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Dokumentenidentifikation DE10040139B4 07.10.2004
Titel Verfahren zur Messung von Schienenprofilen und Gleislagestörungen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder DWA Deutsche Waggonbau GmbH, 12526 Berlin, DE
Erfinder Worbs, Steffen, Dipl.-Ing., 12489 Berlin, DE;
Schwiegel, Thomas, Dipl.-Ing., 15751 Niederlehme, DE;
Krönke, Marko, Dipl.-Ing., 10409 Berlin, DE;
Stampniok, Uwe, 15745 Wildau, DE
DE-Anmeldedatum 13.08.2000
DE-Aktenzeichen 10040139
Offenlegungstag 07.03.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.10.2004
IPC-Hauptklasse B61K 9/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Schienenprofilen und Gleislagestörungen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 2.

Die fahrzeugspezifische Belastung des Fahrwegs, dessen Zustand (Verschleiß, Spurweitenänderungen) sowie der Zustand der Laufflächen am Rad sind wesentliche Kriterien, die das Laufverhalten von Schienenfahrzeugen beeinflussen. Diese haben Auswirkungen auf die Zuordnung der Berührpunkte an Rad und Schiene bei seitlicher Auslenkung, die Definition der äquivalenten Konizität, die Radiendifferenz zwischen linkem und rechtem Rad und den Einfluss der Spurweite und Schienenform.

Nach der DE 197 21 915 C1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Verschleißes von Schienen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens bekannt mit folgenden Verfahrensschritten:

  • a) der Schienenkopf wird schräg oder senkrecht zur Fahrtrichtung belichtet
  • b) entlang einer vorgegebenen Messstrecke wird der Lichtstreifen videotechnisch mit einer am Fahrzeug angebrachten Videokamera abgetastet
  • c) das erzeugte visuelle Signal wird beim Überfahren der Wegstrecke den Wegsignalen eines Weggebers zugeordnet
  • d) die Bild-Wegsignale werden in einem Speicher abgespeichert und die abgelegten Signale werden mit Hilfe einer Auswertungseinheit in schienenspezifische, Weg abhängige Informationen ausgewertet

Dieses bekannte Bildmesstechnik-Verfahren ist geeignet für die exakte Auswertung von Profillinienkonturen in der y-z-Ebene.

Es ist aber nicht geeignet für die Ermittlung der Fahrweg abhängigen Gleislagestörungen.

Weiterhin ist, wie auch in "Brockhaus Enzyklopädie", 19. Auflage, Bd. 15, 1991, Seite 535 f., beschrieben, ein Inertialmess-Verfahren auf der Basis Newtonscher Axiome bekannt, das die Erfassung von Messgrößen während der Fahrt in Bezug auf eine im Raum bewegte kreiselstabilisierte Plattform ermöglicht. Ausgehend von einem Festpunkt lassen sich Lage und Höhe weiterer Punkte bestimmen. Nachteilig bei diesem Verfahren wirken sich die mechanischen Komponenten aus, die berührungsabhängig funktionieren und Ursache für Fehler sind. Mit diesem Verfahren ist es nicht möglich, die Profilkontur zu bestimmen. Außerdem kann dieses Verfahren durch die mechanische Abtastung nur innerhalb begrenzter Geschwindigkeiten angewendet werden.

Aus der DE 39 01 185 A1 ist ein Verfahren zur berürungslosen Messung der Deformation und des Verschleißes von Schienen bekannt. Hierbei wird der Schienenkopf unter Erzeugung eines Lichtstreifens belichtet und entlang einer vorgegebenen Messstrecke bewegt. Entlang dieser vorgegebenen Messstrecke erfolgt eine videotechnische Abtastung des Lichtstreifens. Das tatsächliche Schienenprofil wird durch Vergleich der abgetasteten Signale mit einer vorgegebenen Charakteristik ermittelt. Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine ortsfest mit einem Schienenfahrzeug verbundenen Belichtungseinheit zur Belichtung des Schienenkopfs in Form eines Lichtstreifens. Die Abtastung des Lichtstreifens erfolgt über eine fest mit dem Schienenfahrzeug in Verbindung stehende Videokamera, Die Ermittlung des tatsächlichen Schienenprofils aus den von der Vidoekamera erfassten Bild-Wegsignale erfolgt über eine Rechner gestützte Auswertungseinheit. Mit diesem Bilderfassungs- und Messsystems Messungen nur in der y-z-Ebene exakt durchführbar sind. Die Berücksichtigung von Federungsbewegungen und/oder seitlichen Absweichungen der Fahrzeugposition in bezug zur Schiene können das erfasste Messergebnis rechnerisch deshalb nur geringfügig korrigieren, da das gesamte Messsystem mit dem Fahrzeug die vorbeschriebenen Lageveränderung durchführt. Im Rahmen notwendiger exakter Schienenprofil und/oder Gleisstörungenermittlungen können daraus gravierende Fehleinschätzungen der tatsächlichen Situation resultieren.

Ferner ist aus der DE 197 21 915 C1 ein Verfahren zur Messung von Unebenheiten in der Fahrfläche von Schienen bekannt, bei dem eine Messplattform und die Schiene relativ zueinander bewegt werden, während von der Messplattform aus ein in Bewegungsrichtung sich erstreckender Lichtstrich unter einem zur Oberflächennormalen festen Projektionswinkel auf die Oberfläche der Schiene projiziert wird. Der Lichtstrich wird mit einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Momentaufnahmen auf einem an der Messplattform mit einem gegenüber dem Projektionswinkel gekippten Aufnahmewinkel fest angeordneten, flächenhaft positionsempfindlichen Fotoempfänger so abgebildet, daß die Vielzahl der Lichtstrichabbildungen die Oberfläche längs der Bewegungsrichtung zumindest lückenlos erfaßt. Aus den Deformationen in der Vielzahl der Lichtstrichabbildungen wird das Oberflächenprofil längs der Bewegungsrichtung bestimmt. Das System wird von einem die Fahrfläche der Schiene in Schienenquerrichtung abtastende Positionsensorik ergänzt, die an einer Steuervorrichtung angeschlossenen ist, welche das Lichtschnitt- oder Lasertriangulationssystem in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Positionssensorik so steuert, dass der vom Lichtschnittsystem auf die Fahrfläche projizierte Lichtstrich einen konstanten Querabstand von der Schieneninnenkante hat. Da aber auch in diesem Fall weder die Federungsbewegungen noch die seitlichen Abweichungen des Messsystems bzw. der Fahrzeugposition in Bezug zur Schiene ausreichend berücksichtigt werden, können keine verlässlichen Angaben über den tatsächlichen Zustand der Schienenprofile und der Gleislage genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung von Schienenprofilen und Gleislagestörungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen die Fehler aus der mechanischen Abtastung beseitigt werden, hohe Fahrgeschwindigkeiten zulässt und mittels Bildmesstechnik-Verfahren den Mess- und Auswerteumfang erweitert. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Kontur des Profils in der y-z-Ebene punktuell erfasst wird und für diese Punkte in der x-z- und x-y-Ebene Relativbewegungen ermittelt werden, wobei eine laseroptische Messeinrichtung den Relativabstand zwischen der realen Lage des jeweiligen Schienenstranges im Raum zu dem Inertialsystem als Bezugsbasis im Raum sowie die Kontur der Fahrkantenprofile der rechten und linken Schiene misst. Die gemessenen Profile werden als Videobilder abgespeichert und bei nachfolgender Auswertung analysiert, gemittelt und/oder als Datenfile einem Simulationssystem zur Verfügung gestellt. Während der Fahrt werden die rechten und linken Profile optisch ausgewertet, die Höhenänderungen und Seitenänderungen ausgewählter Punkte der Profilkontur sowie der Schienenabstand als Spurweite online analog oder digital wieder ausgegeben. Da die Ausführung der Messtechnik für die linke und rechte Schiene je ein Abtastsystem beinhalten, welche starr miteinander verbunden sind, kann neben der Erfassung der Gleislagefehler auch die Spurweite online ermittelt werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels naher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

1 die dem Stand der Technik entsprechende Darstellung von Fahrkante der Schiene und Lauffläche des Rades bei eingetretenem Verschleiß,

2 die Zuordnung von Messgrößen zueinander bezüglich der gesuchten Messgröße,

3 die Darstellung des starr miteinander verbundenen Inertial- und Bildmesssystems,

4 die Darstellung der Lage der Schienenprofilkontur, der Bilderfassungssysteme und der Linienprojektoren im Raum

5 ausgewählte Punkte der Schienenprofilkontur,

6 Messpunkte der Schienenprofilkontur,

7 vertikale Lageänderung der Scheitelpunktkoordinaten über der Fahrstrecke in der x-z-Ebene,

8 horizontale Lageänderungen der rechten und linken Spurweitenpunktkoordinaten zueinander und über der Fahrstrecke in der x-y-Ebene,

9 Lage der gemessenen Einzelprofile in der y-z-Ebene und

10 Ermittlung der Koordinaten eines Scheitelreferenzpunktes.

In 1 sind Verschleißzustände an Rad und Schiene dargestellt. Bei eingetretenem Verschleiß stellt sich eine reale Profilkontur 8 der Fahrkante der Schiene und eine reale Profilkontur 9 der Lauffläche des Rades ein, die erhebliche Abweichungen zu ihren ursprünglichen Konturen haben. Das bringt eine Veränderung der Berührgeometrie 15 zwischen Rad und Schiene und eine Spurweitenänderung 16 mit sich. In 2 ist eine Zuordnung von Messgrößen zueinander ersichtlich, deren Verkettung erforderlich ist, um eine gesuchte Messgröße MG zu erhalten.

Über ein sich bewegendes Inertialmesssystem 4, welches sich in der relativen idealen Inertialebene 2 bewegt, wird eine Messgröße Mi ermittelt, welche den Abstand zu einer absoluten idealen Bezugsebene 1 beinhaltet.

von dem sich bewegenden Inertialmesssystem 4, welches sich in der relativen idealen Inertialebene 2 bewegt, wird eine Messgröße MB ermittelt, welche den Abstand zu einer relativen realen Messebene 3 am Messobjekt Schienenprofilkontur 7 beinhaltet.

In 3 sind die über eine starre Verbindung 6 miteinander verbundenen Komponenten Inertialmesssystem 4 und Bildmesssystem 5 dargestellt. Das Inertialmesssystem 4 enthält die Messplattform 13. Das Bildmesssystem 5 enthält das Bilderfassungssystem 11 und den Linienprojektor 12. In 4 ist die Lage der Schienenprofilkonturen in der y-z-Ebene, die Lage der Bilderfassungssysteme 11 und der Linienprojektoren 12 im Raum ersichtlich. In der y-z-Ebene sind die Mess- und Auswerteebenen 10 des Bilderfassungssystems 11 dargestellt. In 5 sind ausgewählte Punkte der Schienenprofilkontur 14, welche sich aus Einzelmesspunkten zusammensetzt, dargestellt. Hierbei handelt es sich um die Koordinaten des Scheitelpunktes SP auf der z-Achse für die rechte und linke Schiene und den Spurweitenmesspunkt SW auf der y-Achse für die linke und rechte Schiene. 6 enthält eine Darstellung der aus zahlreichen Einzelpunkten zusammengesetzten Schienenprofilkontur 14. In 7 ist die vertikale Lageänderung der Koordinaten des Scheitelpunktes SP über der Fahrstrecke in der x-z-Ebene dargestellt. In 8 ist die horizontale Lageänderung der rechten und linken Koordinaten der Spurweitenpunkte SW zueinander und über der Fahrstrecke in der x-y-Ebene dargestellt. 9 zeigt die Lage aufeinanderfolgend gemessener Schienenprofilkonturen 14 in der y-z-Ebene. 10 demonstriert die Ermittlung der Koordinaten eines Scheitelreferenzpunktes SR. Diese beinhaltet als ersten

Schritt die Suche des Spurweitenmesspunktes SW 14 mm unterhalb des Scheitelpunktes SP im Bereich der Fahrkante. Von diesem Punkt aus wird im horizontalen Abstand von 35 mm nach oben gelotet der Scheitelreferenzpunkt SR auf der Kontur ermittelt.

1 absolute ideale Bezugsebene im Raum 2 relative ideale Inertialebene im Raum 3 relative reale Messebene am Schienenprofil im Raum 4 bewegtes Inertialmesssystem 5 bewegtes Bildmesssystem 6 starre Verbindung (von 4 und 5) 7 Messobjekt Schienenprofilkontur 8 reale Profilkontur der Fahrkante der Schiene 9 reale Profilkontur der Lauffläche des Rades 10 Mess- und Auswerteebene 11 Bilderfassungssystem 12 Linienprojektor 13 Messplattform 14 Schienenprofilkontur 15 Veränderung der Berührgeometrie 16 Spurweitenänderung SP Scheitelpunkt SR Scheitelreferenzpunkt SW Spurweitenmesspunkt l links r rechts i Zählvariable [1, 2,..., n] x Raumkoordinate horizontal längs y Raumkoordinate horizontal quer z Raumkoordinate senkrecht, MG gesuchte Messgröße des Verfahrens Mi Messgröße des Inertialsystems MB Messgröße des Bildmesssystems

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Messung von Schienenprofilen und Gleislagestörungen, bei welchem nach dem Bildmesstechnik-Verfahren die Belichtung der Schienenköpfe und, durch die Bewegung des Fahrzeuges auf der Schiene, die videotechnische Abtastung der Schienenprofilkonturen entlang der Messstrecke erfolgt, um die abgetasteten und erfassten Daten der y-z-Ebene mit einer vorgegebenen Charakteristik zu vergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der punktuellen Erfassung dieser Daten in der y-z-Ebene mittels des Bilderfassungssystems (11) synchron für diese Punkte auch die in der x-z- und x-y-Ebene erfolgenden Relativbewegungen des Fahrzeuges mittels eines an sich bekannten Inertialmesssystems (4) mit Messplattform (13) ermittelt und beide Messdaten synchron von zumindest einem Computermesssystem erfasst, ausgewertet und wie die Videobilder abgespeichert werden, wobei zusätzlich während der Fahrt die realen rechten sowie linken Schienenprofilkonturen (14) optisch dargestellt und die tatsächlichen lateralen sowie vertikalen Lageänderungen derselben in der y-z-Ebene und der tatsächliche Schienenabstand, als Spurweite aus den Schienenprofilkonturen (14), online als Messwert errechnet und sofort ausgegeben werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Schienenprofil mehrere Bilderfassungssysteme (11) vorhanden sind, die aus unterschiedlichen Einfallwinkeln den Schienenkopf betrachten.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Profilkontur einen Scheitelreferenzpunkt (SR) auf der Lauffläche im Bereich der Mitte des Schienenkopfes ermittelt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten der unterschiedlichen Messverfahren, Inertialmesssystem (4) und Bildmesssystem (5), synchron durch mehrere synchronisierte Computermesssysteme erfasst werden.
  5. Vorrichtung zur Messung von Schienenprofilen und Gleislagestörungen, aufweisend zumindest zwei fest miteinander verbundene Bildmess- und ein Computermesssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bildmesssysteme (5) und mindestens ein an sich bekanntes Inertialmesssystem (4) auf einer Messplattform (13) starr miteinander verbunden und synchron an einem oder mehreren synchronisierten Computermesssystem (en) angeschlossen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen für die unterschiedlichen Messverfahren, Bildmesssystem (5) und Inertialmesssystem (4), am Wagenkasten angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen für die unterschiedlichen Messverfahren, Bildmesssystem (5) und Inertialmesssystem (4), im Drehgestell angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen für die unterschiedlichen Messverfahren, Bildmesssystem (5) und Inertialmesssystem (4), in einem separaten Messfahrzeug angeordnet sind.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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