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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Magnetschienenbremse an Schienenfahrzeugen, umfassend die kontinuierliche Überwachung der Funktion des Stromkreises zur Bestromung der Magnetschienenbremse und Aufzeichnung des Strom- und/oder Spannungsverlaufs.
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Eine Magnetschienenbremse ist eine Bremse für Schienenfahrzeuge. Sie besteht in der Regel aus eisernen Schleifschuhen mit eingebauten Elektromagneten. In der Regel wird der Magnet durch Druckluft abgesenkt, das Berühren der Schiene erfolgt jedoch erst, wenn der Strom eingeschaltet wurde. Bei Stromdurchfluss durch den Elektromagneten wird der Bremsschuh auf die Schiene herabgelassen und an diese gezogen und presst sich durch die Magnetkraft an, das heißt die Bremskraft erfolgt durch die Reibung.
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Die Reibung sorgt für die Bremswirkung, die auch durch schlüpfrige Schienen nicht spürbar beeinträchtigt wird. Die Bremskraft selber hängt von der Haltekraft, dem Reibwert der Schienen-Bremsmagnetpolschuhe, sowie dem Luftspalt bzw. Verunreinigungen auf dem Schienenkopf und dem Bremsmagneten ab. Aufgrund der durch die Reibung erzielten Bremswirkung unterliegt die Magnetschienenbremse einem hohen Verschleiß und verursacht hohe Wartungs- und Instandhaltungskosten, so dass sie in der Regel nur als Schnell-, Not- und Zwangsbremse eingesetzt wird, die in Gefahrensituationen aktiviert wird.
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Um gegenüber dem Flugverkehr konkurrenzfähig zu bleiben, wird eine kontinuierliche Erhöhung der Reisegeschwindigkeit für den Personenverkehr auf Schienen angestrebt. Die höheren Geschwindigkeiten entsprechender Schienenfahrzeuge stellen jedoch auch erhöhte Anforderungen an das Bremskonzept. Hierbei steigt mit einer höheren Bremsausgangsgeschwindigkeit einerseits die benötigte Bremsleistung an, andererseits nimmt der Haftbeiwert zwischen Rad und Schiene ab. Magnetschienenbremsen sind in diesem Zusammenhang vorteilhaft, da sie nicht nur haftbeiwertunabhängig sind, sondern auch eine sehr hohe nutzbare Bremsleistung zur Verfügung stellen, insbesondere auch im Winter, wenn die haftbeiwertabhängigen Bremssysteme durch Laub oder Eis nicht mit ausreichender Sicherheit bereitgestellt werden können.
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Magnetschienenbremsen sind heute in der Regel auf den Einsatz als Schnell- und Notbremsen beschränkt. Die zunehmenden Anforderungen an das Bremskonzept machen jedoch die Eingliederung der Magnetschienenbremse als Bestandteil des Bremsleistungskonzeptes notwendig.
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Um diese Eingliederung zu gewährleisten, müssen jedoch besondere Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen von der Magnetschienenbremse erfüllt werden. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei die Diagnose der Magnetschienenbremse, die der Feststellung der Wirkbereitschaft dient. Entsprechende Prüfeinrichtungen müssen die Führerbremsventillage und die Geschwindigkeit simulieren, wonach das Absenken der Magnete und die Bestromung erkennbar sein müssen. In der Regel erfolgt die Kontrolle der Absenkung durch optische Überprüfung bei Stillstand des Zuges/Wagens und muss daher für jeden Wagen einzeln durchgeführt werden.
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Aus der
DE 20 2007 009 724 U1 ist ein Halbleiterschaltglied zum Betrieb von Magnetschienenbremsen bekannt. Hierbei kann die Stärke des elektrischen Stroms in der Schienenbremse durch Verwendung eines oder mehrerer Leistungshalbleiter, hauptsächlich MOSFET, und eines Steuermoduls, welches ein geeignetes Modulationssignal zur Ansteuerung der Halbleiter erzeugt, eingestellt werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Änderung des Betriebsstromes beim Absenken und Angreifen der Schienenbremse als Positionsmeldung ausgewertet wird. Hierbei werden jedoch keine konkreten Vorrichtungen oder Auswerteansätze angegeben, um hier die Positionsmeldung zu erhalten.
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Aus der
DE 10 2008 029 319 ist ferner ein Verfahren zur Wirküberwachung von Schienenbremsen für Schienenfahrzeuge bekannt, wobei eine Wicklung eines Bremsmagneten von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Hierbei erfolgt die Überwachung durch das Messen des elektrischen Stromes und des Vergleiches des zeitlichen Verlaufes des gemessenen Stromes mit einem gespeicherten, d. h. bereits zuvor gemessenen und aufgezeichneten oder rechnerisch erstellten, zeitlichen Verlaufs eines Referenzstromes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer Magnetschienenbremse zur Verfügung zu stellen, welche die Funktionsfähigkeit der Magnetschienenbremse überwacht und sicherstellen kann, so dass die Magnetschienenbremse im vollen Umfang auf das Bremsgewicht angerechnet werden kann und die Gesamtanzahl der Bremsen reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zur Überwachung einer Magnetschienenbremse an Schienenfahrzeugen, umfassend die kontinuierliche Überwachung der Funktion des Stromkreises zur Bestromung der Magnetschienenbremse und Bewertung des Strom- und/oder Spannungsverlaufs, dadurch gelöst, dass das Aufsetzen der Magnetschienenbremse durch folgende Schritte ermittelt wird:
- – Bestimmen eines lokalen Maximums des Stromverlaufes anhand des gemessenen Stromflusses,
- – Bestimmen eines nachfolgenden Minimums des Stromverlaufes anhand des gemessenen Stromflusses und
- – Feststellen eines Wiederanstiegs des Stromflusses nach dem Minimum,
wobei der Wiederanstieg wenigstens 10% der Differenz zwischen Maximum und Minimum beträgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache Überprüfung der Wirkbereitschaft einer Magnetschienenbremse, ausschließlich basierend auf den tatsächlich gemessenen Werten des Stromflusses, so dass Fehler durch bereits zuvor abgespeicherte Kurven oder Werte ausgeschlossen werden können. Hierbei kann das Aufsetzen und die Wirkung der Bremse anhand von drei charakteristischen Werten der gemessenen Ströme schnell und zuverlässig bereitgestellt werden. Diese Messung liefert hierbei sowohl im tatsächlichen Betrieb, d. h. während der Fahrt, wie auch bei der Bremsprobe, d. h. im Stand, gleichermaßen gute Angaben. Insbesondere wird hierdurch auch ein zuverlässiges Verfahren, sowie eine Auswertung der Messwerte zur Verfügung gestellt, wenn sich die gemessenen Werte mit dem Alter/Verschleiß der Bremse oder durch äußere Einflüsse, z. B. die Beschaffenheit der Schienen, ändern.
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Das Verfahren eignet sich für alle gängigen Batteriespannungen im Bahnbereich und ist somit vielseitig einsetzbar. Darüber hinaus kann die Strommessung entweder durch Shunt oder vorzugsweise durch Stromwandler durchgeführt werden, d. h. die Messung lässt sich ohne komplizierte Vorrichtungen auf einfache Art und Weise durchführen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann zur Bestimmung des Maximums ein gemessener Stromwert mit einem vorangehend gemessenen und gespeicherten Stromwert verglichen und nur der jeweils höhere Stromwert gespeichert werden, wobei der letzte gespeicherte Stromwert als Maximum festgelegt wird. Gleichermaßen kann zur Bestimmung des Minimums nach der Festlegung des Maximums der gemessene Stromwert mit einem vorangehend gemessenen und gespeicherten Stromwert verglichen und nur der jeweils niedrigere Stromwert gespeichert werden, wobei der letzte gespeicherte Stromwert als Minimum festgelegt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren greift folglich nur auf die tatsächlichen gemessenen Werte zurück, wobei der jeweils gemessene Wert mit dem vorangehenden gespeicherten Wert gemäß vorgegebener Kriterien verglichen wird und jeweils nur der Wert, der die vorab dargestellten Kriterien erfüllt, gespeichert wird, bis er anschließend mit dem nachfolgenden Wert verglichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet vollständig auf das Erstellen einer Referenzkurve mit welcher eine tatsächlich gemessene Kurve verglichen wird und kann somit die in der Vergangenheit bei bereits bekannten Verfahren auftretenden Fehler ausräumen. Das heißt, dass gleichermaßen der zeitliche Verlauf der Stromkurve nicht länger als Referenzparameter eingesetzt wird, sondern gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht länger in die Messung einfließt. Ferner ermöglich es das vorliegende Verfahren, die Auswertung der gemessenen Werte schneller und damit zeitnaher zu Verfügung zu stellen, so dass ein Versagen der Bremsen sehr schnell erkannt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Wert des Minimums nur einen bestimmten Prozentsatz des Strommaximums erreichen, vorzugsweise zwischen 70 und 90%. Hierdurch wird eine zuverlässige Erkennung des Minimums gewährleistet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Stromfluss nach Erreichen des Minimums wieder einen gewissen Prozentsatz, vorzugsweise wenigstens 20%, besonders bevorzugt wenigstens 50% der Differenz zwischen Maximum und Minimum, ansteigen. Durch dieses Merkmal kann die Wirkbereitschaft der Bremse zuverlässig erkannt werden.
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Ferner kann mit Start jeder Messung der Speicher der Maximal- und Minimalwerte gelöscht werden, um sicherzustellen, dass nur die aktuellen Werte der Messung zugrunde gelegt werden.
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Es kann bevorzugt sein, dass der Stromfluss in zeitkonstanten Abschnitten von vorzugsweise 1 bis 30 Millisekunden gemessen wird. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch eine genaue und zuverlässige Überwachung gewährleistet werden kann. Alternativ kann der Zeitabschnitt abhängig von der Dynamik des Messsignals (z. B. der Stromkurve) gewählt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Strompfad jedes Bremsmagneten getrennt überwacht werden, um so gesondert die Aufsetzinformation für jeden einzelnen Magneten zu erhalten.
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Vorzugsweise kann der Strom in der Hinleitung und der Rückleitung gemessen werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden, insbesondere kann, da jeder Magnet einzeln überprüft wird, der kritische Fall einer einseitigen Bremswirkung, z. B. durch Leitungsbruch in einem Magnetkreis, verhindert werden.
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Ferner können die Versorgungsspannung und/oder die systeminternen Spannungen im Magnetkreis zyklisch gemessen werden. Hierdurch wird eine sehr kurze Fehlerdetektionszeit ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Meldung des Zustandes und/oder der allgemeinen Fehlersituation an ein übergeordnetes System weitergegeben werden. Ferner können die einzelnen Elemente des Stromskreises überwacht werden und eine Diagnose jedes einzelnen Elementes erfolgen. Um so möglichst kurze Fehlerdetektionszeiten zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren den weiteren Schritt des Erfassens der Zeitkonstante des Stromanstiegs vor dem Erreichen des Strommaximums und nach dem Erreichen des Stromminimums und Vergleichen derselben umfassen. Hierdurch wird eine zusätzliche Überwachung der Bremswirkung basierend auf der Zeitkonstanten zur Verfügung gestellt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der Kurve des Stromflusses während der Bestromung der Magnetschienenbremse und Aufsetzten derselben auf die Gleise, und
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2 eine Schaltung einer Vorrichtung zur Überwachung des Bremsmagneten in einer schematischen Darstellung.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die bevorzugten technischen Vorraussetzungen im Einzelnen beschrieben.
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Wie bereits ausgeführt, basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf einer zeitnahen Auswertung der einzelnen, während der Bremsung und der Bremsprobe gemessenen Stromwerte, d. h. die Auswertung erfolgt, sobald der neue Wert gemessen wurde.
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Um hierdurch eine zuverlässige Auswertung zu gewährleisten, wird der Strom durch jeden Magneten einzeln erfasst und ausgewertet, so dass die tatsächliche Wirkung jeder einzelnen Bremse zuverlässig überprüft wird und Fehler sofort ermittelt werden können.
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Zur Durchführung des Verfahrens muss ein Startsignal durch die übergeordnete Leittechnik verfügbar sein. Mit dem Startsignal wird gleichzeitig der Bremsmagnet bestromt und das Gestell der Bremsmagnete abgesenkt. Die Versorgungsspannung muss die Bremsmagnete ohne nennenswerten Spannungseinbruch versorgen können. Bei Kontakt des Bremsmagneten mit der Schiene muss bereits ein gewisser Strom fließen, anderenfalls wird keine Gegeninduktivität in ausreichendem Maße wirksam. Es sind daher vorzugsweise Magnetschienenbremsen in Hochaufhängung zu detektieren
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1 zeigt den charakteristischen Stromverlauf, der im Rahmen einer Bremsprobe oder auch bei der Messung an einem Bremsmagneten im Betrieb erzielt wird. Um ein positives Gesamtergebnis zu erhalten, muss für jeden der beteiligten Bremsmagnete jeweils ein entsprechend dem Stromverlauf aus 1 positives Ergebnis ermittelt werden.
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Mit Beginn der Bremsung bzw. Bremsprobe wird ein elektronischer Schalter geschlossen. Der Stromfluss durch den Magneten baut sich entsprechend der Zeitkonstanten dieses Bremsmagneten auf. Gleichzeitig wird der Bremsmagnet auf die Schienen abgesenkt. Zum Zeitpunkt des Kontakts des Magneten mit der Schiene fließt bereits ein gewisser Strom durch den Bremsmagneten. Durch die Relativbewegung zwischen bestromten Bremsmagneten und der Schiene entsteht im Bremsmagneten eine Gegeninduktionsspannung, die den Stromfluss im Bremsmagneten verringert und so den Kennlinienknick hervorruft. Dieser Stromverlauf mit dem charakteristischen Knick/Einbruch ist in 1 dargestellt. Mit Erreichen der Schiene ändert sich zusätzlich die Gesamtinduktivität im Magnetkreis.
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Im Betrieb kann nicht gewährleistet werden, dass der Stromverlauf immer dem Stromverlauf der Bremsprobe entspricht. So üben die Abnutzung der Bremsmagnete wie auch Verunreinigungen auf den Schienen oder ähnliches einen mitunter erheblichen Einfluss auf den Kurvenverlauf des Stroms und damit die Messwerte aus, so dass ein gegenüber einer Referenzmessung veränderter Stromverlauf gemessen wird und gleichzeitig der charakteristische Knick möglicherweise nicht mehr so stark hervortritt. Der Verschleiß übt hierbei auch einen Einfluss auf die Bremsprobe aus, so dass die Absolutwerte der Kurven voneinander abweichen können. Da das vorliegende Verfahren lediglich auf die tatsächlichen Messwerte zurückgreift und kein Vergleich mit zuvor aufgezeichneten Werten herangezogen wird, werden etwaige Veränderungen des charakteristischen Knicks bis zu einer gewissen Größe ohne Einfluss auf die Detektion bleiben und führen trotzdem zu einer zuverlässigen Auswertung.
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Die Auswertung des Stromknicks erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt: Der Strom jedes einzelnen Bremsmagneten wird über einen zugeordneten Stromsensor gemessen. Der gemessene Strom kann vorzugsweise vorverarbeitet werden, z. B. Tiefpassfilterung, Nullpunktverschiebung und Verstärkung und über einen Analog-Digital-Wandler in Prozessoren eingelesen werden.
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Mit dem Start der Bremsung wird zunächst die Speicherung von Minimum und Maximum (alte Werte) der Stromkurve zurückgesetzt, so dass keine gespeicherten Werte einer alten Messung bzw. Auswertung mehr vorhanden sind.
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Nachfolgend werden das Maximum 1 und das Minimum 2 der Stormkurve ermittelt. Dies erfolgt durch Vergleich und Aktualisierung des aktuell gemessenen Stromwertes zuerst mit dem Maximum und nachdem das Maximum festgestellt wurde, mit dem Minimum entsprechend des unten dargestellten Verfahrens. Ein Aufsetzen der Bremse wird erkannt, wenn das Minimum 2 der Stromkurve kleiner ist als ein Prozentsatz, z. B. 85% vom Strommaximum, und zugleich der aktuelle Strom mindestens einen bestimmten Prozentsatz, z. B. 50% des Einbruchs von Maximum zu Minimum, wieder aufgeholt hat. Alternativ können feste Mindestwerte z. B. 1 A für einen Stromeinbruch definiert werden.
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Bei dem Bremstest/der Bremsprobe kann zugleich zu den Kriterien der Bremsung (Stromfluss durch die Bremsmagneten in einem dem Bremsmagnettypen angemessenen Bereich) überprüft werden, ob der Knick im Stromverlauf für beide Bremsmagnete vorliegt. Ist dies der Fall, ist der Bremstest erfolgreich, anderenfalls wird ein Fehler gemeldet.
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Im Folgenden wird nachmals kurz die Vorgehensweise zur Ermittlung des Maximums und Minimums erläutert.
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Bestimmung des Maximums:
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Während der Erfassung der einzelnen Messwerte der Stromkurve wird ein Vergleich jedes Messwertes mit dem vorangehenden gespeicherten Höchstwert vorgenommen. Der jeweils höhere Messwert (Maximalwert) wird gespeichert und dem nächsten Vergleich zugrunde gelegt. Ist der aktuelle Messwert höher als der gespeicherte Maximalwert, ersetzt der aktuelle Messwert den bisherigen Maximalwert (I-aktuell > Max => Max = I-aktuell). Ist der aktuelle Messwert niedriger als der gespeicherte Maximalwert, wird der bisher gespeicherte Maximalwert als Maximum beibehalten.
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Bestimmung des Minimums:
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Erfolgt in Übereinstimmung mit der Bestimmung des Maximums, nur dass der aktuelle Wert jeweils kleiner als der gespeichert Minimalwert sein muss (I-aktuell < Min => Min = I-aktuell). Beim Anstieg der Kurve während der Ermittlung des Maximums wird der gespeicherte Minimalwert immer mit dem Maximalwert mitgeführt, um vom Maximum ausgehend das Minimum der Kurve zu finden, d. h. der erste gespeicherte Wert für das Minimum entspricht dem Maximum. Ist der aktuelle Messwert kleiner als der gespeicherte Minimalwert, wird der letzte gespeicherte Minimalwert als Minimum beibehalten.
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Bei Wiederanstieg des Stromes nach Durchlaufen des Minimums bleibt das Minimum unverändert. Das Maximum bleibt bereits mit Beginn des Stromeinbruchs unverändert.
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Wenn der Strom nach Durchlauf des Knicks das bisherige Maximum überschreitet, werden Min und Max auf diesen Wert nachgeführt. Dies folgt aus dem oben beschriebenen Algorithmus zur Detektion von Maximum und Minimum.
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Alternativ kann aus den Nulldurchgängen mit Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung der Stromkurve auf den Stromeinbruch und damit auf das Absenken des Bremsmagneten geschlossen werden.
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Aus dem momentanen Stromwert „I-aktuell”, dem Minimum und dem Maximum wird laufend das Aufsetzkriterium berechnet. Hierbei werden die nachfolgenden Schritte durchgeführt:
- 1. Vergleich von Maximum und Minimum. Es wird ermittelt, ob das Minimum kleiner als ein gewisser Prozentsatz des Maximums ist, oder gleichwertig, ob der Stromeinbruch größer als ein gewisser Prozentsatz des Maximalwertes ist. Gleichermaßen wäre es möglich, eine feste Grenze für den Stromeinbruch zu definieren.
- 2. Prüfung, ob der Strom nach dem Stromeinbruch erneut ansteigt. Dabei muss ein gewisser Prozentsatz des Stromeinbruchs überschritten werden, oder ein gewisser Prozentsatz des vorherigen Maximums erreicht werden. Alternativ kann auch hier eine feste Grenze für den Stromanstieg definiert werden.
- 3. Eine Zeitüberwachung kann optional bei Beginn der Auswertung des Aufsetzkriteriums gestartet werden. Dies kann wahlweise eine Gesamtzeit vorgeben, oder Zeitbedingungen für Teilaspekte der Kurve (z. B. Zeit zwischen Start der Bremsung und Ermittlung des Minimums) definieren.
- 4. Die Parameter für Einbruch und Wiederanstieg des Stromes sind entsprechend der Fahrzeugparameter (z. B. Ausführung der Bremsmagnete, Absenkmechanik) zu wählen. Vorzugsweise wird dieses Verfahren für Bremsmagnete mit Sinterpolschuhen verwendet. Mit angepassten Parametern lässt sich dieses Verfahren auch für Bremsmagnete mit Stahlpolschuhen nutzen.
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Zusätzlich zu den obigen Ausführungen kann das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Optionen ergänzt werden:
- – Der Bremsstrom in jedem Bremsmagneten muss sich während der Detektion und im anschließenden stationären Betrieb innerhalb vorgegebener Grenzwerte befinden.
- – Optional kann die Versorgungsspannung der Bremsmagnete gemessen werden. Mit diesem Wert kann der Einfluss der Versorgungsspannung auf den Stromfluss und den Stromeinbruch (absolut und relativ) rechnerisch kompensiert werden.
- – Optional kann der Zeitpunkt der Erkennung des Stromeinbruchs ab Start der Überwachung gemessen und dazu genutzt werden die Abhängigkeit des Stromeinbruchs von der Absenkgeschwindigkeit des Bremsmagnetes zu kompensieren.
- – Eine Filterung der Signale durch Hardware oder Software ist von Vorteil und erhöht die Genauigkeit der Auswertung.
- – Es wird nur ein gewisser zeitlicher Abstand zwischen den Detektionen der Stromeinbrüche von linker und rechter Seite eines Bremsmagnetpärchens zugelassen, d. h. es wird überprüft, ob sich die Mechanik der Bremsmagnete gleichmäßig absenkt.
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2 zeigt einen für die Detektion eines Bremsmagneten benötigten Aufbau. Hierbei zeigt 3 eine Batterie zur Versorgung, z. B. eine Fahrzeugbatterie. Der Schalter 4 dient zur Einschaltung des Bremsmagneten. Hierbei ist das Einschaltsignal der Eingang der Auswertung. Der Sensor 5 zeigt den Stromsensor zur Messung des Bremsstroms; sowie Eingang der Auswertung. 6 kennzeichnet den Bremsmagnet und 7 den Messwert der Batteriespannung; Eingang der Auswertung.
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Der dargestellte Aufbau zeigt hierbei nur eine schematische Darstellung für einen Magneten. Die normale Magnetschienenbremse umfasst zwei Bremsmagnete, die gesondert voneinander überwacht werden. Nur wenn von beiden Bremsmagneten die oben genannten Kriterien erfüllt wurden, erkennt das System die Wirkbereitschaft der Magnetschienenbremse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007009724 U1 [0007]
- DE 102008029319 [0008]
