Solche Vorrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus DE 33 09 908 Al (Dl) und US 5,743,495 (D2).

In Dl wird eine Messvorrichtung vorgestellt, die aus etwa 20 Messstellen pro Schiene besteht. Jede Messstelle wird durch eine an der Schiene-in der Regel seitlich am Steg-ange- brachte DMS-Messbrücke erzeugt. Die assoziierte Elektronik ermittelt für jedes Rad Mittelwert der Radlast und die von allfälligen Flachstelleen herrührenden Spi-zenwerte. Ebenso werden Relativwerte von Spitzenlast zu Lastmittelwert berech- net. Mit der vorgestellten Vorrichtung können auch die stati- schen Lasten ermittelt werden.

Durch D2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Vibrations-, Bewegungs-oder Beschleunigungssensoren an den Schienen deren Horizontal-und/oder Vertikalversetzung ode--Beschleunigung aufnehmen. Damit sollen Flachstelleen an den Rädern und sogar -zufålligerweise in der Messstrecke oder nahebei sich ereig- nende-Schienenbrüche festgestellt werden.

Das Anbringen von DMS gemass D1 an Eisenba-nschienen kann- wenn zuverlassige Messstelien erzielt werde-. sollen-nur so erfolgen, dass entweder die ganze, alle Messstellen enthal- tende Länge der Eisenbahnschiene, oder mehrere kurze, nur die einzelnen Messstellen enthaltende Schienenstücke aus dem Schienenstrang herausgetrennt werden ; anschliessend werden d-e DMS aufgeklebt und die herausgetrennte-. Schienen wieder eingeschweisst. Eine in-s'-tu-Montage von CMS ergibt, falls die Sensoren direkt auf die Stege geklebt werden sollen, keine Sensoren der fur Bahnsicherheitsanlagen erforderliche Zuverlässigkeit.

Die von Flachstellen an den Eisenbahnrädern bewirkten Kraftstosse auf die Schienen sind-im Gegensatz zu den unge- störten Radlasten-stark ceschwindigkeitsarhängig. Die in D1 beschriebenen Kriterien undKraftquoti-Kraftdifferenzen enten mussten, was dort nicht offenbart-st, die Fahrge-

schwindigkeit in die Auswertung einbeziehen, Ohne solchen Einbezug können die ermittelten Werte keine eindeutige Aussa- ge über den Zustand der Räder machen.

Während aus D2 detailliert bekannt ist, wie Schienenbrüche in der Messstrecke oder wenig davon entfernt festgestellt werden überdieFeststellungvonFlachstelleenankönnen,wird Eisenbahnrädern verhältnismassig wenig bekannt. Ausser dem Vorschlag, die gemessenen Vibrationen einer Frequenzanalyse zuzuführen, ist der technische Mitteilungsgehalt bescheiden.

Ferner erfährt man nichts über die Befestigung der verwende- ten Sensoren an den Schienen.

Die Ueberprüfung des Zustandes von Rader bzw. Radreifen von Eisenbahnfahrzeugen hat erhöhte Aktualität erlangt aufgrund von Unfällen, bei denen Brüche von Radreifen mindestens als Ursache in Frage kommen. Abgenützte Rader und Radreifen, insbesondere solche mit örtlichen Flachstelleen, stellen einerseits ein Unfallrisiko dar, anderseits führen sie zu Schäden an den Schienen und drittens, besonders hinsichtlich der Erhöhungen der Zugsdichte und der hohen angestrebten Zugsgeschwindigkeiten, sind sie störende Lärmquellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Schäden an Rädern bzw. Radreifen von Eisenbahnfahrzeugen zuverlässig festzustellen, die Art des Schadens mit grosser Sicherheit zu ermitteln, die allfalligen Schäden der betreffenden Achse und der Zugsnummer zuzuordnen und gegebenenfalls einen geeigneten Alarm auszulösen. Fernerhin ist es die Aufgabe der Erfindung diese Vorrichtung kostengünstig herzustellen und mit einem vertretbaren Aufwand in den Unterbau zu integrieren, vornehm- lich ohne Eingriffe in die Schienen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kenn- zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ninsichtlich der Hauptmerkmale, in den weiteren Patentansprüchen hinsichtlich vorteilhafterAusbildungen.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung ranger erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 den Signalverlauf eines Kraftsensors beim Ueberfahren durch ein Rad, Fig. 3 die Signalverläufe mehrerer Kraftsensoren, Fig. 4 den Summensignalverlauf beim Ueberfahren durch ein Rad mit einer Flachstelle, Fig. 5 den schematischen Schnitt durch ein erstes Ausfüh- rungsbeispiel eines Kraftsensors, Fig. 6 den schematischen Schnitt durch ein zweites Ausfüh- rungsbeispiel eines Kraftsensors, Fig. 7 den schematischen Schnitt durch eine mehrere Ausfüh- rungsbeispiele erfassende Lösung für einen Kraftsen- sor.

Fig. 1 zeigt in schematischer Art ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemassen Vorrichtung. Eine Eisenbahnschiene 1 liegt auf von Schwellen 2 getragenen Schienenunterlagsplatten 3.

Eine Anzahl von Schienenunterlagsplatten 3-in Fig. 1 sind es deren viere-enthält integriert eeignete Kraftsensoren 4, die in Fig. 5 bis 7 näher dargestellt und beschrieben sind. Den Kraftsensoren 4 nachgeschaltet sind Vorverstärker 5, die dem verwendeten Kraftsensor entsprechend als Ladungs- verstärker oder Impedanzwandler ausgelegt sein können.

Die einzelnen Vorverstärker 5 sind mit einem Signalanalysator 6 verbunden, und dieser mit einem Rechner 7 und einer Bahn- leitstelle 8. Der Rechner 7 kann selbstverständlich den Signalanalysator 6 mitenthalten, jedoch auch als selbstandige Einheit ausgeführt sein.

Ohne zunachst auf Aufbau und Art des Kraftsensors 4 einzuge- hen, werden in Fig. 2,3 die au-retenden Kraftsignale dargestellt.

Fig. 2 zeigt den dem am Kraftsensor 4 auftretenden Kraftver- lauf entsprechenden Verlauf s (t) des elektrischen Signals, wenn ein Rad von einer ersten Schwelle 2 zur zweiten rollt,

die für dieses Beispiel mit einem Kraftsensor 4 versehen ist.

Im Zeitpunkt t = 0 verlässt das Rad die erste Schwelle 2, an der zweiten beginnt ein linearer Kraftanstieg, der bis zum Maximum von s = so verläuft, wo das Rad auf der zweiten Schwelle 2 angekommen ist. Auf diesem Wert so verharrt das Signal s(t), während der Zeit <BR> <BR> #bs<BR> #tB= Vz vz wo Ab5 = Breite der Schwelle v, Zugsgeschwindigkeit bis das Rad die zweite Schwelle 2 verlasst, worauf ein dem Anstieg entsprechender linearer Abfall sich anschliesst. Die Zeit vom Ende des Signalanstieges bis zum Ende von dessen Abfall ist hier mit At, bezeichnet, wobei <BR> <BR> vz<BR> vu wo ds = Abstand der gleichen Kanten zweier Schwellen.

Die Signalverläufe in Fig. 2 und Fig. 3 sind idealisiert ; das betrachtete Rad weist auch keine Unregelmässigkeiten auf.

Fig. 3a ist die Darstellung der Signalverläufe von beispiels- weise vier aufeinander folgende Sensoren 4. Wird hier jedes Signal einzeln betrachtet und in Beziehung gesetzt zu jenem des unmittelbar benachbarten Kraftsensors :, so lässt sich aus #ts die Zugsgeschwindigkeit ermitteln : Ab, At, Nimmt man jedoch die Signale aller hier beispielsweise vier Kraftsensoren 4 zu einem Summensignal S(o)= Sj/1=1 zusammen, so ergibt sich der in Fig. 3b gezeigte Verlauf : Nach dem ersten Anstieg bleib. das Signal im wesentlichen konstant, bis das Rad die letzte Schwelle 2 mit Kraftsensor 4 verlässt, worauf der gezeigte Signal-Abfall erfolgt.

Sind die Kraftsensoren entweder nicht völlig gleich einge- stellt oder ist das elektrische Signal nicht eine lineare Funktion der auf den Kraftsensor wirkenden Last, so erscheint

anstelle eines konstanten ein durch die Schwellen struktu- riertes welliges Signal.

In Fig. 4 ist das Summensignal dargestellt, wie es beispiels- weise auftreten kann, wenn ein Rad eine Flachstelle aufweist.

Zuerst wird die Schiene 1-und damit auch ein Kraftsensor 4 -entlastet ; darauf folgt ein harter und in der Analyse hochfrequenter Schlag. Das in der Zeit spätere analoge Signal stammt von einem weiteren Kraftsensor 4.

Die vorzusehende Anzahl n Kraftsensoren 4 ist bestimmt durch den Schwellenabstand Abs und den grösstmöglichen Raddurchmes- ser DR der erfasst werden soll, so dass <BR> <BR> #.DR<BR> n>.<BR> <P>Abs Die Signalformen, die bei einem bestimmten Schadenbild auf- treten, sind typisch für die Art des Schadens, ferner ge- schwindigkeitsabhängig und letztlich spezifisch für die Art des eingesetzten Kraftsensors 4.

Fährt nun ein Eisenbahnfahrzeug oder ein Zug über die erfin- dungsgemässe Vorrichtung, so wird aus dem zeitlichen Abstand der Signalanstiege die Zugsgeschwindigkeit vz ermittelt ; diese wird nun als Normierungsfaktor für die Signalhöhen verwendet, da die dynamischen Lasten, die auf die Kraftsen- sore 4 wirken, im wesentlichen geschwindickeitsproportional sind.

Im Rechner 7 sind verschiedene, den einzelnen Schadenbildern entsprechende Signalformen gespeichert. Im Signalanalysator 6 werden die-bereits durch den Rechner 7 geschwindigkeitsnor- mierten-Grundsignale vom Gesamtsigr. al subtrahiert. Grund- signal bedeutet also das durch die Ueberfahrt eines schaden- losen Rades erzeugte Summensignal sot,-. Nun werden ebenfalls im Signalanalvsator 6 die verbleibenden, ebenfalls geschwin- digkeitsnormierten Signale mit den gespeicherten verglichen.

Die Resultate des Vergleiches werden an die Bahnleitstelle 8 ubermittelt, uber elektrische Kabel, Lichtleiter oder draht- los. Je nach der Art des Schadenbild tri-ft nun die Bahn- leitstelle entweder Reparaturentscheide oder es wird-in gravierenden Fållen-direkt und ohne menschliches Zutun ein

Alarm ausgelöst, der zum Anhalten des Zuges führt ; tuber Streckensignale oder direkte Uebermittlung in die Lokomotive.

Fig. 5 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Kraftsensoren in beispielsweiser, jedoch nicht beschränkender Bauart.

Fig. 5 ist der Querschnitt durch einen Schienenfuss 11 und ein erstes Ausführungsbeispiel des Kraftsensors 4. Dieser ist ausgeführt als Schienenunterlagsplatte und ührt die gesamte Radlast an die Schwelle 2 a b. Aufgebaut is der Kraftsensor 4 gemäss Fig. 5 aus einer oberen und einer unteren Elastomer- schicht 12, einer unteren und einer oberen Isolationsschicht 13, einer unteren und einer oberen Elektrode 14 und der piezoelektrischen Schicht 15. Die beiden Elektroden 14 sind mit Leitern 16 verbunden, die zum hier nicht dargestellten Vorverstärker 5 fuhren. Als piezoelektrische Schichten 15 kommen z. B. Polyvinyfluorid-Materialien in Frage, die wegen ihrer elastischen Eigenschaften und der kleinen Dielektrizi- tätskonstanten besonders geeignet sind. Nicht dargestellt sind die äusseren Abschlüsse des Kraftsensors gegen Witte- rungs-und Umwelteinflüsse.

Der hier dargestellte und beschriebene Kraftsensor ersetzt vollstandig die heute verbreitet üblichen Schienenunterlags- platten aus Kunststoff. In diesem Sinne ist Fig. 5 als sche- matische Darstellung gedacht, da weitere Details, wie Schie- nenbefestigung und Mittel zur Einstellung der Spur Spur be- kannt weggelassen sind, die auch beim den Ersatz der Schie- nenunterlagsplatten 3 durch den Kraftsensor 4 gemäss Fig. 5 keine Aenderung erfahren mussen.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit piezoelek- trischen Wandlern. Hier ist eine Vielzahl von beispielsweise keramischen piezoelektrischen Wandlern 17 in eine Elastomer- patte 18 eingesetz, die wiederum in Funktnseinheit Schie- nenunterlagsplatten 3 ist. Die einzelnen Wandler 17 sind beispielsweise in Serie geschaltet. Das entsprechende Gesamt- signal wird mit den Leitern 16 abgegriffen. Der die Wandler 1-umgebende Elastomer wirkt teilweise als Kraftbypass oder elastischeUntersetzung.

Das Ausführungsbeispiel gemass Fig. 7 steht für mehrere erfindungsgemäss mögliche Wandler : In die Schienenunterlags- platten 3 eingebettet ist ein schematischer Wandler 19 darge- stellt, welcher Kraft oder Weg in ein elektrisch eindeutig abhängiges Signal wandelt. Dies kann ein bekannter und geeig- net geformter metallischer Körper mit einer DMS-Brücke sein, ebenso ist ein Schwingsaitenwandler, ein kapazitiver Wandler oder ein verformbarer Lichtleiter sein ; alles ohne beschrän- kenden Charakter. Wesentlich ist für alle in Fig. 5 bis 7 beschriebenen Wandler, dass sie-wie in Fig. 5-die ganze Radlast zu tragen vermögen, oder dass der den Hauptteil der Schienenunterlagsplatten 3 bildende Elastomer als Kraftbypass wirken kann und den-grösseren-Teil der Radlast direkt auf die Schwelle 2 überträgt.

Als elektrische Verbindungen sind überall die zwei Leiter 16 mit schematischer Bedeutung eingetragen. Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung entweder Koaxialleiter oder auch mehrdrähtige Verbindungen einzusetzen.

Lösungsbeiträge wie Achszählung, Zuordnung von Schadensbil- dern zu bestimmten Achsen, Zeit-und Geschwindigkeitsproto- kolle und weitere bahndienstliche Informationen sind entweder an sich bekannt oder können leicht durch die Programmierung des Rechners 7 erhältlich gemacht werden.

Erfindungswesentlich ist der Einbau der Kraftsensoren 4 oder Wandler 19 in die Schienenunterlagsplatte 3 und die Verwen- dung von im wesentlichen kommerzell erhältlichen elektroni- schen Geräten oder Baugruppen, was brides sowohl den Bau und auch den Unterhalt der erfinduncsgemässen Vorrichtung wirt- schaftlich attraktiv macht, als auch hohe Zuverlässigkeit ermöglicht.

Der Einbau der Kraftsensoren 4 in elastische Schienenunter- lagsplat en 3 hat neben den bere ts-eschriebenen Vorteilen noch den nicht unerheblichen, dass seiche Schienenunterlags- platten 3 als mechanische Tiefcassfilter wirken mit einem Eckwert von einigen hundert Hz. Damit werden ur. erwünschte Signale und Signalanteile schon : urci : den mechanischen Teil der Vorrichtung eliminiert.

Selbstverständlich können individuelle Schwellen 2-beson- ders in Tunnels-auch als durchgehende Betonplatten ausge- führt sein ; die Schienenunterlagsplatten 3 liegen dann zwi- schen Schienenfuss 11 und der genannten Betonplatte. Wenn also hier von Schwellen 2 gesprochen wird, sind solche durch- gehenden Betonplatten immer mitgedacht.