Messvorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Gleisgeometrie Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Erfassen einer

Gleisgeometrie eines Gleises unmittelbar nach einer Bearbeitung des Gleises mittels einer Gleisbaumaschine, wobei die Messvorrichtung

Radachsen zum Befahren des Gleises, Anschlusselemente zur Befestigung an der Gleisbaumaschine und eine Datenschnittstelle zum Datenaustausch mit der Gleisbaumaschine umfasst. Zudem betrifft die Erfindung ein

Verfahren zum Erfassen einer Gleisgeometrie mittels der Messvorrichtung.

Stand der Technik

[02] Bei Gleisbauarbeiten besteht oft die Notwendigkeit einer Abnahmemessung, um den Einhalt von Normen und sonstigen Vorgaben nachzuweisen. Dafür kommen bei kurzen Bauabschnitten oftmals Handmessgeräte zum Einsatz. Bei umfangreichen Bau- bzw. Instandhaltungstätigkeiten erfolgt nach

Beendigung der Arbeiten die Befahrung mittels eines Messfahrzeugs, um die Gleisgeometrie des bearbeiten Gleisabschnitts zu erfassen. Es ist auch bekannt, einen mittels einer Gleisbaumaschine bearbeiteten Gleisabschnitt nach Abschluss der Gleisbauarbeiten ein zweites Mal für eine Nachmessung zu befahren.

[03] Bekannt sind auch Messvorrichtungen, die an einer Gleisbaumaschine

befestigbar sind und eine Nachmessung des Gleises unmittelbar nach einer mit der Gleisbaumaschine durchgeführten Bearbeitung ermöglichen.

Beispielsweise offenbart die EP 0 952 254 A1 eine Gleisstopfmaschine mit einem Anhänger, an dem eine solche Messvorrichtung montiert ist. Diese Messvorrichtung umfasst drei Messwägen. Zwischen den äußeren

Messwägen ist eine Messsehne gespannt, deren Abstand zu

Messeinrichtungen am mittleren Messwagen erfasst wird. Damit lässt sich die Gleisgeometrie mittels Wandersehenen-Messprinzip (Dreipunktmessung) nachmessen. Mit an den Messwägen angebrachten Neigungsmessern (Pendeln) ist zudem eine Gleisüberhöhung messbar.

Zusammenfassung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der

eingangs genannten Art gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Zudem soll ein mittels der Messvorrichtung durchgeführtes Verfahren angegeben werden.

[05] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[06] Dabei umfasst die Messvorrichtung einen Vorrichtungsrahmen, an dem eine Inertialmesseinheit angeordnet ist, wobei eine vordere Radachse und eine hintere Radachse zueinander um eine orthogonal zu den Radachsen verlaufende Drehachse drehbar am Vorrichtungsrahmen gelagert sind. Eine solche kompakte Messvorrichtung ist auf einfache Weise an einer bestehenden Gleisbaumaschine befestigbar, um unmittelbar nach einer Gleisbearbeitung ein effizientes Nachmessen der Lateral-, Longitudinal und Vertikallage des Gleises durchzuführen. Die Notwendigkeit eines Anhängers entfällt. Durch die Drehbarkeit der Radachsen zueinander ist sichergestellt, dass der Vorrichtungsrahmen mit der Interialmesseinheit dem Gleisverlauf exakt folgt.

[07] Dabei ist es günstig, wenn zur Bildung der Drehachse der

Vorrichtungsrahmen über ein Drehgelenkt in einen vorderen Rahmenteil und in einen hinteren Rahmenteil geteilt ist. Eine solche Bauweise ist robust gegenüber Erschütterungen und stellt mit einer spielfreien Ausführung des Drehgelenks eine sehr präzise Nachmessung sicher.

[08] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass die Anschlusselemente ein erstes Watt-Gestänge zur Führung des Vorrichtungsrahmens in lateraler Richtung umfassen. Wenn die Messvorrichtung an einer Gleisbaumaschine befestigt ist, bleibt die Lage der Messvorrichtung gegenüber der Gleisbaumaschine in Längsrichtung konstant und es kann eine einfache Zuordnung der

Messergebnisse in Gleislängsrichtung erfolgen. [09] Dannit die Messvorrichtung als hinterer Messwagen eines

Nivelliermesssystems einer Gleisbaumaschine einsetzbar ist, umfasst die Messvorrichtung vorteilhafterweise für jede Schiene eine Auflagekonsole zur Kopplung mit einem Gestänge einer Nivelliersehne.

[10] Für die Nutzung als hinterer Messwagen eines Richtmesssystems einer Gleisbaumaschine ist es sinnvoll, wenn die Messvorrichtung eine

Sehnenspannvorrichtung zum Einspannen einer Richtsehne umfasst. Die Messvorrichtung erfüllt dabei eine Doppelfunktion. Einerseits wird die

Nachmessung durchgeführt und andererseits dient die Messvorrichtung als Messsystemkomponente zur Steuerung einer Gleisbearbeitung.

[1 1] Dabei ist günstigerweise die Sehnenspannvorrichtung über einen mittig am Vorrichtungsrahmen gelagerten Lenker mit einem zweiten Watt-Gestänge zum Anschluss an die Gleisbaumaschine verbunden. Durch diese

kinematische Ausprägung der Anschlusselemente ist sichergestellt, dass infolge einer asymmetrisch mittels Richtsehne auf die Messvorrichtung ausgeübten Zugkraft kein Drehmoment auf die Messvorrichtung wirkt. Ein solches könnte die Messgenauigkeit beeinträchtigen.

[12] In einer Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine

Positionsbestimmung des Vorrichtungsrahmens gegenüber jeder Schiene mindestens eine berührungslose Lagemesseinrichtung angeordnet ist. Damit ist ein Bezug der mittels Inertialnnesseinheit erfassten Raumkurven zu den Schienenverläufen hergestellt, woraus sich für jede Schiene eine eigene Raumkurve ergibt.

[13] In einer robusten alternativen Ausprägung ist jede Radachse als

Teleskopachse ausgebildet, an der Messräder mit zylindrischen Laufflächen angeordnet sind. Damit ist während eines Messvorgangs die Lage der am Vorrichtungsrahmen befestigten Inertialnnesseinheit gegenüber einer Schiene bestimmt, um den Verlauf dieser Schiene als Raumkurve zu erfassen.

[14] Vorteilhafterweise ist zumindest einer Teleskopachse ein Messsensor zur

Erfassung einer Spurweite zugeordnet. Mit dem erfassten Spurweitenverlauf ist aus der mittels Inertialnnesseinheit erfassten Raumkurve auch der Verlauf der anderen Schiene ableitbar. [15] Zum entgleisungssicheren Befahren von Weichen und Kreuzungen ist es sinnvoll, wenn jedem Messrad ein Führungsschwert zur Führung entlang eines Radlenkers zugeordnet ist. Das jeweilige Führungsschwert zieht das zugeordnete Messrad nach innen, sobald es entlang eines Radlenkers geführt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein Messrad mittels Teleskopachse in eine Schienenlücke gedrückt wird.

[16] Sinnvollerweise ist zumindest ein Messrad als Element einer

Wegmesseinrichtung ausgebildet, um die mit der Inertialmesseinheit erfassten Lageänderungen dem zurückgelegten Weg auf dem Gleis zuzuordnen.

[17] Für eine verschleißarme und genaue Messung ist es von Vorteil, wenn jedes Messrad ein Laufrad und einen Spurkranz umfasst, die zueinander drehbar auf einer Welle gelagert sind. In Kurvenfahrten weisen die Kontaktlinie zwischen Laufrad und Schiene und die Kontaktlinie zwischen Spurkranz und Schiene unterschiedliche Bogenlängen auf. Durch die Teilung des Messrads in Laufrad und Spurkranz kommt es zu keiner Reibung.

[18] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen einer Gleisgeometrie mittels der Messvorrichtung sieht vor, dass unmittelbar nach einem Befahren des Gleises mittels eines Schienenfahrwerks der Gleisstopfmaschine zur

Nachmessung der Gleisgeometrie die Radachsen der Messvorrichtung von oben auf die Schienen gedrückt werden und dass die Lage des

Vorrichtungsrahmens mittels der Inertialmesseinheit erfasst wird. Auf diese Weise wird die Gleisgeometrie nach einer Bearbeitung des Gleises erfasst, wobei das Schienenfahrwerk der Gleisstopfmaschine unmittelbar vor der Messung eine Stabilisierung des Gleises bewirkt.

[19] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in einer

Auswerteeinrichtung aus einer mittels der Inertialmesseinheit erfassten Raumkurve und einer erfassten Spurweite für jede Schiene eine eigene Raumkurve ermittelt.

[20] Bei der Nutzung der Messvorrichtung als Messwagen eines

Richtmesssystems ist es günstig, wenn eine an der Messvorrichtung angeordnete und lateral zwischen zwei Anschlägen geführte

Sehnenspannvorrichtung zu Positionierung gegenüber einer Schiene gegen einen der beiden Anschläge gedrückt wird. Auf diese Weise ist das

Richtmesssystem wahlweise an eine der Schienen des Gleises anlegbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[21] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer

Darstellung:

Fig. 1 Gleisstopfmaschine mit Messvorrichtung nach dem Stand der

Technik

Fig. 2 Messvorrichtung, an einer Gleisstopfmaschine befestigt

Fig. 3 Messvorrichtung in einer Seitenansicht

Fig. 4 Messvorrichtung in einer Draufsicht

Fig. 5 Messvorrichtung mit einer Sehnenspannvorrichtung

Beschreibung der Ausführungsformen

[22] Als Beispiel für eine Gleisbaumaschine 1 ist in den Figuren 1 und 2 eine

Gleisstopfmaschine dargestellt. Diese umfasst einen Maschinenrahmen 2, der mittels Schienenfahrwerke 3 auf schienen 4 eines Gleises 5 verfahrbar ist. Als Arbeitsaggregate sind ein Stopfaggregat 6 und ein Hebe- /Richtaggregat 7 angeordnet. In bekannter Weise umfassen ein

Richtmesssystem und ein Nivelliermesssystem drei Messwägen 8, eine Richtsehen 9 und zwei Nivelliersehnen 10. Unter Verwendung dieser

Messsysteme erfolgt eine Steuerung des Hebe-Richtaggregats 7 beim

Richten und Nivellieren des Gleises 5.

[23] Nach dem Unterstopfen wird die erzielte Gleislage überprüft. Für diese

Nachmessung umfasst die Gleisbaumaschine 1 in Fig. 1 nach dem Stand der Technik einen Anhänger 1 1 mit zwei weiteren Messwägen 8. Dabei ist für eine Dreipunktmessung nach dem Wandersehnen-Messprinzip eine zusätzliche Messsehne 12 gespannt.

[24] Erfindungsgemäß wird die Nachmessung verbessert, wenn anstelle eines mit weiteren Messwägen 8 ausgestatteten Anhängers 1 1 eine Messvorrichtung 13 mit einer Inertialmesseinheit 14 zum Einsatz kommt (Fig. 2). Diese

Messvorrichtung 13 ist mittels mehrerer Anschlusselemente 15 an der Gleisbaumaschine 1 befestigbar und mittels Radachsen 16 am Gleis 5 verfahrbar. Optional dient die Messvorrichtung 13 zusätzlich als Messwagen des Richtmesssystems und des Nivelliermesssystems.

[25] In einer Ausprägung der Erfindung umfasst die Messvorrichtung 13

berührungslose Lagemesseinrichtungen 17 (z.B. Laser-Linienscanner).

Dabei sind auf jede Schiene 4 zwei voneinander beabstandete

Lagemesseinrichtungen 17 gerichtet, um die Lage der Inertialmesseinheit 14 gegenüber den Schienen 4 exakt zu bestimmen. Auf diese Weise sind aus einer mittels Inertialmesseinheit 14 erfassten Raumkurve die Verläufe der beiden Schienen 4 ableitbar.

[26] In den Figuren 3 bis 5 ist eine Ausprägung der Messvorrichtung 13 mit als Teleskopachsen 18, 19 ausgebildeten Radachsen 16 dargestellt. An einer vorderen Teleskopachse 18 und einer hinteren Teleskopachse 19 sind Messräder 20 mit zylindrischen Laufflächen angeordnet. Die Teleskopachsen 18, 19 sind zueinander um eine orthogonal verlaufende Drehachse 21 drehbar gelagert. Dazu ist ein Vorrichtungsrahmen 22 über ein spielfreies Drehgelenk 23 in einen vorderen Rahmenteil 24 und einen hinteren

Rahmenteil 25 unterteilt. Beispielsweise sind im Drehgelenk 23 mehrere gegeneinander gespannte Kegelrollenlager angeordnet.

[27] Am vorderen Rahmenteil 24 ist mittig die Inertialmesseinheit 14 angeordnet.

Diese erfasst somit jede Lageänderung des vorderen Rahmenteils 24, wenn dieser entlang des Gleises 5 bewegt wird. Messresultat ist eine Raumkurve, die exakt dem Verlauf jener Schiene 4 entspricht, gegen die der

Vorrichtungsrahmen 22 mit den Messrädern 20 seitlich angelegt ist.

[28] Als Anschlusselemente 15 sind beispielhaft zwei Anschlusskonsolen 26, vier pneumatische Vertikalzylinder 27 und ein erstes Watt-Gestänge 28 angeordnet. Mittels der Vertikalzylinder 27 ist die Messvorrichtung 13 von einer Transportstellung in einer Arbeitsstellung absenkbar, wobei jedem Vertikalzylinder 27 ein Längenmesssensor zugeordnet sein kann. Damit lässt sich die Lage der Messvorrichtung 13 gegenüber der Gleisbaumaschine 1 bestimmen. Auf diese Weise ist die Messvorrichtung 13 ferngesteuert ein- bzw. ausgleisbar und während eines Messvorgangs mit einem konstanten Druck von oben auf die Schienen 4 drückbar. [29] Dabei ist es günstig, wenn für eine Fixierung in der Transportstellung fernbedienbare Arretierungselemente 29 vorgesehen sind. Das sind beispielsweise Haken, die mittels eigener Antriebe verschwenkbar und an Wellenenden 30 der Teleskopachsen 18, 19 einhakbar sind.

[30] Das erste Watt-Gestänge 28 (Lemniskatenlenker mit einer horizontalen

Bewegungsebene) bewirkt eine laterale Führung der Messvorrichtung 13 gegenüber der Gleisbaumaschine 1. Es umfasst zwei gleich lange

Hebelstangen 31 , die jeweils mit einem Ende an der Gleisbaumaschine 1 bzw. an den Anschlusskonsolen 26 gelenkig befestigbar sind. Die anderen Enden sind über ein Koppelelement 32 miteinander verbunden. Das

Koppelelement 32 ist dabei symmetrisch um eine Führungsdrehachse 33 drehbar in der Mitte der Messvorrichtung 13 gelagert.

[31] Auf diese Weise wird die Führungsdrehachse 33 während einer Kurvenfahrt auf einer Orthogonalen zur Gleisbaumaschinenlängsachse geführt. Somit bleibt die Lage der Messvorrichtung 13 in Längsrichtung gegenüber der Gleisbaumaschine 1 immer unverändert, sodass eine einfache Zuordnung der Nachmessergebnisse in Längsrichtung erfolgen kann.

[32] Jeder Teleskopachse 18, 19 ist ein pneumatischer Horizontalzylinder 34

zugeordnet, um die Messräder 20 bei einem Messvorgang gegen die jeweilige Innenseite der Schienen 4 zu drücken. Mit den pneumatischen Zylindern 34 lässt sich ein gleichmäßiger Anpressdruck realisieren. Zudem können die Messräder 20 vor einem Anheben der Messvorrichtung 13 nach innen gezogen werden. Konkret ist bei jeder Teleskopachse 18, 19 ein Messrad 20 gegenüber dem Vorrichtungsrahmen 22 lateral verschiebbar. Das jeweils nicht verschiebbare Messrad 20 wird mit dem

Vorrichtungsrahmen 22 entlang der zugeordneten Schienen 4 geführt, wobei das jeweilige verschiebbare Messrad 20 eine veränderliche Spurweite des Gleises 5 ausgleicht.

[33] Zur Erfassung der Spurweite ist jeder Teleskopachse 18, 19 ein Messsensor 35 zugeordnet, der laufend die variable Länge der jeweiligen Teleskopachse 18, 19 erfasst. Aus der mit der Inertialmesseinheit 14 erfassten Raumkurve einer Schiene 4 wird über die Spurweite eine Raumkurve der zweiten Schiene 4 ermittelt. Auf diese Weise ist eine exakte Nachmessung beider Schienenstränge ermöglicht.

[34] Jedem Messrad 20 ist ein Führungsschwert 36 zugeordnet, um ein sicheres Durchfahren von Weichen und Kreuzungen sicherzustellen. Das dem jeweiligen Messrad 20 zugeordnete Führungsschwert 36 befindet sich dabei auf der anderen Seite der Messvorrichtung 13 und zieht das Messrad 20 bei einem Kontakt mit einem Radlenker nach innen. Über eine gestrichelt dargestellte Verbindung 37 ist das jeweils verschiebbare Messrad 20 mit dem zugeordnete Führungsschwert 36 gekoppelt, sodass Messrad 20 und Führungsschwert 36 gemeinsam verschiebbar sind.

[35] Zudem ist jedes Messrad 20 geteilt ausgeführt. Dabei sind ein Laufrad 38 und ein Spurkranz 39 getrennt auf einer Welle 40 gelagert. Bei einer

Kurvendurchfahrt können sich das Laufrad 38 und der Spurkranz 39 mit unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten drehen und auf diese Weise unterschiedliche Bogenlängen der Berührungslinien mit der Schiene 4 ausgleichen.

[36] Neben einem Pneumatikanschluss umfasst die Messvorrichtung 13 eine Datenschnittstelle 41 zum Datenaustausch mit der Gleisbaumaschine 1. Beispielsweise wird ein Bussystem der Gleisbaumschiene 1 genutzt, um Messdaten und Steuerungsdaten zu übertragen. Die unveränderliche Längspositionierung der Messvorrichtung 13 gegenüber der

Gleisbaumaschine 1 erleichtert den Datenabgleich mit anderen

Messeinrichtungen der Gleisbaumaschine 1.

[37] Vorzugsweise ist für jede Schiene 4 ein Messrad 20 als Element einer

Wegmesseinrichtung 42 ausgebildet. Damit wird eine verbesserte Zuordnung der Messergebnisse zur Kilometrierung des Gleises 5 erreicht. Die jeweilige Wegmesseinrichtung 42 ist beispielsweise mit einer Drehmomentstütze an einer Außenseite des zugeordneten Messrads 20 angeordnet.

[38] In Fig. 5 ist eine Messvorrichtung 13 als hinterer Messwagen eines

Richtmesssystems und eines Nivelliermesssystems einer Gleisbaumaschine 1 ausgebildet. Dazu umfasst die Messvorrichtung 13 eine

Sehnenspannvorrichtung 43 mit einem Querbalken 44, in dem ein Schlitten 45 geführt ist. Im Schlitten 45 ist ein hinteres Ende einer Richtsehne 9 einspannbar. Bei einer Kurvenfahrt wird der Schlitten 45 mittels eines

Antriebs lateral verschoben, um eine Sehnennachführung zu ermöglichen.

[39] Damit eine außermittige Zugbelastung der Richtsehne 9 kein störendes

Drehmoment auf die Messvorrichtung 13 ausüben kann, ist ein zweites Watt- Gestänge 46 angeordnet, mittels dem ein mittig gelagerter Lenker 47 mit der Gleisbaumaschine 1 koppelbar ist. Die Position des Lenkers 47 bleibt somit während einer Kurvenfahrt immer orthogonal zur Gleismaschinenlängsachse ausgerichtet.

[40] An den Lenker 47 ist über zwei Koppelstangen 48 der Querbalken 44 der Sehnenspannvorrichtung 43 angeschlossen. Auf diese Weise wird das von der außermittigen Richtsehnenspannung verursachte Drehmoment über die Koppelstangen 48, den Lenker 47, das zweite Watt-Gestänge 46 und eine Anschlusskonsole 26 an der Gleisbaumaschine 1 abgestützt. Die dabei an der mittigen Führungsdrehachse 33 auftretende Gegenkraft in Längsrichtung wird über das erste Watt-Gestänge 28 von der Gleisbaumaschine 1 aufgenommen, sodass die Messvorrichtung 13 von der Zugkraft der

Richtsehne 9 völlig unbeeinflusst bleibt.

[41] Um das Richtmesssystem wahlweise auf eine der beiden Schienen 4 des Gleises 5 beziehen zu können, ist der Querbalken 44 lateral zwischen zwei Anschlägen 49, 50 geführt, wobei nur ein Anschlag 49 eine starre

Verbindung mit dem Vorrichtungsrahmen 22 aufweist. In einer ersten

Betriebsstellung drückt ein Aktuator den Querbalken 44 gegen diesen Anschlag 49, wodurch das Richtmesssystem und der Vorrichtungsrahmen 22 an dieselbe Schiene 4 angelegt sind.

[42] Der zweite Anschlag 50 ist mit dem querverschiebbaren Messrad 20 und dem dazugehörenden Führungsschwert 36 gekoppelt. Wenn der Querbalken 44 in einer zweiten Betriebsstellung gegen diesen Anschlag 50 gedrückt ist, dient die andere Schiene 4 als Referenz für das Richtmesssystem. Auf diese Weise ist in einer Kurve immer die innere Schiene als Bezugsbasis für das Richtmesssystem auswählbar.

[43] Zudem sind an dieser Messvorrichtung 13 am Vorrichtungsrahmen 22 zwei Auflagekonsolen 51 angeordnet, um eine Höhenposition der Messvorrichtung 13 über Gestänge auf Nivelliersehnen 10 des Nivelliermesssystems übertragen zu können.

[44] Bei einem optischen Gleismesssystem (z.B. gemäß der österreichischen Patentanmeldung A 325/2016), entfällt die Notwendigkeit einer

Sehnenspannvorrichtung 43. Stattdessen ist an der Messvorrichtung 13 beispielsweise eine Konsole für die Befestigung einer Kamera angeordnet.

[45] In der Messeinrichtung 13 selbst oder in der Gleisstopfmaschine 1 ist eine Auswerteeinrichtung 52 angeordnet, um die Daten der Intertialnnesseinheit 14, der Lagemesseinrichtungen 19 oder der Messsensoren 35 zu Erfassung der Spurweite auszuwerten und eine Raumkurve für jede Schiene 4 zu erstellen.