AT528023A4

AT528023A4 - Modulare Bremsvorrichtung für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: AT528023A4
Application number: ATA50481/2024A
Authority: AT
Original assignee: Plasser & Theurer Export Von Bahnbaumaschinen Gmbh
Priority date: 2024-06-13
Filing date: 2024-06-13
Publication date: 2025-09-15
Also published as: AT528023B1; WO2025257161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulare Bremsvorrichtung (1) zur Umwandlung der im Wesentlichen translatorischen Energie eines Schienenfahrzeugs (6), insbesondere einer Gleisbaumaschine, mit einem Bremsmodul (42) zur Umwandlung in eine andere mechanische Energie und/oder Wärme und/oder mit einem Bremsmodul (41, 411, 412) zur Umwandlung in elektrische Energie, wobei vorgesehen ist, diese elektrische Energie mittels Transformator (31, 311) und Stromabnehmer (7) in ein streckenseitiges elektrisches Versorgungssystem rückzuführen und/oder mittels Stromwandler in eine fahrzeugseitige elektrische Speichervorrichtung (32) zu speichern und/oder mittels elektrischen Leistungswiderständen in Wärme umzuwandeln, wobei ein weiteres Bremsmodul (41, 16) zur vollständigen oder teilweisen Übertragung der translatorische kinetische Energie des Schienenfahrzeugs (6) an ein fahrzeugseitiges Fluidsystems (15, 20) eingerichtet ist.

Description

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Modulare Bremsvorrichtung für Schienenfahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine modulare Bremsvorrichtung zur Umwandlung der im Wesentlichen translatorischen Energie eines Schienenfahrzeuges, insbesondere einer Gleisbaumaschine, mit einem Bremsmodul zur Umwandlung in eine andere mechanische Energie und/oder Wärme und/oder mit einem Bremsmodul zur Umwandlung in elektrische Energie, wobei vorgesehen ist, diese elektrische Energie mittels Transformator und Stromabnehmer in ein streckenseitiges elektrisches Versorgungssystem rückzuführen und/oder mittels Stromwandler in eine fahrzeugseitige elektrische Speichervorrichtung zu speichern und/oder mittels

elektrischen Leistungswiderständen in Wärme umzuwandeln.

Schienenfahrzeuge, insbesondere Gleisbaumaschinen mit speziellen Arbeitsvorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, Gleismodule zu verlegen und/oder zu verbinden und/oder eine bestehende Gleislage zu vermessen und/oder zu berichtigen,

besitzen eine nennenswerte Masse.

Diese Masse wirkt verteilt auf Gewichtskräfte über die Radsätze der Fahrwerke auf die Schienen, wenn das Schienenfahrzeug auf einem Fahrweg eines Schienennetzes

steht oder fährt.

Ein charakteristischer Wert für die Masse eines als Gleisbaumaschine bezeichneten Schienenfahrzeugs beträgt 100t

oder 10° kg.

Gleisbaummaschinen, die aus mehreren Fahrzeugen oder Fahrzeugteilen mit Arbeitsaggregaten und/oder anderen funktionellen Modulen zu einem Schienenfahrzeugverband

zusammengestellt sind, besitzen eine Masse in der

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Größenordnung des Zehnfachen des charakteristischen Werts, wohingegen die Masse kleiner, kompakter Gleisbaumaschinen

weniger als ein Zehntel dieses Werts beträgt.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei der Verzögerung eines Schienenfahrzeugs ebenso wie bei der Beschleunigung neben der translatorischen Bewegungsänderung der gesamten Schienenfahrzeugmasse auch zu berücksichtigen ist, dass bei Teilen des Schienenfahrzeugs, insbesondere bei den rotierenden Radsätzen, eine rotatorische

Bewegungsänderung auftritt.

Dieser zusätzlich zu berücksichtigende Anteil der rotierenden Massen wird in der Regel mit einem Drehmassenfaktor berücksichtigt, der gemäß der Fachliteratur, wie in Joachim Ihme (22019), Schienenfahrzeugtechnik, Seite 112 angegeben, beispielsweise

zwischen 1,03 und 1,10 liegen kann.

Bedingt durch diesen charakteristischen Wert der Schienenfahrzeugmasse und den davon abgeleiteten Werten der Gewichtskräfte müssen hohe Bremskräfte aufgewendet und Bremsleistungen abgeführt werden, um die Geschwindigkeit einer auf einem Schienenfahrweg bewegten Maschine zu verringern oder deren weitere Beschleunigung aufgrund von Kraftwirkungen, deren Ursache außerhalb des Fahrzeugs liegt,

zu verhindern. Solche Kraftwirkungen können beispielsweise dann auftreten, wenn der Schienenfahrweg eine nennenswerte Steigung

aufweist.

Diese Kraftwirkungen entsprechen dann näherungsweise der

gesamten Gewichtskraft, die sich aufgrund der Masse des

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Schienenfahrzeugs und der Erdbeschleunigung ergibt,

multipliziert mit der Steigung als Vorfaktor.

Die Bremskräfte werden in Gleisbaumaschinen üblicherweise analog zu anderen Ausführungsformen von Schienenfahrzeugen mit Bremsvorrichtungen aufgebracht, die nach dem Prinzip von Reibungsbremsen wie Klotzbremsen oder Scheibenbremsen

arbeiten.

Die Ansteuerung dieser Reibungsbremsen kann dabei nach

verschiedenen Prinzipien erfolgen.

Bei Schienenfahrzeugen der Vollbahnen wird der Bremsvorgang gemäß WO 2020/069737 Al in der Regel durch eine veränderte Druckluftverteilung im Bremssystem mittels pneumatisch betriebener Komponente, die als Bremszange oder Bremssattel

bezeichnet wird, aktiviert.

Diese Komponente wirkt auf ein Bremselement, das in Reibverbindung entweder mit auf einer Radsatzwelle angebrachten Bremsscheibe oder aber direkt mit einer

Radlauffläche gebracht wird.

In DE 3122898 Al ist die dort beschriebene ArbeitsBremsanlage des Schienenfahrwerkes einer fahrbaren Gleisbaumaschine hydraulisch ausgebildet und besteht aus einem Bremsklotz und einem doppeltwirkenden Bremszylinder, während EP 4190648 Al ein Bremssystem mit einem

elektromechanischen Bremsaktuator offenbart. Die translatorische Bewegungsenergie am Beginn des

Bremsvorgangs einer auf dem Schienenfahrweg bewegten

Maschine wird bei Bremsvorrichtungen, die auf dem Prinzip

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der Reibungsbremse beruhen, praktisch gänzlich in Wärme

umgewandelt.

Die Aktivierung der mechanischen Reibungsbremse führt dabei

zu einem unvermeidlichen Verschleiß der Bremsbeläge.

Auf Steilstrecken besteht bei diesen Bremsvorrichtungen das

zusätzliche Risiko der Überhitzung.

Sind die Gleisbaumaschinen teilweise oder gänzlich mit elektrischen Antrieben ausgestattet, können diese in einem Generatorbetrieb die translatorische Bewegungsenergie der

Maschine in elektrische Energie umwandeln.

WO 2020/069737 Al offenbart ein Bremssystem für ein Schienenfahrzeug mit einer Mehrzahl von Radsätzen, wobei Jeder Radsatz ein erstes Rad und ein zweites Rad und eine sie verbindende Radsatzwelle umfasst und wobei wenigstens ein Bremsmodul des Bremssystems einer Radsatzwelle zugeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die Rotationsenergie der Radsatzwelle in elektrische Energie

umzuwandeln und dadurch das Schienenfahrzeug abzubremsen.

Diese elektrische Energie kann einerseits zum Wiederaufladen fahrzeugseitiger elektrischer Energiespeicher wie

Akkumulatoren oder Batterieanordnungen verwendet werden.

Andererseits kann die vorliegende elektrische Energie bei vorhandenem fahrzeugseitigem Stromabnehmer in eine streckenseitige elektrische Versorgungseinrichtung, beispielsweise eine Oberleitung oder eine Stromschiene,

rückübertragen werden.

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Besteht weder eine entsprechende streckenseitige Versorgungeinrichtung noch ein weiterer Ladebedarf der fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher, kann die elektrische Energie durch einen elektrischen Widerstand in

Wärme umgewandelt werden.

Wird zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor, als Antriebseinheit der Gleisbaumaschine eingesetzt, so kann die translatorische Bewegungsenergie teilweise durch Abstützung auf dieser

abgebaut werden.

Die weitere Bremsung der Gleisbaumaschinen erfolgt dann über

die beschriebene mechanische Bremsvorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine modulare Bremsvorrichtung eingangs genannter Art eine Verbesserung

gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

Insbesondere soll gegenüber dem Stand der Technik der

Verschleiß der Bremsvorrichtung verringert werden.

Weiters ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum

Betrieb der modularen Bremsvorrichtung offenzulegen.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch den

Anspruch 1 und den Anspruch 8.

Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung an.

Beim Verzögern wird dem gesamten Schienenfahrzeug oder einem

Teil davon durch einen Verbraucher, insbesondere einen

Aktuator, Energie entzogen.

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Das Schienenfahrzeug ist im vorliegenden Fall insbesondere eine Gleisbaumaschine, deren Fahrwerke überwiegend für den Betrieb auf einem Schienenfahrweg als Schienenfahrwerke

ausgebildet sind.

Wird diese Maschine oder ein Maschinenteil, insbesondere ein Arbeitsaggregat, hydraulisch angetrieben, so kann die

Energie direkt in das Fluidsystem eingespeist werden.

Handelt es sich um einen elektrischen Fahrantrieb und sind weder Oberleitung noch Akkumulator verfügbar, so wird die Energie an einen Elektromotor mit angebauter Fluidpumpe abgegeben und Energie in das Fluidsystem eingespeist, statt

sie in Wärme umzuwandeln.

Ist eine Rückumwandlung in eine für den Antrieb geeignete Energieform nicht gewünscht, wird die Energie in Form von

Wärme ins Fluidsystem eingebracht.

Erfüllt werden diese Anforderungen durch eine modulare Bremsvorrichtung zur Umwandlung der im Wesentlichen translatorischen Energie eines Schienenfahrzeuges, insbesondere einer Gleisbaumaschine, mit einem Bremsmodul zur Umwandlung in eine andere mechanische Energie und/oder Wärme und/oder mit einem Bremsmodul zur Umwandlung in elektrische Energie, wobei vorgesehen ist, diese elektrische Energie mittels Transformator und Stromabnehmer in ein streckenseitiges elektrisches Versorgungssystem rückzuführen und/oder mittels Stromwandler in eine fahrzeugseitige elektrische Speichervorrichtung zu speichern und/oder mittels elektrischen Leistungswiderständen in Wärme umzuwandeln, wobei ein weiteres Bremsmodul zur vollständigen

oder teilweisen Übertragung der translatorische kinetische

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Energie des Schienenfahrzeuges an ein fahrzeugseitiges

Fluidsystem eingerichtet ist.

Das Fluidsystem ist dabei nicht auf ein hydraulisches System

beschränkt.

Auch ein reines Wassersystem oder ein pneumatisches System eignet sich als Verbraucher des beschriebenen weiteren

Bremsmoduls der Bremsvorrichtung.

In einer bevorzugten Weiterbildung der modularen Bremsvorrichtung ist das weitere Bremsmodul dazu vorgesehen, die translatorische Energie des Schienenfahrzeuges direkt in

das fahrzeugseitige Fluidsystem einzuspeisen.

Eine solche direkte Energieumwandlung ist insbesondere dann möglich, wenn die Maschine durch Fluidtechnik angetrieben

wird.

In einer alternativen Variante der modularen Bremsvorrichtung ist das weitere Bremsmodul dazu vorgesehen, die translatorische Energie des Schienenfahrzeuges einstufig oder mehrstufig in andere Energieformen wie elektrische, mechanische, thermische oder pneumatische Energie umzuformen und die Energieform der letzten Umwandlungsstufe zum Betrieb

des fahrzeugseitigen Fluidsystems zu verwenden.

Diese Variante der modularen Bremsvorrichtung kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn die Maschine durch

andere Antriebsarten betrieben wird.

In einer weiteren Variante der modularen Bremsvorrichtung

ist vorgesehen, in einem vollständig passiven

Betriebszustand des Fluidsystems, in dem dieses keine

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weitere Energie mehr aufnehmen kann, die eingespeiste

Energie in Wärme umzuwandeln.

Dieser Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn kein Arbeitsaggregat aktiviert ist, um als Verbraucher zu

wirken, und alle Fluidspeicher aufgeladen sind.

Vorzugsweise ist bei der modularen Bremsvorrichtung für die Umwandlung der in das Fluidsystems eingespeisten Energie in Wärme ein Ventil, insbesondere ein Druckbegrenzungsventil,

vorgesehen.

Es ist günstig für die modulare Bremsvorrichtung vorzusehen, die überschüssige Wärme des Fluidsystems an die Umgebung

abzugeben.

Zur Wärmeabgabe wird beispielsweise ein Öl-Kühler verwendet.

Ein solcher Öl-Kühler ist in der Regel schon in der Maschine vorhanden und muss nicht eigens für die Adaptierung der

Bremsvorrichtung eingebaut werden.

Die Verwendung auf der Maschine vorhandener Komponenten wie Fluidkühlern und Fluidpumpen ist ein weiterer Vorteil der

gegenständlichen modularen Bremsvorrichtung.

Eine derartige direkte oder indirekte Rückspeisung der Bremsenergie einer Gleisbaumaschine in ein fahrzeugseitiges Fluidsystem spart aber auch Gewicht und Kosten durch Entfall oder Reduktion der sonst nötigen Bremswiderstände, steigert die Effizienz aufgrund der Rekuperation von Energie vor allem während des Arbeitsbetriebs und vermindert die Gefahr

der Überhitzung der reibungsbehafteten Bremsen.

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Ein Verfahren zum Betreiben dieser modularen Bremsvorrichtung sieht im Fall des Bremsbetriebs, in dem die überwiegend translatorische Energie des bewegten Schienenfahrzeugs in andere Energieformen umgewandelt wird, vor, dass zunächst, falls vorhanden, das Bremsmodul zur Umwandlung in elektrische Energie, daraufhin das Bremsmodul zum Betrieb eines fahrzeugseitigen Fluidsystems und erst danach das Bremsmodul zur Umwandlung in andere mechanische

Energie und/oder Wärme aktiviert wird.

Es ist dabei günstig, dass die gestaffelte Aktivierung der Bremsmodule in Abhängigkeit von Betriebsgrößen wie der momentanen translatorischen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs, der Bremskräfte und/oder der Bremsleistung auf Basis eines vorgegebenen Bremsverlaufs

erfolgt.

Ein solcher Bremsverlauf ist beispielsweise der Verlauf der Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit über der Zeit nach

Betätigung der modularen Bremsvorrichtung.

In einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass die Aktivierung aller im Schienenfahrzeug vorhandenen Bremsmodule in bestimmten Betriebsfällen, beispielsweise bei der Auslösung einer Notbremsung oder Schnellbremsung,

gleichzeitig erfolgt. Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen

in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Energieflüsse und Steuersignale bei Fahrbetrieb

und Bremsbetrieb

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Fig.

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Eine Variante des Schemas aus Fig. 1

Eine Variante des Schemas aus Fig. 2

Ein Schienenfahrzeug mit Stromabnehmer auf einem Schienenfahrweg mit der erfindungsgemäßen

modularen Bremsvorrichtung

Ein weiteres Schienenfahrzeug auf einem

geneigten Schienenfahrweg

Ein erstes Antriebskonzept für ein Schienenfahrzeug, das als Gleisbaumaschine

betrieben wird

Ein alternatives Antriebskonzept für ein Schienenfahrzeug, das als Gleisbaumaschine

betrieben wird

Ein hydraulischer Schaltkreis für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Bremsvorrichtung

Verschiedene Bremskurven bei konstanter

Bremsleistung bzw. konstanter Bremskraft

Bremsleistungsverlauf für gleichbleibende Geschwindigkeit bei Streckenabschnitt mit

Abstieg konstanter Neigung

Bremskurve bei Schnellbremsung unter

gleichzeitigem Einsatz aller verfügbaren

Bremsmodule

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In Figur 1 sind die Energieflüsse 34 und 43 zwischen den primären Energiewandlern 3 und den Verbrauchern 4 eines Schienenfahrzeuges 6, das als Gleisbaumaschine betrieben wird, für den Fahrbetrieb ohne Verzögerung und für den Fahrbetrieb mit Verzögerung bzw. für den Bremsbetrieb

schematisch dargestellt.

Im Fahrbetrieb ohne Verzögerung besteht ausschließlich ein Energiefluss 34, der Energie von den primären

Energiewandlern 3 zu den Verbrauchern 4 überträgt.

Primäre Energiewandler 3 sind in diesem Zusammenhang beispielsweise die fahrzeugseitigen Transformatoren 31, 311, die die von einer Energieversorgungseinrichtung außerhalb des Schienenfahrzeuges 6 über Stromabnehmer 7 in das Fahrzeug 6 eingeleitete elektrische Energie in die

fahrzeugseitig benötigten Spannungsniveaus umwandelt.

Primärer Energiewandler 3 kann alternativ auch ein mit Diesel oder einem anderen Kraftstoff betriebenes

Antriebsaggregat 33 sein oder aber eine Brennstoffzelle.

Auch ein fahrzeugseitiger elektrischer Energiespeicher 32, wie ein Akkumulator oder eine Batteriemodulanordnung, wird in dem dargestellten Zusammenhang als primärer

Energiewandler 3 betrachtet.

Als Verbraucher 4 sind beispielsweise elektromechanische Wandler wie Motoren 411, 412 für die Traktionsvorrichtung 41 des Fahrzeugs 6 oder Pumpen 16 für das Fluidsystem 15

anzusehen.

Im Bremsbetrieb und im Fahrbetrieb mit Verzögerung kann bei

geeigneter Konzeption und Ausstattung der primären

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Energiewandler 3 und der Verbraucher 4 Energie in die entgegengesetzte Richtung rückübertragen werden, wie dass in

Figur 1 durch den Energiefluss 43 dargestellt ist.

Die Betriebsarten der primären Energiewandler 3 sowie der Verbraucher 4 und die Steuerung der Energieflüsse 34 und 43 zwischen diesen beiden Aggregatkategorien erfolgt dabei über Steuersignale 23 und 24 einer Steuerungsvorrichtung 2 als

Teil einer zentralen Maschinensteuerung.

Insbesondere gehört die Steuerungsvorrichtung 2 mit dem primären Energiewandler 3 und dem Verbraucher 4 zum

regenerativen Teil des modularen Bremssystems 1.

Figur 2 zeigt eine Variante dieses regenerativen modularen Bremssystems 1 mit zwei Verbrauchern 41 und 42 statt dem

Verbraucher 4.

Die Energieflüsse 341, 413 und 342 zwischen dem primären Energiewandler 3 und den Verbrauchern 41, 42 sowie der Energiefluss 4142 zwischen den Verbrauchern 41 und 42 werden dabei durch die Steuersignale 23 und 241 bzw. 242 der

Steuerungsvorrichtung 2 kontrolliert.

Die Energieflüsse 341 und 342 im Fahrbetrieb ohne Verzögerung übertragen bei diesem Schema Energie vom

primären Energiewandler 3 zu den Verbrauchern 41 und 42,

Dies entspricht der Energieübertragung des Energieflusses 34

der Figur 1.

Der Verbraucher 41 ist beispielsweise ein Traktionsantrieb

41, während der Verbraucher 42 ein Aktor 16 des Fluidsystems

15 ist.

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Im Bremsbetrieb oder im Fahrbetrieb mit Verzögerung kann dann vom Verbraucher 41 einerseits Energie mit dem Energiefluss 413 an den primären Energiewandler 3 übertragen werden oder mit dem Energiefluss 4142 andererseits auch an

den Verbraucher 42.

In Figur 3 erfolgt der Energieaustausch zwischen dem primären Energiewandler 3 und den Verbrauchern 41 und 42 mittels einer fahrzeugseitigen Energieschnittstelle 5, die vorzugsweise elektrische Energie mittels der Energieflüsse 35, 415 und 425 aufnimmt und mittels des Energieflusses 53 an den primären Energiewandler 3 sowie mittels der Energieflüsse 541 und 542 an die Verbraucher 41 und 42 abgibt.

Das Steuersignal 25 der Steuerungsvorrichtung 2 wirkt dabei

auf die Energieschnittstelle 5.

Eine Variante einer solchen Energieschnittstelle 5 ist als

Schnittstellenvorrichtung in AT 521386 A4 offenbart.

In Figur 4 ist eine Ausführungsform der modularen Bremsvorrichtung 1 mit regenerativem Teil in einem Schienenfahrzeug 6 mit Stromabnehmer 7 und Schienenfahrwerk

9 auf einem Schienenfahrweg 10 dargestellt.

Die Steuerungsvorrichtung 2 kontrolliert und/oder überwacht die Energieflüsse zwischen den primären Energiewandlern 31 und 32, den Verbrauchern 41 und 42 sowie der Schnittstellenvorrichtung 5 mittels der Steuersignale 231,

232, 241, 242 und 25.

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Die Energie kann im nicht verzögerten Fahrbetrieb einerseits aus einer nicht dargestellten Oberleitung mittels des Stromabnehmers 7 des Schienenfahrzeuges 6 und des Transformators 31 über die Leitung 315 oder andererseits von der elektrischen Speichervorrichtung 32 über die Leitung 325

an die Schnittstellenvorrichtung 5 übertragen werden.

Im Fall des Bremsbetriebs oder des Fahrbetriebs mit Verzögerung des Schienenfahrzeuges 6 kehrt sich die Richtung des Energieflusses über die Leitungen 31 und 32 zumindest

teilweise um, wie das in Figur 3 dargestellt ist.

Von der Schnittstellenvorrichtung 5 wird mittels der Leitung 425 im Fall des unverzögerten Fahrbetriebs Energie an den Traktionsantrieb 42 mit den Antriebsmotoren 421 und 422

übertragen.

Diese beiden Motoren 421 und 422 treiben die Achsen des

Fahrwerks 9 an.

Weiters wird mittels der Leitung 415 auch das mechanische Bremsmodul 42 mit den auf die Laufflächen der Antriebsräder

wirkenden Bremsklötzen 411 und 412 mit Energie versorgt.

Im Bremsbetrieb oder Fahrbetrieb mit Verzögerung des Schienenfahrzeuges 6 ist es bei geeigneter Konfiguration des Traktionsantriebs 42 möglich, dass Energie der translatorischen Bewegung des Schienenfahrzeuges 6 mit Hilfe der Rotationsenergie der Achsen und mittels eines Generatorbetriebs der Antriebsmotoren 421 und 422 über die Leitung 425 an die Schnittstellenvorrichtung 5 übertragen

wird.

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Diese aus dem Abbremsen bzw. Verzögern des Schienenfahrzeuges 6 erhaltene Energie dient beispielsweise zum Laden des elektrischen Energiespeichers 32 über die Leitung 325 bei umgekehrtem Energiefluss, ausgehend von der Schnittstellenvorrichtung 5 oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie in das nicht dargestellte streckenseitige Versorgungsnetz über die Leitung 315 mittels des fahrzeugseitigen primären Energiewandlers 31 und des als

Pantograph ausgeführten Stromabnehmers 7.

Figur 5 zeigt das Schienenfahrzeug 6 aus Figur 4 in einer erweiterten Variante, wobei der zusätzliche Schienenfahrzeugteil mit drei Schienenfahrwerken 9A, 9B und 9C und mit den für eine Gleisbaumaschine 6 kennzeichnenden

Arbeitsaggregaten 11 ausgestattet ist.

Die Arbeitsaggregate 11 werden insbesondere im Arbeitsbetrieb von der Schnittstellenvorrichtung 5 über die

Leitung 511 mit Energie versorgt.

Eine Steuerleitung 211 ist von der Steuerungsvorrichtung 2 durch die Schnittstellenvorrichtung 5 zu den Arbeitsaggregaten 11 geführt, um die Energieflüsse zwischen der Schnittstellenvorrichtung 5 und den Arbeitsaggregaten 11

zu überwachen und zu kontrollieren.

Arbeitsaggregate 11 dienen einerseits zur Herstellung und zur Instandhaltung des Schienenfahrweges 10, sind also beispielsweise Stopfaggregate, vorzugsweise in Kombination mit einem Hebe- und Richtaggregat und/oder Schienenschleifvorrichtungen und/oder Vorrichtungen und Aggregate zur Herstellung und Erneuerung der verschiedenen

Lagen des Oberbaus.

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Andererseits werden Arbeitsaggregate 11 aber auch verwendet, um die Oberleitungen zur Versorgung von Schienenfahrzeugen 6 zu errichten, Instand zu halten oder zu inspizieren oder um eine aktuelle Gleislage des Schienenfahrwegs 10 zu

VeErmMesSssen.

Das Schienenfahrzeug 6 bewegt sich in Figur 5 auf dem Schienenfahrweg 10 in die durch den Pfeil 12 angezeigte

Richtung.

Der Schienenfahrweg 10 ist in dieser Fahrtrichtung 12

abwärts geneigt.

Die Gesamtgewichtskraft Fı des Schienenfahrzeuges 6 teilt sich in einem solchen Fall auf in eine Komponente F‚,, die in Fahrtrichtung 12 wirkt und eine Komponente F3, deren Kraftwirkung sich verteilt auf die Schienenfahrwerke 9, 9A,

9B, 9C normal zum Schienenfahrweg 10 entfaltet.

Das Verhältnis zwischen der Gesamtgewichtskraft Fı und der Komponente F»,, die in Fahrtrichtung 12 als externe

Antriebskraft wirkt, ergibt sich dabei zu

F,= Fi" sinaz Fi a

Dabei entspricht xx als Winkel, vorzugsweise im Bogenmaß, dem Abstieg des Schienenfahrweges 10 in Fahrtrichtung 12 und damit dem Anstieg gegen die Fahrtrichtung 12.

Der Anstieg eines Schienenfahrweges 10 wird in der Regel in % angegeben, wobei Steigungen des Schienenfahrweges 10, die von Schienenfahrzeugen allein aufgrund der Wirkung des Rad-

Schiene-Kontakts befahren werden, unterhalb von 30% bleiben.

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Für diese Werte der Steigung des Schienenfahrweges 10 ist die oben eingeführte Annahme, dass für kleine Winkel der Sinus eines Winkels gleich dem Winkel ist, eine praktische

und brauchbare Näherung.

Figur 6 zeigt ein Antriebskonzept 131 eines Schienenfahrzeugs 6, das als Gleisbaumaschine betrieben

wird.

Dabei ist ein Modul 31 dazu vorgesehen, elektrische Energie, die mit einem Stromabnehmer 7 von der Oberleitung eines streckenseitigen Versorgungseinrichtung eingespeist wird, mit einem Transformatormodul 311 auf die fahrzeugseitigen elektrischen Spannungsniveaus umzuwandeln, um damit die

Verbrauchermodule 43 zu versorgen.

Diese Verbrauchermodule 43 umfassen verschiedene Funktionseinheiten, insbesondere Stromrichter, aber auch elektrische Lasteinheiten zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme, und sind mit verschiedenen Arten von Arbeitsaggregate 11 verbunden, für die sie einen

nennenswerten Teil der erhaltenen Energie bereitstellen.

Ein nicht dargestelltes Modul ist bei diesem Antriebskonzept

zur Erdung und Trennung des Moduls 31 vorgesehen.

Alternativ zu dem mittels des Stromabnehmers 7 mit dem streckenseitigen Versorgungsnetz verbundenen Transformatormodul 31, 311 kann die von den Verbrauchermodulen 43 benötigte Energie auch von einem

Akkumulator Modul 32 zur Verfügung gestellt werden.

Für den Wechsel der Energiebereitstellung der

Verbrauchermodule 43 vom Transformator Modul 31 auf das

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Akkumulator Modul 32, ist es notwendig, die elektrischen Verbindungsleitungen mittels der dargestellten

Leistungsschaltern umzuschalten.

Schließlich ist auch ein Modul 33 mit einem Dieselmotor 331 und einem elektrischen Generator 332 zur

Energiebereitstellung vorgesehen.

Dieses Modul 33 überträgt, nach Herstellung einer elektrischen Verbindung zu den Verbrauchermodulen 43 mit den vorgesehenen Leistungsschaltern, elektrische Energie von seinem elektrischen Generator 332 mittels der Verbrauchermodule 43 an die verschiedenen Arbeitsaggregate

11.

Über eine gemeinsame mechanische Welle ist mit diesem Modul 33 auch eine nicht dargestellte Hydraulikpumpe als weiterer

Verbraucher verbunden.

Figur 7 zeigt ein alternatives Antriebskonzept 132 eines als

Gleisbaumaschine betriebenen Schienenfahrzeuges 6.

Ein Verbrauchermodul 43 mit Stromrichter und elektrischem Widerstand wird entweder von einem Transformatormodul 31, 311 oder von einem Modul 33, das ein Dieselaggregat 331 in Kombination mit einem elektrischen Generator 332 umfasst,

versorgt.

Über eine elektrische Verbindungsleitung, die ein Filtermodul 14 enthält, ist das Verbrauchermodul 43 mit einem Traktionsmodul 41 verbunden, das einen Stromrichter, drei Traktionsmotorpaare und einen elektrischen

Bremswiderstand umfasst.

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Parallel zu diesem Traktionsmodul 41 ist mittels eines weiteren Filtermoduls 14 eine Gleichstromschnittstellenvorrichtung 5 an das Verbrauchermodul 43 angeschaltet und entlang der Gleichstromschnittstellenvorrichtung 5 ist eine, in weiten Grenzen konfigurierbare, Anzahl an Arbeitsaggregatmodulen 11

angeordnet.

Die Gleichstromschnittstellenvorrichtung 5 stellt eine Gleichspannung eines definierten Spannungspegels zur

Verfügung.

Vorzugsweise liegt dieser Spannungspegel zwischen 500VDC und

1000VDC.

Es ist besonders günstig, wenn der Spannungspegel der Gleichstromschnittstellenvorrichtung 5 zwischen 700VDC und

800 VDC liegt und beispielsweise Us=750VDC beträgt.

Die Filtermodule 14 dienen im dargestellten Antriebskonzept 132 dazu, im Stromkreis auftretende Resonanzfrequenzen fr in einen Frequenzbereich B£.(f1ı,£,) zu verschieben, der für die

vorliegenden Anwendung unkritisch ist.

Ein solcher Frequenzbereich Br. liegt vorzugsweise oberhalb von fı=100 Hz und unterhalb von f,=1 kHz und besonders

bevorzugt zwischen fi=150 Hz und £f,»=250 Hz. Figur 8 stellt eine Ausführungsform eines hydraulischen Schaltkreises 15 für das erfindungsgemäße Bremsmodul einer

modularen Bremsvorrichtung 1 dar.

Im Bremsbetrieb oder Fahrbetrieb mit Verzögerung, der

insbesondere auch ein Arbeitsbetrieb auf einem geneigten

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Schienenfahrweg 10 gemäß Figur 5 sein kann, wird Energie aus dem fahrzeugseitigen elektrischen Netz, insbesondere mittels einer elektrischen Schnittstellenvorrichtung 5 und eines elektrohydraulischen Wandlers 16, der einen elektrischen Motor 161 sowie eine mittels gemeinsamer Welle verbundene hydraulische Pumpe 162 umfasst, in ein hydraulisches

Leitungsnetz 20 übertragen.

Der elektrohydraulische Wandler 16 fördert im Betriebsfall Hydraulikmedium aus dem Tank 17, mittels des hydraulischen Leitungsnetzes 20, an nicht dargestellte hydraulische Verbraucher 4, 11 wie beispielsweise rotatorisch oder linear

wirkende hydraulische Aktoren.

Ein Rückschlagventil 18 ist dabei zwischen dem elektrohydraulischen Wandler 16 und dem hydraulischen Leitungsnetz 20 vorgesehen, um einen Rückstrom des Hydraulikmediums in den Tank 17 über die Leitungsabschnitte

1618 und 1716 zu verhindern.

Wird ein Druckgrenzwert Pmax des Hydraulikmediums im hydraulischen Leitungsnetz 20 überschritten, spricht ein Druckbegrenzungsventil 19 an und verbindet das Leitungsnetzwerk 20 mittels der Leitungsabschnitte 2019 und 1917 fluidleitend mit dem Tank 17.

Der Druckgrenzwert Pmax kann mit dem im hydraulischen Schaltkreis 15 verwendeten direkt gesteuerten Druckbegrenzungsventil 19, innerhalb eines spezifizierten

Bereichs, mechanisch verstellt werden.

In Fig. 9 sind verschieden Bremskurven auf Basis eines

einfachen Modells für den Bremsvorgang eines translatorisch

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mit der Geschwindigkeit v(t) bewegten Schienenfahrzeuges 6

im Vergleich dargestellt.

Dabei wird angenommen, dass im Verlauf des Bremsvorgangs zunächst die Bremsleistung P konstant gehalten wird und sobald eine vorgegeben Mindestgeschwindigkeit v(t)unterschritten wird eine konstante Bremskraft F wirkt. Bei der auf dem dargestellten Diagramm weiter links liegenden Kurve beträgt die konstante Bremsleistung P=P+1 im zeitlichen Verlauf zwischen der Ausgangsgeschwindigkeit vVi(to)=vo und der für die Umschaltung der Bremsvorrichtung maßgeblichen Geschwindigkeit VminUnterhalb der Geschwindigkeit Vmin Wird die Bremskraft F=Fı1r konstant gehalten bis zum vollkommenen Stillstand des Schienenfahrzeugs 6, der durch v(t1ı)=0 charakterisiert ist. Diese Bremskraft Fı1 ist so bemessen, dass zum Umschaltzeitpunkt 21 bei Unterschreitung der Geschwindigkeitsschwelle v(t)sind. In der zweiten dargestellten Kurvenschar gilt für die Bremsleistung P=P, im oberen Teil der Bremskurve P‚,höherer Bremsleistung Pı1 eingeleitet wird. Ist die ab dem Umschaltzeitpunkt 22 unterhalb der Geschwindigkeit Vmin angewandte Bremskraft F=F‚,» größer als Po/Vmin SO ist die Bremszeit Tg» kürzer als Tse»23=t>»3s-to für den

Bei der auf dem dargestellten Diagramm weiter links liegenden Kurve beträgt die konstante Bremsleistung P=P+1 im zeitlichen Verlauf zwischen der Ausgangsgeschwindigkeit vVi(to)=vo und der für die Umschaltung der Bremsvorrichtung

maßgeblichen Geschwindigkeit Vmin-

Unterhalb der Geschwindigkeit Vmin Wird die Bremskraft F=Fı1r konstant gehalten bis zum vollkommenen Stillstand des

Schienenfahrzeugs 6, der durch v(t1ı)=0 charakterisiert ist.

Diese Bremskraft Fı1 ist so bemessen, dass zum Umschaltzeitpunkt 21 bei Unterschreitung der Geschwindigkeitsschwelle v(t)sind. In der zweiten dargestellten Kurvenschar gilt für die Bremsleistung P=P, im oberen Teil der Bremskurve P‚,höherer Bremsleistung Pı1 eingeleitet wird. Ist die ab dem Umschaltzeitpunkt 22 unterhalb der Geschwindigkeit Vmin angewandte Bremskraft F=F‚,» größer als Po/Vmin SO ist die Bremszeit Tg» kürzer als Tse»23=t>»3s-to für den

In der zweiten dargestellten Kurvenschar gilt für die Bremsleistung P=P, im oberen Teil der Bremskurve P‚,

höherer Bremsleistung Pı1 eingeleitet wird.

Ist die ab dem Umschaltzeitpunkt 22 unterhalb der

Geschwindigkeit Vmin angewandte Bremskraft F=F‚,» größer als

Po/Vmin SO ist die Bremszeit Tg» kürzer als Tse»23=t>»3s-to für den

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punktiert dargestellten Fall des weiteren Aufbringens einer konstanten Bremsleistung P, bei Geschwindigkeiten unterhalb

VON Vmin bis zum Stillstand.

Demgegenüber führt eine Bremskraft F=F,:, die geringer als Po/Vmin L1St, unterhalb der Geschwindigkeit Vmin zu einer Bremszeit Tgp3s, die sowohl länger als die Bremszeit Tg,» als auch als die Bremszeit Tg»3 ist, die bei der ausschließlichen

Anwendung konstanter Bremsleitung P,; auftritt.

In der unteren Hälfte der Figur 10 ist ein mit der Steigung X abwärts geneigter Abschnitt des Schienenfahrwegs 10 zwischen den Koordination x, und x, dargestellt.

Vor und nach diesem geneigten Abschnitt liegen ebene, nicht

geneigte Abschnitte des Schienenfahrwegs 10.

Die Höhe ho über einem Referenzniveau verringert sich bei diesem abwärts geneigten Schienenabschnitt 10 von der

Position x1 bis zur Position x, um die Höhendifferenz Ah.

Die Aufgrund der Abwärtsneigung des Schienenfahrwegabschnitts 10 in Figur 5 dargestellte zusätzlich wirkende Antriebskraft F, kann in diesem Fall zur Beibehaltung einer konstanten Arbeitsgeschwindigkeit v(t)=vo9 durch eine dargestellte Bremsleistung P(v,wx) kompensiert

werden.

Figur 11 zeigt einen Bremskurvenverlauf, bei dem die Bewegungsenergie des Schienenfahrzeugs 6 im Fall der Auslösung einer Schnellbremsung zum Zeitpunkt to gleichzeitig mit Bremsmodulen, bei denen die Bremsleistung P konstant gehalten wird, und Bremsmodulen, bei denen die

Bremskraft F konstant gehalten wird, abgebaut wird.

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In diesem Fall ist die Bremszeit Tg=tı-to kürzer als bei ausschließlicher Anwendung einer der beiden Bremsmethoden, entweder mit konstanter Bremsleistung P oder mit konstanter Bremskraft F, aber auch als bei der in Figur 9 dargestellten

sequenziellen Anwendung beider Bremsmethoden.

Durch die Patentansprüche sind auch weitere

Ausführungsformen der modularen Bremsvorrichtung mitumfasst.

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Patentansprüche

1. Modulare Bremsvorrichtung (1) zur Umwandlung der im Wesentlichen translatorischen Energie eines Schienenfahrzeugs (6), insbesondere einer Gleisbaumaschine, mit einem Bremsmodul (42) zur Umwandlung in eine andere mechanische Energie und/oder Wärme und/oder mit einem Bremsmodul (41, 411, 412) zur Umwandlung in elektrische Energie, wobei vorgesehen ist, diese elektrische Energie mittels Transformator (31, 311) und Stromabnehmer (7) in ein streckenseitiges elektrisches Versorgungssystem rückzuführen und/oder mittels Stromwandler in eine fahrzeugseitige elektrische Speichervorrichtung (32) zu speichern und/oder mittels elektrischen Leistungswiderständen in Wärme umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Bremsmodul (41, 16) zur vollständigen oder teilweisen Übertragung der translatorischen kinetischen Energie des Schienenfahrzeugs (6) vollständig oder teilweise an ein

fahrzeugseitiges Fluidsystem (15, 20) eingerichtet ist.

2. Modulare Bremsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bremsmodul (41, 16) vorgesehen ist, die translatorische Energie des Schienenfahrzeuges (6) direkt in das fahrzeugseitige

Fluidsystem (15, 20) einzuspeisen.

3. Modulare Bremsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bremsmodul (41, 16) vorgesehen ist, die translatorische Energie des Schienenfahrzeuges (6) einstufig oder mehrstufig in andere Energieformen wie elektrische, mechanische, thermische oder pneumatische Energie umzuformen und die Energieform der letzten Umwandlungsstufe zum Betrieb des fahrzeugseitigen

Fluidsystems (15, 20) zu verwenden.

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4, Modulare Bremsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vollständig passiven Betriebszustand des Fluidsystems (15, 20), in dem

dieses keine weitere Energie mehr aufnehmen kann, vorgesehen

ist, die eingespeiste Energie in Wärme umzuwandeln.

5. Modulare Bremsvorrichtung (1) nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Umwandlung der in das Fluidsystems (15, 20) eingespeiste Energie in Wärme ein Ventil (19), insbesondere ein Druckbegrenzungsventil,

vorgesehen ist.

6. Modulare Bremsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, überschüssige Wärme des Fluidsystems (15, 20) an die

Umgebung abzugeben.

7. Modulare Bremsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abgabe der überschüssigen Wärme des Fluidsystems (15, 20) an die Umgebung eine

Kühlvorrichtung, insbesondere ein Öl-Kühler vorgesehen ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer modularen Bremsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall des Bremsbetriebs, in dem die im Wesentlichen translatorische Energie eines bewegten Schienenfahrzeugs (6) in andere Energieformen umgewandelt wird, zunächst, falls vorhanden, das Bremsmodul zur Umwandlung in elektrische Energie (41, 411, 412), daraufhin das Bremsmodul zum Betrieb eines fahrzeugseitigen Fluidsystems (41, 16) und erst danach das Bremsmodul (42) zur Umwandlung in andere mechanische Energie und/oder Wärme

aktiviert wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

dass die gestaffelte Aktivierung der Bremsmodule

(4, 41,

411, 412, 42, 16) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen wie der

momentanen translatorischen Geschwindigkeit (v(t)

, Vor Vmin)

des Schienenfahrzeugs (6), der Bremskräfte (F, Fı1y Fo1y”y Foz3)

und/oder der Bremsleistung (P, Pı, P2,, P(v,a@)) auf Basis

eines vorgegebenen Bremsverlaufs erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet, dass die Aktivierung aller im

Schienenfahrzeug vorhandenen Bremsmodule (4, 41,

dadurch

411, 412,

42, 16) in bestimmten Betriebsfällen, beispielsweise bei der

Auslösung einer Notbremsung oder Schnellbremsung,

gleichzeitig erfolgt.

Claims

24 Patentansprüche

1. Gleisbaumaschine (6) mit zumindest einem hydraulisch angetriebenen Arbeitsaggregat (11) und mit einer modularen Bremsvorrichtung (1) zur Umwandlung der im Wesentlichen translatorischen Energie der Gleisbaumaschine (6), mit einem Bremsmodul (42) zur Umwandlung in eine andere mechanische Energie und/oder Wärme und/oder mit einem Bremsmodul (41, 411, 412) zur Umwandlung in elektrische Energie, wobei vorgesehen ist, diese elektrische Energie mittels Transformator (31, 311) und Stromabnehmer (7) in ein streckenseitiges elektrisches Versorgungssystem rückzuführen und/oder mittels Stromwandler in eine fahrzeugseitige elektrische Speichervorrichtung (32) zu speichern und/oder mittels elektrischen Leistungswiderständen in Wärme umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Bremsmodul (41, 16) zur vollständigen oder teilweisen Übertragung der translatorischen kinetischen Energie der Gleisbaumaschine (6) vollständig oder teilweise an ein fahrzeugseitiges Fluidsystem (15, 20) des Arbeitsaggregats (11) eingerichtet ist, wobei in einem vollständig passiven Betriebszustand des Fluidsystems (15, 20), bei dem das Arbeitsaggregat nicht aktiviert ist und in dem dieses keine weitere Energie mehr aufnehmen kann,

vorgesehen ist, die eingespeiste Energie in Wärme umzuwandeln.

2. Gleisbaumaschine (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bremsmodul (41, 16) vorgesehen ist, die translatorische Energie der Gleisbaumaschine (6) direkt in das fahrzeugseitige Fluidsystem

(15, 20) einzuspeisen.

3. Gleisbaumaschine (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bremsmodul (41, 16)

vorgesehen ist, die translatorische Energie der

[ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE )

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Gleisbaumaschine (6) einstufig oder mehrstufig in andere Energieformen wie elektrische, mechanische, thermische oder pneumatische Energie umzuformen und die Energieform der letzten Umwandlungsstufe zum Betrieb des fahrzeugseitigen

Fluidsystems (15, 20) zu verwenden.

4. Gleisbaumaschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Umwandlung der in das Fluidsystems (15, 20) eingespeiste Energie in Wärme ein Ventil

(19), insbesondere ein Druckbegrenzungsventil, vorgesehen ist.

5. Gleisbaumaschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, überschüssige

Wärme des Fluidsystems (15, 20) an die Umgebung abzugeben.

6. Gleisbaumaschine (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abgabe der überschüssigen Wärme des Fluidsystems (15, 20) an die Umgebung eine Kühlvorrichtung,

insbesondere ein Öl-Kühler vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Gleisbaumaschine (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall des Bremsbetriebs, in dem die im Wesentlichen translatorische Energie einer bewegten Gleisbaumaschine (6) in andere Energieformen umgewandelt wird, zunächst, falls vorhanden, das Bremsmodul zur Umwandlung in elektrische Energie (41, 411, 412), daraufhin das Bremsmodul zum Betrieb eines fahrzeugseitigen Fluidsystems (41, 16) und erst danach das Bremsmodul (42) zur Umwandlung in andere mechanische

Energie und/oder Wärme aktiviert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gestaffelte Aktivierung der Bremsmodule (4, 41, 411, 412,

42, 16) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen wie der momentanen

( ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE ]

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translatorischen Geschwindigkeit (v(t), Vos Vmin) der Gleisbaumaschine (6), der Bremskräfte (F, Fı1, Foa1, Fo3) und/oder der Bremsleistung (P, Pı, P,, P(v,@)) auf Basis eines

vorgegebenen Bremsverlaufs erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung aller in der Gleisbaumaschine (6) vorhandenen Bremsmodule (4, 41, 411, 412, 42, 16) in bestimmten Betriebsfällen, beispielsweise bei der Auslösung einer Notbremsung oder Schnellbremsung, gleichzeitig

erfolgt.

[ ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE ]