AT503622B1 - Verfahren zum bestimmen von zwischen einem schienenfahrzeug und einer schiene auftretenden kräften - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN VON ZWISCHEN EINEM SCHIENENFAHRZEUG UND EINER SCHIENE AUFTRETENDEN KRÄFTEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von zwischen einem fahrenden Schienenfahrzeug und einer Schiene auftretenden Kräften unter Einsatz eines, Dehnungsmessstreifen umfassenden Messsystems, bei dem die Dehrtungsmessstreifen an einem eine Achswelle und/oder Radscheiben aufweisenden Radsatz des Schienenfahrzeuges befestigt werden, das Messsystem anschließend unter Gewinnung von Kalibrierungskoeffizienten kalibriert wird, Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem von den rotierenden Dehnungsmessstreifen während der Fahrt des Schienenfahrzeuges erfasst werden, die erfassten Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem in ein stehendes Koordinatensystem unter Gewinnung von Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem transformiertwerden und die Kräfte aus den Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem unter Verwendung der Kalibrierungskoeffizenten berechnet werden, wobei beim Kalibrieren eine Fehlerkorrektur zum Unterdrücken einer Restwelligkeit durchgeführt wird.

[0002] Ein solches Verfahren ist aus dem in ZEVrail Glasers Annalen, 126 - 5 I auf den Seiten 190 bis 199 erschienen Artikel „Die Querkräfte der Hochleistungslokomotiven der Reihe 1016/1116" von Werner Breuer und Peter-Jürgen Gaede bereits bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden die auf einen Radsatz eines Schienenfahrzeuges wirkenden Kräfte untersucht. Hierbei kommt ein Dehnungsmessstreifen umfassendes Messsystem zum Einsatz, wobei die Dehnungsmessstreifen an den Radscheiben eines Radsatzes befestigt werden. Insbesondere bei hohen Belastungen werden hohe Kräfte in die Radsätze eingeleitet, die zur elastischen Verformungen der Radscheibe führen. Die Verformungen der Radscheiben werden von den Dehnungsmessstreifen erfasst. Geht man von einem linearen Zusammenhang zwischen den Verformungen bzw. den durch die Dehnungsmessstreifen erfassten Dehnungen und den Kräften aus, welche die Verformung verursachen, können die Kräfte durch Lösung eines linearen Gleichungssystems aus den gemessenen Dehnungen bestimmt werden. Zur Lösung des Gleichungssystems sind jedoch in einem Kalibrierungsschritt Kalibrierungskoeffizienten zu bestimmen. Eine Schwierigkeit der Messung liegt darin begründet, dass die Dehnungsmessstreifen während der Fahrt mit der Achse oder den Radscheiben rotieren, so dass die erhaltenen Dehnungsmessungen in ein schienenfestes oder mit anderen Worten stehendes Koordinatensystem umgerechnet werden müssen. Durch Multiplikation der in Abhängigkeit der Zeit gemessenen Dehnungen mit einer Sinus- bzw. Kosinusfunktion und geeignete Addition solcher Produkte erhält man ein periodisches jedoch leider nur in erster Näherung sinusförmiges Dehnungssignal. Vielmehr weist das so erhaltene Dehnungssignal eine so genannte Restwelligkeit auf, die im Englischen Rippel genannten wird. Zur Unterdrückung der Restwelligkeit wird ein gezieltes Kalibrieren der Radsätze vorgeschlagen. Genauere Ausführungen zum gezielten Kalibrieren sind der besagten Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

[0003] Weitere Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Kräfte zwischen dem Radsatz eines Schienenfahrzeuges und einer den Radsatz führenden Schiene sind in den Artikeln „Radsatzwelle und Radscheibe - die richtige Kombination zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene" von Hermann Berg, Gustav Gößling und Herbert Zück, erschienen in ZEV + DET Glas. Ann. 120 (1996) Nr. 2, Seite 40, „Der heutige Entwicklungsstand der Messmethode „Radsatzwellenverfahren" zur Bestimmung zwischen Rad und Schiene" von Max Ostermeyer, Her-man Berg und Heinz-Herbert Zuck, erschienen in ZEV-Glas. Ann. 102 (1978) Nr. 2 und „Ermittlung der Kräfte zwischen Rad und Schiene aus den Biegedehnungen der Radsatzwelle" von Michael Zeilhofer, Günter Sühsmuth Günter von Piwenitzky, erschienen im ZEV-Glas. Ann. 96 (1972) Nr. 12, Seite 373 offenbart.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine Restwelligkeit unterdrückt werden kann.

[0005] Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß einer ersten Variante dadurch, dass das Kalib- 1 /11 österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15 rieren das Bestimmen von Fehlerkräften in Abhängigkeit eines Radaufsatzpunktes und eines Drehwinkels des Radsatzes umfasst, wobei die Fehlerkräfte aus der Differenz zwischen den beim Kalibrieren gemessenen Kräften und den unter Verwendung der Kalibrierkoeffizienten berechneten Kräften bestimmt werden, eine Fouriertransformation der Fehlerkräfte unter Gewinnung von Restwelligkeitsordnungskonstanten durchgeführt wird, aus den Restwelligkeitsordnungskonstanten durch eine inverse Fouriertransformation Restwelligkeitskorrekturkonstanten berechnet werden und die Restwelligkeitskorrekturkonstanten von den berechneten Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem abgezogen werden.

[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß einer zweiten Variante dadurch, dass die Kalibrierkoeffizienten in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Radsatzes unter Gewinnung von winkelabhängigen Kalibrierkoeffizienten erfasst werden, wobei die Kräfte aus der Dehnungsänderung unter Verwendung der winkelabhängigen Kalibrierkoeffizienten berechnet werden.

[0007] Erfindungsgemäß sind dem Fachmann Möglichkeiten an die Hand gegeben, mit der dieser bereits beim Kalibrieren des zu untersuchenden Radsatzes Vorkehrungen in Form angelegten Datenbanken treffen kann, mit denen die Unterdrückung der unerwünschten Restwelligkeit ermöglicht ist. Erfindungsgemäß ist somit eine genauere Analyse der Kräfte zwischen Schiene und Rad ermöglicht. Das bislang bestehende Risiko, dass Schienenfahrzeugen die Zulassung aufgrund zu hoher Kräfte zwischen Radsatz und Schiene verweigert wird, obwohl die Überschreitung der vorgegebenen Toleranzen lediglich durch Messfehler hervorgerufen wurde, ist im Rahmen der Erfindung somit herabgesetzt.

[0008] Vorteilhafterweise umfassen die im Rahmen der Erfindung bestimmten Kräfte Radaufsatzkräfte, die in vertikaler Richtung zwischen Radsatz und Schiene wirken, Führungskräfte Y, die in Querrichtung zu den Radaufsatzkräften wirken, und Tangentialkräfte T, die in Fahrtrichtung, also senkrecht zur Ebene wirken, die von den Radaufsatzkräften Q und den Radführungskräften Y aufgespannt wird.

[0009] Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020]

Figur 1 eine schematische Darstellung zur Definition der Kräfte und der verwendeten Koordinatensysteme zeigt,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Radscheibe in einer Drauf sicht zur Definition verwendeter Variablen,

Figur 3 die Radscheibe gemäß Figur 2 in einer geschnittenen Teilansicht zur Definition verwendeter Variablen,

Figur 4 eine schematisch dargestellte Radscheibe mit einer übersichtlichen

Anzahl von Dehnungsmessstreifen mit zugeordneten Variablen,

Figur 5 eine Dehnungsmessung zweier Dehnungsmessstreifen gemäß

Figur 4, wobei die Dehnungsmessstreifen rotieren,

Figur 6 eine zweckmäßige Addition beziehungsweise Multiplikation der

Dehnungsmessungen gemäß Figur 5,

Figur 7 eine Fouriertransformation der Dehnungsänderung gemäß Figur 6,

Figur 8 die beim Kalibrieren bestimmten Fehlerkräfte in Abhängigkeit des

Radaufsatzpunktes und des Drehwinkels des Radsatzes,

Figur 9 eine Fouriertransformation der Fehlerkräfte gemäß Figur 8 und

Figur 10 bis Figur 12 die beim Kalibrieren bestimmten Kalibrierungskoeffizienten in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Radsatzes zeigen.

Figur 1 zeigt Teile zweier Radscheiben 1 und 2 eines Radsatzes und verdeutlicht ein 2/11 österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15 schienenfestes Koordinatensystem X0, Y0, Z0 sowie Radaufstandskräfte Q, Führungskräfte Y und Tangentialkräfte in Fahrtrichtung, die hier mit Tx bezeichnet sind. Ferner ist eine Verschiebung eines Radaufsatzpunktes 3 bezüglich einer mit e0 bezeichneten Messebene definiert.

[0021] Figur 2 zeigt eine der Radscheiben 1 gemäß Figur 1 in einer Draufsicht, wobei die Koordinaten x und z sowie ein Drehwinkel Φ erkennbar sind.

[0022] Figur 3 zeigt Teile der Radscheibe gemäß Figur 2 in einer Querschnittsansicht, wobei die mit z bezeichnete Koordinate in der Querschnittsebene e0 gemäß Figur 1 liegt. Der Radaufsatzpunkt ist in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel aus der Messebene e0 heraus verschoben und mit 3 bezeichnet. Die Radaufstandskräfte Q werden daher in Pfeilrichtung in den mit 3 bezeichneten Radaufstandspunkt eingeleitet. Die Verschiebung des Radaufsatzpunktes bezüglich der Messebene e0 ist wiederum mitAy bezeichnet.

[0023] Die Figuren 4 bis 7 verdeutlichen eine vereinfachte Messung sowie deren Ergebnisse zum besseren Verständnis der Vorgehensweise. So zeigt Figur 4 die Draufsicht auf eine Radscheibe 1 gemäß Figur 2, wobei Dehnungsmessstreifen 4 auf einem konstanten Radius bezüglich eines Radscheibenmittelpunktes 5 angeordnet sind. Dabei liegen die Dehnungsmessstreifen x0 und x180 einander auf einer Geraden in x-Richtung gegenüber und spannen miteinander bezüglich des Radscheibenmittelpunktes 5 einen Winkel von 180° auf. Entsprechendes gilt für die Dehnungsmessstreifen z0 und Z180, die auf der z-Achse einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Fährbetrieb kommt es zur Rotation der Radscheibe 1 und somit zur Rotation der Dehnungsmessstreifen 4. Die von den Dehnungsmessstreifen 4 gemessenen Dehnungsänderungen der Radscheibe 1 sind somit von dem Drehwinkel Φ der Radscheibe 1 abhängig.

[0024] Figur 5 zeigt die Dehnungsänderung im rotierenden Koordinatensystem εΓχ0 des Messstreifens sowie die Dehnungsänderung im rotierenden Koordinatensystem ε^ο des Messstreifens x180 in Abhängigkeit des Drehwinkels Φ. Bei einer Drehung in der in Figur 2 gezeigten Richtung um in etwa 90° erfährt der Dehnungsmessstreifen x0 seine größte Dehnungsänderung. Bei diesem Drehwinkel nimmt der Dehnungsmessstreifen x0 die Stellung des Dehnungsmessstreifens z180 ein. Bei einem Drehwinkel Φ von etwa 270° durchläuft die Dehnungsänderung im rotierenden Koordinatensystem des Dehnungsmessstreifens x0 wieder ein lokales Maximum, das jedoch im Vergleich zu demjenigen des Drehwinkels von 90° stark abgeschwächt ist. Bei einem Drehwinkel von Φ 270° nimmt der in Figur 4 mit x0 bezeichnete Dehnungsmessstreifen die in Figur 4 gezeigte Stellung des Dehnungsmessstreifens z0 ein. Entsprechende Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem ergeben sich für den Dehnungsmessstreifen x180.

[0025] In Figur 5 sind lediglich die Messungen dargestellt, die aus den Dehnungsmessstreifen x0 und x180 erhalten werden. Analoge Messverläufe ergeben sich für die Dehnungsmessstreifen z0 und z180, wobei die Dehnungsänderungen jedoch phasenverschoben sind. Bei der Umrechnung in ein schienenfestes Koordinatensystem werden in einem ersten Verarbeitungsschritt die Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem der auf einem Scheibensegment um 180° versetzt angeordneten Messstellen addiert. Die daraus resultierenden Drehdehnungsverläufe ε,χο,ιβο und εΓζ0,ΐ80 sind in Figur 6 im oberen Teil der Darstellung gezeigt. Es wird erkennbar, dass die erhaltenen Kurvenformen bezüglich ihrer Maxima und Minima ausgeglichen und über eine volle Drehung der Radscheibe periodisch sind. Die Dehnungsänderung s°r im schienenfesten Bezugssystem wird durch Transformation der Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem gemäß s°r = srz0180 cos(O) - εγ x0 180 8Ϊη(Ψ) bestimmt. Der entsprechende Kurvenverlauf ist im unteren Teil von Figur 6 dargestellt.

[0026] Figur 7 zeigt eine Fouriertransformation oder mit anderen Worten das Spektrum der schienenfesten Dehnungsänderungen s°r gemäß Figur 6. Es ist erkennbar, dass εχ eine Restwelligkeit aufweist und aus verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt ist. Wie aus dem s°r-Verlauf zu erwarten ist, dominiert die Welligkeit mit dem Vierfachen der Raddrehzahl das s°r-Signal. Jedoch sind auch die Zwei-, Sechs- und Achtfachen Frequenzen der Raddrehzahlen mit 3/11 österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15 deutlichen Amplituden an der Restwelligkeit beteiligt. Die Verteilung der Vielfachen der Frequenzen der Raddrehzahl wird von der Lage der Messstellen an der Radscheibe und darüber hinaus von der Verschiebung Ay des Radaufsatzpunktes in Querrichtung bestimmt. Nahe am Spurkranz liegende Messstellen führen beispielsweise zu höheren Amplituden bei der sechs-und achtfachen Raddrehzahl, da hier der Einfluss der Radaufstandskräfte Q auf die Scheibendehnungsstärke ausgeprägter ist, als bei weiter innen liegenden Radien.

[0027] Die Restwelligkeit in den gemessenen Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem verfälschen die Ergebnisse der lauftechnischen Messungen, da diese Dehnungsänderungen über die Lösung spezieller Gleichungssysteme in die gesuchten Radkräfte umgerechnet werden. Die Umrechnung erfolgt im Allgemeinen mittels spezieller Messrechner, die das Gleichungssystem während der fahrtechnischen Zulassungsfahrten in Echtzeit lösen. Die folgende Gleichung 1 gibt beispielhaft die Lösung eines Radscheibengleichungssystems bei bekannter Radauf Standskraft Q an:

Sx-Kia'Q-Ki.Y’V+KwQ'ty f11

Bi-Kw'Q^Kw^+Kw'Q'1y <2> [0028] Unbekannte des obigen Gleichungssystems sind die Führungskraft Q und die Lage des Kontaktpunktes auf der Lauffläche Ay, wobei Ay=0 der Messkreisebene ε0 gemäß Figur 1 entspricht. Gemessen werden ε·\, die Dehnungsänderung in der Messebene 1, und ε2, die Dehnungsänderung in der Messebene 2. k1iQ, k2,q , K1iQe und K2,Qesind Kalibrierkoeffizienten. Mit ε\=εΐ~ ‘Q f ε2= ε2~ 12,ß ' Q folgt

Q K\S£l,y Kl,y'£l 1 1., ’ ~ Kl,y ' 11 ,ße und KUy [0029] Wird der durch die Restwelligkeit hervorgerufene Messfehler nicht korrigiert, kann es beispielsweise für die Spurführungskräfte Y zu einem Messfehler bis zu 10 kN kommen. Fehler in einer solchen Größenordnung sind unerwünscht, da es sich bei diesen Größenordnungen um für die Zulassung des Schienenfahrzeuges relevante Größen handeln kann.

[0030] Figur 8 verdeutlicht einen ersten Verfahrensschritt zur Beseitigung der Restwelligkeit gemäß einer ersten Variante der Erfindung. So werden beispielsweise die Fehler bei der Bestimmung der Spurführungskräfte bestimmt. Dies erfolgt durch direkte Messung der Spurführungskräfte mittels einer Kalibriervorrichtung, die beispielsweise in ZEV+DET Glas. Ann. 120 (1996) Nr. 2, Seite 44 gezeigt ist. In einem zweiten Schritt werden mit den beim Kalibrieren gewonnenen Kalibrierungskoeffizienten die Spurführungskräfte Y berechnet. Die Fehlerkräfte werden durch einfache Differenzbildung dieser Spurführungskräfte erhalten. In Figur 8 sind die Fehlerkräfte 5 in Abhängigkeit der Lage des Radaufsatzpunktes, die an der Achse 6 abgetragen, ist und in Abhängigkeit des Drehwinkels des Radsatzes, der auf der Achse 7 abgetragen ist, gezeigt. 4/11

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15 [0031] Figur 9 zeigt die genormte Fouriertransformation der in Figur 8 gezeigten Fehlerkräfte, wobei die Ordnung der Restwelligkeit der Spurführungskräfte Y auf einer Achse 8 abgetragen ist. Die Achse 6 entspricht wiederum der Lage des Radaufsatzpunktes. Die auf diese Weise gewonnenen Fourierkoeffizienten werden in einer Speichereinheit einer Recheneinheit als Parameter abgelegt, so dass bei einer späteren Echtzeitmessung die Restwelligkeit auf Grundlage der abgelegten Fouriertransformationsdaten unterdrückt werden kann. [0032] Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Fehlerkorrektur gemäß der zweiten Variante der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden die Kalibrierungskoeffizienten nicht nur für einen bestimmten Drehwinkel Φ des Radsatzes, sondern für verschiedene Drehwinkel Φ des Radsatzes bestimmt. Figur 10 zeigt die für die Berechnung der Spurführungskräfte gewonnenen Kablibrie-rungskoeffizienten K|,Y in Abhängigkeit des Drehwinkels Φ. [0033] Figur 11 zeigt die beim Kalibrieren gewonnenen Kalibrierungskoeffizienten K|,Q für die Radaufstandskräfte Q in Abhängigkeit des Drehwinkels Φ und Figur 12 die Kalibrierungskoeffizienten K|,Qe zur Berechnung des Moments, das sich aus der Querverschiebung Ay der Vertikalkraft Q auf der Lauffläche ergibt. [0034] Durch die Berücksichtigung der Restwelligkeit bereits bei der Bestimmung der Kalibrierungskoeffizienten wird die Restwelligkeit bei der Echtzeitmessung nahezu vollständig unterdrückt, so dass ein diesbezüglicher Fehler minimiert ist. Patentansprüche 1. Verfahren zum Bestimmen von zwischen einem fahrenden Schienenfahrzeug und einer Schiene auftretenden Kräften unter Einsatz eines, Dehnungsmessstreifen (4) umfassenden Messsystems, bei dem die Dehnungsmessstreifen an einem eine Achswelle und/oder Radscheiben (1, 2) aufweisenden Radsatz des Schienenfahrzeuges befestigt werden, das Messsystem anschließend unter Gewinnung von Kalibrierungskoeffizienten kalibriert wird, Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem von den rotierenden Dehnungsmessstreifen während der Fahrt des Schienenfahrzeuges erfasst werden, die erfassten Dehnungsänderungen in ein stehendes Koordinatensystem unter Gewinnung von Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem transformiert werden und die Kräfte aus den Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem unter Verwendung der Kalibrierungskoeffizenten berechnet werden, wobei beim Kalibrieren eine Fehlerkorrektur zum Unterdrücken einer Restwelligkeit durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren das Bestimmen von Fehlerkräften in Abhängigkeit eines Radaufsatzpunktes und eines Drehwinkels des Radsatzes umfasst, wobei die Fehlerkräfte aus der Differenz zwischen den beim Kalibrieren gemessenen Kräften und den unter Verwendung der Kalibrierkoeffizienten berechneten Kräften bestimmt werden, eine Fouriertransformation der Fehlerkräfte unter Gewinnung von Restwelligkeitsordnungskonstanten durchgeführt wird, aus den Restwelligkeitsordnungskonstanten durch eine inverse Fouriertransformation Restwelligkeitskorrekturkonstanten berechnet werden und die Restwelligkeitskorrekturkonstanten von den berechneten Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem abgezogen werden.
2. 2. Verfahren zum Bestimmen von zwischen einem Schienenfahrzeug und einer Schiene auftretenden Kräften unter Einsatz eines, Dehnungsmessstreifen (4) umfassenden Messsystems, bei dem die Dehnungsmessstreifen (4) an einem eine Achswelle und/oder Radscheiben (1, 2) aufweisenden Radsatz des Schienenfahrzeuges befestigt werden, das Messsystem anschließend unter Gewinnung von Kalibrierungskoeffizienten kalibriert wird, Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem von den rotierenden Dehnungsmessstreifen während der Fahrt des Schienenfahrzeuges erfasst werden, die erfassten Dehnungsänderungen im rotierenden Koordinatensystem in ein stehendes Koordinatensystem unter Gewinnung von Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem transformiert werden und die Kräfte aus den Dehnungsänderungen im schienenfesten Koordinatensystem unter Verwendung der Kalibrierungskoeffizenten berechnet werden, wo- 5/11 österreichisches Patentamt AT 503 622 B1 2011-11-15 bei beim Kalibrieren eine Fehlerkorrektur zum Unterdrücken einer Restwelligkeit durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierkoeffizienten in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Radsatzes unter Gewinnung von winkelabhängigen Kalibrierkoeffizienten erfasst werden, wobei die Kräfte aus der Dehnungsänderung im schienenfesten Koordinatensystem unter Verwendung der winkelabhängigen Kalibrierkoeffizienten berechnet werden.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in vertikaler Richtung zwischen Radsatz und Schiene wirkende Radaufsatzkräfte, in Querrichtung dazu wirkende Führungskräfte Y und in Fahrtrichtung des Radsatzes wirkende Tangentialkräfte T berechnet werden. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 6/11