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