Es sind allgemein Einrichtungen/Verfahren zur Messung der Anpreßkraft bzw. Kon- taktkraft mittels eines Kontaktkraft-Meßsensors (Kontaktkraftmessung) und Einrich- tungen/Verfahren zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht/Oberleitung einer Schienenanlage (Kontaktkraftregelung) bekannt. Dabei wird bei der Messung und Regelung der Kontaktkraft nicht auf das Problem eines Ausfalls eines Kontaktkraft-Meßsensors eingegangen, obwohl die Ausfallsicherheit bei der Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer/Oberleitung eine große Rolle spielt, denn ein Ausfall eines Kontaktkraft-Meßsensors hat infolge der aus den Kontaktkraft-Meßsignalen abgeleiteten Kontaktkraft beträchtliche Auswirkun- gen/Rückwirkungen auf die eingestellte Anpreßkraft und auf die Regelung der Kon- taktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht. Ein Ausfall eines Kontaktkraft- Meßsensors kann dazu führen, daß sich die Vorteile der Kontaktkraft-Regelung um- kehren, d. h. eine Kontaktkraft-Regelung bei ausgefallenem Kontaktkraft-Meßsensor führt im Vergleich zum ungeregelten Fall zu einer Verschlechterung des Kontakt- kraftverhaltens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht anzugeben.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs- gemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelost.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorgeschlagene Verfahren zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht insgesamt die Sicherheit und Qualität einer Kontaktkraftmessung und Kontaktkraftregelung beträchtlich erhöht. Es werden die Gegebenheiten der Meßsi- gnalbildung zur Bestimmung eines Maßes für die aktuelle Kontaktkraft ausgenutzt, um derart eine Aussage über die Funktionsweise/Störung eines Kontaktkraft- Meßsensors treffen zu können und es wird quasi ein Beobachter geschaffen, der das Meßsystem auf den Ausfall eines Kontaktkraft-Meßsensors überprüft. Durch die Er- kennung eines Ausfalls eines Kontaktkraft-Meßsensors kann gezielt in die Messung eingegriffen werden, um auf diese Weise negative Rückwirkungen auf die Kontakt- kraftregelung zu vermeiden. Ein Einsatz redundanter Kontaktkraft-Meßsensoren ist vorteilhaft nicht erforderlich. Der notwendige rechentechnische Aufwand ist nicht zu hoch und in einfacher Weise realisierbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn- zeichnet.

Weitere Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht ergeben sich aus der nachstehenden Be- schreibung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die zeitlichen Signalverläufe der beiden Kontaktkraft-Meßsignale sowie des gemittelten Kontaktkraft-Meßsignals für ideale Verhältnisse, Fig. 2 die zeitlichen Signalverläufe der beiden Kontaktkraft-Meßsignale sowie der Kontaktkraft-Meßsignal-Mittelwerte für reale Verhältnisse, Fig. 3 die mittlere quadratische Abweichungen für reale, gemessene Kontakt- kraft-Meßsignale, Fig. 4 eine Gegenüberstellung der mittleren quadratischen Abweichung und der mittleren Betragsabweichung, Fig. 5 den Sachverhalt gemäß. Fig. 4 mit einem ausgefallenen, konstant den Wert 0 liefernden Kontaktkraft-Meßsensor, Fig. 6 den Sachverhalt gemäß Fig. 4 mit einem ausgefallenen, konstant den Maximalwert liefernden Kontaktkraft-Meßsensor, Fig. 7 den Sachverhalt gemäß Fig. 4 mit einem ausgefallenen, konstant ein mit- telwertfreies/-behaftetes weißes Rauschen liefernden Kontaktkraft- Meßsensor.

Es ist allgemein bekannt, die zwischen rechter Seite der Stromabnehmerwippe des Stromabnehmers und Fahrdraht sowie die zwischen linker Seite des Stromabneh- mers und Fahrdraht bewirkten Kontaktkräfte mittels getrennter Kontaktkraft- Meßsensoren zu erfassen. Aufgrund dieser konstruktiven Anordnung der Kontakt- kraft-Meßsensoren an der Stromabnehmerwippe und des Zickzackverlaufs der Oberleitung läßt sich über die Mittelung der Auslenkungen der Schleifleistenfedern ein Maß für die Kontaktkraft angeben. Das Kontaktkraft-Meßsignal y1 des ersten (beispielsweise rechten) Kontaktkraft-Meßsensors beträgt : y1 =Xx1 Das Kontaktkraft-Meßsignal y2 des zweiten (beispielsweise linken) Kontaktkraft- Meßsensors beträgt : y2 =Xx2 Das aus y1, y2 gemittelte Kontaktkraft-Meßsignal ys beträgt dann : ys = (y1 + y2)/2 Die beiden Kontaktkraft-Meßsignale y1, y2, allgemein auch yi (mit i = 1, 2) ergeben sich als additive Überlagerung des stationären Anteils X infolge der Schleifleisten- Vorspannung und der dynamischen Anteile x1, x2 infolge des Leitungszickzacks des Fahrdrahtes.

In den Fig. 1 und Fig. 2 sind die zeitlichen Signalverläufe (t = Zeit) des Kontaktkraft- Meßsignals y1, des Kontaktkraft-Meßsignals y2 sowie des aus y1, y2 gemittelten Kontaktkraft-Meßsignals ys für ideale Verhältnisse-siehe Fig. 1-und für reale Ver- hältnisse-siehe Fig. 2-wiedergegeben. In Fig. 2 sind zusätzlich die Meßsignal- Mittelwerte mean (y1), mean (y2), mean (ys) eingetragen.

Die mittlere quadratische Abweichung des Meßsignals-in Anlehnung an die statisti- sche Kenngröße Varianz-errechnet sich zu : s2ys, k = Ef (ysk-X) 2} mit E {...} = Mittelwert von {...} k z. B. E{...}=1/n #ysi als gleitender Mittelwert über die letzten n-Meßwerte. i=k-n+l k = laufender Index für aktuellen Meßwert zum Zeitpunkt t=k*T, k=1, 2,... mit T = Abtastschrittweite.

Einsetzen des Bildungsgesetzes für ys zum Meßzeitpunkt k liefert : s2ys,k = E{(y1k + y2k)/2 - X)2} = E {(0) 2} s2ys, k = 0 für den Fall, daß die Einzelsignale x1 k, X2k am stationären Anteil X gespie- gelt sind, x1k =-x2k.

Unabhängig davon, ob die Federauslenkung oder ein anderes Signal, beispielsweise durch direkte Kontaktkraftmessung gewonnen, zur Bildung des Kontaktkraft- Meßsignals herangezogen wird, gilt dieser Zusammenhang immer dann, wenn die verwendeten Einzelsignale am stationären Anteil X gespiegelt sind. Unsymmetrien in y1 und y2 infolge von Fehleinstellungen am Meßaufnehmer lassen sich kompensie- ren, indem der die Unsymmetrie verursachende Offset bei der Bildung von ys be- rücksichtigt wird.

In Fig. 3 sind die Gegebenheiten für reale, gemessene Kontaktkraft-Meßsignale wie- dergegeben. Dabei sind die mittleren quadratischen Abweichungen cov (y1), cov (y2) der Einzelsignale und die mittleren quadratischen Abweichung cov (ys) des gemittel- ten Signals dargestellt. Der dynamische Anteil xi ist dabei mit der Varianz 2 gleich- zusetzen. Der Fehler 2 > 0 läßt sich auf nicht erfaßbare konstruktive und daraus resultierende stochastische Störungen zurückführen. Diese lassen sich in der Si- gnalbeschreibung durch einen additiven, stochastischen (zufallsabhängigen) Term ei berücksichtigen : yi = X + xi + e mit i = 1, 2 Bei Ausfall eines Kontaktkraft-Meßsensors ist die Bedingung syS = 0 verletzt-ohne stochastischen Term. Dies gilt sowohl für den Fall, daß der gestörte Kontaktkraft- Meßsensor einen konstanten Wert (Maximalwert oder 0) als auch ein stochastisches Rauschen liefert. Damit kann die mittlere quadratische Abweichung vom stationären Wert als Maß für die Detektion eines Ausfalls eines Kontaktkraft-Meßsensors heran- gezogen werden.

Der gerätetechnische Aufwand zur Detektion des Ausfalls eines Kontaktkraft- Meßsensors kann weiter reduziert werden, indem statt der mittleren quadratischen Abweichung der mittlere Betrag der Abweichung herangezogen wird.

Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn der Mittelwert-stationärer Signalanteil -nicht aus den Kontaktkraft-Meßsignalen selbst gebildet, sondern hierfür die Soll- wertvorgabe des zur Regelung der Kontaktkraft eingesetzten Regelalgorithmus her- angezogen wird. Dieser sorgt per se dafür, daß der stationäre Signalanteil im Mittel mit der Sollwertvorgabe übereinstimmt.

Fig. 4 zeigt in einer Gegenüberstellung die mittlere quadratische Abweichung cov (ys) und die mittlere Betragsabweichung bzw. den mittleren Betrag der Abweichung PT1 () ys-X) 2. 5s), d. h. das mittels PT1-Filter (kp=1, T1=2. 5s) gefilterte Abstandsqua- drat zwischen dem gemittelten Kontaktkraft-Meßsignal ys und dem Reglersollwert X.

In den Fig. 5, 6 und 7 sind verschiedene Störfälle (ein ausgefallener Kontaktkraft- Meßsensor) wiedergegeben. Dabei ist zu erkennen, daß im Störungsfall der Anstieg der mittleren quadratischen Abweichung cov (ys) wie auch die mittlere Betragsab- weichung (mittlerer Betrag der Abweichung) PT1 (lys-Xl2. 5s), d. h. das PT1-gefilterte Abstandsquadrat signifikant verändert gegenüber dem Nominalfall (Index 0) mit der mittleren quadratischen Abweichung cov (ys) o wie auch der mittlere Betragsabwei- chung (mittlerer Betrag der Abweichung) PT1 (lys-Xl2. 5s) o ist.

Fig. 5 und 6 geben den Sachverhalt mit einem ausgefallenem Kontaktkraft- Meßsensor wieder, wobei der ausgefallene Kontaktkraft-Meßsensor gemäß Fig. 5 konstant den Wert 0 liefert und der ausgefallene Kontaktkraft-Meßsensor gemäß Fig.

6 konstant einen Maximalwert liefert. Es ist zu erkennen, daß die sich einstellende Varianz Sy2sS bzw. cov (ys) jeweils deutlich über der zum Vergleich ebenfalls einge- zeichneten"ungestörten"Varianz (Nominal-Fall) sys bzw. cov (ys) o liegt.

Fig. 7 gibt den Sachverhalt mit einem ausgefallenem Sensor wieder, wobei der aus- gefallen Sensor kein konstantes Signal, sondern ein mittelwertfreies/-behaftetes weißes Rauschen liefert. Auch in diesem Fall ist deutlich zu erkennen, daß anhand der gleitenden Varianz des gemittelten Kontaktkraft-Meßsignals eine Aussage über den Ausfall eines Kontaktkraft-Meßsensors möglich ist.

Damit ist es einfach möglich, ein effektives Maß zur Detektion des Ausfalls eines Kontaktkraft-Meßsensors durch die Filterung der mittleren betragsmäßigen Abwei- chung vom Schleifleistensollwert der Kontaktkraft zu generieren.

Die Geschwindigkeit des Zugverbandes macht sich in einer Dehnung oder Stau- chung der Kontaktkraft-Meßsignale bemerkbar und hat keinen negativen Einfluß auf die vorstehend erläuterten Betrachtungen.

Eine Aussage darüber, welcher der beiden Kontaktkraft-Meßsensoren ausgefallen ist, läßt sich in Anlehnung an die statistischen Kenngrößen durch die Auswertung höherer Momente, beispielsweise Schiefe (Maß für Symmetrie), treffen.

Eine weitere Möglichkeit der Detektion eines Ausfalls eines Kontaktkraft-Meßsensors ist die Spektralanalyse der Kontaktkraft-Meßsignale, um anhand der detektierten Oberleitungs-Zickzack-Frequenz die Funktionsweise der Kontaktkraft-Meßsensoren zu überprüfen.