienengebundener Fahrzeuge kommt im Hinblick auf Fahrkomfort und Sicherheit des Schienenverkehrs eine entscheidende Bedeutung zu, da die bei der Fahrt auftretenden statischen und dynamischen Kräfte über die Laufflächen und Spurkränze in die Schienen eingeleitet werden. Im Idealfall entspricht die Geometrie der Laufflächen einer die Radachse konzentrisch umlaufenden, leicht konischen Mantelfläche, mit der die Räder auf den Schienen abrollen. Die Laufflächen bilden somit den rotierenden Teil des Rad-Schiene-Kontakts. Abweichungen von der kreisförmigen Idealform, beispielsweise bedingt durch ungleichmäßigen Verschleiß, Material- und Herstellungsfehler und dergleichen, werden als Unrundheiten bezeichnet. Dazu zählen unter anderem singuläre Unrundheiten wie Flachstellen, Abplattungen und Materialauftragungen sowie periodische Unrundheiten wie Exzentrizitäten, Ovalitäten und Polygonisierungen. Vor allem bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erhöhen Unrundheiten den dynamischen Anteil der von den Rädern auf die Schiene ausgeübten Kräfte. In der Folge besteht die Gefahr, dass vom Streckenbetreiber vorgegebene Grenzwerte für Kraftspitzen überschritten werden mit der Gefahr, dass Schienenfahrwege und Schienenfahrzeuge Schaden nehmen. Weitere negative Auswirkungen stellen Sicherheitsrisiken, Lärmemissionen und Erschütterungen des Untergrunds dar. The treads of the wheels of rail-bound vehicles are of crucial importance with regard to travel comfort and safety in rail traffic, as the static and dynamic forces that occur during travel are introduced into the rails via the treads and wheel flanges. Ideally, the geometry of the treads corresponds to a slightly conical surface that runs concentrically around the wheel axle and with which the wheels roll on the rails. The treads thus form the rotating part of the wheel-rail contact. Deviations from the circular ideal shape, for example due to uneven wear, material and manufacturing defects and the like, are referred to as out-of-roundness. These include, among other things, singular out-of-roundness such as flat spots, flattening and material deposits as well as periodic out-of-roundness such as eccentricities, ovalities and polygonization. Especially at high travel speeds, out-of-roundness increases the dynamic proportion of the forces exerted by the wheels on the rail. As a result, there is a risk that limit values for force peaks specified by the route operator will be exceeded, with the risk that rail tracks and rail vehicles will be damaged. Other negative impacts include safety risks, noise emissions and subsoil vibrations.
Es hat daher nicht an Bestrebungen gefehlt, von Unrundheiten betroffene Räder eines Schienenfahrzeugs möglichst frühzeitig zu identifizieren. Neben dem händischem Erfassen der Geometrie eines Rades mittels Messlehren am stehenden Fahrzeug, was sich aufgrund des damit einhergehenden Zeitaufwands vor allem bei der Durchführung sonstiger Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen anbietet, ist es auch schon bekannt, Unrundheiten an einem Rad während der Überfahrt des Schienenfahrzeugs über eine mit Sensoren ausgerüstete Messstrecke zu detektieren. There has therefore been no lack of efforts to identify rail vehicle wheels affected by out-of-roundness as early as possible. In addition to manually recording the geometry of a wheel using measuring gauges on the stationary vehicle, which is particularly difficult due to the time involved, especially when carrying out other tasks Offering maintenance and repair measures, it is also known to detect out-of-roundness on a wheel while the rail vehicle is passing over a measuring section equipped with sensors.
So ist aus der aus der EP 1 212 228 B1 bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung von Unrundheiten und Flachstellen an Fahrzeugrädern von Schienenfahrzeugen bekannt, bei denen mit Hilfe mehrerer Kraftaufnehmer innerhalb einer vorgegebenen Messstrecke die auf die Schienen wirkenden Vertikalkräfte erfasst werden. Die Kraftaufnehmer sind als Wägezellen ausgebildet, welche über eine Länge von mindestens dem einfachen Radumfang zwischen den Schienen und ortsfesten Schwellen angeordnet sind. Eine elektronische Auswerteeinrichtung errechnet beim Überfahren der Messstrecke aus den Vertikalkraftsignalen eine mittlere Gewichtsbelastung und vergleicht diese mit dem zeitlichen Signalverlauf. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung wird eine Unrundheit bzw. Flachstelle angezeigt. Auf diese Weise lassen sich Unrundheiten und Flachstellen sehr zuverlässig erkennen. Da die Erkennung jedoch auf einem Kraftsignalverlauf basiert, ist diese Methode wegen der notwendigen Kraftaufnehmer mit verhältnismäßig hohen Investitionen für den Bau der Messstrecke verbunden. A method and a device for detecting out-of-roundness and flat spots on vehicle wheels of rail vehicles are already known from EP 1 212 228 B1, in which the vertical forces acting on the rails are recorded with the help of several force transducers within a predetermined measuring section. The force transducers are designed as load cells, which are arranged between the rails and stationary sleepers over a length of at least one wheel circumference. When driving over the measuring section, an electronic evaluation device calculates an average weight load from the vertical force signals and compares this with the time course of the signal. If a specified deviation is exceeded, a non-roundness or flat spot is displayed. In this way, out-of-roundness and flat spots can be detected very reliably. However, since the detection is based on a force signal curve, this method involves relatively high investments for the construction of the measuring section due to the necessary force transducers.
In der EP 0 282 615 A1 ist eine Anordnung zum Detektieren von Radschäden mittels sich linear entlang einer Schiene erstreckender Beschleunigungsaufnehmer beschrieben. Die linearen Beschleunigungsaufnehmer erfassen an jedem beliebigen Punkt über ihre Länge die vom Rad auf die Schiene übertragene Beschleunigung. Die auf diese Weise gewonnen einzelnen Messsignale werden einer Auswerteprozedur unterworfen, um eine Aussage über das Ausmaß eines Radschadens zu erhalten. Dabei werden aus dem Messsignalverlauf mittels geeigneter Frequenzfilterstufen und/oder einer FFT-Analyse Charakteristika herausgefiltert, die Aufschluss über Art und Schwere des Radschadens geben. Der Nachteil dieser Lehre ist ein lediglich grobes Messergebnis. Zudem sind Aussagen über die Höhe der Belastung des Gleises bei der Überfahrt nicht möglich. EP 0 282 615 A1 describes an arrangement for detecting wheel damage using acceleration sensors that extend linearly along a rail. The linear acceleration sensors record the acceleration transmitted from the wheel to the rail at any point along their length. The individual measurement signals obtained in this way are subjected to an evaluation procedure in order to obtain information about the extent of wheel damage. Characteristics are filtered out of the measurement signal curve using suitable frequency filter stages and/or an FFT analysis, which provide information about the type and severity of the wheel damage. The disadvantage of this gauge is that it only provides a rough measurement result. In addition, it is not possible to make any statements about the level of load on the track during the crossing.
Ferner offenbart die EP 1 883 565 A1 ein Verfahren zur Erfassung der Radformen der Räder von Schienenfahrzeugen mit Hilfe einer Messstrecke, die aus einer Reihe von an den Schienen angebrachten Messelementen gebildet ist. Die auf die Messelemente einwirkenden Radlasten erzeugen kraftproportionale elektrische Signale, die einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Auswertung zugeführt werden. Dabei wird in der Auswerteeinrichtung aus den von den Messelementen abgeleiteten Signalen, die der Bewegung der Schiene in Vertikalrichtung und vorzugsweise auch in Querrichtung entsprechen, ein Informationsarray erzeugt, das zumindest einen Radumfang abbildet. Das Informationsarray setzt sich aus mehreren Informationszellen zusammen, wobei sich die jeweiligen Signalanteile unterschiedlicher Informationszellen stetig aneinanderfügen lassen und relevante Signalanteile ausgewertet werden. Furthermore, EP 1 883 565 A1 discloses a method for detecting the wheel shapes of the wheels of rail vehicles using a measuring section which is formed from a series of measuring elements attached to the rails. The wheel loads acting on the measuring elements generate force-proportional electrical signals that are fed to an electronic evaluation device for evaluation. In this case, an information array is generated in the evaluation device from the signals derived from the measuring elements, which correspond to the movement of the rail in the vertical direction and preferably also in the transverse direction, which represents at least one wheel circumference. The Information array is composed of several information cells, whereby the respective signal components of different information cells can be continuously joined together and relevant signal components are evaluated.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung Short summary of the invention
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Unrundheiten eines Rades eines schienengebundenen Fahrzeuges auf wirtschaftlichen Art und Weise zuverlässig und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, aus einem vorhandenen Beschleunigungssignalverlauf quantitative Aussagen, über die dem Beschleunigungssignalverlauf zugrunde liegenden Radlasten machen zu können. Based on this prior art, the invention is based on the object of specifying a method and a device with which the out-of-roundness of a wheel of a rail-bound vehicle can be determined in an economical manner, reliably and with a high degree of accuracy. A further object of the invention is to be able to make quantitative statements about the wheel loads underlying the acceleration signal curve from an existing acceleration signal curve.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. These tasks are achieved by a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 7.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous embodiments result from the subclaims.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, aus dem Beschleunigungssignalverlauf a(t), der bei der Überfahrt eines Schienenfahrzeugs über eine Messstrecke aufgenommen wird, Rückschlüsse auf den damit korrespondierenden Kraftsignalverlauf F(t) zu ziehen, ohne dass dieser dabei zusätzlich erfasst werden muss. Als korrespondierender Kraftsignalverlauf F(t) wird dabei der nicht oder allenfalls teilweise bekannte Kraftsignalverlauf F(t) bezeichnet, der für den aufgenommenen Beschleunigungssignalverlauf a(t) ursächlich ist, also diesem zugrunde liegt. The invention is based on the idea of drawing conclusions about the corresponding force signal curve F(t) from the acceleration signal curve a(t), which is recorded when a rail vehicle travels over a measuring section, without this having to be additionally recorded. The corresponding force signal curve F(t) refers to the force signal curve F(t), which is not or at most partially known, and which is the cause of the recorded acceleration signal curve a(t), i.e. which forms the basis for it.
Da genauere Informationen zu dem von Gleisoberbau, -unterbau und Schienenfahrzeug gebildeten Masse-Feder-System im Regelfall nicht zur Verfügung stehen, ist eine rein mathematische Umrechnung des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) auf den korrespondierenden Kraftsignalverlauf F(t) nicht möglich. Es ist das Verdienst der Erfindung, auch ohne Kenntnis dieser Informationen eine Lösung zur Approximation des Kraftsignalverlaufs F(t) ausgehend vom zugehörigen Beschleunigungssignalverlauf a(t) bereitzustellen. Since more precise information about the mass-spring system formed by the track superstructure, substructure and rail vehicle is generally not available, a purely mathematical conversion of the acceleration signal curve a(t) to the corresponding force signal curve F(t) is not possible. It is the merit of the invention to provide a solution for approximating the force signal curve F(t) based on the associated acceleration signal curve a(t), even without knowledge of this information.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht dabei vor, den mittels einer Messstrecke erfassten Beschleunigungssignalverlauf a(t) zu filtern, wobei Signalanteile unterhalb einer unteren Grenzfrequenz fi. und oberhalb einer oberen Grenzfrequenz fH gesperrt bzw. stark gedämpft werden. Mit der Filterung erfolgt sowohl eine Angleichung des Beschleunigungs- signalverlaufs a(t) an die Messtechnik als auch dessen Aufbereitung für die numerische Integration. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zu diesem Zweck geeignete Tiefpassund Hochpassfilter auf oder einen entsprechenden Bandpassfilter. The solution according to the invention provides for filtering the acceleration signal curve a(t) recorded by means of a measuring section, with signal components below a lower limit frequency fi. and are blocked or strongly attenuated above an upper limit frequency fH. The filtering results in an adjustment of the acceleration signal curve a(t) to the measurement technology as well as its preparation for numerical integration. For this purpose, a device according to the invention has suitable low-pass and high-pass filters or a corresponding bandpass filter.
Zur weiteren Approximation wird der auf diese Weise erhaltene Beschleunigungssignalverlauf a'(t) numerisch integriert, was durch elektronische Datenverarbeitung in einer geeigneten Auswerteeinheit durchgeführt werden kann. Nach Abschluss der numerischen Integration ist der Beschleunigungssignalverlauf a"(t) derart weit dem korrespondierenden Kraftsignalverlauf F(t) angenähert, dass hinreichend qualifizierte Aussagen zum Verschleißzustand und zur Reparaturbedürftigkeit eines Rades gemacht werden können. Beispielsweise können überdurchschnittlich hohe Maximal- und Minimalwerte in der Amplitude des numerisch integrierten Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) auf Radunrundheiten hinweisen oder es kann aufgrund übereinstimmender Wiederholungen im Beschleunigungssignalverlauf a(t) auf den tatsächlichen Umfang eines Rades und damit dessen Verschleißzustand geschlossen werden. For further approximation, the acceleration signal curve a'(t) obtained in this way is numerically integrated, which can be carried out by electronic data processing in a suitable evaluation unit. After the numerical integration has been completed, the acceleration signal curve a"(t) is so close to the corresponding force signal curve F(t) that sufficiently qualified statements can be made about the state of wear and the need for repair of a wheel. For example, above-average maximum and minimum values in the amplitude of the numerically integrated acceleration signal curve a"(t) indicate wheel out-of-roundness or the actual circumference of a wheel and thus its state of wear can be concluded based on matching repetitions in the acceleration signal curve a(t).
Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der Auswertung des erfindungsgemäß erhaltenen Beschleunigungssignalverlaufs a"(t), dass auf bekannte und bewährte Algorithmen zur Auswertung von Kraftsignalen zurückgegriffen werden kann. Zusätzlicher Aufwand für die Erstellung und Prüfung geeigneter Software fällt somit nicht an. What proves to be particularly advantageous when evaluating the acceleration signal curve a"(t) obtained according to the invention is that known and proven algorithms for evaluating force signals can be used. Additional effort is therefore not required for the creation and testing of suitable software.
Da mit Kraftaufnehmer ausgerüstete Messstrecken wesentlich höhere Investitionen erforderlich machen als Messstrecken mit Beschleunigungsaufnehmern, stellt sich die Erfindung vor allem für Betreiber von Gleisanlagen als eine unter wirtschaftlichen Aspekten besonders interessante Alternative dar. Since measuring sections equipped with force transducers require significantly higher investments than measuring sections with acceleration sensors, the invention is a particularly interesting alternative from an economic point of view, especially for operators of track systems.
Um Schäden an Gleisanlagen vorzubeugen, kommt der Einhaltung von Grenzwerten bei den Radaufstandskräften F eine große Bedeutung zu. Um aus dem integrierten Beschleunigungssignalverlauf a"(t) quantitative Aussagen zu den vorhandenen Radaufstandskräften F ableiten zu können, wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung der Beschleunigungssignalverlauf a"(t) auf Basis bekannter Radaufstandskräfte F kalibriert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das durch Skalieren des Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) geschehen, indem die Einzelwerte des Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) mit einem einheitlichen Faktor k multipliziert und so an den Kraftsignalverlauf F(t) angepasst werden. Der Faktor k kann dabei als fester Wert zu einem bestimmten Schienenfahrzeugtyp in der Auswerteeinheit hinterlegt sein. Alternativ ist es möglich, den Faktor k im Zuge der Überfahrt des Schienenfahrzeugs über die Messstrecke zu ermitteln, wodurch die Genauigkeit bei der Approximation des integrierten Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) gesteigert werden kann. Dazu ist es erforderlich, dass zumindest ein Teil der Messstrecke über Kraftaufnehmer verfügt, die während oder im Anschluss an die Erfassung des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) den korrespondierenden Kraftsignalverlauf F(t) aufnehmen. Einander entsprechende Einzelwerte oder Abschnitte der beiden Signalverläufe a"(t) und F(t) lassen sich auf diese Weise ins Verhältnis setzen, so dass der Faktor k ermittelt werden kann nach der Beziehung: k = a" / F bzw. k = a"(t) / F(t) In order to prevent damage to track systems, compliance with limit values for wheel contact forces F is of great importance. In order to be able to derive quantitative statements about the existing wheel contact forces F from the integrated acceleration signal curve a"(t), in an advantageous development of the invention the acceleration signal curve a"(t) is calibrated on the basis of known wheel contact forces F. According to a preferred embodiment of the invention, this can be done by scaling the acceleration signal curve a"(t) by multiplying the individual values of the acceleration signal curve a"(t) by a uniform factor k and thus adapting them to the force signal curve F(t). The factor k can be stored in the evaluation unit as a fixed value for a specific type of rail vehicle. Alternatively, it is possible to determine the factor k as the rail vehicle travels over the measuring section, whereby the accuracy in approximating the integrated acceleration signal curve a"(t) can be increased. This requires that at least part of the measuring section be over Force transducers have force transducers which record the corresponding force signal curve F(t) during or after the acquisition of the acceleration signal curve a(t). Corresponding individual values or sections of the two signal curves a"(t) and F(t) can be integrated in this way Set the ratio so that the factor k can be determined according to the relationship: k = a" / F or k = a"(t) / F(t)
Eine dazu geeignete Messstrecke ist vorteilhafterweise unterteilt in eine erste Teilmessstrecke, die mit Kraftaufnehmer ausgerüstet ist, und eine zweite Teilmessstrecke mit Beschleunigungsaufnehmern. Erste Teilmessstrecke und zweite Teilmessstrecke können dabei überlappen, beispielsweise indem sich die zweite Teilmessstrecke mit den Beschleunigungsaufnehmern über die gesamte Länge der Messstrecke erstreckt, und die zweite demgegenüber kürzere Teilmessstrecke lediglich über einen Längsabschnitt der Messstrecke. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden das Beschleunigungssignal a und Kraftsignal F zeitgleich aufgenommen, so dass eine spätere Kalibrierung des integrierten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) auf Basis der tatsächlichen Radaufstandskräfte vorgenommen werden kann. Bei dieser Vorgehensweise lassen sich außerordentlich verlässliche Werte zur Radaufstandskraft F aus dem durch numerische Integration erhaltenen Beschleunigungssignalverlauf a(t) ableiten. A measuring section suitable for this purpose is advantageously divided into a first partial measuring section, which is equipped with a force transducer, and a second partial measuring section with acceleration sensors. The first partial measuring section and the second partial measuring section can overlap, for example in that the second partial measuring section with the acceleration sensors extends over the entire length of the measuring section, and the second partial measuring section, which is shorter in comparison, only extends over a longitudinal section of the measuring section. In this embodiment of the invention, the acceleration signal a and force signal F are recorded at the same time, so that a later calibration of the integrated acceleration signal curve a(t) can be carried out on the basis of the actual wheel contact forces. With this approach, extremely reliable values for the wheel contact force F can be derived from the acceleration signal curve a(t) obtained through numerical integration.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung folgen erste Teilmessstrecke und zweite Teilmessstrecke in Richtung des Schienenfahrwegs aufeinander. Da beide Teilmessstrecken kürzer sind als die Messstrecke insgesamt, ergibt sich die volle Länge der Messstrecke erst aus einer Kombination der beiden Teilmessstrecken. Diese Ausführungsform eignet sich in besonderer Weise, wenn bereits eine Messstrecke mit Kraftaufnehmern zur Ermittlung der Radaufstandskräfte vorhanden ist, deren Funktionalität im Hinblick auf den Zustand der Räder eines Schienenfahrzeugs erweitert werden soll. Aber auch neue Messstrecken lassen sich mit dieser Ausführungsform der Erfindung auf wirtschaftliche Weise realisieren. In another embodiment of the invention, the first partial measuring section and the second partial measuring section follow one another in the direction of the rail track. Since both partial measuring sections are shorter than the measuring section as a whole, the full length of the measuring section only results from a combination of the two partial measuring sections. This embodiment is particularly suitable if there is already a measuring section with force transducers for determining the wheel contact forces, the functionality of which is to be expanded with regard to the condition of the wheels of a rail vehicle. But new measuring routes can also be implemented economically with this embodiment of the invention.
Ohne sich darauf einzuschränken wird die Erfindung nachfolgend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Soweit möglich werden für gleiche und funktionsgleiche Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen gleichlautende Bezugszeichen verwendet. Without restricting ourselves to this, the invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments shown in the drawings, with further features and advantages of the invention becoming apparent. As far as possible, for the same and Functionally identical features of different embodiments use identical reference numerals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigt It shows
Fig. 1 eine Schrägansicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 shows an oblique view of a first embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erfassten Beschleunigungssignals a, 2 shows the time course of the acceleration signal a detected with the device according to FIG. 1,
Fig. 3 eine Schrägansicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 shows an oblique view of a second embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention,
Fig. 4a den zeitlichen Verlauf des mit der Vorrichtung nach Fig. 3 erfassten Kraftsignals F, 4a shows the time course of the force signal F detected with the device according to FIG. 3,
Fig. 4b den zeitlichen Verlauf des mit der Vorrichtung nach Fig. 3 erfassten Beschleunigungssignals a, 4b shows the time course of the acceleration signal a detected with the device according to FIG. 3,
Fig. 5 eine Schrägansicht auf eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 5 shows an oblique view of a third embodiment of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention,
Fig. 6a den zeitlichen Verlauf des mit der Vorrichtung nach Fig. 5 erfassten Kraftsignals F, 6a shows the time course of the force signal F detected with the device according to FIG. 5,
Fig. 6b den zeitlichen Verlauf des mit der Vorrichtung nach Fig. 5 erfassten Beschleunigungssignals a, und 6b shows the time course of the acceleration signal a detected with the device according to FIG. 5, and
Fig. 7 den zeitlichen Verlauf eines Beschleunigungssignals a, a‘, a“ zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit dem korrespondierenden Kraftsignalverlauf F. Beschreibung der Ausführungsformen 7 shows the time course of an acceleration signal a, a', a" at different times during the implementation of the method according to the invention in comparison with the corresponding force signal course F. Description of the embodiments
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Messstrecke 1 zur Erfassung und Auswertung der Beschleunigung a, die während der Überfahrt eines schienengebundenen Fahrzeugs über die Messstrecke 1 auftritt. In vereinfachter Darstellung sieht man einen als Messstrecke 1 ausgebildeten Abschnitt eines Schienenfahrwegs 2 mit zwei parallel zueinander verlaufenden Schienen 3, die von einer Vielzahl von Schwellen 4 getragen sind. Der gegenseitige Abstand der Schwellen 4 liegt in einem Bereich von etwa 600 mm bis 700 mm. Der Schienenfahrweg 2 wird von einem schienengebundenen Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit v befahren, beispielsweise einem Personen- oder Güterwagen, für den stellvertretend lediglich die Räder 5 einer nicht weiter dargestellten Radsatzachse dargestellt sind. Die Fahrtrichtung des schienengebundenen Fahrzeugs ist mit x bezeichnet, die von einem Rad 5 auf eine Schiene 3 ausgeübten Radaufstandskraft mit F. Fig. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a measuring section 1 for detecting and evaluating the acceleration a that occurs during the passage of a rail-bound vehicle over the measuring section 1. In a simplified representation you can see a section of a rail track 2 designed as a measuring section 1 with two rails 3 running parallel to one another, which are supported by a large number of sleepers 4. The mutual distance between the thresholds 4 is in a range of approximately 600 mm to 700 mm. The rail track 2 is traveled by a rail-bound vehicle at a speed v, for example a passenger car or freight car, for which only the wheels 5 of a wheelset axle (not shown) are shown. The direction of travel of the rail-bound vehicle is denoted by x, the wheel contact force exerted by a wheel 5 on a rail 3 by F.
Die Messstrecke 1 erstreckt sich über eine Länge L, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mindestens dem 1 ,2-fachen Radumfang U der Räder 5 der auf dem Schienenfahrweg 2 verkehrenden Fahrzeuge entspricht, vorzugsweise dem 1 ,5-fachen, höchstvorzugsweise dem 2-fachen. Bei einem Standardraddurchmesser von etwa 1250 mm ergibt sich somit eine Länge L von mindestens 4710 mm, vorzugsweise mindestens 5888 mm, höchstvorzugsweise von 7850 mm. The measuring section 1 extends over a length L, which in the present exemplary embodiment corresponds to at least 1.2 times the wheel circumference U of the wheels 5 of the vehicles traveling on the rail track 2, preferably 1.5 times, most preferably 2 times. With a standard wheel diameter of approximately 1250 mm, this results in a length L of at least 4710 mm, preferably at least 5888 mm, most preferably 7850 mm.
Im Bereich der Messstrecke 1 ist in den Schienenfahrweg 2 eine Messeinrichtung zur Erfassung der von einem überrollenden Rad 5 auf die Schiene 3 ausgeübten Beschleunigung a integriert. Die Messeinrichtung umfasst zunächst jeweils zwei an einer Schiene 3 angeordnete Querkraftaufnehmer 6, 7, von denen einer am Anfang und der andere am Ende der Messstrecke 1 installiert ist. Beispielsweise handelt es dabei um Messaugen oder Dehnmessstreifen, die die von den Rädern 5 in die Schienen 3 induzierten Schubspannungen analog erfassen und in digitale Messsignale umwandeln. Die Querkraftaufnehmer 6, 7 dienen in dieser Ausführungsform zur optionalen Ermittlung der Radaufstandskräfte. Zum anderen können die Querkraftaufnehmer 6, 7 als Schalter für den Beginn und das Ende des Messvorgangs der Messeinrichtung eingesetzt werden und/oder zur Achserkennung und Fahrzeugidentifizierung. Zudem kann wie unter Fig. 2 näher erläutert mittels der Querkraftaufnehmer 6, 7 die Fahrgeschwindigkeit v im Bereich der Messstrecke 1 ermittelt werden, die sich auf Basis des bekannten Abstands des Querkraftaufnehmers 6 vom Querkraftaufnehmer 7 in Fahrtrichtung x und der bekannten Zeitdauer T bestimmen lässt, die der Differenz der Überrollzeitpunkte U und t entspricht. Darüber hinaus umfasst die Messeinrichtung Beschleunigungsaufnehmer 11 zur Erfassung der Beschleunigung a. Die Beschleunigungsaufnehmer 11 sind jeweils zwischen zwei Schwellen 4 an der Unterseite der Schienen 3 befestigt, woraus sich ein gegenseitiger Abstand der Beschleunigungsaufnehmer 11 in Richtung des Schienenfahrwegs 2 ergibt, der dem einfachen Schwellenabstand entspricht, aber auch größer sein kann und beispielsweise dem zweifachen Schwellenabstand entsprechen kann. In the area of the measuring section 1, a measuring device for detecting the acceleration a exerted on the rail 3 by a rolling wheel 5 is integrated into the rail track 2. The measuring device initially comprises two transverse force transducers 6, 7 arranged on a rail 3, one of which is installed at the beginning and the other at the end of the measuring section 1. For example, these are measuring eyes or strain gauges that analogously record the shear stresses induced by the wheels 5 in the rails 3 and convert them into digital measurement signals. In this embodiment, the transverse force sensors 6, 7 serve to optionally determine the wheel contact forces. On the other hand, the transverse force sensors 6, 7 can be used as switches for the start and end of the measuring process of the measuring device and/or for axle detection and vehicle identification. In addition, as explained in more detail in FIG. which corresponds to the difference between the rollover times U and t. In addition, the measuring device includes acceleration sensors 11 for detecting the acceleration a. The acceleration sensors 11 are each fastened between two sleepers 4 on the underside of the rails 3, which results in a mutual distance between the acceleration sensors 11 in the direction of the rail track 2, which corresponds to the single threshold distance, but can also be larger and, for example, can correspond to twice the threshold distance .
Die Querkraftaufnehmer 6, 7 und Beschleunigungsaufnehmer 11 sind mittels Datenleitungen 12 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 13 verbunden, in der die Datenspeicherung und Datenverarbeitung stattfindet. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Auswerteeinheit 13 beispielsweise über Hochpass-, Tiefpass- und/oder Bandfilter verfügen, um das Beschleunigungssignal zu filtern, und/oder es werden in die Auswerteeinheit 13 Rechenalgorithmen ausgeführt, mittels derer eine numerische Integration des Beschleunigungsverlauf a(t) erfolgt. Über Funk oder eine weitere Datenleitung 14 werden die Daten eines Messvorgangs bzw. die Ergebnisse der Auswertung an eine übergeordnete zentrale Stelle übermittelt. Es ist auch möglich, die Datenverarbeitung zum Teil oder vollständig an der übergeordneten zentralen Stelle durchzuführen. The transverse force sensors 6, 7 and acceleration sensors 11 are connected via data lines 12 to an electronic evaluation unit 13, in which data storage and data processing takes place. To carry out the method according to the invention, the evaluation unit 13 can, for example, have high-pass, low-pass and/or band filters in order to filter the acceleration signal, and/or calculation algorithms are executed in the evaluation unit 13, by means of which a numerical integration of the acceleration curve a(t ) he follows. The data of a measurement process or the results of the evaluation are transmitted to a higher-level central location via radio or another data line 14. It is also possible to carry out some or all of the data processing at the higher-level central location.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des von den Beschleunigungsaufnehmern 11 gemessenen Beschleunigungssignals a bei der Überfahrt über die Messstrecke 1 dargestellt. Das Überrollen des Querkraftaufnehmers 6 von dem Rad 5 entspricht dem Zeitpunkt tA, mit dem der Messvorgang durch die Messeinrichtung beginnt. Das Überrollen des Querkraftaufnehmers 7 von demselben Rad 5 definiert den Zeitpunkt tE, der das Ende des Messvorgangs definiert. Der zwischen den Zeitpunkten tA und tE liegende Zeitabschnitt T entspricht wiederum der Dauer der Überfahrt über die Messstrecke 1. Bei bekanntem räumlichem Abstand der Querkraftaufnehmer 6, 7, der bei vorliegender Ausführungsform der Länge L der Messstrecke 1 entspricht, kann die Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs ermittelt werden nach der Beziehung: v = L / T, mit T = (tE - tA) 2 shows the time course of the acceleration signal a measured by the acceleration sensors 11 when traveling over the measuring section 1. The rolling over of the transverse force transducer 6 by the wheel 5 corresponds to the time tA at which the measuring process by the measuring device begins. The rolling over of the transverse force transducer 7 by the same wheel 5 defines the time tE, which defines the end of the measuring process. The time period T lying between the times tA and tE in turn corresponds to the duration of the journey over the measuring section 1. If the spatial distance of the transverse force transducers 6, 7 is known, which in the present embodiment corresponds to the length L of the measuring section 1, the driving speed v of the rail vehicle can be determined are according to the relationship: v = L / T, with T = (t E - t A )
Die Amplitude des Beschleunigungssignals a oszilliert in Abhängigkeit der Güte der Lauffläche des Rades 5 mit hoher Frequenz mehr oder weniger stark um den Wert Null. Von diesem Schwankungsbereich signifikante Abweichungen stellen das erste Beschleunigungsmaximum 16 bzw. erste Beschleunigungsminimum 17 des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) dar, die auf eine Unrundheit an der Lauffläche des Rades 5 schließen lassen. Der Zeitpunkt des ersten Auftretens des ersten Beschleunigungsmaximums 16 bzw. ersten Beschleunigungsminimums 17 ist mit ti bezeichnet. The amplitude of the acceleration signal a oscillates more or less strongly around the value zero at high frequency depending on the quality of the running surface of the wheel 5. Significant deviations from this fluctuation range represent the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 of the acceleration signal curve a(t), which indicate a non-roundness on the tread of the wheel 5. The The time of the first occurrence of the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 is denoted by ti.
Aufgrund der vorgegebenen Länge L der Messstrecke 1 , die größer ist als der Radumfang U, rollt das Rad 5 bei anhaltendem Messvorgang zumindest mit einem Teil seines Umfangs U ein zweites Mal innerhalb der Messstrecke 1 ab. Mit dem erneuten Abrollen des Rades 5 auf der Schiene 3 wird dabei ein Beschleunigungssignalverlauf a(t) erzeugt, der in seinen charakteristischen Merkmalen dem des bisherigen Beschleunigungssignalverlaufs a(t) entspricht. Die auffälligste Wiederholung stellt dabei das zweite Beschleunigungsmaximum 16' bzw. zweite Beschleunigungsminimum 17' zum Zeitpunkt t2 dar, die sich aufgrund ihrer Amplitude und Form dem ersten Beschleunigungsmaximum 16 bzw. ersten Beschleunigungsminimum 17 zuordnen lassen. Die zwischen den Zeitpunkten ti und t2 liegende Zeitdauer At entspricht der Dauer, mit der das Rad 5 einmal über seinen Umfang U abrollt. In Verbindung mit der bekannten Fahrgeschwindigkeit v lässt sich daraus der Umfang U des Rades 5 ermitteln nach der Beziehung: Due to the predetermined length L of the measuring section 1, which is larger than the wheel circumference U, the wheel 5 rolls at least part of its circumference U a second time within the measuring section 1 as the measuring process continues. When the wheel 5 rolls again on the rail 3, an acceleration signal curve a(t) is generated, the characteristic features of which correspond to those of the previous acceleration signal curve a(t). The most striking repetition is the second acceleration maximum 16 'or second acceleration minimum 17' at time t2, which can be assigned to the first acceleration maximum 16 or first acceleration minimum 17 due to their amplitude and shape. The time period At between the times ti and t2 corresponds to the duration with which the wheel 5 rolls once over its circumference U. In conjunction with the known driving speed v, the circumference U of the wheel 5 can be determined according to the relationship:
U = v * At mit At = t2 - ti U = v * At with At = t2 - ti
Der mit der Messeinrichtung erfasste Beschleunigungssignalverlauf a(t) bildet die Basis für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Beschleunigungssignalverlauf a(t) an den dem Beschleunigungssignalverlauf a(t) zugrunde liegenden Kraftsignalverlauf F(t) angenähert wird, was im Einzelnen unter Fig. 7 näher erläutert wird. The acceleration signal curve a(t) detected with the measuring device forms the basis for carrying out the method according to the invention, in which the acceleration signal curve a(t) is approximated to the force signal curve F(t) on which the acceleration signal curve a(t) is based, which is described in detail below Fig. 7 is explained in more detail.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Gegenstand der Fig. 3, 4a und 4b. Die in Fig. 3 dargestellte Messstrecke T entspricht der unter Fig.1 beschriebenen Messstrecke 1 , ergänzt um eine Teilmessstrecke 1.1 zur Erfassung der Radaufstandskraft F im Bereich der Teilmessstrecke 1.1. Um Wiederholungen zu vermeiden wird hinsichtlich des Schienenfahrwegs 2, der Messstrecke T mit Querkraftaufnehmern 6, 7, Beschleunigungsaufnehmern 11 , Datenleitungen 12, Auswerteeinheit 13 etc. auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen, die entsprechend gelten. A second embodiment of a device according to the invention is the subject of FIGS. 3, 4a and 4b. The measuring section T shown in FIG. 3 corresponds to the measuring section 1 described in FIG. 1, supplemented by a partial measuring section 1.1 for detecting the wheel contact force F in the area of the partial measuring section 1.1. In order to avoid repetitions, reference is made to the statements made above with regard to the rail track 2, the measuring section T with transverse force sensors 6, 7, acceleration sensors 11, data lines 12, evaluation unit 13 etc., which apply accordingly.
Die Teilmessstrecke 1.1 erstreckt sich über eine Länge L1 , die kleiner ist als die Länge L der Messstrecke 1' und im vorliegenden Ausführungsbeispiel mindestens dem einfachen Radumfang U der Räder 5 der auf dem Schienenfahrweg 2 verkehrenden Fahrzeuge entspricht. Bei einem Standardraddurchmesser von etwa 1250 mm ergibt sich somit eine Länge von mindestens 2925 mm. Die Messstrecke 1' und Teilmessstrecke 1.1 überlappen in Fahrtrichtung x, wobei sie einen durch die Querkraftaufnehmer 6 definierten gemeinsamen Anfang besitzen. Die erste Teilmessstrecke 1 .1 endet nach der Länge L1 mit den Querkraftaufnehmern 8, die Messstrecke T hingegen setzt sich bis zu den Querkraftaufnehmern 7 fort, die das Ende der Messstrecke 1' markieren. The partial measuring section 1.1 extends over a length L1, which is smaller than the length L of the measuring section 1' and, in the present exemplary embodiment, corresponds to at least the simple wheel circumference U of the wheels 5 of the vehicles traveling on the rail track 2. With a standard wheel diameter of around 1250 mm, this results in a length of at least 2925 mm. The measuring section 1' and partial measuring section 1.1 overlap in the direction of travel x, whereby they have a common beginning defined by the transverse force transducers 6. The first partial measuring section 1.1 ends after the length L1 with the transverse force transducers 8, while the measuring section T continues up to the transverse force transducers 7, which mark the end of the measuring section 1'.
Im Bereich der Teilmessstrecke 1.1 umfasst die Messeinrichtung ebenfalls an den Schienen 3 angeordnete Querkraftaufnehmer, die am Beginn der Teilmessstrecke 1.1 den Querkraftaufnehmern 6 entsprechen können und am Ende der Teilmessstrecke 1.1 den dort installierten Querkraftaufnehmer 8. Dazwischen können zusätzliche Querkraftaufnehmer 9 angeordnet sein, deren gegenseitiger Abstand beispielsweise dem einfachen oder zweifachen Schwellenabstand entspricht. Wie schon zuvor beschrieben handelt es bei den Querkraftaufnehmern 6, 8, 9 bevorzugterweise um Messaugen oder Dehnmessstreifen, die die von den Rädern 5 in die Schienen 3 induzierten Schubspannungen analog erfassen und in digitale Messsignale umwandeln. In the area of the partial measuring section 1.1, the measuring device also includes transverse force transducers arranged on the rails 3, which can correspond to the transverse force transducers 6 at the beginning of the partial measuring section 1.1 and the transverse force transducer 8 installed there at the end of the partial measuring section 1.1. Additional transverse force transducers 9 can be arranged in between, their mutual distance for example, corresponds to one or two times the threshold distance. As already described above, the transverse force transducers 6, 8, 9 are preferably measuring eyes or strain gauges, which analogously record the shear stresses induced by the wheels 5 in the rails 3 and convert them into digital measurement signals.
Wie die Querkraftaufnehmer 6, 7 dienen die Querkraftaufnehmer 8, 9 der Kraftnebenschlusskorrektur, um Störeinflüsse aus benachbarten Schienenabschnitten zu kompensieren. Auf diese Weise wird die Teilmessstrecke 1 .1 in kleinere Messabschnitte segmentiert. Die Querkraftaufnehmer 6, 7, 8, 9 können aber auch zur Ermittlung der Radaufstandskraft F eingesetzt werden. Like the transverse force transducers 6, 7, the transverse force transducers 8, 9 serve to correct force shunts in order to compensate for interference from neighboring rail sections. In this way, the partial measuring section 1.1 is segmented into smaller measuring sections. The transverse force sensors 6, 7, 8, 9 can also be used to determine the wheel contact force F.
Darüber hinaus sind im Bereich der ersten Teilmessstrecke 1.1 Kraftaufnehmer 10 zur Erfassung der Radaufstandskraft F vorgesehen, beispielsweise Wägebalken, Wägezellen oder Wägediscs. Um ein über die Länge der Teilmessstrecke 1.1 möglichst gleichmäßiges Kraftsignal zu erhalten, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils ein Kraftaufnehmer 10 zwischen jeder Schwelle 4 und jeder Schiene 3 angeordnet, woraus sich ein gegenseitiger Abstand der Kraftaufnehmer 10 in Richtung des Schienenfahrwegs 2 entsprechend dem einfachen Schwellenabstand ergibt. Daneben liegen auch Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung, bei denen der Abstand aufeinanderfolgender Kraftaufnehmer 10 in Fahrtrichtung x dem zweifachen oder dreifachen Schwellenabstand entspricht. In addition, in the area of the first partial measuring section 1.1, force transducers 10 are provided for detecting the wheel contact force F, for example weighing beams, load cells or weighing discs. In order to obtain a force signal that is as uniform as possible over the length of the partial measuring section 1.1, in the present exemplary embodiment a force transducer 10 is arranged between each sleeper 4 and each rail 3, which results in a mutual distance between the force transducers 10 in the direction of the rail track 2 corresponding to the simple threshold distance . In addition, embodiments are also within the scope of the invention in which the distance between successive force transducers 10 in the direction of travel x corresponds to twice or three times the threshold distance.
Wie bereits bei der ersten Ausführungsform beschrieben sind die Querkraftaufnehmer 6, 7, 8, 9 und die Kraftaufnehmer 10 mittels der Datenleitungen 12 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 13 verbunden, in der die Datenspeicherung und Datenverarbeitung stattfindet. Über Funk oder eine weitere Datenleitung 14 werden die Daten eines Messvorgangs und gegebenenfalls deren Auswertung an eine übergeordnete zentrale Stelle übermittelt. Wie aus den Fig. 4a und 4b hervorgeht, beginnt zum Zeitpunkt tA gleichzeitig sowohl das Erfassen der Radaufstandskraft F mittels der Kraftaufnehmer 10 als auch das Erfassen der Beschleunigung a mittels der Beschleunigungsaufnehmer 11. Dementsprechend wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Kraftsignalverlauf F(t) über die Länge L1 zeitgleich mit dem Beschleunigungssignalverlauf a(t) aufgenommen. As already described in the first embodiment, the transverse force transducers 6, 7, 8, 9 and the force transducers 10 are connected by means of the data lines 12 to an electronic evaluation unit 13 in which the data storage and data processing takes place. The data of a measurement process and, if necessary, their evaluation are transmitted to a higher-level central location via radio or another data line 14. 4a and 4b, both the detection of the wheel contact force F by means of the force transducers 10 and the detection of the acceleration a by means of the acceleration transducers 11 begin at the time tA. Accordingly, in this embodiment of the invention, the force signal curve F(t) recorded over the length L1 at the same time as the acceleration signal curve a(t).
Fig. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf des von Kraftaufnehmern 10 gemessenen Kraftsignals F bei der Überfahrt über die Teilmessstrecke 1.1 , der mit dem Überrollen des Rades 5 über den Querkraftaufnehmer 6 beginnt und zum Zeitpunkt tx endet, zu dem das Rad 5 den Querkraftaufnehmer 8 überrollt und damit den Bereich der ersten Teilmessstrecke 1.1 verlässt. Fig. 4a shows the time course of the force signal F measured by force transducers 10 when crossing the partial measuring section 1.1, which begins with the wheel 5 rolling over the transverse force transducer 6 and ends at the time tx, at which the wheel 5 rolls over the transverse force transducer 8 and thus leaving the area of the first partial measuring section 1.1.
Die Amplitude des Kraftsignals F oszilliert in Abhängigkeit der Güte der Lauffläche des Rades 5 mehr oder weniger stark um einen Wert, der dem statischen Lastanteil Fstat der von einem Rad 5 auf eine Schiene 3 ausgeübten Kraft F entspricht. Vom Schwankungsbereich signifikante Abweichungen stellen das Kraftmaximum 14 bzw. Kraftminimum 15 zum Zeitpunkt ti dar, die aufgrund ihrer Steigung und Amplitude auf eine Unrundheit an der Lauffläche des Rades 5 hindeuten. The amplitude of the force signal F oscillates more or less strongly depending on the quality of the running surface of the wheel 5 by a value which corresponds to the static load component F s tat of the force F exerted by a wheel 5 on a rail 3. Deviations that are significant from the fluctuation range represent the maximum force 14 or minimum force 15 at time ti, which, due to their gradient and amplitude, indicate a non-roundness on the tread of the wheel 5.
Der Beschleunigungssignalverlauf a(t) wie in Fig. 4b dargestellt entspricht dem unter Fig. 2 beschriebenen, so das zur Vermeidung von Wiederholungen auf das dort Gesagte verwiesen wird. Festzuhalten bleibt, dass eine Unrundheit an der Lauffläche eines Rades 5 zu demselben Zeitpunkt ti zu Maximalwerten 14, 15 im Kraftsignalverlauf F(t) und zu Maximalwerten 16, 17 im Beschleunigungssignalverlauf a(t) führt. The acceleration signal curve a(t) as shown in FIG. 4b corresponds to that described in FIG. 2, so to avoid repetition, reference is made to what was said there. It should be noted that a non-roundness on the tread of a wheel 5 at the same time ti leads to maximum values 14, 15 in the force signal curve F(t) and to maximum values 16, 17 in the acceleration signal curve a(t).
Eine Approximation des mit der Messeinrichtung erfassten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) an den dem Beschleunigungssignalverlauf a(t) zugrundeliegenden Kraftsignalverlauf F(t) erfolgt bei dieser Ausführungsform der Erfindung auf Basis des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) in Kombination mit dem Kraftsignalverlauf F(t), was im Einzelnen bei der Beschreibung von Fig. 7 noch näher erläutert wird. In this embodiment of the invention, an approximation of the acceleration signal curve a(t) recorded with the measuring device to the force signal curve F(t) on which the acceleration signal curve a(t) is based takes place on the basis of the acceleration signal curve a(t) in combination with the force signal curve F(t), which will be explained in more detail in the description of FIG. 7.
Die Fig. 5 und 6 zeigen schließlich eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sich die Messstrecke 1" in Richtung des Schienenfahrwegs 2 aus einer ersten Teilmessstrecke 1.1 der Länge L1 und einer zweiten Teilmessstrecke 1.2 der Länge L2 zusammensetzt, die in Fahrtrichtung x nahtlos ineinander übergehen. Die erste Teilmessstrecke 1.1 mit Kraftaufnehmern 10 gleicht dabei der unter Fig. 3 beschriebenen, so dass die dortigen Ausführungen entsprechend gelten. 5 and 6 finally show an embodiment of the invention, in which the measuring section 1" in the direction of the rail track 2 is composed of a first partial measuring section 1.1 of length L1 and a second partial measuring section 1.2 of length L2, which merge seamlessly into one another in the direction of travel x .The first partial measuring section 1.1 with Force transducers 10 are similar to those described in FIG. 3, so that the statements there apply accordingly.
Die zweite Teilmessstrecke 1.2 mit den Beschleunigungsaufnehmern 11 weist einen konstruktiven Aufbau auf, der grundsätzlich der unter Fig. 1 beschriebenen Messstrecke 1 gleicht, so dass das dort Gesagte entsprechend gilt. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass die Länge L2 der zweiten Teilmessstrecke 1 .2 wesentlich kleiner ist als die Länge L der Messstrecke 1 , wobei die Länge L2 der zweiten Teilmessstrecke 1 .2 kleiner sein kann als die Länge L1 der ersten Teilmessstrecke 1.1 wie bei der vorliegenden Ausführungsform, oder auch größer als die Länge L1 der ersten Teilmessstrecke 1.1. In beiden Fällen ergeben die erste Teilmessstrecke 1.1 und zweite Teilmessstrecke 1. 2 zusammen die Messstrecke 1". Am Anfang der Messstrecke 1" sind wiederum Querkraftaufnehmer 6 an den Schienen 3 angeordnet, am Ende der Messstrecke 1" Querkraftaufnehmer 7. Zusätzliche Querkraftaufnehmer 8 befinden sich im Übergangsbereich zwischen erster Teilmessstrecke 1.1 und zweiter Teilmessstrecke 1.2 und optional im Bereich der Teilmessstrecke 1.1 , um diese wie zuvor in Fig. 3 in kleinere Abschnitte zu unterteilen. The second partial measuring section 1.2 with the acceleration sensors 11 has a structural design that is basically the same as the measuring section 1 described in FIG. 1, so that what is said there applies accordingly. However, an essential difference is that the length L2 of the second partial measuring section 1.2 is significantly smaller than the length L of the measuring section 1, whereby the length L2 of the second partial measuring section 1.2 can be smaller than the length L1 of the first partial measuring section 1.1 in the present embodiment, or greater than the length L1 of the first partial measuring section 1.1. In both cases, the first partial measuring section 1.1 and second partial measuring section 1. 2 together result in the measuring section 1". At the beginning of the measuring section 1", transverse force transducers 6 are again arranged on the rails 3, and at the end of the measuring section 1" transverse force transducers 7. There are additional transverse force transducers 8 in the transition area between the first partial measuring section 1.1 and the second partial measuring section 1.2 and optionally in the area of the partial measuring section 1.1 in order to divide it into smaller sections as before in FIG. 3.
Bei der Überfahrt eines Schienenfahrzeugs über die Messstrecke 1" wird im Bereich der ersten Teilmessstrecke 1.1 ab dem Zeitpunkt tA ein Kraftsignalverlauf F(t) über die Länge L1 aufgenommen, für den wie bereits unter Fig. 4a beschrieben das Kraftmaximum 14 und Kraftminimum 15 charakteristisch sind. Mit Erreichen des Endes der ersten Teilmessstrecke 1.1 und zu Beginn der zweiten Teilmessstrecke 1.2 im Zuge des Überrollens der Querkraftaufnehmer 8 zum Zeitpunkt tx beginnt die Erfassung des Beschleunigungssignals a über die Länge L2 der zweiten Teilmessstrecke 1.2, was den in Fig. 6b dargestellten Beschleunigungsverlauf a(t) mit den Beschleunigungsmaxima 16 bzw. Beschleunigungsminima 17 ergibt. Der Messvorgang endet mit der Überfahrt der Räder 5 über die Querkraftaufnehmer 7 am Ende der Messstrecke 1". When a rail vehicle passes over the measuring section 1", a force signal curve F(t) is recorded over the length L1 in the area of the first partial measuring section 1.1 from the time tA, for which the maximum force 14 and minimum force 15 are characteristic, as already described under FIG. 4a .When the end of the first partial measuring section 1.1 is reached and at the beginning of the second partial measuring section 1.2 in the course of rolling over the transverse force transducers 8 at time tx, the detection of the acceleration signal a begins over the length L2 of the second partial measuring section 1.2, which is the acceleration curve a shown in Fig. 6b (t) with the acceleration maximum 16 or acceleration minimum 17. The measuring process ends with the wheels 5 passing over the transverse force transducers 7 at the end of the measuring section 1".
Für die Auswertung des kombinierten Kraft-/Beschleunigungsverlaufs wird der Beschleunigungssignalverlauf a(t) mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an den dem Beschleunigungsverlauf a(t) zugrunde liegenden Kraftsignalverlauf F(t) approximiert, was nachfolgend anhand Fig. 7 näher erläutert wird. Am Ende entsteht ein durchgehender Kraftsignalverlauf F(t), der für die weitere Auswertung genutzt werden kann. For the evaluation of the combined force/acceleration curve, the acceleration signal curve a(t) is approximated using the method according to the invention to the force signal curve F(t) on which the acceleration curve a(t) is based, which is explained in more detail below with reference to FIG. 7. At the end, a continuous force signal curve F(t) is created, which can be used for further evaluation.
Anhand Fig. 7 werden nachfolgend die unterschiedlichen Verfahrensschritte zur Approximation des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) wie in Fig. 7a dargestellt an den ihm zugrundeliegenden Kraftsignalverlauf F(t) erläutert, der wiederum Gegenstand von Fig. 7d ist und dessen Verlauf durch schrittweise Bearbeitung des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) möglichst weitgehend nachgebildet werden soll. Die dazu notwendige Datenverarbeitung kann ganz oder teilweise in der Auswerteeinheit 13 stattfinden, oder ganz oder teilweise an übergeordneter Stelle, der zu diesem Zweck die notwendigen Daten übermittelt werden. Based on Fig. 7, the different method steps for approximating the acceleration signal curve a (t) as shown in Fig. 7a are shown below underlying force signal curve F(t), which in turn is the subject of FIG. 7d and whose curve should be reproduced as much as possible by step-by-step processing of the acceleration signal curve a(t). The data processing required for this can take place entirely or partially in the evaluation unit 13, or entirely or partially at a higher level to which the necessary data is transmitted for this purpose.
Fig. 7a gibt den Beschleunigungssignalverlauf a(t) wieder, wie er beispielsweise bei der Überfahrt eines Schienenfahrzeugs über eine Messstrecke 1 , 1' mittels deren Beschleunigungsaufnehmer 11 erfasst worden ist. Durch die hohe Frequenz des oszillierenden Beschleunigungssignals a sind qualifizierte Rückschlüsse auf den zugehörigen Kraftsignalverlauf F(t) (siehe Fig. 7d) nicht ohne weiteres möglich. Dennoch erkennt man außergewöhnliche Abweichungen vom durchschnittlichen Beschleunigungssignalverlauf a(t) im Bereich des ersten Maximums 16 und ersten Minimums 17 zum Zeitpunkt t1 , die auf eine Unrundheit des Rades 5 zurückzuführen sind. Aufgrund der Länge L der Messstrecke 1 , 1', die größer ist als der Umfang U des Rades 5, wiederholen sich beim erneuten Abrollen des Rades 5 über die Messstrecke 1 , 1' diese Maximalwerte in Form des Maximums 16' und Minimums 17' zum Zeitpunkt t2. Für die Teilmessstrecke 1.2, die sich von Messstrecken 1 , T lediglich durch ihre kürzere Länge L2 unterscheidet, gilt dies sinngemäß. 7a shows the acceleration signal curve a(t), as recorded, for example, when a rail vehicle travels over a measuring section 1, 1' using its acceleration sensor 11. Due to the high frequency of the oscillating acceleration signal a, qualified conclusions about the associated force signal curve F(t) (see Fig. 7d) are not easily possible. Nevertheless, exceptional deviations from the average acceleration signal curve a(t) can be seen in the area of the first maximum 16 and first minimum 17 at time t1, which can be attributed to the wheel 5 being out of roundness. Due to the length L of the measuring section 1, 1', which is larger than the circumference U of the wheel 5, when the wheel 5 rolls again over the measuring section 1, 1', these maximum values are repeated in the form of the maximum 16' and minimum 17' Time t2. This applies analogously to the partial measuring section 1.2, which differs from measuring sections 1, T only in its shorter length L2.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der in Fig. 7a dargestellte Beschleunigungssignalverlauf a(t) mit einem Hochpassfilter und Tiefpassfilter oder einem Bandpassfilter gefiltert. Die untere Grenzfrequenz fi. liegt dabei zwischen 5 Hz und 60 Hz, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 30 Hz und höchstvorzugsweise bei 15 Hz, und die obere Grenzfrequenz fn zwischen 400 Hz und 800 Hz, vorzugsweise zwischen 500 Hz und 700 Hz und höchstvorzugsweise bei 600 Hz. Nach Anwendung der Filter stellt sich der in Fig. 7b gezeigte Beschleunigungssignalverlauf a'(t). Durch die Beschränkung der erfassten Beschleunigungssignale a auf den Frequenzbereich zwischen unterer Grenzfrequenz fi. oberer Grenzfrequenz fn ist im Beschleunigungssignalverlauf a'(t) ein eindeutiger Amplitudenverlauf erkennbar, der als charakteristische Merkmale ebenfalls ein erstes Maximum 16 bzw. erstes Minimum 17 zum Zeitpunkt ti und zweites Maximum 16' und zweites Minimum 17' zum Zeitpunkt tz aufweist. In a first method step, the acceleration signal curve a(t) shown in FIG. 7a is filtered with a high-pass filter and low-pass filter or a band-pass filter. The lower limit frequency fi. is between 5 Hz and 60 Hz, preferably between 10 Hz and 30 Hz and most preferably at 15 Hz, and the upper limit frequency fn between 400 Hz and 800 Hz, preferably between 500 Hz and 700 Hz and most preferably at 600 Hz. After applying the The filter produces the acceleration signal curve a'(t) shown in FIG. 7b. By limiting the detected acceleration signals a to the frequency range between the lower limit frequency fi. Upper limit frequency fn, a clear amplitude curve can be seen in the acceleration signal curve a'(t), which also has a first maximum 16 or first minimum 17 at time ti and second maximum 16' and second minimum 17' at time tz as characteristic features.
Im Weiteren wird der Beschleunigungssignalverlauf a'(t) durch numerische Integration bearbeitet, was zu dem in Fig. 7c gezeigten Beschleunigungssignalverlauf a"(t) führt. Dieser zeichnet sich durch eine weitere Annäherung an den Kraftsignalverlauf F(t) aus. Insbesondere entsprechen die Amplitudenverhältnisse von Maximum16, 16' zu Minimum 17, 17' des Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) bereits annähernd denen des Kraftsignalverlaufs F(t). Furthermore, the acceleration signal curve a'(t) is processed by numerical integration, which leads to the acceleration signal curve a"(t) shown in FIG. 7c. This is characterized by a further approximation to the force signal curve F(t). In particular, they correspond Amplitude ratios from maximum 16, 16' to minimum 17, 17' the acceleration signal curve a"(t) is already close to that of the force signal curve F(t).

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Approximation eines bei der Überfahrt eines schienengebundenen Fahrzeugs über eine Messstrecke (1 , 1', 1") erfassten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) an die charakteristischen Merkmale eines damit korrespondierenden Kraftsignalverlaufs F(t), wobei die Messstrecke (1 , 1', 1") als Schiene (3) ausgebildet ist und mindestens einen Beschleunigungssensor (11) aufweist, dessen Beschleunigungssignale a zur Entgegennahme und Verarbeitung an eine elektronische Auswerteeinheit (13) übermittelt werden, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermitteln des Beschleunigungssignalverlaufs a(t) infolge der bei der Überfahrt auf die Messstrecke (1 , 1', 1") einwirkende Radaufstandskraft F durch kontinuierliches Erfassen der Beschleunigung a mittels des mindestens einen Beschleunigungssensors (11), b) Filtern des in Schritt a) ermittelten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) mit einem Hochpassfilter und einem Tiefpassfilter oder einem Bandpassfilter, und c) Numerische Integration des in Schritt b) durch Filterung erhaltenen Beschleunigungssignalverlaufs a'(t). 1. Method for approximating an acceleration signal curve a(t) recorded when a rail-bound vehicle travels over a measuring section (1, 1', 1") to the characteristic features of a corresponding force signal curve F(t), the measuring section (1, 1 ', 1") is designed as a rail (3) and has at least one acceleration sensor (11), the acceleration signals a of which are transmitted to an electronic evaluation unit (13) for receipt and processing, with the following method steps: a) determining the acceleration signal curve a(t ) as a result of the wheel contact force F acting when driving over the measuring section (1, 1', 1") by continuously detecting the acceleration a by means of the at least one acceleration sensor (11), b) filtering the acceleration signal curve a(t) determined in step a). with a high-pass filter and a low-pass filter or a band-pass filter, and c) numerical integration of the acceleration signal curve a'(t) obtained in step b) by filtering.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgenden weiteren Verfahrensschritt: d) Skalieren des in Schritt c) durch numerische Integration erhaltenen Beschleunigungsverlaufs a"(t) durch Multiplikation mit einem Faktor k. 2. The method according to claim 1, characterized by the following further method step: d) scaling the acceleration curve a "(t) obtained in step c) by numerical integration by multiplying it by a factor k.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Grenzfrequenz fi. des Hochpassfilters zwischen 5 Hz und 60 Hz liegt, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 30 Hz und höchstvorzugsweise 15 Hz beträgt. 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that in step b) the cutoff frequency fi. of the high-pass filter is between 5 Hz and 60 Hz, preferably between 10 Hz and 30 Hz and most preferably 15 Hz.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Grenzfrequenz fa des Tiefpassfilters zwischen 400 Hz und 800 Hz liegt, vorzugsweise zwischen 500 Hz und 700 Hz und höchstvorzugsweise 600 Hz beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) der Faktor k bestimmt wird durch Kalibrierung des durch numerische Integration erhaltenen Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) anhand eines mittels der Messstrecke (1 , 1', 1") erfassten korrespondierenden Kraftsignalverlaufs F(t). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) der Faktor k bestimmt wird durch Kalibrierung des durch numerische Integration erhaltenen Beschleunigungssignalverlaufs a"(t) anhand in der Auswerteeinheit (13) hinterlegter Werte und/oder Verläufe zur Radaufstandskraft F. Vorrichtung zur Approximation eines bei der Überfahrt eines schienengebundenen Fahrzeugs über eine Messstrecke (1 , 1', 1") erfassten Beschleunigungssignalverlaufs a(t) an die charakteristischen Merkmale eines damit korrespondierenden Kraftsignalverlaufs F(t), wobei die Messstrecke (1 , 1', 1") als Schiene (3) ausgebildet ist und mindestens einen Beschleunigungssensor (11) und eine elektronische Auswerteeinheit (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, a) den Beschleunigungssignalverlauf a(t) infolge der bei der Überfahrt auf die Messstrecke (1 , 1', 1") einwirkenden Radaufstandskraft F durch kontinuierliches Erfassen der Beschleunigung a mittels des mindestens einen Beschleunigungssensors (11) zu ermitteln, b) den unter a) ermittelten Beschleunigungssignalverlauf a(t) mit einem Hochpassfilter und einem Tiefpassfilter oder einem Bandpassfilter zu filtern, und c) den unter b) durch Filterung erhaltenen Beschleunigungssignalverlauf a'(t) numerisch zu integrieren. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (1 , 1', 1") zusätzlich mindestens einen Kraftaufnehmer (10) zur Erfassung der Radaufstandskraft F aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Messstrecke (1 ', 1 ") mit dem mindestens einen Beschleunigungssensor (11 ) und der Bereich mit dem mindestens einen Kraftaufnehmer (10) in Fahrtrichtung x teilweise überlappen oder aufeinanderfolgen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (1 , 1', 1") zumindest an ihrem Anfang und/oder Ende einen Querkraftaufnehmer (6, 7, 8, 9) oder Schienenschalter aufweist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in step b) the cutoff frequency fa of the low-pass filter is between 400 Hz and 800 Hz, preferably between 500 Hz and 700 Hz and most preferably 600 Hz. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in step d) the factor k is determined by calibrating the acceleration signal curve a "(t) obtained by numerical integration based on a signal recorded by means of the measuring section (1, 1 ', 1") corresponding force signal curve F(t). Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in step d) the factor k is determined by calibrating the acceleration signal curve a"(t) obtained by numerical integration based on values and/or curves for the wheel contact force stored in the evaluation unit (13). F. Device for approximating an acceleration signal curve a(t) recorded when a rail-bound vehicle travels over a measuring section (1, 1', 1") to the characteristic features of a corresponding force signal curve F(t), the measuring section (1, 1 ', 1") is designed as a rail (3) and has at least one acceleration sensor (11) and an electronic evaluation unit (13), characterized in that the electronic evaluation unit (13) is designed to: a) the acceleration signal curve a(t) as a result of the wheel contact force F acting when crossing the measuring section (1, 1', 1") by continuously detecting the acceleration a using the at least one acceleration sensor (11), b) the acceleration signal curve a(t) determined under a). a high-pass filter and a low-pass filter or a band-pass filter, and c) to numerically integrate the acceleration signal curve a'(t) obtained under b) by filtering. Device according to claim 7, characterized in that the measuring section (1, 1', 1") additionally has at least one force transducer (10) for detecting the wheel contact force F. Device according to claim 8, characterized in that the area of the measuring section (1 ' , 1 ") with the at least one acceleration sensor (11) and the area with the at least one force transducer (10) in the direction of travel x partially overlap or follow one another. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the measuring section (1, 1', 1") has a transverse force transducer (6, 7, 8, 9) or rail switch at least at its beginning and/or end.
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