DE4136904A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen abstandsmessung von schienen eines gleises - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungs­ losen Abstandsmessung von Schienen eines Gleises mit einem Schienenfahrwerke aufweisenden Fahrzeugrahmen und berührungslos wirkenden, je einer Schiene zugeordneten Abstandsmeßsensoren, die auf einer Räder aufweisenden Radachse gelagert sind.

Eine durch die AT-PS 3 72 725 beschriebene Einrichtung dient zur berührungslosen Ermittlung der seitlichen Lage eines Gleises zum Nachbargleis. Ein Abstandsmeßgerät ist als Lasersender und -empfänger mit übereinstimmender, in einer zur Gleisachse senkrechten Ebene verlaufender und in dieser Ebene über einen Antrieb verschwenkbarer opti­ scher Achse ausgebildet. Zur Begrenzung des Verstellbe­ reiches seiner optischen Achse ist dem Abstandsmeßgerät ein von diesem betätigbarer Endschalter zugeordnet. So­ bald die optische Achse über den Schienenkopf des Nach­ bargleises hinausgeschwenkt wird, erfolgt eine sprung­ hafte Änderung des Entfernungsmeßwertes. Dieser Meßwert­ sprung bewirkt bei Überschreiten einer wählbaren Mindest­ größe, daß die zuletzt gemessene Entfernung gespeichert und angezeigt wird. Gleichzeitig wird der Verschwenkan­ trieb entsprechend umgesteuert, so daß die optische Achse in Richtung zum Schienenfuß bewegt wird, bis der erwähnte Meßwertsprung beseitigt ist. Damit tastet die optische Achse dauernd den Bereich zwischen dem Schienen­ steg und dem oberen Randbereich des Schienenkopfes ab. Die dabei jeweils gemessene Minimalentfernung zum Schie­ nenkopf wird angezeigt und ausgewertet. Diese bekannte Einrichtung ist jedoch nicht zur Messung der Spurweite bzw. der Pfeilhöhen geeignet.

In der Zeitschrift "Schienen der Welt", Juni 85, Seiten 17 bis 27, ist bereits eine Meßeinrichtung zur Spurweitenmessung beschrieben. Diese Meßeinrichtung be­ steht im wesentlichen aus einem etwa horizontal und quer zur Schienenlängsrichtung gerichteten Lasersender, einem Spiegelgalvanometer und einer eine Vielzahl von licht­ empfindlichen Dioden aufweisenden Kamera. Unter Zuhil­ fenahme des Spiegelgalvanometers wird ein Laserstrahl 14 mm unter die Oberkante der Schiene projiziert. Durch die Kamera wird über das reflektierte Licht die Position des projizierten Punktes und auf diese Art die relative Verschiebung zwischen Schiene und Drehgestellrahmen er­ mittelt. Diese bekannte Einrichtung ist insbesondere bezüglich des Verstellmechanismus für den Spiegel kon­ struktiv relativ aufwendig. Außerdem sind noch verschie­ dene Meßwandler für die Ermittlung der Verschiebewerte zwischen Achsgehäuse und Fahrzeugkörper erforderlich.

Die AT-PS 3 44 773 beschreibt eine Vorrichtung zum opti­ schen Messen der seitlichen Abweichungen einer Schiene von ihrer Soll-Lage. Zu diesem Zweck sind über jeder Schiene in deren Längsrichtung voneinander distanziert ein Empfänger und ein Projektor angeordnet. Durch Anord­ nung entsprechender Spiegel wird das durch eine Spalt­ blende emittierte Licht an der inneren Seite des Schie­ nenkopfes reflektiert. Die beiden Empfänger und Projek­ toren sind mit Hilfe eines Meßrahmens direkt auf den Lagergehäusen eines Drehgestell-Fahrwerkes befestigt. Diese bekannte Meßeinrichtung ist ebenfalls konstruktiv sehr aufwendig und erfordert außerdem eine spezielle Ausbildung des Fahrwerkes.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Schaffung einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art, die mit geringem konstruktiven Aufwand direkt auf einer Radachse zu befestigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Abstandsmeßsensor um eine in Fahrzeugrahmenlängs­ richtung verlaufende Achse verschwenkbar gelagert und mit einem eigenen Schrittmotor verbunden ist, der je­ weils einen geschlossenen Regelkreis mit dem zugeord­ neten Abstandsmeßsensor zur Berechnung der - und auto­ matischen Verschwenkung in jene - Winkelstellung bil­ det, die erforderlich ist, um einen vom Abstandsmeßsen­ sor emittierten Lichtstrahl auf einer in konstanter Höhe auf der Schiene liegenden Stelle zu halten. Eine der­ artig ausgebildete Einrichtung mit einem direkt auf den Schienenkopf gerichteten Lichtstrahl ist auf Grund der geringen Anzahl von erforderlichen Bauteilen derartig miniaturisierbar, daß ein Einbau in jedwede Drehgestell­ konstruktion ohne konstruktive Änderung des Drehgestells möglich ist. Da die Anzahl der benötigten Bauteile auf ein Minimum reduziert wird, ist auch gleichzeitig eine vereinfachte, den robusten Einwirkungen bestens stand­ haltende Konstruktion der Einrichtung sichergestellt. Die miniaturisierte Einrichtung ermöglicht außerdem eine derartige Montage des Meßsystems, daß der Meßpunkt am Schienenkopf sehr nahe beim Radaufstandspunkt des zugeordneten Schienenfahrwerkes liegt. Daraus folgend sind optimale Meßverhältnisse gegeben. Das Meßsystem arbeitet derartig schnell, daß genaue und wiederholbare Meßergebnisse bei Geschwindigkeiten von 0 bis 300 kmh gewährleistet sind. Durch den geschlossenen Regelkreis erfolgen die Schwenkbewegungen des Abstandsmeßsensors derart automatisch, daß der abgetastete Punkt am Schie­ nenkopf immer an derselben gewünschten Stelle, z. B. 14 mm unterhalb der Schienenoberkante, liegt. Dabei wird auch eine durch das Spurspiel mögliche Querverschiebung der Einrichtung innerhalb der beiden Schienen zur Si­ cherstellung exakter Meßergebnisse automatisch berück­ sichtigt.

Die direkte Montage der Abstandsmeßsensoren auf der Radachse gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, daß auf die bei bekannten Meßsystemen erforderliche Kompensation der Vertikalbewegungen zwischen dem Schienenfahrwerk und dem auf diesem abgestützten Wagenkasten verzichtet werden kann. Außerdem besteht damit die Möglichkeit, bereits im Einsatz befindliche Drehgestellfahrwerke ohne kon­ struktive Änderung derselben mit einer derartigen Ein­ richtung auszustatten. Eine derartige direkte Anordnung des Meßsystems auf der Radachse ist jedoch nur deshalb möglich, weil die Einrichtung besonders miniaturisier­ bar ist und auf Grund der sehr einfachen Ausbildung den sehr robusten Krafteinwirkungen auf das Schienenfahrwerk bestens standhalten kann.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist es möglich, den berechneten Verdrehwinkel des Ab­ standsmeßsensors um seine Schwenkachse vom Schrittmotor exakt auf den Sensor zu übertragen.

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 4 sind optimale Meß­ verhältnisse zur Erzielung genauester Meßwerte geschaf­ fen.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist es möglich, beispielsweise auch zwischen den Rädern nicht genügend Platz aufweisende Antriebsachsen eines Drehgestells mit einem Abstandsmeßsensor zu verbinden, wobei durch die direkte Lagerung des Rahmens am Achslager jedwede durch eine Fahrwerkseinfederung bewirkte Verfälschung des Meß­ ergebnisses ausgeschlossen wird.

Der gemäß Anspruch 6 ausgebildete Abstandsmeßsensor zeich­ net sich durch besondere Robustheit aus und ist außerdem weitgehend unempfindlich gegenüber Änderungen von Tempe­ ratur, Umgebungslicht und Oberflächenbeschaffenheit des Meßobjektes.

Schließlich ist mit einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 zusätzlich zur Spurweitenmessung auch eine exakte Pfeilhöhenmessung durchführbar, wobei durch die beiden äußeren Abstandsmeßsensoren eine Referenzbasis gebildet und dergegenüber durch den mittigen Sensor die Pfeilhöhe gemessen wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrie­ ben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Meßwagens mit einer auf einem Drehgestellfahrwerk angeordneten Einrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung der Schienen eines Gleises,

Fig. 2 eine schematische Schrägansicht einer Laufachse des Drehgestellfahrwerkes, die mit der zwei Abstands­ meßsensoren aufweisenden Einrichtung verbunden ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der verschiede­ nen Meßgrößen zur Durchführung der berührungslosen Abstandsmessung,

Fig 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei in Schienenlängsrichtung hintereinander an­ geordneten, jeweils zwei Abstandsmeßsensoren aufwei­ senden Schienenfahrwerken zur Ermittlung der Pfeilhöhe und

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Abstands­ meßsensoren auf einem eigenen, auf den Achslagergehäu­ sen gelagerten Rahmen befestigt sind.

Eine in Fig. 1 dargestellte Einrichtung 1 zur berührungs­ losen Abstandsmessung von Schienen 2 eines Gleises 3 ist mit einem auf Schienenfahrwerken 4 abgestützten Fahr­ zeugrahmen 5 ausgebildet. Die Energieversorgung eines Fahrantriebes 6 erfolgt durch einen Motor.

Eine in Fig. 2 schematisch dargestellte Laufachse 8 eines Schienenfahrwerkes 4 setzt sich aus zwei Rädern 9 und einer diese miteinander verbindenden Radachse 10 zusam­ men. Zwischen den beiden Rädern 9 ist ein auf der Rad­ achse 10 gelagertes Rohr 11 montiert, das mit einer an einem Fahrwerksrahmen 31 befestigten Drehmomentstütze 12 derart gehalten wird, daß bei vertikalen oder hori­ zontalen Achs- bzw. Drehgestellrahmenbewegungen keine Drehbewegungen des Rohres 11 um die Radachse 10 ausge­ führt werden. An jedem Ende des Rohres 11 ist jeweils ein Abstandsmeßsensor 13 derart befestigt, daß von die­ sem emittierte Lichtstrahlen 14 außerhalb von Spurkrän­ zen 15 der Räder 9 auf die Schieneninnenseite 16 treffen. Es ist aber auch möglich, jeden Abstandsmeßsensor 13 auf einem eigenen Rohr 11 zu lagern. Um den Auftreffpunkt des Lichtstrahls 14 in einem konstanten Abstand von der Schienenoberkante (SOK) halten zu können, sind die Ab­ standsmeßsensoren 13 um eine in Längsrichtung des Fahr­ zeugrahmens 5 bzw. des Gleises 3 verlaufende Achse 17 verschwenkbar ausgebildet. Damit ist es möglich, die aus dem Spurspiel der Radachse 10 resultierenden möglichen Querverschiebungen der Räder 9 zu berücksichtigen. Zur Durchführung einer automatischen Schwenkbewegung ist je­ der Abstandsmeßsensor 13 über ein Untersetzungsgetriebe 18 mit einem Schrittmotor 19 verbunden, der seinerseits an einer mit dem Rohr 11 verbundenen Tragplatte 20 be­ festigt ist. Jeder Abstandsmeßsensor 13 bildet mit dem Schrittmotor einen geschlossenen Regelkreis zur Berech­ nung der automatischen Verschwenkung in jene Winkel­ stellung, die erforderlich ist, um den vom Abstandsmeß­ sensor 13 emittierten Lichtstrahl 14 auf einer in kon­ stanter Höhe auf der Schiene liegenden Stelle zu halten.

Jeder Abstandsmeßsensor 13 weist sowohl eine Lichtquelle zum Aussenden eines Laser-Lichtstrahls 14 als auch einen Fotodetektor auf. Dieser ist im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich und ermittelt genau den "Schwerpunkt" jedes auftreffenden Lichtstrahls 14, wobei ein dessen Position proportionales Signal gebildet wird. Jedes Nähern oder Entfernen des Abstandsmeßsensors 13 zum bzw. vom Schienenkopf hat eine Verschiebung des Bildpunktes auf dem Fotodetektor zur Folge. Daher ist es möglich, auf Grund des bekannten Signals des Foto­ detektors die Position des Meßobjektes genau zu erfas­ sen. Sowohl der Lichtquelle als auch dem Fotodetektor ist jeweils eine entsprechende Optik vorgeordnet.

Mit der schematischen Darstellung der verschiedenen Meß­ größen in Fig. 3 wird im folgenden der Algorithmus näher erklärt, der dazu dient, den Verdreh- bzw. Verschwenk­ winkel für den Abstandsmeßsensor 13 kontinuierlich zu berechnen, um den Lichtpunkt auf der Schieneninnenseite unabhängig vom Lauf der Räder 9 und der Spurweite immer im definierten Abstand zur SOK zu halten. Ein weiterer Zweck dieses Algorithmus besteht auch darin, eine fort­ laufende Berechnung des horizontalen Abstandes zwischen dem Abstandsmeßsensor 13 und der durch den reflektierten Lichtpunkt markierten Stelle der Schieneninnenseite, z. B. 14 mm unter SOK, durchzuführen. Dieser Algorithmus er­ fordert, wie aus dem nachstehend angeführten formelmäßi­ gen Zusammenhang ersichtlich ist, eine einmalige Kali­ brierung des Meßsystems vor der Inbetriebnahme.

Mit 0 ist der Drehpunkt des mit der Radachse 10 verbun­ denen Abstandsmeßsensors 13 (um die Achse 17) zum Zeit­ punkt der Kalibrierung bezeichnet.

Mit ist derselbe Drehpunkt (um die Achse 17) nach einer Querverschiebung der Radachse 10 innerhalb des Spurspiels bezeichnet, das einer Verschiebung der Schiene durch eine Spurerweiterung gleichzusetzen ist.

a, b und d sind systemkonstante Größen.

Die der Dicke des Spurkranzes entsprechende Größe c muß vor der Kalibrierung gemessen werden und dient als Ein­ gangsgröße für die Berechnung der Kalibrierwerte für α kal und Lkal.

Berechnung der Kalibrierwerte α kal und Lkal:

Die erforderliche Nachdrehung bzw. Schwenkbewegung des Abstandsmeßsensors 13 errechnet sich wie folgt, wenn L ≠ Lkal ist:

Nachdrehwinkel β = α kal - α, wobei positive Werte für β eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn bedeuten, und β immer auf den kalibrierten Ausgangswinkel αkal bezogen wird.

Die Verschiebung v, die sich aus einer durch das Spur­ spiel bedingten Querverschiebung der Radachse 10 bzw. durch eine Spurerweiterung ergibt, errechnet sich daraus wie folgt:

Die oben genannten Berechnungen sowie die daraus folgenden Steuerungen müssen in nachstehender Reihenfolge inner­ halb einer sich wiederholenden Schleife kontinuierlich durchgeführt werden:

• 1) Meßsignal L des Abstandsmeßsensors 13 abtasten,
• 2) Verdrehwinkel β berechnen,
• 3) Abstandsmeßsensor 13 auf die durch den Verdrehwinkel β vorgegebene Position einstellen,
• 4) Meßsignal L des Abstandsmeßsensors 13 abtasten,
• 5) Verschiebung v berechnen und als Meßwert ausgeben,
• 6) Rücksprung zu 2).

Die Verdrehung des Abstandsmeßsensors 13 um die Achse 17 erfolgt mit dem Schrittmotor 19 über das spielfreie Un­ tersetzungsgetriebe 18, wobei der Schrittmotor 19 in Abhängigkeit vom berechneten Verdrehwinkel β gesteuert wird.

Die bei der Kalibrierung vorzunehmende Einstellung auf den Winkel αkal erfolgt durch Vorgabe der dem Winkel entsprechenden Schrittzahl.

Mit dem oben angeführten Algorithmus ist das Meßsystem in der Lage, einwandfreie Messungen sowohl an Neuschie­ nen als auch an bereits abgefahrenen Schienen mit Sei­ tenabnützung durchzuführen.

In Fig. 4 ist schematisch ein eine Einrichtung 21 zur be­ rührungslosen Messung der Spurweite und der Pfeilhöhe aufweisender Meßwagen 22 mit Schienenfahrwerken 23 dar­ gestellt. Zusätzlichen, zu diesen zur Abstützung eines Maschinenrahmens dienenden und mit einem Fahrantrieb versehenen Schienenfahrwerken 23 sind noch drei in Fahr­ zeugrahmenlängsrichtung voneinander distanzierte, als Meßradachsen dienende Schienenfahrwerke 24 vorgesehen, die jeweils gelenkig mit dem Fahrzeugrahmen des Meßwagens 22 verbunden sind. An jeder Radachse 25 der drei Schienenfahrwerke 24 sind zwei Abstandsmeßsensoren 13 der bereits beschriebenen Bauart befestigt und je­ weils mit Hilfe eines eigenen Schrittmotors um eine in Maschinenlängsrichtung verlaufende Achse verschwenkbar. Zur Durchführung einer Pfeilhöhenmessung werden mit Hilfe der mittleren Abstandsmeßsensoren 13 laufend jene Pfeil­ höhen ermittelt, denen die durch die äußeren Abstands­ meßsensoren 13 gebildete Referenzbasis zugrundeliegt. Zur Erzielung exakter Meßwerte werden dabei die Schie­ nenfahrwerke 24 an eine der beiden Schienen angepreßt. Parallel zur Pfeilhöhenmessung ist auch eine Messung der Spurweite durchführbar.

Ein in Fig. 5 vereinfacht dargestelltes Drehgestellfahr­ werk 26 besteht aus zwei jeweils einen Antrieb 27 auf­ weisenden Radsätzen 28. Die gleisaußenseitig gelegenen Achslager der Räder 29 sind mit einem Rahmen 30 verbun­ den, an dem zwei Abstandsmeßsensoren 13 der bereits be­ schriebenen Bauart um eine in Schienenlängsrichtung ver­ laufende Achse verschwenkbar gelagert sind.

Claims (7)

1. Einrichtung zur berührungslosen Abstandsmes­ sung von Schienen eines Gleises mit einem Schienenfahr­ werke aufweisenden Fahrzeugrahmen und berührungslos wir­ kenden, je einer Schiene zugeordneten Abstandsmeßsenso­ ren, die auf einer Räder aufweisenden Radachse gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abstandsmeßsensor (13) um eine in Fahrzeugrah­ menlängsrichtung verlaufende Achse (17) verschwenkbar gelagert und mit einem eigenen Schrittmotor (19) verbun­ den ist, der jeweils einen geschlossenen Regelkreis mit dem zugeordneten Abstandsmeßsensor (13) zur Berechnung der - und automatischen Verschwenkung in jene - Winkel­ stellung bildet, die erforderlich ist, um einen vom Ab­ standsmeßsensor emittierten Lichtstrahl (14) auf einer in konstanter Höhe auf der Schiene liegenden Stelle zu halten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Abstandsmeßsensoren (13) zwischen den Rädern auf einem Rohr (11) befestigt sind, das auf die Radachse (10) aufgeschoben sowie drehbar auf dieser gelagert ist und durch eine Drehmomentstütze (12) mit einem Rahmenteil, vorzugsweise einem die Radachse lagern­ den Fahrwerksrahmen, verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (19) durch ein spielfreies Untersetzungsgetriebe (18) mit dem Abstands­ meßsensor (13) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abstandsmeßsensoren (13) zwischen den Rädern (9) einer Laufachse (8) eines Meßwagens der­ art angeordnet sind, daß der Auftreffpunkt des emittier­ ten Lichtstrahles an einem Schienenkopf jeweils unmit­ telbar neben dem Spurkranz des zugeordneten Rades (9) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßsensoren (13) auf einem mit Achslagern der Räder (29) verbundenen Rah­ men (30) befestigt sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsmeßsensor (13) als eine Baueinheit ausgebildet ist, die sowohl eine Laser-Lichtquelle als auch einen Fotodetektor zum Ab­ tasten des vom Schienenkopf reflektierten Lichtstrahls (14) aufweist, wobei der Lichtquelle und dem Fotodetek­ tor jeweils eine Optik vorgeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt drei in Fahrzeug­ rahmenlängsrichtung voneinander distanzierte, jeweils wenigstens einen Abstandsmeßsensor (13) aufweisende Schienenfahrwerke (24) vorgesehen sind.