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WO2004068083A1 - Vorrichtung zur messung der schienenbelastung - Google Patents

Vorrichtung zur messung der schienenbelastung Download PDF

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Publication number
WO2004068083A1
WO2004068083A1 PCT/EP2004/000827 EP2004000827W WO2004068083A1 WO 2004068083 A1 WO2004068083 A1 WO 2004068083A1 EP 2004000827 W EP2004000827 W EP 2004000827W WO 2004068083 A1 WO2004068083 A1 WO 2004068083A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rail
force transducer
measuring section
force
rail head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/000827
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Groll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qlar Europe GmbH
Original Assignee
Schenck Process GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schenck Process GmbH filed Critical Schenck Process GmbH
Publication of WO2004068083A1 publication Critical patent/WO2004068083A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/02—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles
    • G01G19/04—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing railway vehicles
    • G01G19/045—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing railway vehicles for weighing railway vehicles in motion
    • G01G19/047—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing railway vehicles for weighing railway vehicles in motion using electrical weight-sensitive devices

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the rail load according to the preamble of claim 1.
  • the rail load was only used to determine the axle or vehicle weights of rail-bound vehicles.
  • the wheel support force that acts on the rail consists of both a static weight load and a dynamic component that can increase with increasing speed.
  • the dynamic portion of the wheel contact force increases when the wheel is out of round or has flat spots.
  • this dynamic wheel contact force can become so great in the event of roundness or flat spots that it causes damage to the wheel, the rail or the track construction, which can also lead to train accidents.
  • the total track load can also be used to determine the track condition, which makes repair or repair work necessary when a specified total load is reached.
  • a dynamic weighing method for rail vehicles is known from EP 0 500 971 AI, by means of which a large part of the rail load when rail traffic is traveling over can be detected. For this purpose, the shear stress is recorded and evaluated in the neutral phase of the rail.
  • a weighing rail applied with strain gauges is welded into the rail network, in which at least two strain gauges are arranged between the sleepers. The wagon weight is thereby Axial addition of the weight signals determined. With such a device, however, a reliable flat spot detection cannot be carried out since this cannot be detected in the area of the thresholds.
  • Such a device for determining non-round wheels on railway vehicles is already known from DE 44 39 342 Cl.
  • two sensors made of strain gauges are applied to both sides of a measuring section on the rail foot in the area of each threshold, which sensors detect the threshold reaction forces.
  • Shear force sensors are also provided, which are arranged at the beginning and end of the measuring section in the neutral phase of the rail.
  • a device for determining the weight load on the rail by running over track vehicles is known.
  • two double bending beams are arranged in the area of the threshold parallel to each track, which are connected to the rail via side mounting plates.
  • the connection between the rails and the two double bending beams is made in front of and behind the threshold in the so-called threshold compartment.
  • the double bending beams are each supported on the threshold so that the vertical forces acting on the rail are recorded, with which non-roundness and flat spots can also be identified.
  • reliable detection of flat spots or out-of-roundness requires detection on at least one wheel rotation of approx. 3.5 m measuring distance, for which at least 28 force transducers are necessary with conventional sleeper compartments.
  • the force transducers are special high-precision double-sided double bending beams, a high outlay on equipment is necessary for a rail loading device with flat position detection.
  • a rail weighing device with only one load cell for two sleeper compartments per rail is known.
  • the total load of rolling vehicle wheels on a rail can also be determined in the case of several weighing cells arranged one behind the other.
  • the measuring section is elastically coupled to the rest of the track system via a start and an end recess in the rail foot and web.
  • the rail is supported on a rotationally symmetrical load cell, which is likewise arranged lengthways under a recess between the other two recesses.
  • a support frame is provided in the recess above the load cell, which enables the vertical rail loading to be applied horizontally and axially.
  • the load measuring device cannot be arranged between a conventional threshold and the rail without increasing the overall height. If such devices for load measurement were to be installed to a greater extent in the rail track, larger construction measures would be necessary, as a result of which the railway line would have to be blocked over longer periods of time.
  • Support rails This has the disadvantage that not only the rails but also the sleepers have to be replaced when installing a measuring section of several force measuring devices in an existing track section.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for measuring various rail loads by rail-bound vehicles which can be integrated into the rail network quickly and easily and which delivers relatively accurate measurement results.
  • the invention has the advantage that approximately half the rail height is used for the installation of a measuring device due to the recess above the threshold area. As a result, only the old rails need to be screwed and cut off from the sleepers during installation and replaced with new or retrofitted rails with cutouts.
  • the force transducer as a rail on the sleepers up 'screwable and their holders are preferably welded to the sleeper head. Since the conventional sleepers can remain in the track bed, such a reinstallation of the measurement section by track construction teams can be carried out in a very short time, as is the case when conventional rails are exchanged, without the track section having to be interrupted for long periods for rail traffic.
  • the arrangement of the force transducer directly beneath the rail head are advantageously all vertical rail pressures detected e that of the railway track can be evaluated both for a für marstician, flats recognition ,, runout detection, adverse Beladungs- load measurement conditions of the cars, Radbe devisen as well as a total.
  • this also has the advantage that even when recording an entire wheel revolution or an entire bogie of a track vehicle, only 14 force transducers are required for the entire measuring section, which increases the cost keeps wall low and can therefore be installed on a large scale in existing rail networks.
  • the invention also has the advantage that, due to the recesses in the rail foot and web, the force transducers are elastically coupled to the continuing rail network, so that force shunt effects hardly occur, for example for axle load weighing, even though the ⁇ rail line in the rail head overrun is uninterrupted and as a result no impact effects occur.
  • the invention has the additional advantage that no special rail material is required by the force transducer in the recess of the lower rail half, as with an application of the strain gauges on the rail web or foot, but only in the standard profile material, the recesses must be provided, which also is possible on site. As a result, considerable transport costs can advantageously be avoided, particularly in international goods traffic.
  • a special embodiment of the invention with shear force transducers has the advantage that, due to the design, in particular the vertical force detection under the middle of the rail means that lateral transverse force introductions do not flow into the measurement result and thus cannot falsify the measured values.
  • the shear force transducers also compensate for other parasitic forces and moments, so that relatively high sensitivities and measuring accuracies can be achieved in a simple manner with such a measuring device, and this even at relatively high crossing speeds.
  • Another special form of training with axially displaceable round bolts as force introduction elements has the advantage that even in the axial direction there is no tension caused by heat expansion or assembly inaccuracies can be introduced into the transducer so that only the vertical forces are recorded.
  • Fig. 1 the side view of a longitudinally installed force transducer
  • Fig. 2 a sectional view in front view through a
  • Fig. 3 the side view of a transversely installed force transducer
  • Fig. 4 a sectional view in front view through a
  • a section of a rail track with built-in force transducer 1 is shown in side view.
  • the force transducer 1 is arranged in an axially aligned recess 2 below the rail head 4 and supports the rail 3 on a threshold 5.
  • the force transducer 1 is part of a measuring section, not shown, of preferably seven transducers 1 per rail 3, which extends over a distance of approximately 3.5 m in the rail track and detects at least one wheel revolution of a wheel or a bogie of a rail-bound vehicle.
  • the measuring section can also be provided over a length of two wheel revolutions of approximately 7 m in length or a multiple of 3.5 m in length.
  • Such a measuring section is used to record all static and dynamic forces that are generated in the vertical direction by a rail vehicle wheel that runs over or is stationary.
  • the Measuring section is provided in an existing track section by dismantling and cutting out the existing rails 3.
  • the transducers 1 are preferably screwed onto the existing commercially available wooden or concrete sleepers 5 like a rail foot by means of a clamp connection.
  • This half rail or rail 3 with recesses 2 of approximately 3.5 m in length is prefabricated and also contains notches 10 on the two rail cheeks 6, which serve to fit the brackets 8, 9.
  • the built-in force transducer 1 is shown in detail in the sectional view through the left bracket 8 in FIG. 2 of the drawing.
  • the notches 10 for the use of the brackets 8, 9 are rectangular cutouts which are provided at the fastening points of the half rail 7 to be used.
  • the track head can also be designed as a profile material with two lateral notches over the entire measuring section, to which the brackets can be welded at any point.
  • the half rail 7 or rail 3 with recesses 2 is preferably made from a profile material of a conventional rail 3, the recesses 2 also only having to extend to the area above the sleepers 5, the recesses 2 being necessary only for the length of the force transducers 1. are dig.
  • the force transducer 1 for detecting the vertical forces acting on the rail 3 is designed as a double-sided shear force transducer. It consists of a longitudinal beam approx. 400 mm long and approx. 70 mm high.
  • the shear force transducer 1 is formed symmetrically with respect to a vertical center axis 12 and contains a similar separate transducer part in each half of the beam and therefore represents double-sided shear force transducer 1.
  • the two transducer parts with the active strain range 14 are arranged on the left and right sides of the central bearing surface 15. In the central area 15, the pickup 1 is cuboid and has 15 lateral on its central contact surface
  • Cross flanges 16 which are designed like a rail foot 23 and are clamped onto the sleepers 5 by the rail fastenings 17.
  • Elongation bodies 14, which preferably also have a rectangular cross section, are arranged on the longitudinal side of this central fastening region 15.
  • two mutually directed blind holes 18 are embedded, - the connecting surface of which represents a vertical flat wall 19 of a predetermined thickness.
  • two shear force resistors arranged at an angle of 45 ° to each other are applied as strain gauges on both sides, which convert the vertical forces into electrical signals.
  • At least the expansion body 14 lies in the longitudinal direction next to the contact surface 15 of the sleepers 5 and is exposed at the bottom.
  • a round bolt 20 is provided for force introduction, which is non-positively connected to the respective holder 8, 9 of the transducer 1.
  • the bracket 8, 9 consists of an elongated rectangular profile material, which has a through hole in the longitudinal direction of the transducer, which is provided for the use of the round bolts 20.
  • two U-shaped legs 11 are attached, which engage in the two notches 10 arranged in parallel in the rail head 4 and are fastened to them.
  • brackets 8, 9 are placed so far on the round bolt 20 of the force transducer 1 that a gap 21 of approximately 1 mm remains between the two expansion bodies 14 and the end faces of the brackets 8, 9, through which an axial displacement can be compensated for without tension can.
  • this enables tension-free longitudinal compensation in the event of manufacturing inaccuracies and large temperature fluctuations in the rail track.
  • slight tilting movements in the rail track can be compensated for at the same time, so that the introduction of transverse forces into the transducer 1 which falsifies the measured value is avoided.
  • Such double-sided shear force transducers 1 are provided on the measuring section above each threshold 5 and on each track side and fed to an electronic evaluation device (not shown) by means of a line for evaluation. These are the shear force transducer 1 with its strain gauges 22 to form a Wheatstone '' see connected measuring bridge.
  • the shear force transducer 1 can, however, also be equipped with only one transducer system as in the case of one transducer half, or it can also be designed as a bending beam.
  • the signals of each individual pickup 1 are preferably amplified individually and converted into a digital value.
  • the weight, an out-of-roundness, a flat spot or a broken tire can then be determined from the determined vertical force components of a vehicle wheel that is running or stationary, or an axle or bogie.
  • roundness, flat spots and wheel tire bumps are Before it can be determined at high crossing speeds due to the strong fluctuations in vertical force on the measuring section which deviate from a predetermined mean value.
  • train identification devices can also be provided, with the aid of which trains traveling over are located and possibly stopped due to excessive stress on the rails or suspected damage.
  • the crossing load can, however, also be added up according to special wear assessments, for example in the case of heavy flat point loads, and used for calculation or track maintenance purposes. This is particularly advantageous in the case of high-speed lines, in which even a few passes with strong flat spots on the vehicle wheels can necessitate repair measures.
  • the shear force transducers 1 are preferably produced from an alloyed special stainless steel material as series parts.
  • the bores 18 for the strain gauges 22 are sealed with thin stainless steel sheets by a laser welding process and are thus permanently protected from damage.
  • the brackets 8, 9 of the shear force transducer 1, however, are also made of simpler steels such as. B. to produce tool steel, which only have to have the necessary strength values and are weldable on site.
  • FIG. 3 and 4 of the drawing an embodiment of a device for measuring the rail load is shown, in which the force transducers 1 are arranged transversely to the longitudinal direction of the rail in a recess 2 below the rail head 4.
  • the rail head 4 is also supported on the transversely installed force transducer 1 on a threshold 5 of the rail track.
  • Such an embodiment is preferably used for determining the weight of rail vehicles, since the transverse forces can advantageously be introduced into the sleepers over the length of the force transducer.
  • the measuring section according to FIG. 3 of the drawing differs from the embodiment according to FIG. 1 of the drawing mainly in that the installation direction of the force transducers instead of longitudinally transversely to the longitudinal direction of the rails. direction are provided.
  • the force transducer 1 is basically designed to be comparable to the force transducer 1 according to FIGS. 1 and 2 of the drawing.
  • the force transducer is also designed as a double-sided shear force transducer, which is shown in detail in the sectional view according to FIG. 4 of the drawing.
  • the force transducer 1 consists of a longitudinal bar of approximately 400 mm in length and approximately 70 mm in height and has two expansion bodies 14 on the side of a vertical central axis 12, which are also applied with shear force transducers 22 arranged on a wall 19.
  • the force transducer 1 is supported laterally with two support plates 25 on a conventional railroad tie 5 and is preferably fastened to it.
  • a transverse bore 26 is provided, through which a round bolt 20 is guided in a form-fitting manner, which is approximately 50 mm above the transverse surfaces of the longitudinal beam. kens protrudes.
  • This rail load is then detected by the shear force transducer 22 and can be evaluated as described for FIGS. 1 and 2.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung innerhalb einer vorgegebenen Messstrecke mit Hilfe von mehreren Kraftaufnehmern (1) zur Ermittlung der auf einer Schiene wirkenden Vertikalkräfte, die zwischen den Schienen (3) und einer Schwelle (5) angeordnet sind. Diese Vorrichtung zur Schienenbelastung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Höhe mindestens unter dem Schienenkopf (4) in jeder Schiene (3) mindestens in dem die Schwellen (5) überspannenden Längsbereich eine Aussparung (2) vorgesehen ist. In dieser Aussparung (2) ist jeweils ein längsgerichteter Scherkraftaufnehmer (1) angeordnet, der den Schienenkopf (4) auf der Schwellenoberseite (15) abstützt. Dabei entspricht die gesamte Höhe der Vorrichtung mit dem unter dem Schienenkopf (4) angeordneten Scherkraftaufnehmer (1) der Höhe einer herkömmlichen Schiene (3) und ist auf herkömmlichen Holz- oder Betonschwellen (5) befestigt.

Description

Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Schienenbelastung wurde vor wenigen Jahren nur zur Ermittlung der Achs- oder der Fahrzeuggewichte von schienengebunde- nen Fahrzeugen verwendet. Mittlerweile ist es für die Sicherheit des Bahnverkehrs bei immer höheren Zuggeschwindigkeiten zunehmend wichtiger, auch Unrundheiten und Flachstellen an den Fahrzeugrädern zu erkennen. So besteht die RadaufStands raft, die auf die Schiene wirkt, sowohl aus einer statischen Ge- wichtsbelastung und einem dynamischen Anteil, der mit zunehmender Geschwindigkeit ansteigen kann. Dabei erhöht sich der dynamische Anteil der Radaufstandskraft, wenn das Rad unrund ist oder über Flachstellen verfügt. Insbesondere bei hohen Zuggeschwindigkeiten kann diese dynamische Radaufstandskraft bei Unrundheiten oder Flachstellen so groß werden, daß dadurch Schäden am Rad, an der Schiene oder am Gleisbau verursacht werden, die auch zu Zugunfällen führen können. Des weiteren kann aus der Summe der Schienenbelastung auch auf den Gleiszustand geschlossen werden, der bei Erreichung einer vorgegebe- nen Gesamtbelastung Reparatur- oder Instandsetzungsarbeiten notwendig macht.
Aus der EP 0 500 971 AI ist ein dynamisches Wägeverfahren für Schienenfahrzeuge bekannt, mit dem ein Großteil der Schienen- belastung beim überfahrenden Bahnverkehr erfaßbar ist. Dazu wird die Schubspannung in der neutralen Phase der Schiene erfaßt und ausgewertet. Hierzu wird in das Fahrschienennetz eine mit Dehnungsmeßstreifen applizierte Wägeschiene eingeschweißt, bei der zwischen den Schwellen mindestens zwei Dehnungsmeß- streifen angeordnet sind. Das Waggongewicht wird dabei durch achsweise Addition der Gewichtsignale ermittelt. Mit einer derartigen Einrichtung kann aber eine sichere Flachstellenerkennung nicht durchgeführt werden, da diese im Bereich der Schwellen nicht erfaßt werden kann.
Eine derartige Vorrichtung zur Ermittlung unrunder Räder an Eisenbahnfahrzeugen ist bereits durch die DE 44 39 342 Cl vorbekannt. Bei dieser Vorrichtung sind auf einer Meßstrecke am Schienenfuß im Bereich jeder Schwelle beidseitig jeweils zwei Sensoren aus Dehnungsmeßstreifen appliziert, die die Schwellenreaktionskräfte erfassen. Weiterhin sind noch Schubkraftsensoren vorgesehen, die jeweils am Anfang und Ende der Meßstrecke in der neutralen Phase der Schiene angeordnet sind. Mit einer derartigen Vorrichtung ist aber offensichtlich keine genaue Gewichtsbelastung bei überrollenden Fahrzeugrädern erfaßbar.
Aus der DE 198 34 030 AI ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gewichtsbelastung auf der Schiene durch überfahrende Gleisfahrzeuge bekannt. Dazu werden im Bereich der Schwelle parallel zu jedem Gleis zwei Doppelbiegebalken angeordnet, die über seitliche Montageplatten mit der Schiene verbunden sind. Die Verbindung zwischen den Schienen und den beiden Doppelbiegebalken erfolgt dabei jeweils vor und hinter der Schwelle im sogenannten Schwellenfach. In der Mitte stützen sich die Doppelbiegebalken jeweils auf die Schwelle ab, so daß die auf die Schiene wirkenden Vertikalkräfte erfaßt werden, mit der auch Unrundheiten und Flachstellen erkennbar sind. Allerdings erfordert eine sichere Flachstellen- oder Unrundheiterkennung die Erfassung auf mindestens einer Radumdrehung von ca . 3,5 m Meßstrecke, wozu bei üblichen Schwellenfächern mindestens 28 Kraftaufnehmer notwendig sind. Da es sich bei den Kraftaufnehmern um spezielle hochpräzise doppelseitige Doppelbiegebalken handelt, ist für eine Schienenbelastungsvorrichtung mit Flach- Stellenerkennung ein hoher apparativer Aufwand notwendig. Aus der DE 44 44 337 AI ist eine Schienenwägevorrichtung mit nur einer Wägezelle für zwei Schwellenfächer pro Schiene bekannt. Mit einer derartigen Wägevorrichtung zur Messung von überrollenden Gleisfahrzeugen können bei mehreren hintereinander angeordneten Wägezellen auch die Gesamtbelastung von abrollenden Fahrzeugrädern auf einer Schiene ermittelt werden. Dazu wird die Meßstrecke über eine Anfangs- und eine- Endaussparung im Schienenfuß und -steg elastisch an das übrige Gleissystem angekoppelt. Zur Messung der vertikalen Belastungen zwischen Schiene und Untergrund stützt sich die Schiene auf eine rotationssymmetrische Wägezelle ab, die ebenfalls unter einer Aussparung längs zwischen den übrigen beiden Aussparungen angeordnet ist. Dazu ist in der Aussparung über der Wä- gezelle ein Stützbock vorgesehen, der eine horizontal und axial bewegliche Krafteinleitung der vertikalen Schienenbelastung ermöglicht. Allerdings kann die Belastungsmeßeinrichtung nicht zwischen einer herkömmlichen Schwelle und der Schiene angeordnet werden, ohne daß sich dadurch nicht die gesamte Bauhöhe vergrößert. Wollte man derartige Vorrichtungen zur Belastungsmessung in größerem Maße in den Schienenstrang einbauen, wären größere Baumaßnahmen notwendig, wodurch die Bahnstrecke über längere Zeiträume gesperrt werden müßte.
Aus der DE 199 41 843 AI ist eine spezielle Vorrichtung zur Feststellung von Flachstellen und Unrundheiten an schienengebundenen Fahrzeugrädern bekannt. Bei dieser Vorrichtung zur Erfassung der Schienenbelastung bei überfahrenden Schienenfahrzeugrädern sind spezielle Meßschwellen vorgesehen, in die die Kraftaufnehmer eingelassen sind und auf denen sich die
Schienen abstützen. Dies hat den Nachteil, daß beim Einbau einer Meßstrecke von mehreren KraftmeßVorrichtungen in eine vorhandene Gleisstrecke nicht nur die Schienen, sondern auch die Schwellen ausgetauscht werden müssen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung verschiedener Schienenbelastungen durch schienengebundene Fahrzeuge zu schaffen, die mit geringem Aufwand und schnell in das Schienennetz integrierbar ist und ver- hältnismäßig genaue Meßergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird. durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange- geben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Aussparung über dem Schwellenbereich etwa die halbe Schienenhöhe für den Einbau einer Meßeinrichtung ausgenutzt wird. Dadurch brauchen beim Einbau lediglich die alten Schienen von den Schwellen geschraubt und abgeschnitten und durch neue oder umgerüstete Schienen mit Aussparungen ersetzt werden. Dabei sind die Kraftaufnehmer wie ein Schienenfuß auf die Schwellen auf- ' schraubbar und deren Halterungen werden vorzugsweise mit dem Schwellenkopf verschweißt. Da die herkömmlichen Schwellen im Gleisbett verbleiben können, kann ein derartiger Neueinbau der Meßstrecke von Gleisbautrupps wie beim Austausch üblicher Schienen in kürzester Zeit erfolgen, ohne daß die Gleisstrecke für längere Zeit für den Bahnverkehr unterbrochen werden muß .
Durch die Anordnung der Kraftaufnehmer direkt unter dem Schienenkopf werden vorteilhafterweise alle vertikalen Schienenbelastungen erfaßt e die sowohl für eine Überfahrtwägung, Flachstellenerkennung,, Unrundheitserkennung, ungünstige Beladungs- Verhältnisse der Waggons, Radbeschädigungen sowie eine Gesamt- belastungsmessung der Gleisstrecke ausgewertet werden können. Dies hat gleichzeitig auch den Vorteil, daß auch bei der Erfassung einer gesamten Radumdrehung oder eines gesamten Drehgestells eines Gleisfahrzeugs lediglich 14 Kraftaufnehmer für die gesamte Meßstrecke erforderlich sind, was den Kostenauf- wand gering hält und somit auch in größerem Umfang in vorhandene Schienennetze installierbar ist.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die Ausspa- rungen im Schienenfuß und -steg die Kraftaufnehmer elastisch an das weiterführende Schienennetz angekoppelt sind, so daß etwa zur Achslastwägung Kraftnebenschlußeffekte kaum auftreten, obwohl der^ Schienenstrang- im überfahrenden Schienenkopf ohne Unterbrechung ist und dadurch keine Stoßeffekte auftre- ten.
Die Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, daß durch den Kraftaufnehmer in der Aussparung der unteren Schienenhälfte kein ■ spezielles Schienenmaterial erforderlich ist, wie bei einer Applizierung der Dehnungsmeßstreifen am Schienensteg oder - fuß, sondern lediglich in das serienmäßige Profilmaterial die Aussparungen vorgesehen werden müssen, was auch vor Ort möglich ist. Dadurch können vorteilhafterweise, insbesondere in im internationalen Warenverkehr, erhebliche Transportkosten vermieden werden.
Eine besondere Ausbildung der Erfindung mit Scherkraftaufnehmern hat -den Vorteil, daß insbesondere durch die Vertikalkrafterfassung unter der Schienenmitte seitliche Querkraftein- leitungen konstruktionsbedingt nicht in das Meßergebnis einfließen und somit keine Meßwertverfälschung verursachen können. Durch die Scherkraftaufnehmer werden auch weitere parasitäre Kräfte und Momente kompensiert,, so daß mit einer derartigen Meßvorrichtung auf einfache Weise verhältnismäßig hohe Empfindlichkeiten und Meßgenauigkeiten erzielbar sind und dies auch bei verhältnismäßig hohen Überfahrtgeschwindigkeiten.
Eine weitere besondere Ausbildungsform mit axial verschiebli- chen Rundbolzen als Krafteinleitungselemente hat den Vorteil, daß auch in Axialrichtung keine Verspannungen durch Wärmeaus- dehnung oder Montageungenauigkeiten in den Aufnehmer .einleitbar sind, so daß ausschließlich die Vertikalkräfte erfaßt werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: die Seitenansicht eines längs eingebauten Kraftaufnehmers; Fig. 2: ein Schnittbild in Vorderansicht durch ein
Krafteinleitungselement eines längs eingebauten Kraftaufnehmers; Fig. 3: die Seitenansicht eines quer eingebauten Kraftaufnehmers, und Fig. 4: ein Schnittbild in Vorderansicht durch ein
Krafteinleitungselement eines quer eingebauten Kraftaufnehmers .
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausschnitt eines Schienen- Strangs mit eingebautem Kraftaufnehmer 1 in Seitenansicht dargestellt. Der Kraftaufnehmer 1 ist in einer axial ausgerichteten Aussparung 2 unterhalb des Schienenkopfes 4 angeordnet und stützt die Schiene 3 auf einer Schwelle 5 ab.
Der Kraftaufnehmer 1 ist Teil einer weiter nicht dargestellten Meßstrecke aus vorzugsweise je sieben Aufnehmern 1 pro Schiene 3, die sich auf einer Strecke von ca. 3,5 m im Schienenstrang erstreckt und mindestens eine Radumdrehung eines Rades oder eines Drehgestells eines schienengebundenen Fahrzeugs erfaßt. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen kann die Meßstrecke auch auf einer Länge von zwei Radumdrehungen von ca. 7 m Länge oder ein Vielfaches von 3,5 m Länge vorgesehen sein. Eine derartige Meßstrecke dient zur Erfassung aller statischen und dynamischen Kräfte, die durch ein überfahrendes oder stehendes Schienenfahrzeugrad in vertikaler Richtung erzeugt werden. Die Meßstrecke wird in eine vorhandene Gleisstrecke durch Abmontieren und Ausschneiden der vorhandenen Schienen 3 vorgesehen. Danach werden vorzugsweise auf die vorhandenen handelsüblichen Holz- oder Betonschwellen 5 die Aufnehmer 1 wie ein Schienen- fuß durch eine Klemmverbindung festgeschraubt. Hierauf wird dann eine Schiene 3 mit Aussparungen 2, die auch als Halbschiene ausgebildet sein kann, die lediglich nur aus dem Schienenkopf 4 besteht, aufgelegt. Diese Halbschiene oder Schiene 3 mit Aussparungen 2 von ca. 3,5 m Länge ist vorgefer- tigt und enthält an den beiden Schienenwangen 6 noch Einkerbungen 10, die zur Einpassung der Halterungen 8, 9 dienen. Der eingebaute Kraftaufnehmer 1 ist im einzelnen im Schnittbild durch die linke Halterung 8 in Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellt. Die Einkerbungen 10 zum Einsatz der Halterungen 8, 9 sind rechteckförmige Ausfräsungen, die an den Befestigungsstellen der einzusetzenden Halbschiene 7 vorgesehen sind. Der Gleiskopf kann auch als Profilmaterial mit zwei seitlichen Einkerbungen über die gesamte Meßstrecke ausgebildet sein, an die die Halterungen an beliebigen Stellen anschweißbar sind. Die Halbschiene 7 oder Schiene 3 mit Aussparungen 2 wird vorzugsweise aus einem Profilmaterial einer üblichen Schiene 3 gefertigt, wobei sich die Aussparungen 2 auch nur auf den Bereich oberhalb der Schwellen 5 erstrecken müssen, wobei die Aussparungen 2 nur für die Länge der Kraftaufnehmer 1 notwen- dig sind.
Der gesamte Teil der Aussparungen 2 oder der als gesamte Halbschiene 7 ausgebildete Schienenteil der Meßstrecke wird danach von vor Ort tätigen Schienenbautrupps in einen vorhandenen Gleisstrang oder im Zuge einer Neubaustrecke in diese über
Schweißnähte 24 eingefügt. Dabei werden gleichzeitig auch die U-förmigen Schenkel 11 der beiden Halterungen 8, 9 eines Aufnehmers 1 in die Einkerbungen 10 der Seitenwangen 6 eingeschweißt. Die Halterungen 8, 9 könnten aber auch durch Schraubverbindungen und dergleichen an dem Schienenkopf 4 be- festigt werden. Eine derartige Meßstrecke ist dadurch in relativ kurzer Montagezeit in das Schienennetz einfügbar.
Der Kraftaufnehmer 1 zur Erfassung der vertikalen Kräfte, die auf die Schiene 3 wirken, ist als doppelseitiger Scherkraftaufnehmer ausgebildet. Dabei besteht er aus einem längsgerichteten Balken von ca. 400 mm Länge und etwa 70 mm Höhe. Der Scherkraftaufnehmer 1 ist zu einer vertikalen Mittenachse 12 symmetrisch ausgebildet und enthält in jeder Balkenhälfte ei- nen gleichartigen separaten Aufnehmerteil und stellt deshalb doppelseitige Scherkraftaufnehmer 1 dar. Dabei sind die beiden Aufnehmerteile mit dem meßaktiven Dehnungsbereich 14 links- und rechtsseitig der mittigen Auflagefläche 15 angeordnet. Im Mittenbereich 15 ist der Aufnehmer 1 quaderförmig ausgebildet und besitzt an seiner mittigen Auflagefläche 15 seitliche
Querflansche 16, die wie ein Schienenfuß 23 ausgebildet sind und von den Schienenbefestigungen 17 der Schwellen 5 auf diesen festgeklemmt werden. Längsseitig zu diesem mittigen Befestigungsbereich 15 sind Dehnungskörper 14 angeordnet, die vor- zugsweise auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. In diese Dehnungskörper 14 sind zwei gegeneinander gerichtete Sackbohrungen 18 eingelassen,- deren Verbindungsfläche eine vertikale ebene Wand 19 von vorgegebener Dicke darstellt. An dieser Verbindungsfläche 19 sind beidseitig jeweils zwei in einem Winkel von 45° zueinander angeordnete Scherkraftaufnehmerwiderstände als Dehnungsmeßstreifen appliziert, die die Vertikalkräfte in elektrische Signale umwandeln. Zumindest der Dehnungskörper 14 liegt in Längsrichtung neben der Auflagefläche 15 der Schwellen 5 und ist nach unten freiliegend angeord- net .
An den Endbereichen der beiden Aufnehmerhälften ist jeweils ein Rundbolzen 20 zur Krafteinleitung vorgesehen, der kraftschlüssig mit der jeweiligen Halterung 8, 9 des Aufnehmers 1 verbunden ist. Dabei besteht die Halterung 8, 9 aus einem ab- gelängten Rechteckprofilmaterial, das eine Durchgangsbohrung in Aufnehmerlängsrichtung besitzt, die zum Einsatz der Rundbolzen 20 vorgesehen ist. Zur Befestigung der Halterungen 8, 9 sind noch zwei U-förmig nach oben gerichtete Schenkel 11 ange- bracht, die in die beiden parallel angeordneten Einkerbungen 10 im Schienenkopf 4 eingreifen und an diesen befestigt sind. Bei der Einbaumontage werden die Halterungen 8, 9 soweit auf den Rundbolzen 20 des Kraftaufnehmers 1 aufgesetzt, daß zwischen den beiden Dehnungskörpern 14 und den Stirnflächen der Halterungen 8, 9 ein Spalt 21 von ca. 1 mm verbleibt, durch den eine Axialverschiebung spannungsfrei ausgeglichen werden kann. Insbesondere ist dadurch bei Fertigungsungenauigkeiten und großen Temperaturschwankungen im Schienenstrang ein spannungsfreier Längsausgleich möglich. Dadurch sind gleichzeitig auch geringe Kippbewegungen im Schienenstrang ausgleichbar, so daß hierdurch eine meßwertverfälschende Querkrafteinleitung in den Aufnehmer 1 vermieden wird.
Derartige doppelseitige Scherkraftaufnehmer 1 werden auf der Meßstrecke über jeder Schwelle 5 und auf jeder Gleisseite vorgesehen und zur Auswertung einer nicht dargestellten elektronischen Auswertevorrichtung mittels einer Leitung zugeführt. Dazu sind die Scherkraftaufnehmer 1 mit ihren Dehnungsmeßstreifen 22 zu einer Wheatstone'' sehen Meßbrücke verschaltet. Der Scherkraftaufnehmer 1 kann aber auch nur mit einem Aufnehmersystem wie bei einer Aufnehmerhälfte ausgestattet oder auch als Biegebalken ausgebildet sein. In der nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinrichtung werden die Signale jedes einzelnen Aufnehmers 1 vorzugsweise einzeln verstärkt und in einen Digitalwert umgewandelt. Bei entsprechender Verknüpfung der Signale kann dann aus den ermittelten Vertikalkraftanteilen eines überfahrenden oder stehenden Fahrzeugrades bzw. Achse oder Drehgestells das Gewicht, eine Unrundheit, eine Flachstelle oder auch ein Radreifenbruch festgestellt werden. Dabei sind insbesondere Unrundheiten, Flachstellen und Radreifenbrü- ehe bei hohen Überfahrtgeschwindigkeiten durch die starken Vertikalkraftschwankungen auf der Meßstrecke feststellbar, die von einem vorgegebenen Mittelwert abweichen.
Vorteilhafterweise können zusätzlich auch Zugidentifizierungsvorrichtungen vorgesehen werden, mit deren Hilfe überfahrende Züge lokalisiert und eventuell wegen einer zu starken Schienenbeanspruchung oder eines Schadensverdachts gestoppt werden. Die Überfahrtbelastung kann aber auch nach besonderen Ver- Schleißbewertungen wie beispielsweise bei starken Flachstellenbelastungen aufsummiert und zu Berechnungs- oder Gleiserhaltungszwecken ausgenutzt werden. Dies ist insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsstrecken vorteilhaft, bei denen bereits wenige Überfahrten mit starken Flachstellen an den Fahrzeugrä- dem Reparaturmaßnahmen notwendig machen können.
Die Scherkraftaufnehmer 1 werden vorzugsweise aus einem legierten speziellen Edelstahlmaterial als Serienteile hergestellt. Zum witterungsunabhängigen Abschluß werden die Bohrun- gen 18 für die Dehnungsmeßstreifen 22 durch ein Laserschweißverfahren mit dünnen Edelstahlblechen abgedichtet und so dauerhaft vor Beschädigung geschützt. Die Halterungen 8, 9 der Scherkraftaufnehmer 1 sind hingegen auch aus einfacheren Stählen wie z. B. Werkzeugstahl zu fertigen, die lediglich über die notwendigen Festigkeitswerte verfügen müssen und vor Ort schweißbar sind.
In Fig. 3 und 4 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung dargestellt, bei der die Kraftaufnehmer 1 quer zur Schienenlängsrichtung in einer Aussparung 2 unterhalb des Schienenkopfes 4 angeordnet sind. Dabei stützt sich der Schienenkopf 4 über den quer eingebauten Kraftaufnehmer 1 ebenfalls auf einer Schwelle 5 des Schienenstrangs ab. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise zur Gewichtsermittlung von Schienenfahrzeugen eingesetzt, da die Querkräfte über die Kraftaufnehmerlänge vorteilhaft in die Schwellen einleitbar sind. Die Meßstrecke nach Fig. 3 der Zeichnung unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 der Zeichnung hauptsächlich dadurch, daß die Einbaurichtung der Kraftaufnehmer statt längs jetzt quer zur Schienenlängs- . richtung vorgesehen sind. Dabei ist der Kraftaufnehmer 1 im Grunde vergleichbar ausgestaltet, wie der Kraftaufnehmer 1 nach Fig. 1 und 2 der Zeichnung. Der Kraftaufnehmer ist ebenfalls als doppelseitiger Scherkraftaufnehmer ausgebildet, der im einzelnen im Schnittbild nach Fig. 4 der Zeichnung dargestellt ist. Dabei besteht der Kraftaufnehmer 1 aus einem Längsbalken von ca. 400 mm Länge und etwa 70 mm Höhe und be- sitzt seitlich einer vertikalen Mittelachse 12 zwei Dehnungskörper 14, die ebenfalls mit an einer Wand 19 angeordneten Scherkraftaufnehmern 22 appliziert sind. Der Kraftaufnehmer 1 stützt sich seitlich mit zwei Abstützplatten 25 auf einer herkömmlichen Eisenbahnschwelle 5 ab und ist vorzugsweise mit dieser befestigt.
Im Mittenbereich 15 des Kraftaufnehmers 1 ist eine Querbohrung 26 vorgesehen, durch die ein Rundbolzen 20 formschlüssig geführt ist, der etwa 50 mm über die Querflächen des Längsbai-. kens hinausragt. Zur Krafteinleitung sind auf diesem Rundbolzen 20 von beiden Seiten je eine Halterung 8, 9 geschoben, die wie die Halterung 8, 9 nach Fig. 1 und 2 der Zeichnung ausgebildet sind. Diese Halterungen 8, 9 sind ebenfalls fest mit dem Schienenkopf verbunden und leiten die Schienenbelastung symmetrisch in den quer angeordneten Kraftaufnehmer 1 ein.
Diese Schienenbelastung wird dann durch die Scherkraftaufnehmer 22 erfaßt und kann wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben ausgewertet werden.

Claims

Vorrichtung zur Messung der SchienenbelastungPatentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung der Schienenbelastung innerhalb einer vorgegebenen Meßstrecke mit Hilfe von mehreren Kraftaufnehmern (1) zur Ermittlung der auf die Schiene (3) wir- kenden Vertikalkräfte, die zwischen den Schienen (3) und ortsfesten Schwellen (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Höhe unter dem Schienenkopf (4) in der Schiene mindestens in dem die Schwellen (5) überspannenden Längsbereich eine Aussparung (2) vorgesehen ist, in der ein längsgerichteter flacher Kraftaufnehmer (1) in Schienen- längs- oder -querrichtung angeordnet ist, der den Schienenkopf (4) auf der Schwellenoberseite abstützt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (2) über die gesamte Meßstrecke oder nur über den Schwellen (5) der Meßstrecke vorgesehen ist und in diesem Bereich eine Halbschiene (7) bildet, die nur aus dem Schienenkopf (4) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenwangen (6) des Schienenkopfs (4) im Bereich der Endpunkte jedes Kraftaufnehmers (1) axial beab- standete Einkerbungen (10) oder zwei seitliche Einkerbungen als Profilierung vorgesehen sind, in denen Schenkel (11) einer Halterung (8, 9) für die Kraftaufnehmer (1) befestigt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftaufnehmer (1) als fla- eher Längsbalken ausgebildet ist, der zwei axial beabstan- dete Scherkraftaufnehmerteile (22) aufweist und der symmetrisch zu einer vertikalen Mittenachse (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftaufnehmer (1) an seinen Enden oder im Mittenbereich (15) jeweils einen Rundbolzen (20) aufweist, der zur kraftschlüssigen Einpassung in die zugehörige Halterung (8, 9) dient.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder .Kraftaufnehmer (1) im Mittenbereich (15) Querflansche (16) aufweist, die zur Klemmbefestigung (17) an herkömmlichen oder modifizierten Holz- oder Betonschwellen (5) dienen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftaufnehmer (1) an seinen Enden Abstützplatten (25) aufweist, die zur seitlichen Abstützung auf die Schwelle (5) dienen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung jedes Kraftaufnehmers (ϊ) am Schienenkopf (4) zwei gleichartige Haϊteruή-" gen (8, 9) vorgesehen sind, die ein quaderförmiges Hauptteil aufweisen, das zwei U-förmig abstehende Schenkel (11) besitzt und im Quaderteil (13) eine Durchgangsbohrung zum Einsatz der Rundbolzen (20) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, • daß die Halterungen (8, 9) aus einfachem Stahlmaterial bestehen, die mittels herkömmlicher Schweißverfahren mit dem Schienenkopf .(4) verbindbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke aus zwei gleichartigen parallel angeordneten mindestens 3,5 m langen Schienen (7) mit mindestens jeweils sieben Aussparungen (2) be- steht, in denen jeweils ein Kraftaufnehmer (1) angeordnet ist, der den Schienenkopf (4) auf jeweils einer Schwellenseite abstützt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke in ein Gleisstück eingeschweißt ist und daß die Höhe der Meßstrecke, die sich aus dem Schienenkopf (4) und dem Kraftaufnehmer (1) sowie dessen Halterungen (8, 9) zusammensetzt, der Höhe einer herkömmlichen Schiene (3) entspricht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke herkömmliche oder modifizierte Holz- oder Betonschwellen aufweist, an dessen Klemmvorrichtungen (17) die Kraftaufnehmer (1) befestigt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (1) der Meßstrecke mit einer elektrischen Auswertevorrichtung verbunden sind, die aus den MeßwertSignalen ein Rad-, Achs- oder Fahrzeug- gewicht und/oder Flachstellen, Unrundheiten und Raddefekte und/oder eine Gesamtstreckenbelastung ermittelt.
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