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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Krafteinwirkung
auf eine Schiene durch wenigstens ein schienengebundenes Rad, bei
welchem wenigstens eine Kraftkomponente durch eine oder mehrere
an der Schiene angebrachte und auf die durch die Kraftkomponente
in der Schiene auftretende Schubspannung ansprechende Kraftmesszellen erfasst
wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In
dem Dokument DE-OS 21 47 096 wird eine Wiegevorrichtung beschrieben,
welche wenigstens zwei an den Schienenstegen in einem bestimmten
Abstand voneinander längs
deren Neutrallinie und in den Momentnullpunkten angeordnete Dehnungsmessstreifen
aufweist. Die beiden Dehnungsmessstreifen sind in einer Messstrecke
appliziert, innerhalb welcher die vom Rad auf die Schiene übertragene
Last eine Durchbiegung des Schienenabschnittes in der Messstrecke
herbeiführt
und Scherspannungen im Schienensteg erzeugt. Diese Scherspannungen
werden von den Dehnungsmessstreifen erfasst. Die elektrischen Ausgangssignale
der Dehnungsmessstreifen werden einer Wheatstoneschen Brücke zugeführt, an
der die Messung abgelesen werden kann. Die Messstrecke ist seitlich
durch Ausschnitte im Schienenfuß und
Schienensteg begrenzt, während
der Schienenkopf von der Messstrecke ohne Unterbrechung in das anschließende Schienennetz übergeht.
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Durch
diese Vorrichtung wird jedoch nicht diejenige Kraftkomponente ermittelt,
die vom Rad ausgehend seitlich auf den Schienenkopf einwirkt. Das
Profil der Schienenlauffläche
ist üblicherweise leicht
konisch, sodaß das
Rad normalerweise nicht mittig auf dem Schienenkopf sondern längs einer
etwas nach innen versetzten Linie abläuft. Ferner gibt es Räder, die
nicht mehr genau ausgerichtet sind und deren Spurkranz daher selbst
auf gerader Strecke seitlich gegen den Schienenkopf drückt. Besonders bei
Kurvenfahrt übt
der Spurkranz auf die Schiene eine teils erhebliche im Wesentlichen
horizontale Querkraft aus, die je nach Zustand des Rades unterschiedlich
sein kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die seitlich auf die
Schiene einwirkende Kraftkomponente zu erfassen.
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Dazu
wird das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß so gestaltet,
dass in den Kopf der Schiene ein oder mehrere Kraftaufnehmer horizontal eingebettet
werden, deren Ausgangssignale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Dadurch wird es möglich,
eine seitlich auf den Schienenkopf einwirkende, im Wesentlichen
horizontale Querkraft (Y-Kraft) unabhängig von der Erfassung der
vom Rad auf die Schiene ausgeübten
vertikalen Last sehr genau zu ermitteln.
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Zweckmäßig werden
aus Steg und Fuß der Schiene
wenigstens zwei in Längsrichtung
der Schiene beabstandete Ausschnitte herausgeschnitten. Dadurch
entsteht im Kopf an jedem Ausschnitt eine Art Gelenk, das die Erfassung
der horizontalen Querkraftkomponente durch Messen der im Kopf entstehenden
Schubspannungen durch die Kraftaufnehmer erlaubt. Bevorzugt werden
die Kraftaufnehmer in Bezug auf eine im Wesentlichen vertikale Kraftkomponente
und auf eine im Wesentlichen horizontale Kraftkomponente in der
Biegeneutrallinie des Kopfes angeordnet, und zwar vorteilhafterweise
im Bereich der Gelenke.
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Wird
der Abstand zwischen zwei in den Kopf der Schiene horizontal eingebetteten
Kraftaufnehmer so gewählt,
dass ein dazwischen liegender Messabschnitt zur Erfassung einer
im Wesentlichen horizontalen Kraft kürzer ist als der Abstand von
aufeinander folgenden Rädern
eines Schienenfahrzeugs, so ist eine Messung der durch ein einzelnes
Rad auf die Schiene ausgeübten
horizontalen Kraftkomponente entkoppelt von durch andere Räder auf
die Schiene wirkenden horizontalen oder seitlichen Kräften ermöglicht.
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Die
Erfindung hat vornehmlich in einer Ausgestaltung besondere Bedeutung,
gemäß welcher die
Schiene auf wenigstens einen Wägebalken
aufgesetzt wird, in welchem in bevorzugter Weise wenigstens ein
Paar von Dehnungsmesstreifen zur Querkraftmessung, insbesondere
zur Messung der horizontalen Querkraftkomponente, angeordnet werden,
wobei die Ausgangssignale der Kraftaufnehmer und aus den Dehnungsmessstreifen
der Wägebalken der
Auswerteeinrichtung zugeführt
werden, in welcher die Ausgangssignale zu einem Gesamtsignal verarbeitet
werden. Mit dieser Form der Erfindung lassen sich Messgenauigkeiten
bis zu 0,1 % bezogen auf den Wertebereich erreichen.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer Schiene, an der wenigstens eine auf eine in der Schiene
auftretende Schubspannung ansprechende Kraftmesszelle angebracht
ist, deren Ausgangssignale einer Auswerteschaltung zugeführt sind,
umfasst erfindungsgemäß einen
oder mehrere in den Kopf der Schiene horizontal eingebettete Kraftaufnehmer,
deren Signalausgangsleitungen durch Vertikalbohrungen im Kopf einer
Auswerteeinrichtung zugeführt
sind. Bevorzugt sind die Kraftaufnehmer in der Biegeneutrallinie
des Kopfes angeordnet. Wenn mit Vorteil in Fuß und Steg der Schiene wenigstens
zwei in Längsrichtung
der Schiene beabstandete Ausschnitte geschnitten sind, erleichtert
dies die Erfassung der Querkraftkomponente durch die Kraftaufnehmer,
welche dann zweckmäßig im Bereich
der Ausschnitte in den Kopf eingelassen sind.
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Wenn
in Ausgestaltung der Erfindung jeder Kraftaufnehmer in eine mittige
Vertikalbohrung durch den Kopf eingesetzt ist, empfiehlt es sich,
den Durchmesser der Vertikalbohrung je nach Breite des Kopfes etwa
die Hälfte
bis ein Viertel der Breite betragen zu lassen, damit einerseits
der Kraftaufnehmer in der Vertikalbohrung hinreichend Platz findet
und andererseits das Rad ohne Störung
durch die Messstelle selbst über
die Öffnung
der Vertikalbohrung laufen kann. Zur Sicherung eines guten und zuverlässigen Messergebnisses
ist zweckmäßig, wenn
die Breite jedes Ausschnittes mindestens gleich der vertikalen Höhe des Kopfes
ist. Der Kopf, der herstellerseitig auf möglichst große Festigkeit gegenüber dem
Einfluss von Querkräften
ausgelegt ist, wird durch die Vertikalbohrung soweit elastisch gemacht,
dass eine Messung der Querkraftkomponente möglich wird. Wenn der Ausschnitt
eine besonders große
Weite hat, wird zwar die Messempfindlichkeit erhöht, jedoch gleichzeitig die
Festigkeit des Kopfes weiter reduziert. Die Kopfhöhe ist daher
ein Mindestmaß für die Breite
jedes Ausschnittes im Hinblick auf ausreichende Messempfindlichkeit
und -genauigkeit.
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Wenn
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Abstand der beiden Kraftaufnehmer
in Schienenlängsrichtung
kleiner ist als der Mindestabstand zweier aufeinander folgender
Räder eines Schienenfahrzeugs
bleibt sichergestellt, dass das Messergebnis durch nachfolgende
Räder nicht
verfälscht
bzw. beeinflusst wird.
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Grundsätzlich gestattet
die Erfindung eine Ausführungsform,
gemäß welcher
die Schiene auf wenigstens einen sich zur Schiene quer erstreckenden
Wägebalken
aufgesetzt ist, in welchem wenigstens ein Dehnungsmessstreifen,
vorzugsweise mindestens ein Paar von Dehnungsmessstreifen, zur vom
Wägebalken
aufgenommenen im Wesentlichen horizontalen Querkraft angeordnet
ist. Der Auswerteeinrichtung stehen dann sowohl die Ausgangssignale der
Kraftaufnehmer wie auch diejenigen der Schubspannungsaufnehmer zur
entsprechenden Auswertung zur Verfügung. Diese Auswertung sieht
zweckmäßig vor,
dass aus den Ausgangssignalen der Schubspannungsaufnehmer und den
Ausgangssignalen der Kraftaufnehmern rechnerisch ein Gesamtsignal
ermittelt wird. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit kann
weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass der zwischen den Ausschnitten befindliche Schienenabschnitt
am Anfang und am Ende von einem ersten bzw einem zweiten Wägebalken
und gegebenenfalls zwischen beiden Wägebalken durch wenigstens einen
weiteren Wägebalken unterfasst
ist, wobei jeder Wägebalken
wiederum vorzugsweise mindestens ein Paar Dehnungsmessstreifen zur
Querkraftmessung aufweist.
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Die
Erfindung lässt
sich in besonders einfacher und zweckmäßiger Weise dahingehend erweitern,
dass am Steg des Schienenabschnittes etwa mittig in einem einem
Ausschnitt benachbarten Wägebalkenfach
ein erstes Messauge senkrecht angebracht ist und dass ein zweites
Messauge jenseits des dem ersten Messauge entfernten Ausschnittes an
einem Schienensteg vertikal angebracht ist, wobei die Ausgangssignale
beider Messaugen einem separaten Teil der Auswerteeinrichtung zugeführt sind. Damit
können über der
Messstrecke zur Erfassung der Querkraftkomponenten gleichzeitig
jedoch unabhängig
voneinander auch die Komponenten der vertikalen Last oder Kraft
ermittelt und separat von der Auswerteeinrichtung angezeigt werden.
Dazu sieht eine zweckmäßige Weiterführung der
Erfindung vor, dass in jedem Wägebalken
vorzugsweise mindestens ein weiteres Paar von Dehnungsmessstreifen zur
Vertikalkraftmessung angeordnet ist, deren Ausgangssignale in dem
Teil der Auswerteeinrichtung mit den Ausgangssignalen aus den Messaugen
zu einem Gesamtsignal rechnerisch zusammengefasst werden.
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Die
Wägebalken
sind zur Kraftableitung auf üblichen
Schwellen oder einer festen Fahrbahn montiert. Für besondere Anwendungsfälle der
Erfindung empfiehlt es sich, längs
eines geraden oder eines um eine Kurve führenden Schienenstranges mehrere Schienenabschnitte
mit Kraftaufnehmern, Messaugen und Wägebalken hintereinander kaskadenförmig anzuordnen.
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Im übrigen wird
zu bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung auf die Unteransprüche Bezug
genommen. Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung
im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeführt
werden kann.
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Eine
aus Fuß 4,
Steg 3 und Kopf 2 bestehende und im ganzen mit 1 bezeichnete
Schiene weist zwei in Schienenlängsrichtung
beabstandete Ausschnitte 5 und 6 auf, von denen
jeder sich vertikal durch den Fuß 4 und den Steg 3 erstreckt,
den Kopf 2 jedoch unberührt
lässt.
Die Ausschnitte 5, 6 schaffen je eine Art von
Gelenk 7, 8 im Kopf 2, welche Gelenke
eine gewisse Weichheit des an sich festen Kopfes 2 unter
dem Einfluss einer auf ihn in der Horizontalen Y einwirkenden Querkraftkomponente
erlauben. Der Abstand der Mitten der Ausschnitte 5, 6 bestimmt
somit einen Messabschnitt 10 zur Erfassung dieser Y-Komponente
einer auf die Schiene einwirkenden Querkraft.
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Die
Ausschnitte 5, 6 begrenzen seitlich einen zwischen
ihnen befindlichen Schienenabschnitt 9, der im dargestellten
Ausführungsbeispiel
dreifach unterstützt
ist: Der den Ausschnitt 5 begrenzende Fußteil 11 ruht
auf einem ersten Wägebalken 12,
der den Ausschnitt 6 begrenzende Fußteil 15 ruht auf
einem zweiten Wägebalken 16 und
der mittlere Teil des Schienenabschnittes 9 liegt auf einem
dritten Wägebalken 14 auf.
Alle Wägebalken 12, 16, 14 erstrecken sich
quer zum Schienenabschnitt 9 unter diesem hindurch, sind
untereinander parallel und zur Kraftableitung auf im nicht dargestellten
Gleisbett liegenden Schwellen 17, 18, 19 vor
und hinter dem Schienenabschnitt 9 fest montiert.
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Zur
Erfassung der Y-Querkraftkomponente ist der Kopf 2 im Gelenk 7 bevorzugt
mittig von einer Vertikalbohrung 24 durchbohrt, deren lichte
Weite je nach Breite des Kopfes etwa ein Viertel bis zur Hälfte der
Breite beträgt.
Zweckmäßigerweise
etwa in der halben Länge
der Vertikalbohrung 24 ist ein Messauge mit Dehnungsmessstreifen
als erster Kraftaufnehmer 20 horizontal befestigt, dessen
nicht dargestellte Ausgangssignalleitung aus dem unteren Ende der Vertikalbohrung
herausgeführt
ist. Im Gelenk 8 ist der Kopf 2 von einer weiteren
Vertikalbohrung 26 entsprechend durchbohrt, die gleiche
Weite wie die Vertikalbohrung 24 hat. Etwa in der halben
Länge der Vertikalbohrung 26 ist
ein weiteres Messauge mit Dehnungsmessstreifen als zweiter Kraftaufnehmer 22 horizontal
befestigt, dessen ebenfalls nicht dargestellte Ausgangssignalleitung
aus dem unteren Ende der Vertikalbohrung 26 herausgeführt ist.
Durch die Befestigung der beiden Messaugen in etwa der halben Länge der
Vertikalbohrungen ist sichergestellt, dass sich diese etwa in der
Biegeneutrallinie bezüglich
der Vertikalkomponente Q einer auf die Schiene wirkenden Querkraft
befinden und durch ihre Lage in etwa mittig bzgl. der Kopfbreite
ist sichergestellt, dass sich die Messaugen in der Biegeneutrallinie
bzgl. der Horizontalkomponente Y einer auf die Schiene einwirkenden
Querkraft befinden. Im übrigen
sind die Vertikalbohrungen 24, 26 mit Dichtungsmasse
zum Wetterschutz ausgefüllt.
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Die
Ausgangssignalleitungen werden einem Auswerteteil 52 einer
Auswerteeinrichtung 50 zur Auswertung von jeweils Y-Kräfte repräsentierenden Ausgangssignalen
von Kraftaufnehmern zugeführt.
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Gemäß besonders
zweckmäßiger Ausgestaltung
sind ferner in den Wägebalken 12, 14 und 16 Kraftaufnehmer
mit Dehnungsmessstreifen zur Erfassung einer Y Querkraftkomponente
angeordnet. Vorzugsweise sind in jedem Wägebalken 12, 14 bzw. 16 derartige
Dehnungsmessstreifen jeweils beidseitig der Schiene angeordnet.
Nicht dargestellte Ausgangssignalleitungen dieser Wägebalken-Kraftaufnehmer
sind gleichfalls dem Auswerteteil 52 der Auswerteeinrichtung 50 zugeführt.
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Wägebalken
mit Kraftaufnehmern zur Erfassung einer horizontalen Y Querkraftkomponente
sind an sich bekannt und bedürfen
somit keiner näheren Erläuterung.
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Zur
Auswertung der Y-Kraft nimmt die Auswerteeinrichtung 50 folglich
die Ausgangssignale aus den Kraftaufnehmern 20, 22 in
den Gelenken 7, 8 und gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung aus
den in dem Wägebalken 14 sowie
aus den in den Wägebalken 12 und 16 entsprechend
angeordneten Paaren von Dehnungsmessstreifen auf, errechnet ein
Gesamtsignal und zeigt das Messergebnis an. Dies geschieht in dem
ersten Teil 52 der Auswerteeinrichtung.
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Der
Abstand des Wägebalkens 12 vom
Wägebalken 14 und
derjenige des Wägebalkens 14 vom Wägebalken 16 entspricht
jeweils etwa der Breite eines Schwellenfaches. Daher ist der Wägebalken 14 etwa
mit der Mitte des Schienenabschnittes verbunden. Kann der Abstand
der Gelenke wesentlich größer gewählt werden,
weil dies etwa der Achsabstand eines zu vermessenden Schienenfahrzeugs
erlaubt, kann sich der Schienenabschnitt 9 nicht nur wie
dargestellt über
zwei sondern auch über
mehrere Schwellenfächer
erstrecken, so dass dann mehrere Wägebalken zwischen den endständigen Wägebalken 12 und 16 vorhanden
sein können.
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Es
sei daraufhin gewiesen, dass der Abstand zwischen den Gelenken 7 und 8 bzw.
zwischen den Ausschnitten 5 und 6 und also der
Messabschnitt 10 zur Erfassung der Y-Komponente einer auf
die Schiene einwirkenden Querkraft mittels der im Schienenkopf angeordneten
Kraftaufnehmer 20, 22 zweckmäßigerweise derart gewählt ist,
dass sich jeweils nur das Rad 70 einer Achse innerhalb
dieses Schienenabschnittes 10 befinden kann. Hierdurch
wird eine von weiteren Rädern
entkoppelte Kraftmesung gewährleistet.
Mit anderen Worten wird über
die Kraftaufnehmer im Schienenkopf jeweils nur die durch ein einzelnes
Rad 70 auf die Schiene ausgeübte horizontale Y-Kraft detektiert,
unabhängig
von durch andere Räder
auf die Schiene wirkenden Y-Kräften.
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Innerhalb
des Messabschnittes 10, und zwar innerhalb des ersten Wägebalkenfaches,
welches an den Ausschnitt 5 angrenzt, ist am Steg 25 des
Schienenabschnittes 9 ferner ein vertikale Dehnungsmessstreifen
enthaltendes erstes Messauge 62 befestigt. Außerhalb
des Messabschnittes 10 ist jenseits des vom Messauge 62 entfernten
Ausschnittes 6 ein zweites, vertikale Dehnungsmessstreifen
enthaltendes Messauge 64 am Steg 66 eines an den Schienenabschnitt 9 anschließenden Schienenstrangs 28 zu
dem dem Ausschnitt 6 benachbarten Schwellenfach befestigt.
Der Abstand der Messaugen 62, 64 in Schienenlängsrichtung
bestimmt einen Q-Meßabschnitt 60,
der der Erfassung der vom Rad 70 auf die Schiene ausgeübten vertikalen
Lastkomponente Q dient.
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Nicht
dargestellte Ausgangssignalleitungen der Messaugen 62 und 64 werden
einem Auswerteteil 54 der Auswerteeinrichtung 50 zur
Auswertung von jeweils Q-Kräfte
repräsentierenden
Ausgangssignalen von Kraftaufnehmern zugeführt.
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Während es
sich schon aus Belastbarkeitsgründen
empfiehlt, das Ende des Ausschnittes 6 am Schienenstrang 66 zu
unterstützen,
dient diesem Zweck auch ein rechtsseitiger (bezogen auf die Darstellung
in 1) Wägebalken 65,
der die gleiche Struktur haben kann wie die Wägebalken 14 und 16. Zu
dem Q-Messabschnitt 60 gehören damit bei der dargestellten
Ausgestaltung ferner die Wägebalken 14, 16,
und 65.
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Zumindest
die Wägebalken 14, 16 und 65 weisen
somit zweckmäßigerweise
weitere Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen zur Erfassung einer
vertikalen Querkraftkomponente Q auf, deren nicht dargestellte Ausgangssignalleitungen
ebenfalls dem Auswerteteil 54 der Auswerteeinrichtung 50 zugeführt sind.
Vorzugsweise sind in jedem Wägebalken 14, 16 bzw. 65 derartige
Dehnungsmessstreifen wiederum jeweils beidseitig der Schiene angeordnet. Wägebalken
mit Kraftaufnehmern zur Erfassung einer vertikalen Querkraftkomponente
Q sind an sich bekannt und bedürfen
somit keiner näheren
Erläuterung.
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Gemäß dargestellter
bevorzugter Ausgestaltung umfassen somit zumindest die Wägebalken 14 und 16 sowohl
Kraftaufnehmer zur Erfassung einer vertikalen Querkraftkomponente
Q als auch Kraftaufnehmer zur Erfassung einer horizontalen Querkraftkomponente
Y.
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Folglich
werden in bevorzugter Ausgestaltung die nicht dargestellten Ausgangssignalleitungen aus
den beiden Messaugen 62, 64 sowie aus den Dehnungsmessstreifenpaaren
zur Vertikalkraftmessung in den Wägebalken 14, 16 und 65 dem
zweiten Teil 54 der Auswerteschaltung 50 zugeführt, in
welchem die Ausgangssignale aus Messaugen und Wägebalken rechnerisch zusammengefasst
und das Messergbnis über
die Q-Kraft separat angezeigt wird.
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Ähnlich wie
bei der Erfassung der horizontalen Kraftkomponente Y ist es auch
bei der Erfassung der vertikalen Kraftkomponente Q von Vorteil,
wenn der Abstand zwischen den zwei in den Steg angeordneten Messaugen 62 und 64,
welche den Q-Messabschnitt 60 zur Erfassung der Q-Komponente
einer auf die Schiene einwirkenden Querkraft definieren, wiederum
derart gewählt
ist, dass sich jeweils nur das Rad 70 einer Achse innerhalb
dieses Schienenabschnittes 60 befinden kann und eine von
weiteren Rädern
entkoppelte Kraftmesung gewährleistet
ist.
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Wie
dargestellt sind die Messabschnitte 10 für die Y-Kraft
und 60 für
die Q-Kraft z.B.
um etwa ein halbes Wägebalkenfach
in Schienenlängsrichtung versetzt
und überlappen
sich mit den Wägebalken 14 und 16.
Die von einem jeweiligen Rad ausgeübte Y-Kraft und Q-Kraft kann
somit im Wesentlichen simultan jedoch voneinander unabhängig erfasst
werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, längs der Schiene 1 mehrere
Kombinationen aus Messbereichen 10 und 60 kaskadenartig
hintereinander vorzusehen. In diese Verlängerungen werden dann auch die
in die 1 eingetragenen Wägebalken 65 sowie derjenige
Wägebalken
einbezogen, der das linksseitige Ende des Ausschnittes 5 unterstützt, wobei
alle Wägebalken,
die für
die Verlängerungen
in Betracht kommen, die gleiche Struktur wie der in 2 gezeigte
Wägebalken 14 haben
können.
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Im übrigen muss
die Schiene 1 nicht geradlinig verlaufen sondern kann auch
einem vorgegebenen Kurvenabschnitt des gesamten Schienenstrangs folgen.