DE3309908C2

DE3309908C2 - Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern

Info

Publication number: DE3309908C2
Application number: DE19833309908
Authority: DE
Inventors: Burkhart Dr.-Ing. 8014 Neubiberg Kühl; Oswald Ing.(grad.) 8028 Taufkirchen Störmer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Nest Electronics 83104 Tuntenhausen De GmbH
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1983-03-19
Publication date: 1987-04-02
Also published as: CH661695A5; DE3309908A1

Abstract

Das Verfahren dient zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen. Dazu wird die Radaufstandskraft auf die Schiene über mindestens einen Radumfang kontinuierlich mittels einer Meßstrecke oder abschnittsweise mittels mehrerer, eine Meßstrecke bildende Meßstellen gemessen. Aus den derart gewonnenen Meßwerten werden durch Tiefpaßfilterung ein der Aufstandskraft eines flachstellenfreien Rades entsprechender Mittelwert sowie mindestens ein Spitzenwert ermittelt und beide Werte miteinander verglichen. Die Differenz oder der Quotient dieser Werte ist dann ein Maß für vorhandene Flachstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen mit einer in Abschnitte unterteilten Meßstrecke, wobei die Belastung des Abschnittes durch ein Schienenrad gemessen wird.
Ein bisher gebräuchliches Verfahren zur Erkennung von Flachstellen an Schienenrädern besteht darin, daß längs einer Meßstrecke isolierte Schienenstücke montiert werden, wobei beim Überfahren dieser Schienenstücke über die Räder und die Achse ein Hochfrequenz-Signalstromkreis geschlossen wird. Befindet sich an dem Schienenrad eine Flachstelle, so kann von einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit an mit einem kurzzeitigen Abheben des Rades im Bereich der Flachstelle gerechnet werden, wodurch der HF-Stromkreis kurzzeitig unterbrochen wird. Mit diesem Verfahren können nur vergleichsweise starke Flachstellen erkannt werden. Da es durch Flachstellen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen sogar zu Schienenbrüchen kommen kann, wäre ein frühzeitiges Erkennen von Flachstellen erforderlich. Weiterhin ist nicht nur das Vorhandensein von Flachstellen, sondern auch die eindeutige Zuordnung zu dem betreffenden Rad des die Meßstrecke überfahrenden Zuges erforderlich.
Aus der DE-AS 11 70 445 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Pfeilhöhe von Flachstellen an rollenden Eisenbahnrädern bekannt, bei dem die Meßstrecke in gleich lange Abschnitte unterteilt wird. Die in der Schiene durch eine Flachstelle ausgelösten Biegeschwingungen, die sich in Form einer Körperschallwelle nach beiden Richtungen ausbreiten, werden durch ein spezielles Meßverfahren ermittelt. Hierzu sind in jedem Abschnitt der Meßstrecke je ein Schienenkontakt zur Erkennung eines Rades sowie ein Meßwertgeber zur Bestimmung der Schienendurchbiegung vorhanden. Trifft in einem, von einem Rad befahrenen Abschnitt eine Flachstelle auf die Schiene auf, so löst die dadurch verursachte, impulsartige Biegeschwingung in den benachbarten Abschnitten gleichzeitig ein Flachstellensignal aus. Zur Bestimmung der Pfeilhöhe einer Flachstelle wird zum einen die Schienendurchbiegung des befahrenen Abschnittes als Raddruckmeßwert und zum anderen der Mittelwert des Flachstellensignals aus den beiden benachbarten Abschnitten gemessen und daraus eine Größe abgeleitet, die als Maß für die Pfeilhöhe der Flachteile dient. Die Pfeilhöhe wird also jeweils aus Signalen von verschiedenen Meßwertgebern gebildet, so daß eine sorgfältige und häufige Eichung dieser Geber erforderlich ist, wenn witterungsbedingte Meßfehler vermieden werden sollen. Außerdem ermöglicht die Bestimmung der Pfeilhöhe einer Flachstelle noch keine eindeutige Aussage über die tatsächliche, durch die Flachstelle verursachte Stoßbelastung, da diese noch wesentlich von dem Gewicht des Rades bzw. dessen Belastung durch das Gewicht des Aufbaus bestimmt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen zu schaffen, welches witterungsunabhängig ist und sowohl eine frühzeitige Erkennung von Flachstellen und deren eindeutige Zuordnung zu dem betreffenden Schienenrad in einem großen Geschwindigkeitsbereich ermöglicht, als auch die tatsächliche Stoßbelastung des durch eine Flachstelle verursachten Schienenrades auf die Schiene berücksichtigt. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der obengenannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Radaufstandskraft eines fahrenden Schienenfahrzeuges schon durch geringste Unrundheiten des Schienenrades gestört wird. Andererseits wird die Radaufstandskraft bei fahrenden Schienenfahrzeugen auch durch andere Einflüsse, z. B. Störungen an der Schienenoberfläche, Windkräfte oder durch Schwingungen des federnd gelagerten Waggonteiles ständig verändert. Durch den erfindungsgemäß vorgenommenen Vergleich des von der Meßstrecke bzw. -stelle ermittelten Spitzenwertes der Radaufstandskraft und ihres Mittelwertes, der ein Maß für die Aufstandskraft eines flachstellenfreien Rades ist, lassen sich Flachstellen mit hoher Sicherheit erkennen. Durch das Verhältnis zwischen Mittelwert und Spitzenwert der Radaufstandskraft ist ein Faktor gegeben, um den die durch eine Flachstelle hervorgerufene Schlagkraft die normale Radlast überschreitet. Sowohl der durch Differenzbildung zwischen Spitzenwert und Mittelwert ermittelte absolute Wert als auch der durch Verhältnisbildung ermittelte relative Wert der Schlagkraft kann zu der Entscheidung herangezogen werden, wann es sich um ein Rad mit einer oder mehreren unzulässig großen Flachstelle(n) handelt. Die Entscheidungswelle hierfür kann frei eingestellt werden. Bei Rädern ohne Flachstellen würde der Mittelwert und der Spitzenwert der Radaufstandskraft nur geringfügig auseinanderliegen. Die Differenz bzw. das Verhältnis von Spitzen- und Mittelwert würden dann innerhalb eines zulässigen Toleranzfensters liegen.
Die Bestimmung der Radaufstandskraft kann entweder durch eine Meßstelle, die die Länge des Radumfanges hat, erfolgen, oder, insbesondere wenn der Achsabstand geringer als die Länge eines Radumfanges ist, durch mehrere Teilmeßstellen. Wird die Bestimmung der Radaufstandskraft mit Teilmeßstellen, die auf verschiedene Schwellenfächer verteilt sind, durchgeführt, so ist eine Kombination des Verfahrens zur Flachstellenerkennung mit einem Verfahren zur Bestimmung der statischen Radlast an fahrenden Zügen möglich. Da für die Ermittlung der statischen Radlast jeweils der Mittelwert jeder einzelnen Meßstelle erforderlich ist, ist zur Flachstellenerkennung darüber hinaus nur noch eine Spitzenwertauswertung und ein Vergleich zwischen Mittelwert und Spitzenwert der mit jeder Meßstelle gemessenen Radaufstandskraft erforderlich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer einzelnen Meßstelle einer aus mehreren Meßstellen zusammengesetzten Meßstrecke zur Erfassung von Spitzenwert und Mittelwert der Radaufstandskraft;
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Auswertung der Meßwerte sämtlicher Meßstellen gemäß Fig. 1;
Fig. 3 die Aufzeichnung des Mittelwertes und des Spitzenwertes mehrerer eine Meßstelle überfahrender Schienenräder mit und ohne Flachstellen.
In der Schaltung gemäß Fig. 1 werden für jede Meßstelle einer aus mehreren gleichartigen Meßstellen zusammengesetzten Meßstrecke sowohl der Spitzenwert als auch der Mittelwert der Radaufstandskraft des die Meßstelle überfahrenden Schienenrades ermittelt und für die weitere Auswertung gespeichert. Die Aufnahme der Radaufstandskraft erfolgt in bekannter Weise mit an der Schiene befestigten Dehnungsmeßstreifen (DMS), die so angebracht und zu einer Meßbrücke 1 verschaltet sind, daß sich über die Länge eines Schwellenfaches die Radaufstandskraft als Meßgröße ergibt. Durch einen Verstärker 2 erfolgt die Speisung der DMS-Brücke sowie die Verstärkung des Brückenausgangssignals. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers gibt den Verlauf der Radaufstandskraft wieder, wie er aus dem Verlauf der oberen Meßkurve in Fig. 3 zu entnehmen ist. Der Spitzenwert der Radaufstandskraft, der beim Überfahren der Meßstelle eines Schienenrades aufgetreten ist, wird durch einen Spitzenwertdetektor 3 ermittelt und gespeichert.
Parallel dazu erfolgt durch einen Tiefpaßfilter 4 eine Signalaufbereitung des Ausgangssignals des Verstärkers 2 derart, daß sich ein als Mittelwert bezeichneter Signalverlauf entsprechend der unteren Kurve vom Bild 3 ergibt. Die Dimensionierung des Tiefpaßfilters 4 muß so erfolgen, daß dieses auch bei der Höchstgeschwindigkeit des eine Meßstelle überfahrenden Zuges noch ausreichend einschwingt und bei der niedrigsten Geschwindigkeit noch Schlagkräfte durch Flachstellen genügend herausgefiltert werden. Ein Dynamikbereich von 4 - 5 für die Geschwindigkeit des Zuges ist hierbei leicht erreichbar und für die praktischen Erfordernisse ausreichend. Dies kann aus dem Vergleich der oberen und unteren Meßkurve aus Fig. 3 entnommen werden. In einem weiteren Spitzenwertdetektor 5 wird der Spitzenwert des aus dem Tiefpaßfilter 4 entnommenen Mittelwertes der Radaufstandskraft ermittelt und gespeichert.
Zur Auswertung der Radaufstandskräfte ist es weiterhin erforderlich, jedes Rad eines die Meßstelle überfahrenden Zuges zu erkennen, so daß eine Radtabelle angelegt werden kann. Hierzu ist ein Schwellwertdetektor 6 vorgesehen, dem das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 4 eingegeben wird. Die Auslösung des Schwellwertdetektors geschieht dabei erst gegen Ende des Meßimpulses bei Unterschreiten einer vorgegebenen Schwelle. Das Schwellwertsignal des Schwellwertdetektors 6 wird in einem bistabilen Schalter (Flip-Flop) 7 gespeichert. Es dient als Startsignal für die weitere Signalverarbeitung und zeigt an, daß sowohl ein Spitzenwert, als auch ein Mittelwert der Radaufstandskraft eines Rades eingespeichert wurden. Nachdem die Signale aus 3, 5 und 7 in der in Fig. 2 beschriebenen Weise weiterverarbeitet wurden, werden diese Blöcke durch ein Reset-Signal zurückgesetzt, so daß sie zur Erkennung des nächsten Rades und zur Aufnahme von dessen Radaufstandskräften bereit sind.
In der Schaltung gemäß Fig. 2 erfolgt die Weiterverarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale von n Meßstellen einer Meßstrecke gemäß Fig. 1 die auf beide Schienen gleichmäßig verteilt sind. Hierzu werden in einem Rechner 8, der im wesentlichen einen Mikroprozessor mit EPROM-Programmspeicher und RAM-Speicher für Meßwerte und Ergebnisse, sowie Ein-/Ausgabeschnittstellen und Zeitzähler (Timer) aufweist, die Statussignale aller n Meßstellen zyklisch von 1 bis n abgefragt. Wenn ein Statussignal m gesetzt, d. h. auf der Meßstelle m ein Rad erkannt wurde, dann wird in einem Analogmultiplexer 9 der zu diesem Rad gehörende Spitzenwert zu einem Analog-Digitalwandler 10 durchgeschaltet und gleichzeitig die Analog-Digitalwandlung vom Rechner 8 gestartet (STC-Signal). Das Ende der Analog-Digitalwandlung wird durch ein EOC-Signal angezeigt und das gerade erzeugte Digitalwort für den Spitzenwert der Radaufstandskraft im RAM-Speicher des Rechners 8 abgelegt.
Der zu dem Statussignal m gehörende Mittelwert (genauer: Spitzenwert der Mittelwertbildung; s. Fig. 1) wird ebenfalls über den Analog-Multiplexer 9 dem Analog- Digitalwandler 10 zugeführt und in ein entsprechendes Digitalwort umgewandelt und in dem RAM-Speicher des Rechners 8 abgelegt. Anschließend wird über einen der Meßstelle m zugeordneten Reset-Ausgang des Rechners 8 an die Meßstelle m ein Befehl zum Löschen der Speicher für den Spitzenwert, Mittelwert und des Status der entsprechenden Meßstelle abgegeben.
Der Abfragezyklus der Statusleitungen durch den Rechner 8 wird daraufhin fortgesetzt. Beim Auffinden eines weiteren Statussignals, also einer von einem Rad überfahrenen Meßstelle, findet der gleiche, eben beschriebene Programmablauf statt. Der Multiplexbetrieb ermöglicht es, daß die von den Meßstellen der Meßstrecke ständig von den verschiedenen Rädern des Zuges eingehenden Meßwerte eindeutig den Rädern zugeordnet werden können.
Das Abspeichern der Meßwerte im RAM-Speicher des Rechners 8 erfolgt für jede Meßstelle in zwei eigenen Tabellen für den Spitzenwert und den Mittelwert der die Meßstelle überfahrenden Räder. Die Meßwerte einer Meßstelle werden dabei in der Reihenfolge ihres Entstehens in der entsprechenden Tabelle abgelegt. Die laufende Nummer des Meßwertes in der Tabelle entspricht somit der Nummer der Achse des die Meßstrecke überfahrenden Zuges. Aus der Kenntnis, welche Meßstelle an welcher Seite der Schiene montiert ist (rechte oder linke Seite in Fahrtrichtung) ergibt sich eine eindeutige Zuordnung zwischen der Nummer eines Wortes in der Tabelle und einem Rad im Zug.
Werden beim Abfragen der Statusleitungen durch den Rechner nach einer vorgegebenen max. Wartezeit keine gesetzten Statusleitungen mehr festgestellt, so wird daraus das Zugende erkannt. Nach Erkennen des Zugendes werden die im RAM-Speicher abgelegten Tabellen der Spitzenwerte und Mittelwerte durch den Rechner ausgewertet.
Für jedes Rad und für jede Meßstelle erfolgt die Berechnung der Differenz und des Verhältnisses zwischen Spitzenwert und Mittelwert der Radaufstandskraft. Diese Werte werden mit einem im Rechner ebenfalls gespeicherten max. Toleranzfenster für die Flachstellentiefe verglichen. Wird das Toleranzfenster überschritten, so werden in einer eigenen Flachstellentabelle die beiden Werte für das entsprechende Rad gespeichert; dies kann ebenfalls im RAM-Speicher geschehen. Für den Fall, daß sich an weiteren Meßstellen ebenfalls Überschreitungen der durch das Toleranzfenster festgelegten Grenzwerte für ein bestimmtes Rad ergeben, so wird sinnvollerweise nur der höchste Wert aller bisherigen Grenzwertüberschreitungen in der Flachstellentabelle für das entsprechende Rad aufgehoben. Eine Mittelwertbildung über alle den Grenzwert überschreitenden Werte ist hier unzulässig, da z. B. bei einem Rad mit nur einer Flachstelle diese, je nach Aufteilung der Meßstellen auch nur bei einer Meßstelle festgestellt wird. Außerdem ist die tiefste Flachstelle eines Rades für das Aussondern des betreffenden Schienenfahrzeuges maßgeblich.
Nachdem alle Meßwerte des RAM-Speichers ausgewertet und mit dem Toleranzfenster verglichen wurden, erfolgt, falls Werte in die Flachstellentabelle für den Zug eingetragen wurden, eine Meldung auf einen Ausgabedrucker 11. Die Ausgabe auf diesen Drucker könnte dabei etwa folgende Form haben: &udf53;vu10&udf54;&udf53;ta5,6:13:25:33:13:18,6:25:30,6:33&udf54;&udf53;tz,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Achs-Nr.\ Flachstellen links\ Flachstellen rechts\ &udf57;°KD&udf56;°KQ°k in kN\ °KQ°T°KS°t&udf53;sg8&udf54;/°KQ°T°KM°t&udf53;sg8&udf54;\ &udf57;°KD&udf56;°KQ°k in kN\ °KQ°T°KS°t&udf53;sg8&udf54;/°KQ°T°KM°t&udf53;sg8&udf54;&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta5,6:13:18,6:25,6:31:33&udf54;\Æ5\ 72\ 2,3&udf53;tz&udf54; \31\ \ \ 132\ 2,2&udf53;tz&udf54; \33\ \ \ 105\ 3,1&udf53;tz&udf54; \78\ 97\ 4,5&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;dabei bedeuten Δ Q die Differenz zwischen einem Spitzenwert Q _S und einem zugehörigen Mittelwert Q _M.
Nach der Auswertung des gesamten Zuges und ggf. der Ausgabe der Flachstellentabelle beginnt der Rechner 8 wieder mit dem zyklischen Abfragen der Statusleitungen der einzelnen Meßstellen (=Warten auf den nächsten Zug).
Bei der oben beschriebenen Meßstrecke mit Meßstellen, deren längenmäßiger Meßbereich klein gegenüber dem Radumfang ist , müssen die Meßstellen an der Schiene derart angeordnet sein, daß sich für eine möglichst große Zahl von Radtypen eine lückenlose Abdeckung des Radumfanges ergibt. Dies wird in der Regel durch 20 Meßstellen pro Schiene erreicht, die in bis zu drei Gruppen, in vorbestimmten Abständen an der Schiene angebracht sind. Ferner könnte durch eine Veränderung der Schwellenfachteilung das Meßstellenraster verändert werden.
Für den Fall, daß der Achsabstand der Schienenfahrzeuge größer ist als der Radumfang eines Schienenrades, genügt eine Meßbrücke mit der Meßlänge des Radumfanges, also beispielsweise ein auf Druckmeßgebern gelagertes separiertes Schienenstück, deren Summensignal anstelle des DMS-Signales einer Einrichtung gem. Fig. 1 eingegeben wird. Die Weiterverarbeitung der jeweiligen Spitzen- und Mittelwerte kann analog zu der in Fig. 2 beschriebenen Weise geschehen, wobei jedoch der Multiplexbetrieb dann entfallen kann, da sich auf der Meßstrecke (= separiertes Schienenstück) nur jeweils ein Schienenrad befindet.
In Fig. 3 sind parallel übereinander der Verlauf des ungefilterten Radlastsignals (obere Kurve) sowie des mittels eines Tiefpaßfilters gefilterten, einen Mittelwert darstellenden, Radlastsignals (untere Kurve) für eine bestimmte Meßstelle einer Meßstrecke aufgezeichnet. Zu Erkennen ist der Radlastverlauf von vier die Meßstelle nacheinander überfahrender Räder 1 - 4, wobei die Spitzenwerte Q _{S 2} und Q _{S 4} der Räder 2 und 4 erheblich über denen der Räder 1 und 3 liegen. Da die entsprechenden Mittelwerte Q _{M 2} und Q _{M 4} der Räder 2 und 4 mit denen der Räder 1 und 3 vergleichbar sind, kann also aus der Differenz bzw. aus dem Quotienten zwischen Q _S und Q _M bei den Rädern 2 und 4 auf das Vorhandensein einer Flachstelle geschlossen werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Flachstellen an Schienenrädern bei fahrenden Schienenfahrzeugen mit einer in Abschnitte unterteilten Meßstrecke, wobei die Belastung des Abschnittes durch ein Schienenrad gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Verlauf der Belastung kontinuierlich über die Länge eines Abschnittes erfaßt wird,

b) daß aus dem Belastungsverlauf je eines Abschnittes ein der Radaufstandskraft eines flachstellenfreien Rades entsprechender Mittelwert (Q _M ) und der Spitzenwert (Q _S ) des Belastungsverlaufs ermittelt werden und

c) daß für jeden Abschnitt der Mittelwert mit dem Spitzenwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Mittelwert (Q _M ) mittels Tiefpaßfilterung gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Quotient und/oder die Differenz aus Mittelwert (Q _M ) und Spitzenwert (O _S ) des Belastungsverlaufs mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsverlauf durch Messung der elastischen Verformung der Schiene ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsverlauf der Schiene mittels an den Schienen angeordneten Dehnungsmeßstreifen (DMS) gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Abschnitte längs einer Schiene mindestens dem Quotienten aus dem Radumfang und der wirksamen Meßlänge eines Abschnittes entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Belastungsverlaufs mehrerer, die Meßstrecke gleichzeitig überfahrender Schienenräder im Multiplexbetrieb erfolgt, wobei die jedem Schienenrad zugeordneten Meßwerte der einzelnen Abschnitte einem Rechner zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Belastungsverlaufs eine Radlastwaage verwendet wird.