DE102010012786A1 - Method for continuously measuring force e.g. lateral force, between measuring wheel and rail during driving rail vehicle, involves mathematically analyzing wheel disk bridge signals produced around specific degrees by wheel revolution - Google Patents

Method for continuously measuring force e.g. lateral force, between measuring wheel and rail during driving rail vehicle, involves mathematically analyzing wheel disk bridge signals produced around specific degrees by wheel revolution Download PDF

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Abstract

The method involves determining calibration factors required for accounting measured signals. Wheel disk bridge signals are mathematically analyzed, where the wheel disk bridge signals are symmetrically produced around 360 degrees by a wheel revolution. The wheel disk bridge signals are represented by Fourier series. A rail vehicle wheel i.e. measuring wheel, for measured variables with rectangular introduction is completely calibrated by forces e.g. lateral, vertical and longitudinal forces, in the wheel. An independent claim is also included for a measuring wheel for a rail vehicle to measure forces.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene wie der Querkraft Y, der Vertikalkraft Z und der Längskraft X, die insbesondere im Fahrbetrieb zwischen Rad und Schiene wirken, sowie von weiteren Parametern, insbesondere der Querlageposition y des resultierenden Berührpunktes einschließlich der unter speziellen Bedingungen im Fahrbetrieb zwischen Rad und Schiene auftretenden Mehrpunktberührungen.The invention relates to a method for measuring forces between the wheel and rail such as the lateral force Y, the vertical force Z and the longitudinal force X, which act in particular when driving between the wheel and rail, as well as other parameters, in particular the transverse position y of the resulting contact point including Under special conditions when driving between wheel and rail occurring multipoint touches.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Instrumentierung eines Schienenfahrzeugrades mit Messfühlern, insbesondere Dehnungsmessstreifen, sowie einer Verrechnung der gemessenen Signale zu Summensignalen und der Bestimmung der für die Verrechnung erforderlichen Kalibrierfaktoren.The invention also relates to a method for instrumentation of a rail vehicle wheel with sensors, in particular strain gauges, as well as a calculation of the measured signals to sum signals and the determination of the calibration factors required for the calculation.

Erfindungsgemäß kann ein so ausgerüstetes Messrad zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern als ein sich auf einer Achswelle drehendes Einzelrad, oder ein mit einer Achswelle fest verbundenes Einzelrad, oder als Radsatz mit zwei mit der Achswelle fest oder drehend verbundenen Messrädern ausgebildet sein.According to the invention, a measuring wheel equipped in this way for measuring the forces between the wheel and the rail and other parameters can be designed as a single wheel rotating on an axle shaft, or as a single wheel fixedly connected to an axle shaft, or as a wheel set with two measuring wheels fixedly or rotationally connected to the axle shaft ,

Stand der TechnikState of the art

Für die Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene stehen mehrere im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Verfügung:Several methods known in the art are available for the measurement of forces between wheel and rail:

Achswellen-VerfahrenAxle shafts method

Zu Beginn der Entwicklung von Messradsätzen wurde zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene der homogene Bereich der Achswellen genutzt. Beim reinen Achswellen-Verfahren bleibt jedoch der Einfluss der Querverschiebung des Radaufstandspunktes nicht berücksichtigt. Dieser entsteht bei kleinen Rädern oder bei großen Querverschiebungen des Radaufstandspunktes infolge des Befahrens enger Bögen.At the beginning of the development of measuring wheel sets, the homogeneous area of the axle shafts was used to measure the forces between wheel and rail. In the pure axle shaft method, however, the influence of the transverse displacement of the wheel contact point is not taken into account. This arises in small wheels or large transverse displacements of Radaufstandspunktes due to the passage of narrow arches.

Kombiniertes Achswellen-Radscheiben-VerfahrenCombined axle-shaft-wheel-disc-method

Beim kombinierten Verfahren wird der beim Achswellen-Verfahren fehlende Einfluss der Querverschiebung des Radaufstandspunktes aus der Messung der Verformung der Radscheibe hergeleitet.In the combined method, the influence of the transverse displacement of the wheel contact point that is missing in the axle shaft method is derived from the measurement of the deformation of the wheel disc.

Reines Radscheiben-VerfahrenPure wheel disc method

Das Radscheiben-Verfahren bildet den aktuellen Stand der Technik, bei dem ausschließlich auf der Radscheibe gemessen wird. Dabei erfolgt die Messaufnahme als Brückensignale über auf der Radscheibe angeordnete und untereinander verschaltete Sensoren. Die Signalübertragung erfolgt mittels Verstärkung zur Verrechnung und der Ausgabe der Signale. Hierbei kommt ein Algorithmus zum Einsatz, der eine Mischung aus statischen Kalibrierwerten und einer Winkel-Transformation beschreibt.The wheel disc method is the current state of the art, which is measured exclusively on the wheel disc. The measurement recording takes place as bridge signals via arranged on the wheel and interconnected sensors. The signal transmission takes place by means of amplification for the calculation and the output of the signals. Here, an algorithm is used which describes a mixture of static calibration values and an angle transformation.

Die ersten beiden Verfahren sind auf Grund des bei vielen Fahrzeugen zwischen Antrieb und Radscheibe oder zwischen Radsatzlager und Radscheibe zu kurzen homogenen Bereichs der Achswelle oft nicht anwendbar oder zu ungenau. Entsprechend ist das dritte Verfahren, das reine Radscheiben-Verfahren heute als Stand der Technik zu betrachten.The first two methods are often not applicable or too imprecise due to the too short homogeneous area of the axle shaft in many vehicles between drive and wheel disc or between wheelset bearing and wheel disc too short. Accordingly, the third method to consider the pure wheel disc method today as the prior art.

Aus den Patentschriften DE 4218929 C1 , WO 00/20831 , DE 3114499 A1 und DE 10 2005 051 498 B3 bzw. EP 178054 A2 sind Messradsätze zur Ermittlung der zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte bekannt, bei denen Messfühler in mehreren Radien jeweils in zwei senkrecht zueinander stehenden Hauptebenen X∅ und Z∅ angeordnet sind. Dabei weisen die Messradsätze je Radius acht Messfühler (R1 bis R8) auf, wobei vier Messfühler (R1, R4, R5, R8) auf der Radscheibeninnenseite und vier Messfühler (R2, R3, R6, R7) auf der Radscheibenaußenseite liegen.From the patents DE 4218929 C1 . WO 00/20831 . DE 3114499 A1 and DE 10 2005 051 498 B3 respectively. EP 178054 A2 are Meßradsätze to determine the forces occurring between the wheel and rail are known in which sensors are arranged in several radii each in two mutually perpendicular main planes X∅ and Z∅. The measuring wheel sets have eight sensors per radius (R1 to R8), with four sensors (R1, R4, R5, R8) on the inside of the wheel and four sensors (R2, R3, R6, R7) on the outside of the wheel.

Acht weitere Messfühler sind in jeweils denselben Radien der Radscheibe um 45° versetzt zu den vorher beschriebenen Messfühlern appliziert. Diese insgesamt 16 Messfühler, insbesondere ausgebildet als Dehnungsmessstreifen, sind zu vier Wheatstoneschen Vollbrücken zusammengeschaltet.Eight additional probes are mounted in the same radius of the wheel disc at 45 ° offset from the previously described probes. These altogether 16 measuring sensors, in particular designed as strain gauges, are interconnected to form four Wheatstone full bridges.

Je nach Anforderung bzw. Bauart des Radsatzes sind auf mindestens einem und vorzugsweise auf bis zu vier Radien derartige Messfühler auf der Radscheibe appliziert, die zwei unterschiedlichen Koordinatensystemen zugeordnet sind und pro Radius zwei linear unabhängige Gleichungen zur Bestimmung der Kräfte beschreiben.Depending on the requirement or design of the wheelset, such sensors are applied to the wheel disc on at least one and preferably up to four radii, the two different Coordinate systems are assigned and describe per radius two linear equations for determining the forces.

Mit der Variation und Kombination aller Lösungen der eingangs aufgeführten Patentschriften wurden in den letzten 20 Jahren mehr als 200 Messradsätze gefertigt. Hierbei kommt bei den Radscheiben-Messstellen der in der DE 10 2005 051 B3 beschriebene mathematische Algorithmus zum Einsatz. Kennzeichnend für diesen Algorithmus werden die Signale der beiden Hauptebenen miteinander verrechnet, um ein kontinuierliches Signal zu erhalten. Hierbei wird durch mathematische Verknüpfung eine zusätzliche Gleichung gebildet, die mit der doppelten Raddrehfrequenz rotiert und von einer ersten Gleichung linear unabhängig ist. Das erhaltene Gleichungssystem hat sechs Unbekannte. Um eine Lösung zu finden, wird aus zwei Hilfsebenen, die zu den Hauptebenen um 45° versetzt angeordnet sind, ein zweiter Satz Gleichungen gebildet, so dass man insgesamt sechs Gleichungen erhält.With the variation and combination of all solutions of the patents listed above, more than 200 sets of measuring wheels have been manufactured in the last 20 years. Here comes in the wheel disc measuring points in the DE 10 2005 051 B3 described mathematical algorithm used. Characteristic of this algorithm, the signals of the two main levels are offset against each other to obtain a continuous signal. Here, an additional equation is formed by mathematical linkage, which rotates at twice the wheel rotation frequency and is linearly independent of a first equation. The resulting equation system has six unknowns. To find a solution, a second set of equations is formed from two auxiliary planes, which are arranged offset to the main planes by 45 °, so that a total of six equations are obtained.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Beim Einsatz derartiger Messradsätze für lauftechnische Abnahmen, durchgeführt von akkreditierten Prüfstellen für Eisenbahnrollmaterial wurden Unplausibilitäten der Summe der vertikalen Kräfte pro Drehgestell von bis zu ±4% und bei der Summe der Querkräfte pro Drehgestell sogar von bis zu ±20% festgestellt. Dadurch entsteht ein vollkommen falsches Bild und international festgesetzte Normgrenzwerte können auf Grund derartiger Fehler nicht eingehalten werden. Die im Stand der Technik bekannten Messradsätze haben bis heute die erwarteten Plausibilitätsnachweise „Summe der Querkräfte im Drehgestell” und „Summe der Vertikalkräfte im Drehgestell” nicht erfüllen können.When using such gauges for runway inspections carried out by accredited inspection bodies for railway rolling stock, implausibilities of the sum of the vertical forces per bogie of up to ± 4% and with the sum of the lateral forces per bogie even up to ± 20% were found. This creates a completely wrong picture and internationally established standard limits can not be met due to such errors. The known in the art Meßradsätze have not been able to meet the expected plausibility checks "sum of lateral forces in the bogie" and "sum of the vertical forces in the bogie" to date.

Konkret wird die Plausibilität der Querkräfte Y durch den Vergleich der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager (direkt gemessen) mit der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager (berechnet aus der Summe der Querkräfte Y in einem Drehgestell) überprüft (siehe Gleichung 1). Anzumerken ist, dass:

  • – die Plausibilität praktisch nur in konventionellen Bahnfahrzeugen mit 4 Radsätzen oder Radpaaren pro Fahrzeug in je zwei zweiachsigen Drehgestellen mit einer genügenden Genauigkeit überprüft werden kann.
  • – keine quantitative Plausibilitätsprüfung für die einzelnen Querkräfte möglich ist. Es kann immer nur die Plausibilität der Summe aller Querkräfte eines Drehgestells geprüft werden. Das setzt natürlich voraus, dass alle Räder eines Drehgestells als Messräder oder alle Radsätze als Messradsätze ausgebildet sind. Bei Fahrzeugen ohne Drehgestell kann die Plausibilität auch für die Summe der Führungskräfte eines Radsatzes bzw. Radpaares geprüft werden.
Concretely, the plausibility of the lateral forces Y is checked by comparing the unbalanced lateral acceleration at the axle box (measured directly) with the unbalanced lateral acceleration at the axle box (calculated from the sum of the lateral forces Y in a bogie) (see equation 1). It should be noted that:
  • - The plausibility practically only in conventional rail vehicles with 4 wheelsets or pairs of wheels per vehicle in two biaxial bogies can be checked with sufficient accuracy.
  • - No quantitative plausibility check for the individual shear forces is possible. Only the plausibility of the sum of all lateral forces of a bogie can be checked. This assumes, of course, that all the wheels of a bogie are designed as measuring wheels or all wheelsets as Messradsätze. For vehicles without a bogie, the plausibility can also be checked for the sum of the executives of a wheelset or pair of wheels.

Die Summe der Querkräfte ΣY muss folgende Gleichung erfüllen:

Figure 00050001
The sum of the lateral forces ΣY must satisfy the following equation:
Figure 00050001

Das bedeutet, dass die aus der Summe der Querkräfte ΣY berechnete unausgeglichene Querbeschleunigung aqberechnet gleich der mit einem unabhängigen Sensor am Achslager gemessenen (in der Regel einem Inklinometer) unausgeglichenen Querbeschleunigung aqgemessen sein muss.This means that the unbalanced lateral acceleration aq calculated from the sum of the transverse forces ΣY must be measured equal to the unbalanced lateral acceleration aq measured with an independent sensor at the axlebox (usually an inclinometer).

Anzumerken ist ferner, dass:

  • – diese Plausibilitätskontrolle bei quasistatischen Bedingungen sehr genau ist. Bei stark dynamischem Kräfteverlauf (z. B. auf Grund von schlechtem Gleis) ist sie ungenau. Dies kann durch Nutzung einer grösseren statistischen Basis kompensiert werden. Erfahrungsgemäß kann von einer Genauigkeit der Plausibilitätsprüfung von ca. 5–10% ausgegangen werden.
  • – für den Fall, dass keine genaue Wägung von mMR vorliegt und die Genauigkeit der Messung der Vertikalkräfte z überprüft wurde und gegeben ist, kann anstelle von mMR die Summe aller Vertikalkräfte ΣZMR als Basis für die Berechnung der unausgeglichenen Querbeschleunigung am Achslager herangezogen werden (siehe Gleichung 2).
Figure 00060001
mit
g:
Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)
It should also be noted that:
  • - This plausibility check in quasi-static conditions is very accurate. In the case of strongly dynamic forces (eg due to bad track) it is inaccurate. This can be compensated by using a larger statistical base. Experience has shown that a plausibility check accuracy of approx. 5-10% can be assumed.
  • - In the event that there is no accurate weighing of m MR and the accuracy of the measurement of vertical forces z has been checked and given, instead of m MR, the sum of all vertical forces ΣZ MR can be used as the basis for calculating the unbalanced lateral acceleration at the axle (see equation 2).
Figure 00060001
With
G:
Gravitational acceleration (9.81 m / s 2 )

Speziell die Lösung gemäss dem Stand der Technik nach DE 10 2005 051 498 B3 zeigt bei der Messung der Führungskräfte Y in gewissen Situationen nur sehr ungenaue Resultate. Problematisch ist dies, weil gerade die grossen Kräfte, die mit Grenzwerten verglichen werden müssen, damit nur sehr ungenau gemessen werden können.Especially the solution according to the prior art according to DE 10 2005 051 498 B3 shows in the measurement of the executives Y in certain situations only very inaccurate results. This is problematic because it is precisely the large forces that have to be compared with limit values that can only be measured very inaccurately.

Bei Radsätzen nach diesem Stand der Technik ergibt sich eine Abweichung bei der Plausibilitätsprüfung der Querkräfte Y in bestimmten Situationen (große Kräfte am bogenäußeren führenden Rad). Diese ist mit typischerweise 25–30% Abweichung deutlich größer als die Aussagesicherheit der Plausibilitätsberechnung selbst. Damit ist klar, dass es sich bei der Abweichung um einen systematischen Fehler der Messung handelt.In wheelsets according to this prior art, there is a deviation in the plausibility check of the transverse forces Y in certain situations (large forces on the outer bow-leading wheel). With a typically 25-30% deviation, this is significantly greater than the reliability of the plausibility calculation itself. This makes it clear that the deviation is a systematic error of the measurement.

In der Praxis wurde dieser systematische Fehler durch Faktoren korrigiert, was zu der unbefriedigenden Lösung führte, dass faktisch in diesem entscheidenden Betriebszustand nicht über die kontrollierte Einleitung von Kräften, die auf nationale Normale rückgeführt werden können, kalibriert wurde, sondern über die Plausibilitätsfunktion, die auf Grund der oben genannten Einschränkungen hierfür nicht geeignet ist.In practice, this systematic error has been corrected by factors which led to the unsatisfactory solution that was actually calibrated in this critical operating state not via the controlled introduction of forces that can be traced back to national standards, but through the plausibility function, which is Reason the above limitations is not suitable for this.

Insbesondere bei schweren Güterzuglokomotiven oder Universallokomotiven mit 4 oder 6 Achsen ist die quasistatische Querkraft Yqst nach EN 14363 die limitierende Größe. Genau diese Kraft wird mit Messradsätzen nach dem Stand der Technik in den Zuständen, wo sie am größten ist und damit auch genau dort, wo sie mit dem Grenzwert verglichen wird, nur sehr ungenau gemessen. Außerdem werden in der Auswertung der Querkräfte bei der Methode nach dem Stand der Technik zu starke mathematische Vereinfachungen durchgeführt.Especially with heavy freight locomotives or universal locomotives with 4 or 6 axles, the quasi-static lateral force Y qst is behind EN 14363 the limiting size. It is precisely this force that is measured very accurately with measuring wheel sets according to the state of the art in the states where it is greatest and thus exactly where it is compared with the limit value. In addition, excessive mathematical simplifications are performed in the evaluation of the transverse forces in the method according to the prior art.

Da die Messung der Querkräfte mit Messradsätzen nach dem Stand der Technik also gerade in der entscheidenden Situation sehr ungenau ist, wurde intensiv nach der Ursache dieser Ungenauigkeit und einer Verbesserung der Technologie geforscht.Since the measurement of the transverse forces with measuring wheel sets according to the prior art is thus very inaccurate, especially in the decisive situation, intensive research was carried out to investigate the cause of this inaccuracy and an improvement in the technology.

Im Stand der Technik wird bei der Verrechnung der Brückensignale eines Radius davon ausgegangen, dass der Signalverlauf bei Rotation des Rades einem Sinus-Signal folgt. Genauere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies insbesondere bei der Einleitung von vertikalen Z-Kräften nicht der Fall ist. Damit wird bei der Verrechnung der Signale im Stand der Technik ein entscheidender systematischer Fehler gemacht, der zur oben beschriebenen Unplausibilität führt.In the prior art, when offsetting the bridge signals of a radius, it is assumed that the signal curve follows a sine signal when the wheel rotates. However, more detailed investigations have shown that this is not the case in particular when introducing vertical Z forces. Thus, a significant systematic error is made in the offsetting of the signals in the prior art, which leads to the implausibility described above.

Aus kommerziellen Gründen nehmen Geschwindigkeit und Achslasten im Schienenverkehr zu. Dabei ist es nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen unbedingt erforderlich, die Kräfte zwischen Rad und Schiene genau zu kennen, um die Auswirkungen auf den Oberbau und das Fahrzeug beurteilen zu können. Auch auf Grund der Liberalisierung des Eisenbahnverkehrs in Europa muss die Einhaltung entsprechender Grenzwerte für die Kräfte zwischen Rad und Schiene nachgewiesen werden können. Hierzu wird ein Verfahren benötigt, mit dem die Kräfte zwischen Rad und Schiene zuverlässig und exakt gemessen werden können.For commercial reasons, speed and axle loads in rail transport are increasing. Not least for safety reasons, it is absolutely necessary to know the forces between wheel and rail precisely in order to assess the effects on the superstructure and the vehicle. Also, due to the liberalization of rail transport in Europe, compliance with corresponding limit values for the forces between wheel and rail must be demonstrated. For this purpose, a method is needed with which the forces between wheel and rail can be measured reliably and accurately.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messrad und Verfahren zur Instrumentierung für die Messung von Kräften zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern sowie für die Kalibrierung und Auswertung der gemessenen Signale bereitzustellen, mit dem gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Erhöhung der Genauigkeit erreicht wird.It is therefore an object of the present invention to provide a measuring wheel and method of instrumentation for the measurement of forces between the wheel and rail and other parameters as well as for the calibration and evaluation of the measured signals, achieved with respect to the prior art, a significant increase in accuracy becomes.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Lösung.The object is achieved in connection with the preamble according to the invention by the features specified in claim 1. The other claims contain advantageous embodiments of the solution according to the invention.

Erfindungsgemäß werden dabei durch die Aufhebung der Aufteilung der Dehnungsmessstreifen in Hauptebenen und 45°-Ebenen, sowie durch die Verrechnung mit einem neuen Algorithmus und durch ein neues kalibriertechnisches Bewertungsverfahren der Ausgangssignale der Wheatstoneschen Messbrücken die beschriebenen Nachteile behoben.According to the invention, the disadvantages described are eliminated by the cancellation of the distribution of the strain gauges in main planes and 45 ° planes, as well as by offsetting with a new algorithm and by a new calibration-technical evaluation method of the output signals of the Wheatstone bridges.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Annahme, dass es sich bei den Brückensignalen um Sinussignale handelt, fallen gelassen und die Signale werden statt dessen als Fourier-Reihen dargestellt und mathematisch analysiert. Damit wird der entscheidende Fehler bei der Kalibration und Auswertung gegenüber dem Stand der Technik nicht mehr gemacht.With the solution according to the invention, the assumption that the bridge signals are sinusoidal signals is dropped, and instead the signals are represented as Fourier series and mathematically analyzed. Thus, the crucial error in the calibration and evaluation over the prior art is no longer made.

Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Lösung die Kalibrationsmethode entscheidend verbessert worden, so dass Kräfte nur noch an den Stellen eingeleitet werden müssen, wo sie sehr genau aufgebracht werden können (jeweils praktisch senkrechte Einleitung). Hierdurch werden insbesondere die Genauigkeit für die Kalibration der Kräfte in Tangentialrichtung X und die Querlage y des Radaufstandspunktes erhöht.Furthermore, in the solution according to the invention, the calibration method has been decisively improved so that forces only have to be introduced at the points where they can be applied very precisely (in each case practically vertical introduction). As a result, in particular the accuracy for the calibration of the forces in the tangential direction X and the transverse position y of the Radaufstandspunktes be increased.

Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass die um 360° rotations-symmetrischen Radscheiben-Brückensignale durch Fourier-Reihen dargestellt und mathematisch analysiert werden. Durch diese Analyse ist es möglich, für jeden Messradius mit seinen jeweils vorzugsweise gleichwinklig angeordneten, beispielsweise 16 Dehnungsmessstreifen (je 8 auf jeder Radseite) ein vom Raddrehwinkel unabhängiges Signal zu ermitteln, das in einem klar definierten Zusammenhang zu den Kräften zwischen Rad und Schiene und weiteren Parametern steht.Decisive in the present invention is the fact that the 360 ° rotationally symmetric wheel disc bridge signals are represented by Fourier series and mathematically analyzed. Through this analysis, it is possible to determine for each measuring radius with its preferably equiangularly arranged, for example, 16 strain gauges (8 each on each wheel side) independent of the wheel rotation angle signal in a clearly defined relationship to the forces between the wheel and rail and others Parameters stands.

Damit vereinfacht sich das bei der Kalibration zu lösende Gleichungssystem gegenüber dem Stand der Technik auf drei Gleichungen. Das Gleichungssystem ist damit durch Anbringen von Messfühlern in Beispielweise drei Radien lösbar.Thus, the system of equations to be solved in the calibration simplifies over the prior art to three equations. The system of equations is thus solvable by attaching sensors in example three radii.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verbleibenden Oberwellen betragen so weniger als 2% des Messwertes. Damit wird eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit erreicht, die insbesondere bei der Messung der Y-Kräfte bezogen auf den Stand der Technik von Vorteil ist.The harmonics remaining in the method according to the invention are thus less than 2% of the measured value. Thus, a significant improvement in accuracy is achieved, which is particularly advantageous in the measurement of Y-forces relative to the prior art.

Die Auswertung der Plausibilitätsfunktion von Messrädern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt eine hervorragende Übereinstimmung auch in Zuständen mit sehr hohen Querkräften am bogenäußeren, führenden Rad (siehe Abbildung).The evaluation of the plausibility function of measuring wheels by the method according to the invention shows an excellent match even in conditions with very high transverse forces on the outer, leading wheel (see figure).

Figure 00100001
Figure 00100001

Abb.: Es zeigt sich ein lineares Verhalten mit einer Abweichung von 5%, welche in der Größenordnung der Aussagesicherheit der Plausibilitätsfunktion selber liegt.Fig .: It shows a linear behavior with a deviation of 5%, which is in the order of magnitude of the reliability of the plausibility function itself.

„aqber” entspricht aqberechnet in Gleichung 1. „bg” entspricht aqgemessen in Gleichung 1. "Aq over " corresponds to aq calculated in equation 1. "bg" corresponds to aq measured in equation 1.

Damit weisen Messräder nach der erfindungsgemäßen Lösung keine systematischen Fehler mehr auf, welche zu Ungenauigkeiten führen.Thus, measuring wheels according to the invention no longer have systematic errors which lead to inaccuracies.

Die erfindungsgemäße Lösung behebt damit ein seit langem bestehendes, unbefriedigtes Bedürfnis und führt zu einer markant verbesserten Erfüllung der Plausibilitätskriterien und damit zur markanten Verbesserung der Genauigkeit in einem wesentlichen Einsatzfall.The solution according to the invention thus eliminates a long-standing, unsatisfied need and leads to a markedly improved fulfillment of the plausibility criteria and thus to the marked improvement in accuracy in a substantial application.

Ausgestaltung und WeiterbildungenDesign and training

Bei einem erfindungsgemäßen Messrad für die Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung:

  • – auf den Radscheiben Messfühler, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, beispielsweise in drei Radien angebracht
  • – die Dehnungsmessstreifen in jedem Messradius an 2n Positionen, mit beispielsweise n = 3 gleichwinklig verteilt appliziert
  • – innerhalb einer Messebene und einem Radius die Messfühler auf der einen (DMS 1 und 4) und auf der anderen Radseite (DMS 2 und 3) appliziert und zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet
In a measuring wheel according to the invention for the measurement of the forces between wheel and rail according to the inventive method for instrumentation:
  • - Mounted on the wheel discs sensor, such as strain gauges, for example in three radii
  • - Applied the strain gauges in each measuring radius at 2 n positions, with equi-angularly distributed, for example, n = 3
  • - The probes are applied on one (strain gauge 1 and 4) and on the other side of the wheel (strain gauge 2 and 3) within a measuring plane and a radius, and connected to form a Wheatstone measuring bridge

Die Position der Messfühler kann dabei von Messradius zu Messradius unterschiedlich sein.The position of the probes may vary from measuring radius to measuring radius.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung erhält man je Messradius 2n-1 Signale Si, die mit Hilfe von Fourier-Reihen mathematisch dargestellt und analysiert werden können:

Figure 00110001
With the method according to the invention for instrumentation, 2 n-1 signals S i are obtained per measuring radius, which can be mathematically represented and analyzed with the aid of Fourier series:
Figure 00110001

Durch eine erfindungsgemäße Verrechnung dieser vier Signale mit dem aktuellen Raddrehwinkel α kann für jeden Radius ein Summensignal Sj gebildet werden, das ausschließlich von den Fourier-Koeffizienten abhängt. Si = fi(ai0 ... ain, bi1...bin) By an inventive calculation of these four signals with the current wheel rotation angle α, a sum signal S j can be formed for each radius, which depends exclusively on the Fourier coefficients. S i = f i (a i0 ... a in , b i1 ... b in )

Diese Summensignale der drei Messradien sind für jede Radscheibe von den angreifenden Kräften Y, Z und M linear abhängig. M repräsentiert dabei eine Kraft, die einem Moment entspricht, das durch die Querverschiebung des Radaufstandspunktes entsteht. Daraus folgt: S1 = k11·Y + k12·Z + k13·M = f1(a10 ... a1n, b11 ... b1n) S2 = k21·Y + k22·Z + k23·M = f2(a20 ... a2n, b21 ... b2n) S3 = k31·Y + k32·Z + k33·M = f3(a30 ... a3n, b31 ... b3n) These sum signals of the three measuring radii are linearly dependent on the applied forces Y, Z and M for each wheel disc. M represents a force that corresponds to a moment, which results from the transverse displacement of the Radaufstandspunktes. It follows: S 1 = k 11 * Y + k 12 * Z + k 13 * M = f 1 (a 10 ... a 1n , b 11 ... b 1n ) S 2 = k 21 * Y + k 22 * Z + k 23 * M = f 2 (a 20 ... a 2n , b 21 ... b 2n ) S 3 = k 31 * Y + k 32 * Z + k 33 * M = f 3 (a 30 ... a 3n , b 31 ... b 3n )

Die k-Werte sind durch separate Einleitung der drei Kräfte Y, z und M an verschiedenen Winkelpositionen zu ermitteln. Die Einleitung der Kräfte erfolgt dabei an so vielen Winkelpositionen wie es für eine ausreichend genaue Ermittlung der Fourier-Koeffizienten a und b erforderlich ist. Die Einleitung aller Kalibrationskräfte kann dabei in nahezu rechten Winkeln erfolgen, so dass eine genaue Krafteinleitung gewährleistet ist. Insbesondere die Kraft M wird am Radrücken eingeleitet.The k-values are to be determined by separate introduction of the three forces Y, z and M at different angular positions. The introduction of the forces takes place at as many angular positions as is necessary for a sufficiently accurate determination of the Fourier coefficients a and b. The initiation of all calibration forces can be done in almost right angles, so that an accurate application of force is guaranteed. In particular, the force M is introduced at Radrücken.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • aqberechnet:aq calculates :
    Berechnete unausgeglichene Querbeschleunigung am Achslager, berechnet aus der Summe der Querkräfte YCalculated unbalanced lateral acceleration at the axle bearing, calculated from the sum of the transverse forces Y
    XX
    Längskraft auf das RadLongitudinal force on the wheel
    YY
    Querkraft auf das RadTransverse force on the wheel
    ZZ
    Vertikalkraft auf das RadVertical force on the wheel
    MM
    Kraft am Radrücken, die einem durch die Verschiebung des Berührpunktes eingeleiteten Moment entsprichtForce at Radrücken, which corresponds to an initiated by the displacement of the contact point torque
    ΣYMR:ΣY MR :
    Summe der Querkräfte Y aller MessräderSum of the transverse forces Y of all measuring wheels
    ΣZMR: ΣZ MR :
    Summe der Vertikalkräfte Z aller MessräderSum of the vertical forces Z of all measuring wheels
    mMR: MR :
    Von allen Messrädern gemeinsam getragener Anteil des FahrzeuggewichtesShare of vehicle weight borne jointly by all measuring wheels
    aqgemessen:aq measured :
    Gemessene unausgeglichene Querbeschleunigung am Achslager (gemessen üblicherweise mit Inklinometer)Measured unbalanced lateral acceleration at the axle bearing (usually measured with inclinometer)
    Si S i
    Signal einer MessbrückeSignal of a measuring bridge
    Si S i
    Signal eines MessradiusSignal of a measuring radius
    ai, bi a i , b i
    Fourier-KoeffizientenFourier coefficients
    kij k ij
    Kalibrierfaktorencalibration
    αα
    Raddrehwinkelwheel rotation
    γγ
    Querlageposition des resultierenden BerührpunktesTransverse position of the resulting contact point

Ausführungsbeispieleembodiments

Die erfindungsgemäße Lösung wird beispielsweise anhand der nachfolgenden Zeichnungen erläutert. Hierin zeigen:The solution according to the invention will be explained by way of example with reference to the following drawings. Herein show:

1 ein Radprofil (1) eines Schienenfahrzeugrades im Querschnitt mit den Rad-Schiene-Berührkräften X (Längskraft), Y (Querkraft), Z (Vertikalkraft), einer weiteren Kraft M, die einem Moment aus der Querverschiebung des Berührpunktes (3) und der Vertikalkraft Z entspricht 1 a wheel profile ( 1 ) of a rail vehicle wheel in cross-section with the wheel-rail contact forces X (longitudinal force), Y (lateral force), Z (vertical force), another force M, a moment from the transverse displacement of the contact point ( 3 ) and the vertical force Z corresponds

2 ein erfindungsgemäßes Messrad (5), dass eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Instrumentierung mit Messstellen (11, 21, 31) versehene Radscheibe aufweist 2 an inventive measuring wheel ( 5 ) that a method according to the invention for instrumentation with measuring points ( 11 . 21 . 31 ) provided wheel disc

3 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Verfahrensschritten zur Instrumentierung eines Messrades (5) und zur Verrechnung von Messsignalen 3 an inventive method with method steps for instrumentation of a measuring wheel ( 5 ) and for the calculation of measurement signals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4218929 C1 [0009] DE 4218929 C1 [0009]
  • WO 00/20831 [0009] WO 00/20831 [0009]
  • DE 3114499 A1 [0009] DE 3114499 A1 [0009]
  • DE 102005051498 B3 [0009, 0018] DE 102005051498 B3 [0009, 0018]
  • EP 178054 A2 [0009] EP 178054 A2 [0009]
  • DE 102005051 B3 [0012] DE 102005051 B3 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • EN 14363 [0021] EN 14363 [0021]

Claims (10)

Verfahren zur kontinuierlichen Erfassung der während der Fahrt zwischen Rad und Schiene auftretenden Kräfte, bestehend aus der Instrumentierung eines Schienenfahrzeugrades mit Messfühlern, einer Verrechnung der gemessenen Signale zu Summensignalen der Bestimmung der für die Verrechnung erforderlichen Kalibrierfaktoren dadurch gekennzeichnet, dass um 360° rotationssymmetrisch von einer Radumdrehung erzeugte Radscheiben-Brückensignale durch Fourier-Reihen dargestellt werden, vorgesehen zur mathematischen Analyse.Method for the continuous detection of the forces occurring during the journey between wheel and rail, consisting of the instrumentation of a rail vehicle wheel with sensors, a billing of the measured signals to sum signals of the determination of the calibration factors required for the calculation characterized in that by 360 ° rotationally symmetrical of a Radumdrehung generated wheel disc bridge signals are represented by Fourier series, provided for mathematical analysis. Verfahren nach Anspruch 1, zur Messung von Kräften und weiteren Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Radscheiben angebrachte Messfühler in mindestens drei Radien angeordnet sind und Dehnungsmessstreifen in jedem Messradius in mindestens 2n verteilten Positionen appliziert sind und die bezogen auf die Radmitte gegenüberliegenden Messfühler eines Radius' auf beiden Radseiten zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind, wobei deren Ausgangssignale als Fourier-Reihen mathematisch dargestellt und durch eine gleichberechtigte Verrechnung miteinander kombiniert ein vom Raddrehwinkel unabhängiges Signal erzeugen.A method according to claim 1, for measuring forces and other parameters, characterized in that mounted on the wheel discs sensor are arranged in at least three radii and strain gauges in each measuring radius in at least 2n distributed positions are applied and the relative to the wheel center opposite sensor of a radius 'Are interconnected on both sides of the wheel to a Wheatstone bridge, with their output signals as a Fourier series mathematically represented and combined by an equal offsetting combined generate a signal independent of the wheel rotation angle. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Messfühler, wie insbesondere Dehnmessstreifen in gleichwinklig verteilten Positionen appliziert sind.A method according to claim 1 or 2, characterized in that sensors, in particular strain gauges are applied in equiangularly distributed positions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Messung von Kräften und weiteren Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schienenfahrzeugrad für alle Messgrössen mit der nahezu rechtwinkligen Einleitung von Kräften ins Rad vollständig kalibriert wird.Method according to one of claims 1 to 3, for the measurement of forces and other parameters, characterized in that a rail vehicle wheel for all measured variables with the nearly rectangular introduction of forces into the wheel is fully calibrated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Messung von Kräften und weiteren Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Kräfte in Radquerrichtung Y auch bei großen Kräften maximal 2% beträgt.Method according to one of claims 1 to 4 for the measurement of forces and other parameters, characterized in that the deviation of the forces in the wheel transverse direction Y is a maximum of 2%, even with large forces. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Messung von Kräften und weiteren Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die Querlageposition y des resultierenden Berührpunktes Rad/Schiene erfasst wird.Method according to one of claims 1 to 5 for the measurement of forces and other parameters, characterized in that in particular the transverse position y of the resulting contact point wheel / rail is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Messung von Kräften und weiteren Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schienenfahrzeugrad ein Messrad ist.Method according to one of claims 1 to 6 for the measurement of forces and other parameters, characterized in that a rail vehicle wheel is a measuring wheel. Messrad für ein Schienenfahrzeug zur Messung von Kräften und weiteren Parametern gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messrad auf einer Achswelle fest oder drehend angeordnet ist.Measuring wheel for a rail vehicle for measuring forces and other parameters according to the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that a measuring wheel on a axle shaft is fixed or rotating. Messrad für ein Schienenfahrzeug zur Messung von Kräften und weiteren Parametern nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messräder auf je einer Achswelle fest oder drehend zu zwei Losrädern angeordnet sind und ein Losradpaar bilden.Measuring wheel for a rail vehicle for measuring forces and other parameters according to claims 7 and 8, characterized in that two measuring wheels are arranged on each axle shaft fixed or rotating to two idler gears and form a pair of idler gears. Messrad für ein Schienenfahrzeug zur Messung von Kräften und weiteren Parametern nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messräder mit einer Achswelle fest verbunden sind.Measuring wheel for a rail vehicle for measuring forces and other parameters according to one of claims 8 or 9, characterized in that two measuring wheels are fixedly connected to an axle shaft.
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EN 14363

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