DE3837909C1 - Method and arrangement for measuring speed and displacement in the case of motive power (tractive) units providing total adhesion - Google Patents

Description

Es sind bereits Verfahren zur Regelung der Antriebs- oder Bremskraft der Fahr­ motoren von laufachsenlosen elektrischen Triebfahrzeugen an der Haftreibungs­ grenze der Räder bekannt. Mittels einer Radschlupfregelung werden die Rad­ sätze bei Überschreitung des Kraftschlusses und Ansprechen des Radschlupf­ reglers über die zugeführte Zug- oder Bremskraft so gesteuert, daß sie sich im Kraftschlußoptimum oder dessen Nähe bewegen (z.B. DE-PS 34 07 309). Bei diesem Verfahren werden Tachometermaschinen und Integratoren als Pseudolauf­ achsen zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt. Allgemeine Voraussetzung ist die Verwendung von Motoren steiler Kennlinie oder einer schnellen Motorrege­ lung. Davon wird ausgegangen.

Für eine genauere Wegmessung, wie sie z. B. für automatischen Fahrbetrieb mit Linienzugbeeinflussung (LZB) oder ähnliche Einrichtungen benötigt wird, ist das Verfahren nicht ohne weiteres geeignet.

Am einfachsten wäre es, zur Feststellung des zurückgelegten Weges die Radum­ drehungen selbst auszuzählen und daraus den zurückgelegten Weg zu bestimmen. Genau ist dieses Verfahren jedoch nur, wenn kein Radschlupf durch Schleudern oder Gleiten in die Messung eingeht. Laufachsen, die das ermöglichen würden, gibt es heute bei Lokomotiven nicht mehr. Es ist bereits versucht worden, auch angetriebene Räder für die Geschwindigkeits- und Wegerfassung auszunutzen. Da­ bei geht - wie erwähnt - der Radschlupf in die Messung ein und macht diese Art von Wegerfassung ungenau und unbrauchbar. Eine gewisse Verbesserung läßt sich erzielen durch zeitweises Herabsetzen der Zug- bzw. Bremskraft einzelner Treibradsätze zum Herabsetzen des Schlupfes und Wiederfinden der Geschwindig­ keit über Grund.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Realgeschwindigkeit ist z. B. durch die DE-PS 36 39 416 bekanntgeworden. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Auswertung aller Achsdrehzahlen des Zuges durch eine zentrale Zugsteuerung, wobei durch starke Herabsetzung oder Eliminierung der Zug- oder Bremskraft jeweils einer ausgewählten Achse des Wagenzuges quasi eine echte Laufachse geschaffen wird, deren Drehzahl den Meßwert für die Zuggeschwindigkeit liefern kann. Dieses Verfahren ist auf Triebwagenzüge und solche Züge mit vielen Achsen beschränkt, bei denen Lokomotive(n) und Wagenzug eine feste Einheit bilden. Es muß auch eine zentrale Zugsteuerung zur Erfassung der Achsdrehzahlen jedes Wagens und der Auswahl der Quasi-Laufachse vorhanden sein. Ein solches Verfahren ist außerdem mit einer gewissen Zugkrafteinbuße verbunden.

Für autonome Fahrzeugsysteme mit nur wenigen Achsen, wie allgemein verwendbare Lokomotiven und auch Triebwagenzüge mit nur wenigen Wagen, ist das ge­ schilderte Verfahren nicht anwendbar, weil der Verzicht auf die Bremskraft auch nur einer Achse (in Lokomotiven auch der Verzicht auf die Zugkraft einer Achse) nicht tragbar wäre.

Bekannt sind weiterhin Verfahren und Anordnungen zur meßtechnischen Erfassung des Schleuderns oder Gleitens der Räder bei laufachsenlosen Schienentrieb­ fahrzeugen, ohne auf die Voraussetzungen zur Erfindung für eine Geschwindig­ keits- und Wegerfassung, bei der die Radsätze in Kraftschlußoptimum gehalten werden, näher einzugehen.

So wird bei einem derartigen bekannten Verfahren jeder Achse ein eigener Inte­ grator zugeordnet, und es erfolgt eine Auswertung der Drehzahldifferenzen der Achsen zu ihren Integratoren. Ferner wird ein Drehzahlvergleich der Achsen untereinander mit einer speziellen Minimalwert- bzw. Maximalwertbildung und einer Toleranzwertaufschaltung zur Rücksetzung der Pseudo-Laufachs-Integra­ toren vorgenommen. Es geht dabei im wesentlichen um eine Eliminierung der durch Raddurchmesserunterschiede bisher notwendigen Ansprechtoleranzschwellen (z.B. DE 34 40 536 A1).

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Erfassung des Schleuderns oder Gleitens der Räder sollen diese Vorgänge ausschließlich mit elektrischen und elektronischen Mitteln erfaßt werden. Dazu wird mittels eines elektronischen Modells, das Wagenmasse, Zuladung, Zug- und Bremskräfte sowie andere Parameter berücksichtigt, eine nachgebildete Wagengeschwindigkeit vorgegeben und ein Vergleich mit den Treibachsgeschwindigkeiten durchgeführt. Auch eine Maximal­ auswahl beim Bremsen bzw. Minimalauswahl beim Fahren wird getroffen. Das elektronische Modell beeinflußt über Schlupfregler irgendwie ohne nähere Angaben die Antriebs- bzw. Bremsmomente an den betreffenden Achsen (DE-OS 27 07 047).

Bei einer weiter entfernt liegenderen bekanntgewordenen Anordnung nach der US-PS 40 65 975 geht es um eine Schlupfmeß- und Schleuderschutzvorrichtung, die ohne ein besonderes Beschleunigungsmeßwerk auskommt, wobei die Fahrzeug­ beschleunigung aus dem Motorstrom der Lokomotive abgeleitet wird. Das hat mit der Erfindung nichts mehr zu tun.

Wegbestimmungen durch Integration von durch Radar gewonnenen Geschwindigkeitsmeßwerten sind nicht zuverlässig genug, insbesondere in­ folge der Witterungsabhängigkeit der Radargeräte.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren mit ebensolcher An­ ordnung für eine Geschwindigkeits- und Wegerfassung höherer Genauigkeit über die Radumdrehungen anzugeben, bei dem die Radschlupffehler auch ohne Herabsetzung der Zug- oder Bremskraft weitgehend eliminiert werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und für eine Anordnung zur Durchführung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der Zeichnungen und der schematischen Darstellung eines Ausführungs­ beispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltung zur Realisierung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Kraftschlußkurve F/ Δ v,

Fig. 3 eine Kraftschlußkurvenschar F/ Δ v, in Abhängigkeit von Schienenzustandsparametern,

Fig. 4a und 5a Abhängigkeiten des Radschlupfes über der Zugkraft F als Funktion f₁(F) und f₂(F) in zwei definierten Betriebszu­ ständen,

Fig. 4b und 5b Abhängigkeit des Radschlupfes über der Geschwindigkeit v als Funktion f₁(v) und f₂(v).

(Unter "Radschlupf" soll hier die Differenzgeschwindigkeit Δ v zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Radumfangsgeschwindigkeit verstanden werden.)

Fig. 1 zeigt einen über ein Leistungsstellglied 1 (z. B. Stromrichter, Chopper oder Wechselrichter je nach Fahrmotor) betriebenen Fahrmotor 2 eines Schienenfahrzeuges, der seine Leistung über Getriebe und Räder auf die Schiene bringt und in Geschwindigkeit umsetzt. Ein Zug-/Bremskraft­ regler 3 mit Eingaben für Soll- und Istwert steuert über die ausgegebene Stellgröße das Leistungsstellglied 1. Diesem wird einerseits der Zug-/ Bremskraftsollwert F _soll sowie andererseits der gemessene Istwert F _ist zugeführt. Über einen weiteren Eingang wird dem Zug-/Bremskraftregler 3 noch eine Sollwertreduziergröße R zugeführt, die von einem Radschlupfregler 5 ausgegeben wird. Der Radschlupfregler 5 erhält eine Drehzahlinformation über einen mit dem Fahrmotor 2 gekoppelten Drehzahlgeber 6 und bekommt eben­ falls die Soll- und Istgrößen der Zug-/Bremskraft zugeführt. Der Radschlupf­ regler 5 regelt den Radschlupf durch Beeinflussung des Fahrmotordrehmomentes über den Zug-/Bremskraftregler 3 und steuert beeinflussend über einen Um­ schalter 7 letztlich das Zählverhalten eines Wegzählers 8. Der Wegzähler 8 mißt grundlegend eine der Drehzahl proportionale Größe (Spannung oder Im­ pulse) des Drehzahlgebers 6. Bei auftretendem Radschlupf wird durch den Radschlupfregler 5 der Sollwert F _soll reduziert. Der Radschlupfregler 5 betätigt damit gleichzeitig auch einen Umschalter 7, wodurch von einem ersten Funktionsgeber 9 auf einen zweiten Funktionsgeber 10 umgeschaltet wird. Beide Funktionsgeber beeinflussen den Wegzähler 8 und werden von den Zug-/Bremskraft-Istwerten F _ist und der gemessenen Motordrehzahl n beein­ flußt. Ihre Ausgabewerte gelangen über bei Fahren oder Bremsen geschlossene, das Vorzeichen bestimmende Schalter 11 und 12 auf einen Summationspunkt 13 und werden dem erhaltenen Drehzahlistwert vom Drehzahlgeber 6 entweder zu­ addiert (beim Bremsen) oder von diesem abgezogen (beim Fahren). Das korri­ gierte Ergebnis stellt den korrigierten Geschwindigkeitsmeßwert dar und wird dem Wegzähler 8 zugeführt.

Zum weiteren Verständnis wird auf Fig. 2 verwiesen. Diese Figur zeigt eine Kraftschlußkurve, oft auch als Haftwertkurve bezeichnet; die Zugkraft F bzw. der Kraftschluß ist abhängig vom Radschlupf Δ v dargestellt. Ersicht­ lich tritt ein Radschlupf nicht konstant auf. So ist der Radschlupf Δ v zunächst klein und steigt mit steigender Zugkraft zunächst nur wenig und linear. Ab einer bestimmten Zugkraft steigt der Schlupf steil an und über­ schreitet ein Maximum übertragbarer Zugkraft. Man kann davon ausgehen, daß normalerweise erst bei einem Vorgeben einer größeren Zugkraft F, d. h. im Bereich ≧ als das angegebene Maximum der Kurve ein Radsatz ins Schleudern gerät, wobei generell dann der Schlupf groß und die auf die Schienen übertragene Zugkraft F kleiner wird. Der überschießende Teil der Zugkraft beschleunigt dann den Radsatz allein weiter.

Eine moderne Schlupfregelung nutzt diesen Umstand, wobei die übertragene Zugkraft in gewissen Grenzen (hier z. B. zwischen x₁ und x₂) um das Maximum der Kurve nach Fig. 2 pendeln soll. Der auftretende Radschlupf Δ v ist weiterhin wesentlich abhängig vom Schienenzustand. Fig. 3 zeigt in einer Kurvenschar mit den Kurven a bis d die ermittelten erfahrungsgemäßen sta­ tistischen Abhängigkeiten vom Parameter "Schienenzustand". Die Kurve d soll dabei für trockene Schiene, c für nasse Schiene, b für feuchte und ver­ schmutzte Schiene (Laub), und die Kurve a für ölige Schiene gelten. Er­ sichtlich sind die Kurven ähnlich, die Höhe der Maxima der übertragenen Zugkräfte nimmt von d nach a ab und die Schlupfbereiche um die Maxima ver­ breitern sich. Die durch die Maxima gezogene gestrichelte Kurve e gibt die maximal übertragbare Zugkraft bei verschiedenen Schienenzuständen wieder. Daraus ergibt sich die Lage der sonst nicht meßbaren Schlupfbereiche bei verschiedenen Schienenzuständen.

Fig. 4a gibt die Abhängigkeit des Radschlupfes Δ v über der Zugkraft F als Funktion f₁(F) im ansteigenden - d. h. praktisch linearen - Teil der Kurve nach Fig. 2 zwischen den Punkten 0 und x₁ wieder. Dies ist der Be­ reich stabilen Mikroschlupfes. Die Fig. 4b zeigt eine schwächer anstei­ gende Funktion f₁(v) des Schlupfes Δ v in Abhängigkeit von der Geschwin­ digkeit v. Die Funktionen f₁(F) und f₁(v) gelten im genannten Bereich zwischen den Punkten 0 und x₁ nach Fig. 2, d. h., wenn der Radschlupfregler 5 noch nicht in Eingriff ist und somit kein Signal abgibt. In diesem Be­ reich hat der Radschlupfregler 5 noch nicht den Umschalter 7 betätigt, so daß der Funktionsgeber 9 die Funktionen f₁(F) und f₁(v) als überlagerte Korrekturwerte auf den Wegzähler 8 gibt. Ist z. B. beim Fahren dazu Schalter 11 geschlossen, erfolgt dadurch nur eine geringfügige Negativkorrektur. Beim Bremsen ist der Schalter 12 geschlossen, die Korrektur ist additiv.

Im Bereich eines Maximums übertragbarer Zugkraft F (d. h. zwischen x₁ und x₂ nach Fig. 2 bzw. 3) tritt ein größerer Schlupf auf. Dies würde der Rad­ schlupfregler 5 erfassen und anfangen, auf ein übertragbares Zugkraftmaximum zu regeln. Er schaltet dabei den Umschalter 7 um, wodurch auf Funktions­ geber 10 als Korrekturwertgeber umgeschaltet wird. Er verwertet im gleichen Sinne jetzt sich additiv überlagernde Funktionen f₂(F) und f₂(v). Die Kurvenverläufe dafür sind in den Fig. 5a und 5b dargestellt. So zeigt Fig. 5a mit f₂(F) den Radschlupf im Maximumbereich in Abhängigkeit von der Zugkraft F und Fig. 5b mit f₂(v) den Radschlupf im Maximumbereich in Ab­ hängigkeit von der Geschwindigkeit v. Die Kurve h in Fig. 5a gibt die je­ weilige Lage der Maxima übertragbarer Zugkräfte F bei Veränderung der zuge­ führten Zugkraft wieder. Da die Schlupfregelung auf maximal übertragbare Zugkraft regelt, kann man über die übertragene Zugkraft auf den Schlupf schließen. Die Kurven nach Fig. 5a geben damit nach statistischen Erfahrungen an, wie groß der Schlupf wird, auf die die Schlupfregelung gerade regelt.

Fig. 5b zeigt entsprechend Fig. 4b auch hierbei eine geringfügige Abhängig­ keit des Radschlupfes von der Geschwindigkeit. Der Radschlupf ist von der Geschwindigkeit, wie es empirisch ermittelt wurde, nur geringfügig abhängig und nimmt mit steigender Geschwindigkeit ein wenig zu. Dies ist praktisch so zu verstehen, daß sich bei höherer Geschwindigkeit die in Fig. 3 gezeigte Kurvenschar mti der durch die Kulminationspunkte gezogene Linie e praktisch etwas parallel nach rechts verschiebt, entsprechend der strichpunktierten Linie g (die Kurve h in Fig. 5a entsprechend nach oben). Um diesen Betrag muß der Schlupf noch korrigiert werden, was in Fig. 1 im Funktionsgeber 10 durchgeführt wird.

Anstelle des Drehzahlgebers 6, der eine reale Treibraddrehzahl wiedergibt, ist auch die Benutzung einer im Radschlupfregelsystem berechneten fiktiven Drehzahl, beispielsweise einer Pseudo-Laufachse nach DE-PS 34 07 309, zur Wegzählung denkbar. Eine Pseudo-Laufachsdrehzahl weist kleinere Pendelaus­ schläge um den Mittelwert im Kraftschlußmaximum auf als die Treibachse. Hier­ durch könnte die Genauigkeit noch etwas verbessert werden. Hierbei muß aber das Berechnungsverfahren der Pseudo-Laufachsdrehzahl in der Schlupfregelung beachtet werden. Im Verfahren nach der DE-PS 34 07 309 beispielsweise stellt sich die Pseudo-Laufachsdrehzahl um einen kleinen Betrag Δ n niedriger ein als die Treibraddrehzahl, wenn ein wesentlich höherer Zugkraftsollwert vom Lokführer vorgegeben wird, als der Kraftschluß zuläßt, weil dieser Δ n- Betrag der Zugkraftreduzierung proportional ist. Um diese vom Zugkraftsoll­ wert abhängige Differenz müßte dann der im übrigen nach dem bisher beschrie­ benen Verfahren gewonnene Weg-Meßwert zusätzlich korrigiert werden.

Durch die Erfindung kann mit Hilfe des ohnehin vorhandenen Radschlupfreg­ lers 5 und des Drehzahlgebers 6 auf einfache Weise eine ausreichend genaue Geschwindigkeits- und Wegerfassung erzielt werden.

Eine evtl. für automatischen Fahrbetrieb mit LZB geforderte signaltechnische Sicherheit der Geschwindigkeits- und Wegerfassung kann durch Redundanz er­ reicht werden, da in jedem Triebfahrzeug mehrere Radschlupfregler vorhanden sind, für jeden Treibradsatz einer oder mindestens für jede gemeinsam ange­ triebene Achsgruppe, im allgemeinen für jedes Drehgestell. Damit können immer mindestens 2 unabhängig voneinander arbeitende Geschwindigkeits- und Weger­ fassungssysteme ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand (evtl. mit der für die Radschlupfregler ohnehin vorhandenen Rechnerhardware) zur signaltechnisch sicheren Auswertung der LZB zur Verfügung gestellt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Geschwindigkeits- und Wegerfassung bei laufachsenlosen Triebfahrzeugen mit Zug-/ Bremskraftregelung und unterlagerter Regelung des Radschlupfes, bei der die Radsätze bei Überschreitung des Kraftschlusses und Ansprechen des Radschlupfreglers über die Zug-/Bremskraft so gesteuert werden, daß sie sich im Kraftschlußoptimum oder dessen Nähe bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Drehzahlen ermittelbare schlupfbehaftete Geschwindigkeit oder der entsprechende Weg um Schlupfbe­ träge korrigiert wird, die unterschiedlich und abhängig vom Ansprechen oder Nichtansprechen des Radschlupfreglers sind, wobei in diesen beiden Betriebszuständen jeweils die Schlupf-Korrekturbeträge aus den dort statistisch am häufigsten vorkommenden Radschlüpfen bei bestimmten Zug-/ Bremskräften (f₁(F); f₂(F)) und Geschwindigkeiten (f₁(v); f₂(v)) unter Berücksichtigung der Schienenzustandsparameter bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlupf-Korrekturbetrag während der Zeitspanne, in der der Rad­ schlupfregler (5) nicht wirksam ist, Radschlüpfe Verwendung finden, die sich im vorderen, steil ansteigenden Teil der Kraftschlußkurve F/ Δ v als überlagerte Funktionen der Zug-/Bremskraft (f₁(F)) und der Geschwindig­ keit (f₁(v)) als am häufigsten auftretend ableiten lassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlupf-Korrekturbetrag während der Zeitspanne, in der der Rad­ schlupfregler (5) wirksam ist und die Zug-/Bremskraft beeinflußt, Rad­ schlüpfe Verwendung finden, die sich im oberen Teil der Kraftschlußkurve F/ Δ v um das Maximum herum als überlagerte Funktionen der Zug-/Brems­ kraft (f₂(F)) als zeitliche Mittelwerte abhängig von den Schienenzu­ standsparametern (Kurve e) und der Geschwindigkeit (f₂(v)) als am häufig­ sten auftretend ableiten lassen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von gemessenen Treibraddrehzahlen in der Schlupfregelung be­ rechnete fiktive Drehzahlen, z. B. von "Pseudolaufachse" Verwendung finden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus fiktiven Drehzahlen ermittelte Geschwindigkeit zusätzlich um einen Betrag korrigiert wird, der den durch das Berechnungsverfahren beding­ ten, bekannten Abweichungen dieser fiktiven Drehzahlen von der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der zu einem kraftschlußoptimalen Schlupf gehörenden Drehzahl entspricht.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Funktionsgeber (9, 10) vorgesehen sind, an deren Eingängen je­ weils die gemessene Drehzahl (n _ist ) des Radsatzes und die vorhandene Zug-/ Bremskraft (F _ist ) angelegt sind und deren Ausgänge über einen vom Rad­ schlupfgeber (5) steuerbaren gemeinsamen Umschalter (7) in einen Summa­ tionspunkt (13) speisen, der eingangsseitig die gemessene Drehzahl (n _ist ) zugeführt erhält und ausgangsseitig mit einem Wegzähler (8) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Umschalters (7) über zwei Parallelpfade mit einer­ seits einem Schalter (11) für Fahren und andererseits einem Schalter (12) für Bremsen auf verschiedene, das Vorzeichen bestimmende Eingänge des Summationspunktes (13) schaltbar ist.