Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung von Schienenbrüchen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung
einer Anordnung zur Erkennung von Schienenbrüchen nach Anspruch 7.
Eisenbahnschienen sind hohen dynamischen und thermischen Belastungen
ausgesetzt, die eine Materialermüdung bewirken und schließlich auch zu
Schienenbrüchen führen können. Um eine Gefährdung des Bahnbetriebs zu
vermeiden, werden die Schienen deswegen nach einiger Zeit ausgewechselt.
Dadurch entstehen allerdings hohe bauliche und auch betriebliche Kosten,
denn während der Gleisbauarbeiten sind die betroffenen Strecken nicht
befahrbar. In letzter Zeit haben auch Sabotageakte an Schienen
zugenommen, bei denen mit Hilfe von Werkzeugen, beispielsweise
Trennscheiben, die Schienen durchtrennt werden.
Es sind daher Anstrengungen unternommen worden, Schienenbrüche sofort
nach ihrem Auftreten zu erkennen. Auf diese Weise lassen sich die
Auswechselintervalle verlängern, da ein Schienenbruch, wenn er sofort erkannt
wird, unmittelbar zu einer Streckensperrung führt und somit keine Gefahr für
herannahende Schienenfahrzeuge darstellt. Auch Schienenbrüche infolge von
Sabotageakten können bei sofortiger Erkennung den Betrieb nicht ernsthaft
gefährden.
Bekannte Systemen zur Schienenbrucherkennung beruhen meist auf dem
Prinzip der Stromkreisunterbrechung. Die Schienenstrecke wird dazu in
voneinander isolierte Abschnitte unterteilt, die jeweils in sich einen
geschlossenen Stromkreis darstellen. Bricht eine Schiene vollständig
auseinander, so wird der Stromkreis unterbrochen und über eine
Auswerteschaltung eine Alarmhandlung veranlaßt. Nachteilig bei auf diesem
Prinzip beruhenden Systemen ist, daß überhaupt nur solche Brüche erkennbar
sind, bei denen die Schiene über ihr gesamtes Profil hinweg
auseinanderbricht. Häufig bricht aber nur ein Teil aus dem Schienenkopf
heraus, ohne daß dabei die Schiene ihre elektrische Leitfähigkeit verliert. Ein
derartiger Schienenbruch ist folglich nicht mit diesen bekannten Systemen
erkennbar. Außerdem lassen sich derartige Systeme durch Saboteure
überwinden, indem vor dem Durchtrennen der Schiene der betreffende
Abschnitt mit Hilfe eines elektrischen Leiters überbrückt wird.
Aus der EP-A1-514 702 ist ein Verfahren zur Erkennung von Schienenbrüchen
bekannt, bei dem in regelmäßigen Abständen angeordnete Sender akustische
Signale in die Schienen einkoppeln. Zwischen den Sendern befinden sich
Empfänger, die die durch die Schienen sich ausbreitenden akustischen Signale
aufnehmen und auswerten. Kommt es zu einem Schienenbruch, so wird das
akustische Signal durch die Bruchstelle verfälscht. Die Empfänger erkennen
diese Verfälschung und veranlassen eine geeignete Alarmhandlung. Dieses
bekannte Verfahren hat vor allem den Vorteil, daß es sich durch Saboteure
nur schwer überwinden läßt. Nachteilig ist allerdings, daß der Abstand
zwischen den Sendern 1200 Meter nicht überschreiten sollte. Aufgrund der
Vielzahl der benötigten Sender und Empfänger ist der investive Aufwand sehr
hoch. Außerdem müssen bei Gleisbauarbeiten die Sender und Empfänger ab- und
nach Abschluß der Arbeiten wieder anmontiert werden. Auch dadurch
werden hohe Kosten verursacht.
Aus der DE-A1-44 32 329 ist schließlich ein Verfahren zur Zuglauf- und
Fahrwegüberwachung bekannt, bei dem ein faseroptisches Band zwischen
Schiene und Schwelle in Verbindung mit oder an Stelle der dort eingebauten
elastischen Zwischenlagen geführt wird. Dieses Band nimmt an jeder Schwelle
den Schwellengegendruck zwischen Schiene und Schwelle auf. Alternativ ist
vorgesehen, das Faserband seitlich am Schienensteg anzubringen. Falls
während der Befahrung durch ein Schienenfahrzeug ein Schienenbruch
auftritt, so kommt es zu einer plötzlichen Änderung der Lastverteilung in der
Schiene. Diese geänderte Lastverteilung wird vom Sensorband registriert und
über sogenannte Sensorkoordinatoren an einen Streckenrechner
weitergegeben. Die Auswertung im Streckenrechner ist allerdings relativ
aufwendig, da ein genaues Abbild der Lastverteilung in Echtzeit errechnet
werden muß, und zwar nur auf der Grundlage des am Abschnittsende des
Sensorbands abgegriffenen Ausgangssignals. Das Verfahren stößt an seine
Grenzen, wenn, wie oben bereits angesprochen, nicht die ganze Schiene
durchbricht, sondern nur ein Teil des Schienenkopfes aus der Schiene
herausbricht. Die Lastverteilung in der Schiene ändert sich in diesem Fall nur
unwesentlich, da zur Steifigkeit der Schiene in Vertikalrichtung vor allem der
nicht beschädigte Schienensteg beiträgt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Erkennung von
Schienenbrüchen anzugeben, die auch auf den Bereich des Schienenkopfes
beschränkte Schienenbrüche erkennt, einfach im Aufbau ist und nicht mutwillig
durch Saboteure überwunden werden kann. Die Anordnung soll zudem
Gleisbauarbeiten möglichst wenig beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Auf diese Weise wird die optische Faser nicht nur
unterbrochen, wenn die Schiene vollständig durchbricht, sondern auch dann,
wenn lediglich der Schienenkopf einreißt oder teilweise herausbricht. Die
erfindungsgemäße Anordnung gewährt ferner einen wirksamen Schutz gegen
Sabotageakte, da ein Durchtrennen der Schiene nicht möglich ist, ohne dabei
auch die optische Faser zu durchtrennen. Die Auswerteeinrichtung braucht
lediglich zu überwachen, ob ein in die Faser eingekoppelter Lichtstrahl
unterbrochen ist oder nicht. Eine aufwendige Signalauswertung ist nicht
erforderlich. Da es auf eine korrekte Übertragung bestimmter Signalformen
nicht ankommt, können der Lichtsender und die Auswerteeinrichtung sehr weit
voneinander entfernt sein; Abstände in der Größenordnung von 100 km sind
ohne weiteres möglich. Daher sind, wenn man von der optischen Faser selbst
absieht, entlang der Strecke nur äußerst wenige zusätzliche Einrichtungen
erforderlich.
Die optische Faser wird entweder an der seitlichen Flanke oder an der
Unterseite des Schienenkopfes befestigt. Bei einer Befestigung auf der
Unterseite des Schienenkopfes ist die optische Faser besonders gut gegen
aufgeworfene Schottersteine geschützt.
Vorzugsweise wird die optische Faser auf der Seite des Schienenkopfes
befestigt, die nicht vom Spurkranz eines über die Schiene rollenden Rades
berührt werden kann. Dadurch wird eine Beschädigung durch Spurkränze von
Fahrzeugrädern verhindert.
Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel hat der Schienenkopf
eine Nut in Längsrichtung zur Aufnahme der optischen Faser. Die in diese Nut
eingelegte optische Faser ist auf diese Weise besonders gut geschützt. Diese
Variante ist vor allem dann sinnvoll, wenn Gleisbaumaschinen eingesetzt
werden, deren Greifarme zum Anheben der Schiene unter den Schienenkopf
greifen. Eine Beschädigung der optischen Faser durch die Greifarme ist in
dieser Situation ausgeschlossen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der
Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1:
- Einen Schnitt durch eine Schiene zur Erläuterung eines ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- Fig. 2:
- Einen Schnitt durch eine Schiene zur Erläuterung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine Eisenbahnschiene SCH, die aus einem
Schienenfuß FUSS, einem Schienensteg STEG und einem Schienenkopf KOPF
besteht. Darüber ist das Rad RAD eines Schienenfahrzeugs angedeutet,
welches mit seiner Lauffläche auf der Oberseite des Schienenkopfs KOPF
aufliegt.
Auf der Unterseite des Schienenkopfs KOPF ist eine optische Faser OF
befestigt. Wie im vergrößerten Ausschnitt erkennbar ist, befindet sich die
optische Faser kurz vor der Stelle, an der der Schienenkopf KOPF in den
Schienensteg STEG übergeht. Vorzugsweise ist die optische Faser OF am
Schienenkopf KOPF mit Hilfe eines Klebstoffs KLE befestigt. Der Klebstoff KLE
sollte so beschaffen sein, daß die optische Faser OF ausreichend gegen
Umwelteinflüsse geschützt ist. Außerdem soll bei einem Bruch des
Schienenkopfs KOPF auch der Klebstoff brechen und die eingebettete optische
Faser OF durchtrennen. Andererseits sollte eine gewisse Elastizität gegeben
sein, damit die Faser nicht bereits bei geringer Durchbiegung bricht, z. B. beim
Anheben von Schienen im Zusammenhang mit Gleisbauarbeiten.
Als optische Faser können preisgünstige handelsübliche Mehrmodenfasern
verwendet werden, da, wie oben bereits erwähnt, keine Ansprüche an eine
qualitative Erhaltung des eingespeisten Lichtsignals gestellt werden. Bei sehr
langen zu überwachenden Strecken ist allenfalls darauf zu achten, optische
Fasern mit geringer optischer Dämpfung zu verwenden, damit auf den Einsatz
von optischen Regeneratoren verzichtet werden kann.
Die optische Faser OF befindet sich bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel auf der Seite des Schienenkopfs KOPF, die nicht vom
Spurkranz des Laufrades RAD berührt werden kann. Dadurch wird eine
Beschädigung durch den Spurkranz SK des Rades RAD von vornherein
ausgeschlossen. Prinzipiell ist aber natürlich eine Befestigung auf der
gegenüberliegenden Seite ebenso möglich. Dies ist sogar sinnvoll, wenn eine
zweite optische Faser am Schienenkopf KOPF befestigt werden soll. Diese
zweite optische Faser wird dann vorzugsweise symmetrisch zu der in Fig. 1
dargestellten optischen Faser OF auf der anderen Seite des Schienenkopfes
KOPF befestigt. Mit Hilfe einer so befestigten zweiten optischen Faser lassen
sich auch besonders seltene Fälle von Schienenbrüchen erkennen, bei denen
der Schienenkopf KOPF nur halbseitig herausbricht.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dort die optische Faser OF
nicht auf der Außenfläche des Schienenkopfs KOPF, sondern in einer in
Längsrichtung der Schiene SCH verlaufenden Nut NUT befestigt. Die Nut NUT
kann in den Schienenkopf KOPF bereits beim Walzen der Schiene SCH
eingebracht oder auch nachträglich in die verlegte Schiene SCH
hineingearbeitet sein, z. B. durch Fräsen, Schleifen oder unter Verwendung
eines Lasers. Das nachträgliche Hineinarbeiten hat den Vorzug, daß an
Schienenstößen kein Versatz der Nut NUT auftreten kann, der ein maschinelles
Einlegen und Befestigen der Faser erschwert. Die Nut NUT ist vorzugsweise so
tief, daß sie die optische Faser OF mit dem ggf. verwendeten Klebstoff
vollkommen aufnimmt. Die Außenfläche des Schienenkopfs KOPF bleibt
dadurch frei von Erhebungen, die Ansatzpunkte für mechanische
Beschädigungen der optischen Faser OF bieten könnten. Als Ursache
derartiger Beschädigungen kommen insbesondere Gleisbaumaschinen in
Betracht, deren Greifarme zum Anheben der Schiene SCH unter den
Schienenkopf KOPF greifen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist eine Beschädigung durch eine derartige
Gleisbaumaschine ausgeschlossen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß eine
Beschädigung auch bei außen befestigten optischen Fasern OF verhindert
werden kann, wenn die Greifarme der eingesetzten Gleisbaumaschinen an
der entsprechenden Stelle eine Nut aufweisen, so daß ein direkter Kontakt
zwischen der optischen Faser OF und dem Greifarm verhindert wird.
Die Verlegung des optischen Faser OF erfolgt vorzugsweise maschinell. Falls
der Schienenkopf KOPF bereits über eine eingewalzte Nut NUT verfügt,
werden die Schienen SCH in herkömmlicher Weise an den Stößen miteinander
verschraubt oder verschweißt. Im letztgenannten Fall muß im Bereich der
Schweißnaht die Nut NUT von Hand nachgefräst werden. Anschließend fährt
eine auf dem fertigen Gleis fahrende Maschine die Schiene SCH ab und klebt
in die Nut NUT die optische Faser OF ein.
Falls der Schienenkopf KOPF nicht bereits über eine eingewalzte Nut NUT
verfügt, werden die Schienen SCH ebenfalls in herkömmlicher Weise an den
Stößen miteinander verschraubt oder verschweißt. Anschließend fährt eine auf
dem fertigen Gleis fahrende Maschine die Schiene SCH ab und arbeitet an der
vorgesehenen Stelle im Schienenkopf KOPF die Nut NUT ein. Möglichst im
gleichen Arbeitsgang befestigt sodann die Maschine - z. B. durch Kleben KLE -
die optische Faser OF in der Nut NUT. Schließlich verbindet man das eine
Ende der optischen Faser OF mit einer Lichtquelle, beispielsweise mit einem
Halbleiterlaser. Das andere Ende der optischen Faser OF wird mit einer
Auswerteeinrichtung verbunden, die eine Photodiode zum Empfangen des
gesendeten Lichts umfaßt. Die Auswerteeinrichtung ist so ausgeführt, daß eine
Alarmhandlung veranlaßt wird, sobald die Stärke des empfangenen
Lichtsignals unter einen vorgegebenen Schwellenwert sinkt.
Alternativ kann sich die Auswerteeinrichtung auf der gleichen Seite befinden
wie die Lichtquelle. Das andere Ende der optischen Faser OF ist verspiegelt, so
daß ein ankommendes Lichtsignal zurückgeworfen wird und von der
Auswerteeinrichtung empfangen werden kann. Diese Anordnung hat den
Vorteil, daß bei einem Brechen der optischen Faser OF die Bruchstelle als
Spiegel fungiert. Aus der Laufzeit des Signals kann dann auf die Entfernung
der Bruchstelle von der Lichtquelle geschlossen werden. Auf diese Weise ist
eine Lokalisierung der Bruchstelle möglich.