Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren von Schwellen eines Gleises umfassend einen Schwellendetektionssensor, der auf einer Gleisbaumaschine, gegebenenfalls auf einem der Gleisbaumaschine zugeordneten Gleismesswagen, zur Messung und Bestimmung der Position von Schwellen im Gleis angeordnet ist.

Stand der Technik

Derartige Schwellendetektionssensoren dienen insbesondere zur Messung und Bestimmung der Position von metallischen Befestigungsmitteln, welche die Schiene mit einer Schwelle verbinden, womit auch die Position der Schwelle eindeutig ermittelt werden kann.

Stopfmaschinen sind Maschinen die die Gleislage berichtigen. Dazu werden Messsysteme benutzt die die Gleishöhen-Istlage und die Gleisrichtungs-Istlage sowie die Überhöhungs-Istlage des Gleises während der Arbeit messen und mit vorgegebenen Sollwerten vergleichen. Mit Hilfe eines Gleishebe-Richtaggregates wird der Gleisrost solange angehoben und seitlich ausgerichtet bis die Differenz zwischen vorgegebener Solllage und Istlage Null ist und in dieser Lage durch Verdichten des Schotters unter den Schwellen mit Hilfe eines Stopfaggregates fixiert. Das Heben und Richten des Gleisrostes erfolgt dabei über entsprechende hydraulische Hebe- und Richtzylinder mit Proportional- oder Servosteuerung. Die Stopfwerkzeuge derartiger Gleisbaumaschinen müssen exakt im Zwischenfach zwischen den Schwellen tauchen, um Zerstörung und Beschädigung der Schwellen zu verhindern. Der genauen Positionierung der Stopfmaschine mit ihren Werkzeugen ist daher große Beachtung zu schenken. Eine automatische Positionierung und Vorfahrt von Gleisbaumaschinen ist für den Fall möglich, dass die Schwellen sichtbar und nicht durch eine Schotterschicht abgedeckt sind.

Neben Instandhaltungsarbeiten werden Stopfmaschinen auch zum Stopfen von Gleisneulagen, nach Schotterreinigungsarbeiten oder Gleisumbau eingesetzt. Diese Arbeiten sind durch mehrfache Stopfgänge gekennzeichnet.

Charakteristisch für diese Stopfgänge ist, dass das Gleis bis zur Schienenoberkante eingeschottert ist und die Stopfmaschine große Hebungen ausführt. Die Lage der Schwellen ist dem Bediener nur ungefähr während des Hebens durch die sich ausprägenden Schotterunebenheiten ersichtlich.

Problematisch dabei ist, dass der Stopfmaschinist die Maschinenvorfahrt und die Positionierung der Stopfwerkzeuge über dem Zwischenfach nur nach Gefühl und Erfahrung vornehmen kann. Eine automatische Vorfahrt ist dabei praktisch ausgeschlossen. Wenn die Positionierung der Stopfwerkzeuge nicht stimmt, dann wird die Schwelle getroffen und beschädigt. Daneben ist der Nachteil gegeben, dass die Maschinenleistung stark negativ beeinträchtigt wird.

Mit verschiedenen optischen Systemen beispielsweise mit Laserscannern oder Videokameras kann die Lage der Schienen, der Schwellen und der Schienenbefestigungen erkannt werden. Damit gelingt auch eine automatische genaue Positionierung der Stopfwerkzeuge und Vorfahrt der Stopfmaschine. Die bekannten optischen Methoden versagen aber bei bis zur Schienenoberkante eingeschotterten Gleisen.

Problematisch bei bis zur Schienenoberkante eingeschotterten Gleisen ist auch, dass der Maschinist Hindernisse im Zwischenfach wie sie oft in Weichen auftreten wie Weichenantriebe, Weichengestänge und Weichenschlösser nicht erkennt und diese bei einem Tauchvorgang mit den Stopfaggregaten beschädigt. Auch hier bringen optische Messverfahren keine Abhilfe.

Übliche induktive und kapazitive Analog-Sensoren weisen einen

Detektionsabstand von etwa maximal 30mm auf. Zwischen der Oberkante der Schiene und der Höhenlage der zu detektierenden Schienenbefestigungsmittel besteht aber ein wesentlich größerer Abstand, womit derartige Sensoren bislang nicht sinnvoll verwendet werden können. Eine Führung eines beispielsweise induktiven Sensors hat daher die Problematik, dass dieser tief gesetzt und damit durch den Schotter bewegt werden müsste. Außerdem besteht die Schwierigkeit, dass die Befestigungsmittel je nach Art unterschiedliche Höhe aufweisen, was angesichts der geringen Messabstände ebenfalls problematisch ist. In der Praxis gibt es viele verschiedene Schienenbefestigungsmittel. Kennzeichnend für sie ist die Verschraubung und dass die Befestigungsmittel zumindest überwiegend aus Stahl (ferromagnetisch) gefertigt sind. Diese Befestigungsmittel befinden sich in unmittelbarer Nähe der Schiene, weisen geringe ferromagnetische Masse auf und sind teilweise soweit unter der Schienenoberkante, dass sie mit bekannten induktiven oder kapazitiven Sensoren nicht sicher detektiert werden können. Prinzipiell können sie, wenn sie zur Messung hinreichend nahe den Befestigungsmitteln abgesenkt sind, die Befestigungsmittel detektieren. Wenn aber bis zur Schienenoberkante eingeschottert ist, dann sind derartige Lösungen praktisch nicht mehr möglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Detektionsgerät und eine Anordnung zu finden welche(s) die oben erwähnten Nachteile vermeidet und auch bei Volleinschotterung mit einem großen Abstand (oberhalb des Schotters) zu den Schienenbefestigungsmitteln geführt, diese eindeutig detektiert.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Schwellendetektionssensor einen ein Magnetfeld in einem magnetischen Kreis mit wenigstens einem Luftspalt zwischen Schwellendetektionssensor und Gleis erzeugenden Magneten, und einen im magnetischen Kreis angeordneten Hallsensor umfasst, dessen sich in Gleislängsrichtung ändernde Hallspannung zur Bestimmung der Lage Schwellen im Gleis dient. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Über einen Elektromagneten und oder Permanentmagneten wird ein Magnetfeld im magnetischen Kreis erzeugt, das mittels eines mit Strom durchflossenen Hallsensor gemessen wird und dessen Hallspannung sich mit dem Vorhandensein einer Schienenbefestigung durch die Verringerung des magnetischen Widerstandes erhöht und diese Erhöhung zur Bestimmung der Lage der Schienenbefestigungen und damit der Schwellen in Gleislängsrichtung und zur Steuerung der automatischen Vorfahrt einer Gleisbaumaschine genutzt werden. Im Wesentlichen ändern sich der Luftspalt und damit der magnetische Widerstand je nachdem ob eine Schienenbefestigung, bzw. gegebenenfalls auch andere metallische Hindernisse, wie beispielsweise Weichenantriebe, vorhanden sind oder nicht, wie dies insbesondere zwischen zwei Schwellen der Fall ist. Der Verlauf der Hallspannung über der Gleislänge, also der jeweiligen Position des Schwellendetektionssensors im Gleis dient der Bestimmung der Lage der Schienenbefestigung und damit der Schwellen in Gleislängsrichtung.

Der magnetische Kreis schließt sich zwischen zwei Schwellen über die Schiene. Kommt eine Schienenbefestigung in diesen magnetischen Wirkbereich, dann wird der magnetische Widerstand geringer und das Magnetfeld damit größer. Da die Messung der Schienenbefestigung und damit die Veränderung des Magnetfeldes und die Lage der Schwellen einige Schwellen vor der Positionierung der Stopfaggregate erfolgt, kann das Signal vorher ausgewertet und die Mittenposition bestimmt werden.

Für ein magnetisches Feld gilt die vektorielle Lorentzkraft:

F Q - (V X B)

FL ... Lorenzkraft Q ... Ladung v ... Geschwindigkeit der Ladungsträger B ... Magnetfeld

Ein Halleffektsensor der mit einem bekannten Strom I betrieben wird misst die orthogonal zu seiner Fläche auftretende Magnetfeldkomponente B _y . Es entsteht ein elektrisches Feld Ex. Proportional zu diesem kann an den Seitenflächen die Spannung U gemessen werden. Der Schwellendetektionssensor ist auf einem Trägerwagen montiert und wird in gleichbleibender Höhe über der Schiene und den Schienenbefestigungen geführt. Der zurückgelegte Weg und die Hallspannung werden kontinuierlich gemessen. Das Signal wird ausgewertet. Dazu wird ausgehend von der Differenz zwischen Grundpegel und Spitzenwert des Signals fortschreitend ein Grenzwert ermittelt. Der Mittelwert des Signals bei diesem Grenzwert ergibt die mittlere Position der Schienenbefestigung und damit die Lage der Schwellen. Die gemessenen Abstände ai von Schwelle zu Schwelle dienen zur Vorfahrsteuerung und Positionierung der Stopfwerkzeuge.

Vorteilhaft bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung ist die Messung durch eine Schotterschicht hindurch und die damit mögliche genaue Positionierung der Stopfwerkzeuge. Damit kann die Stopfmaschine mit hoher Geschwindigkeit im Automatikvorfahrmodus betrieben werden. Die Anordnung kann auch aus mehreren nebeneinander auf dem Wagen angeordneten Schwellendetektionssensoren Hindernisse aus ferroelektrischem Material beispielsweise Antriebsstangen für Weichen im Zwischenfach detektieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine im teilgeschnittenen Querschnitt schematisch dargestellte Schwelle mit Schiene und W-Befestigung,

Fig. 2 eine im teilgeschnittenen Querschnitt schematisch dargestellte Schwelle mit Schiene und K-Befestigung,

Fig. 3 schematisch den Aufbau des Schwellendetektionssensors mit Magnetfeld, Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Halleffektsensors,

Fig. 5 schematisch den Ablauf einer Messung und das entstehende Spannungssignal am Hallsensor.

Wege zur Ausführung der Erfindung Fig. 1 zeigt eine Schiene 1 im Querschnitt, die mit 1 :40 Neigung auf eine Schwelle 5 aufgeschraubt ist. Die Schwellenschraube 2, die Spannklemme 3, die Winkelführungsplatte 4 und die Zwischenlage 6 sind in Ansicht dargestellt. Die Spannklemme 3, die Schwelle 5 und die Schwellenschraube 2 sind aus Stahl und beeinflussen somit eine Magnetflussänderung, wenn ein Schwellendetektionssensor die Schiene 1 entlang verfahren wird. Damit ihre Lage in Gleislängsrichtung bzw. ihre Längsposition im Gleis eindeutig detektiert werden.

Fig. 2 zeigt eine andere Art der Schienenbefestigung, die so genannte K- Befestigung (Klemmplatten). Auf die Schwelle 5 ist die Schiene 1 mit einer Neigung von 1 :40 angeschraubt. Die Hakenschraube 7 mit Befestigungsmutter, die Klemmplatte 8, die Schwellenschraube 9, die Rippenplatte 10 und die elastische Zwischenlage 6 sind dargestellt. Hakenschraube 7, Rippenplatte 10 und Klemmplatte 8 sind aus Stahl und verringern den magnetischen Widerstand bei einem Überfahren der K-Befestigung mit einem Schwellendetektionssensor.

Fig. 3 zeigt schematisch den Messaufbau eines in Rede stehenden Schwellendetektionssensors 11 der auf einer nicht näher dargestellten Gleisbaumaschine, gegebenenfalls auf einem der Gleisbaumaschine zugeordneten Gleismesswagen, zur Messung und Bestimmung der Position von Schwellen 5, 19 im Gleis angeordnet ist. Der Schwellendetektionssensor 11 umfasst einen, ein Magnetfeld in einem magnetischen Kreis mit wenigstens einem Luftspalt zwischen Schwellendetektionssensor 11 und Gleis erzeugenden, Elektromagneten 12 und einen im magnetischen Kreis angeordneten Hallsensor 13. Der Hallsensor 13 ist dabei in diesem Luftspalt zwischen Schwellendetektionssensor 11 und Gleis angeordnet. Die sich bei einem Verfahren des Schwellendetektionssensors 11 in Gleislängsrichtung A, s, also entlang des Gleises ändernde Hallspannung U dient zur Bestimmung der Lage der Schwellen 5, 19 im Gleis.

Der Schwellendetektionssensor 11 ist mit einem Elektromagneten 12 ausgestattet. Über eine elektrische Spule des Elektromagneten 12 und einen Magnetkern 11 , insbesondere einem Weicheisenkern des Schwellendetektionssensors 11 , wird ein Magnetfeld 14, 15 erzeugt, das in den Schienenkopf eingeleitet wird. Der weicheisenkern des Schwellendetektionssensors 11 ist im wesentliche U-förmig ausgebildet. Der Magnetkern 11 wird in geringem Abstand über dem Schienenkopf in Gleichlängsrichtung geführt oder gleitet mit einem Schenkel des Weicheisenkerns direkt auf dem Schienenkopf. Auch ein Einleiten des Magnetfeldes in den Schienenkopf über ein Laufrad ist möglich. Falls keine Schienenbefestigung vorhanden ist, wird der magnetische Kreis andernendes des Magnetkernl 1 , also über den anderen Schenkel des Weicheisenkerns direkt zum Schienenkopf der Schiene 1 hin geschlossen. Das Ende des anderen Schenkels des Magnetkerns wird in etwa über etwaigen Schienenbefestigungen geführt und trägt im Ausführungsbeispiel an seiner Kontaktfläche zum Luftspalt den Hallsensor 13. Damit ist der Hallsensor 13 im magnetischen Kreis angeordnet.

Im Bereich einer Schwellenbefestigung ändert sich das Magnetfeld durch zusätzliche Kopplung des Magnetfeldes 14 über die Schienenbefestigung, insbesondere die Schwellenschraube 2 bzw. die Hakenschraube 7 zum mit dem Hallsensor 13 ausgestatteten Ende des Magnetkerns hin. Der magnetische Widerstand sinkt, das Magnetfeld erhöht sich und die gemessene Hallspannung U steigt. Der Magnetkern 11 kann aus Gründen besserer Magnetisierbarkeit aus Lamellen, insbesondere aus mehreren Lagen gegenseitig isoliertem Trafoblech, gebildet werden.

Fig. 4 zeigt schematisch den Halleffektsensor 16 der vom Magnetfeld B _y durchflutet wird. Durch den Halleffektsensor fließt ein Strom I, der quer dazu am Halleffektsensor über Kontakte abgreifbar, eine zum Magnetfeld B _y proportionale elektrische Spannung U erzeugt. Für die auftretende Hallspannung gilt:

Wie die Beziehung zeigt ist die entstehende Spannung U dem Strom I, einer materialspezifischen Hallkonstanten RH und dem Magnetfeld BY direkt proportional. Mit steigender Dicke d der Hallschicht nimmt die Spannung U ab. Fig. 5 stellt die Wirkungsweise schematisch dar. Der Schwellendetektionssensor

11 wird in Richtung A längs der Schiene 18 in konstanter Höhe geführt. Die Schiene 18 ist über Befestigungsmittel 17 mit Schwellen 19 im Schwellenabstand ai verbunden. Darüber ist der Verlauf der gemessenen Hallspannung U über der Gleislänge s wiedergegeben. Sind keine Befestigungsmittel 17 vorhanden dann wird ein Spannungspegel 22 gemessen. Im Bereich der metallischen Schienenbefestigungsmittel 17 steigt die Hallspannung U an 21. Die Lage der Befestigungsmittel 17 und mit ihnen die Schwellen 19 können nun bestimmt werden. Aus der Differenz der Spannungsspitzen 21 und dem Grundpegel 22 wird kontinuierlich ein Grenzwert 20 zwischen beiden Werten liegend ermittelt. Der Mittelwert der Schnittpunkte der Spannungsspitze 21 mit diesem Grenzwert 20 ergibt die Position des Befestigungsmittels 17 und damit die Lage der Schwelle