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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Radkraft-Messanlage.
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Radkraft-Messanlagen,
auf die sich die Erfindung bezieht, finden insbesondere Anwendung
an Fahrbahnen des Schienenverkehrs.
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Bei
der Deutschen Bahn AG kommt als spezielle Ausführungsform einer Radkraft-Messanlage eine
Detektionsanlage für
unrunde Räder
(DafuR) zur Anwendung, insbesondere an Schnellfahrstrecken. Diese
Radkraft-Messanlage ist aus
DE
44 39 342 bekannt. Die DafuR hat die Aufgabe, Radsätze an Schienenfahrzeugen
auf Rundlaufabweichungen, insbesondere Flachstellen, zu prüfen und
Meldungen an die zuständigen
Stellen weiterzuleiten. Desweiteren kann die DafuR auch als dynamische
Gleiswaage verwendet werden, um Radlastüberschreitungen oder Schiefladungen
zu detektieren.
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Das
verwendete Messprinzip der DafuR beruht auf einer Messung einer
Schubverformung eines Schienensteges in Schwellenfachmitte (T-Messstelle)
sowie auf einer Messung einer Verformung eines Schienenfußes im Bereich
eines Auflagers der Schiene (R-Messstelle) aufgrund einer Radlast und/oder
Radsatzlast.
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Bei
der T-Messstelle werden mehrere Messwertaufnehmer, insbesondere
Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden
Schwellenfächern
jeweils in Höhe
der neutralen Faser des Schienensteges angebracht. Gemessen wird
somit die Schubverformung der Schiene und damit eine vertikale Kraft
zwischen Rad und Schiene. Die Anordnung in Höhe der neutralen Faser des Schienensteges
bewirkt zudem insbesondere, dass eine Verfälschung der Messergebnisse
aufgrund einer Durchbiegung der Schiene ausgeschlossen wird.
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Bei
der R-Messstelle werden mehrere Messwertaufnehmer, insbesondere
Dehnungsmessstreifen, an der Schiene an mehreren aufeinanderfolgenden
Auflagern, insbesondere Schwellen, jeweils am Schienenfuß angebracht.
Gemessen wird somit die Verformung des Schienenfußes.
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Die
DafuR erfasst somit die vertikale Kraft zwischen Rad und Schiene
kontinuierlich über
eine bestimmte Länge.
Diese Messung erfolgt ortsfest am Gleis über den gesamten Radumfang
in einem Geschwindigkeitsbereich von 60–400 km/h für beide Fahrtrichtungen. Für jeden
Radsatz werden die Messsignale aufgezeichnet und ausgewertet sowie auf
die jeweilige Zugnummer, Achsnummer und Seite des Zuges bezogen.
Zusätzlich
werden weitere Messgrößen wie
Zuggeschwindigkeit, Achszahl, Überfahrtzeit,
Radlasten und Schiefladungen erfasst sowie eine Klassifizierung
des Zuges über
die Messung des Achsabstandes (Zugbilderkennung) durchgeführt.
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Aus
DE 44 39 342 ist weiterhin
bekannt, dass für
die Kalibrierung der DafuR eine bügelartige Vorrichtung verwendet
wird, die an der Schiene im Bereich des jeweiligen Messwertaufnehmers
kraftschlüssig
befestigt wird und mittels eines hydraulischen Stempels eine definierte
Kraft, insbesondere 50 kN, auf den Schienenkopf aufbringt. An der
bügelartigen
Vorrichtung ist im Kraftfluss des hydraulischen Stempels ein kalibrierter
Kraft-Messwertaufnehmer angebracht. Hiermit wird die Kraft gemessen,
die der hydraulische Stempel auf den Schienenkopf aufbringt. Gleichzeitig
wird die von dem entsprechenden Messwertaufnehmer der T- bzw. R-Messstelle
gemessene Kraft zwischen bügelartiger
Vorrichtung und Schiene ermittelt. Das Verhältnis aus der von dem Messwertaufnehmer
der T- bzw. R-Messstelle gemessenen Kraft und der von dem kalibrierten
Kraft-Messwertaufnehmer der bügelartigen Vorrichtung
gemessenen Kraft ergibt den Kalibrierfaktor des Messwertaufnehmers
der T- bzw. R-Messstelle.
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Nachteile
der Kalibrierung mit der bügelartigen
Vorrichtung aus
DE 44 39 342 sind:
- – die
bügelartige
Vorrichtung muss mittels Schraubklemmen an der Schiene befestigt
werden, so dass Zugfahrten während
des für
die Kalibrierung erforderlichen Zeitraums ausgeschlossen sind. Für die Kalibrierung
müssen
somit Sperrpausen für
den Zugverkehr eingelegt werden, wodurch der Zugverkehr erheblich
beeinträchtigt
wird.
- – es
ist ein hoher Zeitaufwand erforderlich, da mehrere Messwertaufnehmer
kalibriert werden müssen
und für
jede Kalibrierung mehrere Messvorgänge mit einer Dauer von insgesamt
10 Minuten bis 30 Minuten erforderlich sind. Die Kalibrierung der
gesamten Messanlage dauert 2 Tage.
- – es
ist ein hoher Personalaufwand erforderlich, da die Befestigung der
bügelartigen
Vorrichtung, die eine Masse von etwa 40 kg aufweist, mehrere Personen
sowie zusätzlich
zur Sicherung dieser Personen Sicherungspersonal bestehend aus einer
Sicherungsaufsichtskraft und mehreren Sicherheitsposten erfordert.
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Aus
DD 246 368 A1 ist
ein Verfahren zur Kalibrierung dynamischer Radlastmesseinrichtungen bekannt,
bei dem jeder Kraftaufnehmer der Radlastmesseinrichtung außerhalb
und unabhängig
von der Radlastmesseinrichtung mit einer an sich bekannten Normalbelastungseinrichtung
kalibriert wird. In jeder Messkette wird der Kraftaufnehmer durch
eine Kraftaufnehmernachbildung ersetzt, die ein einer definierten
Radlast entsprechendes Ausgangssignal liefert. Die Messkette wird
durch Abgleich des Verstärkungsfaktors
des Verstärkers
auf ein vorgegebenes Ausgangssignal kalibriert. Die kalibrierten
Kraftaufnehmer werden in die Radlastmesseinrichtung eingebaut und
mit der Messkette verbunden, die Radlastmesseinrichtung von einem
Kalibrierfahrzeug überrollt
und die Kalibrierfaktoren ermittelt.
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Nachteil
dieses Verfahrens ist, dass die Kraftaufnehmer zur Kalibrierung
aus der Radlastmesseinrichtung zunächst ausgebaut werden müssen, um
zuerst einen statischen Kalibrierfaktor K1 zu ermitteln, der mit
dem Übertragungsfaktor
K2 des verwendeten Verstärkers
und in einem dritten Schritt mit einem weiteren Kalibrierfaktor
A multipliziert wird, der beim Überrollen
der kompletten Messeinrichtung bei der nun wieder die Kraftaufnehmer
eingebaut sind, von einem Kalibrierfahrzeug durch Verhältnisbildung
zwischen bekannter Radlast des Kalibrierfahrzeugs und der von der
Messeinrichtung angezeigten Kraft bestimmt wird.
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Dieser
Aufwand ist erforderlich, weil der letzte Kalibrierungsschritt durch Überrollen
mit dem Kalibrierfahrzeug geschieht und ohne die vorherige statische
Kalibrierung bei konventionellen Verfahren nur ungenaue Ergebnisse
erreicht würden.
Grund hierfür ist,
dass bei rollendem Rad gemäß Stand
der Technik der Kraftaufnehmer so positioniert werden müsste, dass
die Testkraft an dem Punkt eingeleitet wird, an dem bei gleicher
Testkraft das maximale Ausgangssignal gegenüber allen anderen Punkten erreicht wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kalibrierung
einer Radkraft-Messanlage anzugeben, bei dem die geschilderten Nachteile
des Standes der Technik gelöst
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nach Anspruch 1 hat gegenüber
dem Stand der Technik die Vorteile:
- – die Kalibrierung
der Radkraft-Messanlage erfolgt lediglich mit Hilfe einer bekannten
Last eines Radsatzes und somit ohne Einsatz zusätzlicher Kalibriereinrichtungen,
insbesondere ohne die bügelartige
Vorrichtung.
- – die
Kalibrierung der Radkraft-Messanlage erfolgt im Labor, so dass ein
Aufenthalt von Personal an der Messstelle nicht erforderlich ist.
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Ist
ein Messwertaufnehmer am Schienensteg (T-Messstelle) im Bereich
zwischen zwei Auflagern der Schiene angebracht, so ermittelt er
eine Verformung des Schienensteges aufgrund der bekannten Radlast
und/oder Radsatzlast.
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In
einem Bereich (6), in dem eine Messung nicht möglich ist
bzw. zu keinen sinnvollen Messergebnissen führt, wird ein Messsignal (1)
des Messwertaufnehmers (20) extrapoliert. Hierdurch wird
ein extrapolierter maximaler (82) und ein extrapolierter minimaler
Wert (81) des Messsignals (1) berechnet und die
Differenz (9) aus dem maximalen Wert (82) und
dem minimalen Wert (81) des Messsignals (1) bestimmt.
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Der
Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers (20)
wird anschließend
aus dem Verhältnis
von der Differenz (9) aus dem maximalen Wert (82)
und dem minimalen Wert (81) des Messsignals (1)
zu der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast berechnet.
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Ansprüche 2 und
3 geben vorteilhafte Ausführungsbeispiele
des Hauptanspruches wieder.
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Anspruch
2 gibt einen bestimmten Wert für den
nicht messbaren Bereich an, an dem sich der Messwertaufnehmer am
Schienensteg befindet. Die Krafteinleitung eines bewegten Rades
in eine Schiene erfolgt bekanntlich unter einem Winkel von etwa 45° in Fahrtrichtung
des Rades. Demzufolge ist in diesem Bereich eine Messung nicht möglich bzw. weicht
das Messsignal vom wahren Kraftsignal ab und führt somit zu keinen sinnvollen
Messergebnissen. Der nicht messbare Bereich wird hierbei aus der Höhe der Schiene
sowie der Höhe
des Befestigungsortes des Messwertaufnehmers am Schienensteg berechnet.
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Eine
bei der Deutschen Bahn AG insbesondere verwendete Schienenform ist
eine UIC 60 Schienenform mit einer Schienenhöhe von 172 mm. Für einen
Messwertaufnehmer, der am Schienensteg im Bereich der neutralen
Faser der Schiene und somit etwa 91 mm unterhalb der Schienenoberkante angebracht
ist, ergibt sich somit, dass in einem Bereich etwa von 91 mm vor
bis 91 mm hinter dem Befestigungsort des Messwertaufnehmers am Schienensteg
keine Krafteinleitung des Rades in die Schiene gemessen werden kann.
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Anspruch
3 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messwertaufnehmers
am Schienenfuß (R-Messstelle).
Dieser Messwertaufnehmer ist an einem Schienenfuß im Bereich eines Auflagers der
Schiene angebracht und ermittelt somit eine Verformung des Schienenfußes aufgrund
der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast.
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Ein
Kalibrierfaktor zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers am Schienenfuß ergibt
sich aus dem Kalibrierwert des Messwertaufnehmers am Schienensteg,
indem eine Differenz aus der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast
und den Kalibrierfaktoren von zwei benachbarten, an einem Schienensteg
im Bereich zwischen zwei Auflagern der Schiene angebrachten Messwertaufnehmern
gebildet wird. Bei Verwendung von pro Schiene insbesondere 8 aufeinanderfolgenden
T-Messstellen mit den entsprechend Anspruch 2 bereits ermittelten
Kalibrierfaktoren T1 bis T8 sowie 7 R-Messstellen, die jeweils zwischen
zwei T-Messstellen
angeordnet sind, ergeben sich die Kalibrierfaktoren R1 bis R7 der
R-Messstellen mit der bekannten Radlast und/oder Radsatzlast Q zu:
R3
= Q – T3 – T4
R4
= Q – T4 – T5
R5
= Q – T5 – T6
R1(t1) = Q – T1 – R2(t1) – T3
R2(t2) = Q – T1 – R1(t2) – T3
R6(t3) = Q – T6 – R7(t3) – T8
R7(t4) = Q – T6 – R6(t4) – T8
wobei
R1 bzw. R6 an einem Zeitpunkt t1 bzw. t3 ermittelt wird, der geringfügig vor
dem Zeitpunkt t2 bzw. t4 liegt,
an dem R2 bzw. R7 ermittelt wird. Insbesondere wird R1 bzw. R6 an
jeweils dem Auflager der Schiene ermittelt, das vor dem Auflager
von R6 bzw. R7 angeordnet ist.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung mit zwei Figuren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
in
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1 schematisch
ein Messsignal eines Messwertaufnehmers, der an der Schiene in Höhe der neutralen
Faser des Schienensteges angebracht ist, als Funktion der Zeit bei Überfahrt
eines Drehgestells mit zwei Radsätzen
gleicher Radsatzlast,
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2a schematisch
und nicht maßstabsgetreu
ein Drehgestell mit zwei Radsätzen
vor einer Überfahrt
des ersten Radsatzes über
einen an einer Schiene befestigten Messwertaufnehmer,
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2b schematisch
das Drehgestell aus 2a bei der Überfahrt des ersten Radsatzes über den
Messwertaufnehmer,
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2c schematisch
das Drehgestell aus 2a bei der Überfahrt des zweiten Radsatzes über den
Messwertaufnehmer.
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Gemäß 2a fährt ein
Drehgestell 23 eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus
einem ersten Radsatz 221 und einem zweiten Radsatz 222,
auf einer Schiene 21 auf einen Messwertaufnehmer 20 einer
einzelnen T-Messstelle zu. Jeder der beiden Radsätze drückt hierbei mit einer bekannten
Radlast auf die Schiene 21.
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Befindet
sich das Drehgestell 23 mit seinen beiden Radsätzen vor
dem Messwertaufnehmer 20, so misst der Messwertaufnehmer 20 die
Kraft, die in Auflager der Schiene, insbesondere Schwellen, die hinter
dem Messwertaufnehmer 20 liegen, eingeleitet wird. Es ergibt
sich ein Messwert 11 gemäß 1.
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Je
weiter sich nun das erste Drehgestell 23 dem Messwertaufnehmer 20 nähert, ein
desto kleinerer Messwert 11 ergibt sich.
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Hat
der erste Radsatz 221 den Ort, an dem sich der Messwertaufnehmer 20 befindet, überfahren,
so misst der Messwertaufnehmer 20 die Kraft, die in Auflager
der Schiene eingeleitet wird, die vor dem Messwertaufnehmer 20 liegen.
Es ergibt sich ein Messwert 12 des ersten Radsatzes hinter
dem Messwertaufnehmer, der einen Vorzeichenwechsel gegenüber dem
Messwert 11 des Drehgestells vor dem Messwertaufnehmer
aufweist. Bei der Überfahrt eines
Radsatzes über
den Messwertaufnehmer 20 gemäß 2b findet
somit innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls ein Vorzeichenwechsel
statt.
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Hat
das Drehgestell 23 mit seinen beiden Radsätzen den
Ort des Messwertaufnehmers 20 überfahren, so misst der Messwertaufnehmer 20 die Kraft,
die in Auflager der Schiene, die vor dem Messwertaufnehmer 20 liegen
eingeleitet wird. Es ergibt sich ein Messwert 14.
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Die
Krafteinleitung eines bewegten Rades in eine Schiene erfolgt bekanntlich
unter einem Winkel von etwa 45° in
Fahrtrichtung 24. Eine bei der Deutschen Bahn AG insbesondere
verwendete Schienenform ist eine UIC 60 Schiene mit einer Schienenhöhe von 172
mm. Für
einen in mittlerer Schienenhöhe und
somit etwa 86 mm unterhalb der Schienenoberkante angebrachten Messwertauf nehmer 20 ergibt sich
somit, dass in einem Bereich 6, der etwa von 86 mm vor
bis 86 mm hinter dem Befestigungsort des Messwertaufnehmers 20 reicht,
eine Krafteinleitung des Rades in die Schiene nicht gemessen werden kann.
Das von dem Messwertaufnehmer 20 angezeigte Messsignal
gibt in diesem Bereich nicht ein wirkliches, der Radlast entsprechendes
Messsignal wieder.
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Das
Messsignal in dem nicht messbaren Bereich 6 kann jedoch
rekonstruiert werden, indem
- – das Messsignal
unmittelbar vor dem nicht messbaren Bereich 6, in dem das
Messsignal annähernd
linear verläuft,
zu einem linearen Messsignal 2 linearisiert wird,
- – das
linearisierte Messsignal 2 in den nicht messbaren Bereich 6 hinein
linear extrapoliert wird, wodurch sich ein linear extrapoliertes
Messsignal 3 ergibt,
- – am
Schnittpunkt des Messsignals mit der x-Achse 71 eine Senkrechte
auf der x-Achse 71 gebildet wird.
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Im
Bereich 4 des Radsatz unmittelbar vor dem Messwertaufnehmer 20 ergibt
sich ein Schnittpunkt der Senkrechten auf der x-Achse 71 mit
dem linear extrapolierten Messsignal 3. Dieser Schnittpunkt 81 ist
ein extrapolierter minimaler Wert des Messsignals.
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Im
Bereich 5 des Radsatz unmittelbar hinter dem Messwertaufnehmer 20 ergibt
sich ein weiterer Schnittpunkt der Senkrechten auf der x-Achse 71 mit dem
linear extrapolierten Messsignal 3. Dieser Schnittpunkt 82 ist
ein extrapolierter maximaler Wert des Messsignals.
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Eine
Differenz 9 aus dem extrapolierten maximalen Wert 81 und
dem extrapolierten minimalen Wert 82 des Messsignals entspricht
damit der bekannten Radsatzlast.
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Aus
einem Verhältnis
der Differenz 9 aus dem extrapolierten maximalen Wert 81 und
dem extrapolierten minimalen Wert 82 des Messsignals und der
bekannten Radsatzlast ergibt sich ein Kalibrierfaktor zur Kalibrierung
des Messwertaufnehmers.
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Desweiteren
wird zur Kalibrierung des Messwertaufnehmers 20 eine Mittelung
der Kalibrierfaktoren von Radsatz 221 und 222 durchgeführt, wodurch sich
die Messgenauigkeit des Kalibrierfaktors erhöht. Hierbei wird gemäß 2c der
Kalibrierfaktor des zweiten Radsatzes 222 entsprechend
dem Kalibrierfaktor des ersten Radsatzes 221 ermittelt.
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- 1
- Messsignal
- 11
- Messwert
für Drehgestell
vor Messwertaufnehmer
- 12
- Messwert
für ersten
Radsatz hinter Messwertaufnehmer
- 13
- Messwert
für zweiten
Radsatz vor Messwertaufnehmer
- 14
- Messwert
für Drehgestell
hinter Messwertaufnehmer
- 2
- linearisiertes
Messsignal 1
- 3
- linear
extrapoliertes Messsignal 1
- 4
- Bereich
Radsatz unmittelbar vor Messwertaufnehmer
- 5
- Bereich
Radsatz unmittelbar hinter Messwertaufnehmer
- 6
- nicht
messbarer Bereich
- 71
- x-Achse
- 72
- y-Achse
- 81
- extrapolierter
minimaler Wert des Messsignals 1
- 82
- extrapolierter
maximaler Wert der Messsignals 1
- 9
- Differenz
aus dem extrapolierten maximalen Wert 82 und dem extrapolierten
minimalen Wert 81 des Messsignals 1
- 20
- Messwertaufnehmer
- 21
- Schiene
- 221
- erster
Radsatz
- 222
- zweiter
Radsatz
- 23
- Drehgestell
- 24
- Fahrtrichtung