AT519121A4

AT519121A4 - Verfahren und Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens gegenüber dem Fahrgestell

Info

Publication number: AT519121A4
Application number: ATA50952/2016A
Authority: AT
Inventors: Knoll Markus; Gerhard Schandl Dr; Florian Magerl Dr
Original assignee: Siemens Ag Oesterreich
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-04-15
Also published as: CN109937167A; EP3487747A1; ES2827828T3; CN109937167B; WO2018073331A1; EP3487747B1; AT519121B1

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) eines Schienenfahrzeugs (3), wobei ein dem Wankwinkel proportionales Signal (S) bandpaßgefiltert wird und der Betrag des bandpaßgefilterten Signals (Sfilter) mit einem Grenzwert (Slim) verglichen wird und ein Wanken anhand der mehrmaligen Überschreitung des Grenzwerts (Slim) innerhalb eines Beobachtungszeitraums (T) festgestellt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens gegenüber dem Fahrgestell.

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines

Schienenfahrzeugwagenkastens gegenüber dem Fahrgestell.

Stand der Technik

Schienenfahrzeuge können um ihre Längsachse zu Schwingungsbewegungen angeregt werden. Dabei federn abwechselnd die Fahrwerksfedern der rechten und linken Wagenseite ein, was zu entsprechenden Wankbewegungen des Wagenkastens führt. Diese Bewegung kann von Passagieren als unkomfortabel empfunden werden und in Extremfällen auch sicherheitsrelevant sein. Zur Reduktion der Wankbewegung werden gemäß dem Stand der Technik Dämpfer parallel zu den Fahrwerksfedern eingesetzt, welche die Bewegungsenergie des Wagenkastens in Wärme wandeln. Die Anregung der Wankbewegung erfolgt im Allgemeinen durch den Streckenverlauf in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, beispielsweise durch das Durchfahren von Weichenstraßen mit einer Geschwindigkeit, die geeignet ist, die Wankeigenfrequenz des Fahrzeugs anzuregen. Eine solcherart ausgelöste Wankbewegung ist unkritisch und klingt rasch ab. Jedoch gibt es eine weitere Möglichkeit diese Wankbewegung vorsätzlich, durch koordiniertes Fehlverhalten von Passagieren herbeizuführen. Beispielsweise kann eine Gruppe von Passagieren durch gemeinsames Schaukeln an Haltestangen diese Wankbewegung hervorrufen. Eine so ausgelöste Wankbewegung klingt nicht rasch ab und besteht solange die Anregung erfolgt. Es kann gelingen, die Wankeigenfrequenz exakt und über einen längeren Zeitraum zu treffen, was zu beträchtlichen Wankwinkeln des Wagenkastens führen kann. Dem Fahrzeugführer ist eine solche Wankbewegung nicht unmittelbar ersichtlich, nur wenn das Triebfahrzeug davon betroffen ist kann dieser Zustand erkannt und darauf reagiert werden. Bei fahrerlos betriebenen Fahrzeugen, wie modernen U-Bahnen gibt es keine Möglichkeit zur Erkennung dieses Zustands.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens gegenüber dem Fahrgestell anzugeben, welches dauerhafte Wankbewegungen (Schwingungen um die Längsachse) sicher erkennen und von transienten Wankbewegungen zu unterscheiden vermag.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Einrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung eines

Schienenfahrzeugwagenkastens gegenüber dem Fahrgestell (2) mit folgenden Verfahrensschritten beschrieben: - Ermitteln eines der momentanen Verdrehung des Wagenkastens um die Längsachse des Schienenfahrzeugs proportionalen Signals, - Zuführen dieses Signals an einen Bandpaßfilter, - Vergleich des im vorherigen Schritt gefilterten Signals mit einem Grenzwert, - Auslösen eines Beobachtungszeitraums mit bestimmter Länge wenn das gefilterte Signal den Grenzwert überschreitet, - Zählung der Anzahl der Grenzwertüberschreitungen des gefilterten Signals innerhalb des Beobachtungszeitraums, - Erkennung einer Wankbewegung wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraums mehrmals Grenzwertüberschreitungen des gefilterten Signals gezählt wurden, - Ausgeben eines die Wankbewegung anzeigenden Signals.

Dadurch ist der Vorteil erzielbar, dauerhafte Wankbewegungen erkennen zu können und eine Alarmierung vornehmen zu können. Insbesondere kann eine Unterscheidung zwischen kurzfristigem (transientem) Wanken und vorsätzlich herbeigeführten Wanken unterschieden werden.

Das Erfindungsgemäße Verfahren nutzt ein Signal, welches der momentanen Verdrehung des Wagenkastens um die Längsachse des Schienenfahrzeugs im Bezug auf das Fahrgestell proportional ist. Ein solches Signal kann beispielsweise durch einen Neigungswinkelsensor gewonnen werden, welcher unmittelbar den Wankwinkel zwischen dem Wagenkasten und einem Fahrgestell bestimmt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Drehratensensor an dem Wagenkasten vorzusehen und dessen Ausgangssignal nach zeitlicher Integration als den Wankwinkel anzeigendes Signal heranzuziehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Druckunterschiede in den Luftfederbälgen als Maß für den Wankwinkel heranzuziehen.

Dieses, den Wankwinkel beschreibende Signal ist in einem ersten Schritt einer Bandpaßfilterung zu unterziehen, um irrelevante Frequenzen in dem Signal auszufiltern. Die Mitte das Durchlaßbereichs des Bandfilters ist dabei im Wesentlichen auf die Wankeigenfrequenz des Feder - Masse -Systems aus Wagenkasten und Luftfedern auszulegen. Diese Wankeigenfrequenz ist von der Beladung des Schienenfahrzeugs abhängig, da üblicherweise der statische Gasdruck in den Luftfedern für eine Niveauregulierung variabel gestaltet ist und eine Druckveränderung eine Änderung der Federkonstante bewirkt. Typischerweise liegt eine Wankeigenfrequenz eines gebräuchlichen Schienenfahrzeugs bei 0,5Hz. Eine Nachregelung der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Bandfilters in Abhängigkeit von dem statischen Gasdruck in den Luftfedern kann erfolgen um sicherzustellen, dass in allen Beladungszuständen eine exakte Wankerkennung gegeben ist und Fehlwarnungen vermieden werden.

Die gebräuchlichste Bauform moderner Schienenfahrzeuge sieht je Wagen zwei Drehgestelle mit je zwei Achsen vor, wobei je Drehgestell je eine linke und eine rechte Luftfeder angeordnet sind. Werden die Druckunterschiede in den Luftfederbälgen als Maß für den Wankwinkel herangezogen, so ist es vorteilhaft, die jeweiligen Druckunterschiede an den einzelnen Drehgestellen (der Luftfederbälge eines Drehgestells) zu summieren. Solcherart können gegenphasige Wankbewegungen nicht zu einer Auslösung der Wankerkennung führen.

Im Anschluß an die Bandfilterung erfolgen eine Betragsbildung des bandgefilterten Signals und der Vergleich dieses Betragssignals mit einem vorgegebenen Grenzwert. Dieser Grenzwert ist jenem Wankwinkel proportional, ab welchem eine

Wankwarnung erfolgen soll. Jedoch soll nicht bei einmaligem, transienten Überschreiten dieses Wankwinkels eine Warnung erfolgen, sondern erst sobald eine konstante, nicht mehr abklingende Schwingung festgestellt wurde. Dazu wird bei Überschreiten des Winkels bei dem eine Warnung erfolgen soll ein Zeitglied über einen bestimmten Beobachtungszeitraum ausgelöst und die Anzahl der Überschreitungen in diesem Beobachtungszeitraum gezählt. Überschreitet diese Anzahl den Wert 3, so deutet dies mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf eine nicht mehr, oder viel zu langsam abklingende Schwingung des Wagenkastens gegenüber dem Fahrgestell hin und es wird eine Warnsignal ausgegeben.

Dieses Warnsignal kann dabei vorteilhafterweise dem Fahrzeugführer zur Ansicht gebracht werden. Insbesondere vorteilhaft ist es, dieses Warnsignal einer Fahrzeugsteuerung zuzuführen, welche daraufhin die maximale Fahrgeschwindigkeit begrenzt. Bei fahrerlos betriebenen Fahrzeugen ist darüber hinausgehend eine Übermittlung dieses Warnsignals ein eine ortsfeste Einrichtung vorteilhaft, sodass der Fährbetrieb entsprechend gesteuert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise mittels einer Wankerkennungseinrichtung ausgeführt, welche eine Steuereinrichtung umfasst, in welcher die Verarbeitungsschritte ausgeführt werden. Dieses Steuereinrichtung ist das der momentanen Verdrehung des Wagenkastens um die Längsachse des Schienenfahrzeugs relativ zum dem Fahrgestell proportionale Signal zuzuführen. In der Steuereinheit ist ein Bandpaßfilter anzuordnen, welches das zugeführte Signal bandpaßfiltert. Die Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Bandpaßfilters ist dabei im Wesentlichen auf die Wankeigenfrequenz des Schienenfahrzeugs abzustimmen.

Weiters umfasst die Steuereinrichtung eine

Betragsbildungseinheit zur Bildung des Betrag des gefilterten Signal. Weiters ist eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich des Betrags des Signals mit einem bestimmten Grenzwert vorzusehen, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts ein Zeitglied auszulösen ist, welches für einen bestimmten Beobachtungszeitraum eine Zählung der

Grenzwertüberschreitungen bewirkt. Der Beobachtungszeitraum ist typischerweise auf eine Länge von mehr als drei Schwingungsperioden der Wankeigenfrequenz festzulegen. Beispielsweise kann der Beobachtungszeitraum bei einer Wankeigenfrequenz von 0,5 Hz auf einen Wert von 6 bis 7 Sekunden festgelegt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass mehrmalige Grenzwertüberschreitungen in einem Beobachtungszeitraum festgestellt werden können. In praktischen Anwendungsfällen sind drei aufeinanderfolgende Grenzwertüberschreitungen ein sicheres Indiz dafür, dass eine konstante Schwingung des Wagenkastens um die Längsachse erfolgt, welche nicht durch den Fährbetrieb angeregt ist, sondern deren Ursache im koordinierten Fehlverhalten mehrerer Passagier besteht und somit vorsätzlich hervorgerufen wird, bzw. ein Schaden an einem Fahrwerk vorliegt, durch welche keine adäquate Wankdämpfung erfolgt.

Die konkrete Anzahl an Grenzwertüberschreitungen, welche zu einer Warnung führen sollen, ist auf den jeweiligen konkreten Anwendungsfall hin zu bemessen. Es ist jedoch jedenfalls nur eine geringe Anzahl an Grenzwertüberschreitungen erforderlich, sodass eine sehr frühzeitige Warnung erfolgen kann, bevor potentiell gefährliche Betriebszustände auftreten. Läuft ein BeobachtungsZeitraum ab, in welchem weniger Grenzwertüberschreitungen zählbar waren, so wird keine Warnung ausgegeben und der Ablauf beginnt erneut.

Wird eine ausreichende Anzahl Überschreitungen festgestellt, so übermittelt die Steuereinrichtung ein Warnsignal, welches den Fahrzeugführer auf diesen außergewöhnlichen Zustand in einem Wagen des Zuges hinweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dabei auch eine automatische Begrenzung der maximalen Fahrgeschwindigkeit vorzunehmen.

Weiters kann es vorteilhaft sein, eine Übertragung dieser Warnmeldung an eine ortsfeste Einrichtung vorzusehen, was insbesondere bei fahrerlos betriebenen Fahrzeugen wesentlich ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen beispielhaft:

Fig.l Flußdiagramm eines Verfahrens zur Wankerkennung.

Fig.2 Schienenfahrzeug, Schnittdarstellung.

Fig.3 Einrichtung zur Wankerkennung.

Ausführung der Erfindung

Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Wankerkennung. Der in dem Flußdiagramm dargelegte Verfahrensablauf sieht die Zuführung eines Wanksignals - an Bandfilter vor. In weiterer Abfolge wird der

Betrag des Ausgangssignals bestimmt. Das Betrags signal des Bandfilters wird einem Vergleich mit einem Grenzwert ^itn unterworfen. Gemäß der Beziehung ^ erfolgt eine

Entscheidung, wobei bei Nichterfüllen der Beziehung I ^ I g ^ r/ibipf1! ]ζθ3_η Wanken erkannt wird und das Verfahren vom ersten Verarbeitungsschritt an wieder beginnt. Ist die

Beziehung ' fiffl erfüllt, d.h. das Betragssignal größer als der Grenzwert, so beginnt der Ablauf eines Beobachtungszeitraums Τ’ mit bestimmter Länge. Gleichzeitig wird die Anzahl der Überschreitungen in dem

Beobachtungszeitraum Τ’ gezählt, wobei die erste, den Ablauf des Beobachtungszeitraums Τ' auslösende Überschreitung mitgezählt wird. Gezeigtes Ausführungsbeispiel weist eine Anzahl erforderlicher Überschreitungen von drei auf. Werden also drei Überschreitungen in dem Beobachtungszeitraum Τ’ erkannt, so wird ein Wanken erkannt und ein Warnsignal 10 ausgegeben. Werden weniger als drei Überschreitungen in dem Beobachtungszeitraum Τ’ gezählt, so wird kein Wanken erkannt und das Verfahren läuft mit dem ersten Verarbeitungsschritt weiter.

Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Schnittdarstellung durch ein Schienenfahrzeug. Es ist ein Schnitt durch ein Schienenfahrzeug 3 quer zur Längsrichtung im Bereich eines Fahrgestells 2 dargestellt. Zwischen dem Fahrgestell 2 und dem Wagenkasten 1 ist eine linke 4 und eine rechte 5 Luftfeder angeordnet. Weitere Bauteile, wie beispielsweise Wankdämpfer sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Der Wagenkasten ist weiters in einer weiteren Position 1'dargestellt, in welcher er sich bei starker Wankbewegung befindet. In gezeigter Position 1' ist aufgrund der Wankbewegung der Gasdruck in der linken Luftfeder 4 gegenüber dem Gasdruck in der rechten Luftfeder 5 erhöht. Dieser Druckunterschied kann in gegenständlichem Verfahren zur Wankerkennung herangezogen werden. Gebräuchlicherweise ist eine Verbindung der Gasräume der Luftfedern 4, 5 vorgesehen, jedoch erfolgt ein Überströmen bei einem Druckunterschied wesentlich langsamer als die Druckmodulation aufgrund des Wankens.

Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Einrichtung zur Wankerkennung. Die Einrichtung umfasst Steuereinrichtung 11, eine linke Druckmesseinrichtung 6 zur Bestimmung des Gasdrucks in einer linken Luftfeder 4 und eine rechte Druckmesseinrichtung 7 zur Bestimmung des Gasdrucks in einer rechten Luftfeder 5. Die in den Druckmesseinrichtungen 6, 7 übermitteln den gemessenen Gasdrücken proportionale Signale pi und pl an einen Differenzbilder 8 in der Steuereinrichtung 11. Das durch den Differenzbilder 8 ermittelte Differenzdrucksignal &P wird an eine Logik 9 weitergeleitet, welche die weiteren Verfahrensschnitte ausführt wie sie in der Beschreibung zu Fig.l angeführt sind. Die Logik 9 ist zur Ausgabe eines Warnsignals 10 eingerichtet.

Liste der Bezeichnungen 1 Schienenfahrzeugwagenkasten 2 Fahrgestell 3 Schienenfahrzeug 4 Luftfeder links 5 Luftfeder rechts 6 Druckmesseinrichtung links 7 Druckmesseinrichtung rechts 8 Differenzbilder 9 Logik 10 Warnsignal 11 Steuereinrichtung J Wanksignal '.''hi' Bandpaßgefiltertes Wanksignal Grenzwert

Beobachtungszeitraum Gasdruck linke Luftfeder Gasdruck rechte Luftfeder Differenzdruck

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) mit folgenden Verfahrensschritten: - Ermitteln eines der momentanen Verdrehung des Wagenkastens um die Längsachse des Schienenfahrzeugs (3) proportionalen Signals (5), - Zuführen dieses Signals (-^) an einen Bandpaßfilter, - Betragsbildung des im vorherigen Schritt gefilterten Signals (^Plterr) und Vergleichen des Betrags des Signals mit einem Grenzwert (£iim) , - Auslösen eines Beobachtungszeitraums (Τ’) mit bestimmter Länge wenn der Betrag des gefilterten Signals den Grenzwert (£f(m) überschreitet, - Zählung der Anzahl der Grenzwertüberschreitungen des gefilterten Signals innerhalb des Beobachtungszeitraums (Τ'), - Erkennung einer Wankbewegung wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraums (Τ') mehrmals Grenzwertüberschreitungen des gefilterten Signals () gezählt wurden, - Ausgeben eines die Wankbewegung anzeigenden Signals (10) .
2. Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Wankbewegung anzeigenden Signal (10) eine Limitierung der maximalen Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (3) bewirkt.
3. Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Wankbewegung anzeigenden Signal (10) zur Warnung eines Fahrzeugführers herangezogen wird.
4. Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Wankbewegung anzeigende Signal (10) an eine ortsfeste Einrichtung übertragen wird.
5. Verfahren zur Erkennung einer Wankbewegung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erkennung einer Wankbewegung erfolgt, wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraums (T) drei Grenzwertüberschreitungen des gefilterten Signals (^/tfcer) gezählt wurden.
6. Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (11) und eine Einrichtung zur Ermittlung der momentanen Verdrehung des Wagenkastens (1) um die Längsachse des Schienenfahrzeugs (3) relativ zu dem Fahrgestell (2) vorgesehen sind, wobei die Einrichtung zur Ermittlung der momentanen Verdrehung des Wagenkastens (1) um die Längsachse des Schienenfahrzeugs (3) relativ zu dem Fahrgestell (2) ein der Verdrehung proportionales Signal ($) an die Steuereinrichtung (11) übermittelt, wobei die Steuereinrichtung (11) einen Bandpaßfilter zur Filterung des Signals (-Sj umfasst, und eine Vergleichseinheit zum Vergleich des Betrags des Ausgangssignals (fytterr) des Bandpaßfilters mit einem Grenzwert (Jttwl) umfasst, wobei bei Überschreiten des Grenzwerts (iitwJi) ein Zeitglied für einen Beobachtungszeitraums (^) mit bestimmter Länge ausgelöst wird, und wobei eine Zähleinrichtung die Anzahl der Überschreitungen des Grenzwerts (£ffm) innerhalb des Beobachtungszeitraums (^) ermittelt, und wobei die Steuereinrichtung (11) ein die Wankbewegung anzeigendes Signal (10) ausgibt, wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraums (T) mehrmals Überschreitungen erfolgt sind.
7. Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der momentanen Verdrehung des Wagenkastens um die Längsachse des Schienenfahrzeugs relativ zu dem Fahrgestell zwei Druckmesseinrichtungen (6, 7) umfasst, welche jeweils zur Ermittlung des Gasdrucks in je einer Luftfeder (4, 5) eines Fahrwerks eingerichtet sind und wobei ein der Differenz dieser Gasdrücke proportionales Signal als ein der Verdrehung proportionales Signal an die Steuereinrichtung (11) übermittelt wird.
8. Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) ein die Wankbewegung anzeigendes Signal (10) ausgibt, wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraums (?) drei Überschreitungen des Grenzwerts (iffm) erfolgt sind.
9. Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der momentanen Verdrehung des Wagenkastens (1) um die Längsachse des Schienenfahrzeugs (3) relativ zu dem Fahrgestell (2) einen Neigungswinkelsensor umfasst.
10. Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung eines Schienenfahrzeugwagenkastens (1) gegenüber dem Fahrgestell (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der momentanen Verdrehung des Wagenkastens (1) um die Längsachse des Schienenfahrzeugs (3) relativ zu dem Fahrgestell (2) einen Drehratensensor umfasst.
11.Schienenfahrzeug, umfassend eine Einrichtung zur Erkennung einer Wankbewegung nach einem der Ansprüche 6 bis 10.