Messsystem und Verfahren zur Elastizitätsmessung einer Oberleitung eines Gleises

Technisches Gebiet

[01] Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Elastizitätsmessung einer Oberleitung eines Gleises, mit einem berührungslosen Sensor zur Erfassung der Lage eines Messpunktes der Oberleitung und mit einer Auswerteeinrichtung zur Berechnung der Elastizität. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren und ein Gleisbaufahrzeug.

Stand der Technik

[02] Die Qualität einer Oberleitung eines Gleises ist maßgeblich für eine störungsfreie Stromabnahme eines elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugs. Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten müssen Schwingungen in der Oberleitung vermieden werden. Bei auftretenden Schwingungen kann es zu Kontaktabbrüchen zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht kommen, mit daraus resultierenden Materialbeschädigungen und Verschleißerscheinungen.

[03] Bahnbetreiber wie die Deutsche Bahn fordern deshalb bei Oberleitungen regelmäßige Elastizitätsmessungen. Dabei wird die Elastizität des Fahrdrahtes erfasst, die auch als Nachgiebigkeit des Fahrdrahts bezeichnet wird. Auch die Ungleichförmigkeit der Elastizität über die Längsspannweite zwischen zwei Masten wird ausgewertet, um auf die Güte der Oberleitungsbauart zu schließen.

[04] In der Schrift Puschmann, R. et al.: Fahrdrahtlagemessung mit Ultraschall; Elektrische Bahnen 109, Juli 2011 , Heft 7, S. 323-330, ist ein Verfahren zur Elastizitätsmessung beschrieben. Dabei wird mittels eines Ultraschallsensors die Fahrdrahtlage in zwei Messdurchgängen erfasst. Die erste Messung erfolgt im unbelasteten Zustand. Bei der zweiten Messung wird mittels eines Messstromabnehmers auf den Fahrdraht eine einstellbare Kraft (zum Beispiel 100N) ausgeübt. In einer Auswerteeinrichtung liefern die beiden übereinandergelegten Messungen die Elastizität des Fahrdrahts. Konkret ergibt ein Anhub des Fahrdrahts dividiert durch die Anpresskraft die Elastizität.

Darstellung der Erfindung

[05] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Elastizitätsmessung der Oberleitung mit einem Messdurchgang durchführbar ist. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren und einen erweiterten Aufbau des Messsystems anzugeben.

[06] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 7 und 10. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[07] Dabei ist eine mechanische Anregungseinrichtung angeordnet, mittels derer die Oberleitung durch eine aktive Anregung in Schwingung versetzbar ist, wobei der Sensor zur Erfassung eines Schwingungsverlaufs eingerichtet ist und wobei die Auswerteeinrichtung zur Ableitung mechanischer Eigenschaften der Oberleitung aus dem Schwingungsverlauf eingerichtet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem wird die Oberleitung in eine definierte Schwingung versetzt, wobei die resultierende gedämpfte Schwingung mittels des Sensors erfasst wird. Im Gegensatz zu einer statischen Belastung erfolgt bei der aktiven Anregung ein impulsartiger oder sprunghafter Energieeintrag in die Oberleitung. Die Oberleitung wird gleichsam wie die Saite eines Instruments gezupft oder angeschlagen. Erfasst wird der resultierende zeitliche Schwingungsverlauf.

[08] Aus den Charakteristika der entsprechenden Schwingungskurven (Amplituden, Dämpfungskonstanten, Phasenlage) werden in der Auswerteeinrichtung die mechanischen Eigenschaften wie die Elastizität der Oberleitung abgeleitet. Durch die erfindungsgemäße dynamische Messung können mehrere Parameter des mechanischen Fahrdrahtsystems bestimmt werden. Durch den Vergleich mit Referenzmessergebnissen sind zudem spezifische Schädigungsfälle identifizierbar und daraus gezielte Instandhaltungsmaßnahmen ableitbar. [09] Vorteilhafterweise ist der Sensor ein optischer Sensor, insbesondere ein Laser-Lichtschnitt-Sensor oder ein 3D-Laser-Scanner. Damit sind hohe Messraten erzielbar (einige hundert Messungen pro Sekunde), um den Schwingungsverlauf mit ausreichender Genauigkeit zu erfassten. Insbesondere ist ein 3D-Laser-Scanner zur Erfassung weiterer Gleiskomponenten nutzbar. Beispielsweise ist der Verlauf einer Schienenoberkante erfassbar, um die Fahrdrahtlage in einfacher Weise in Bezug zur Gleislage zu setzen.

[10] Eine Weiterbildung des Systems sieht vor, dass die Anregungseinrichtung eine Basiseinheit und eine Auslöseeinheit umfasst, wobei die Auslöseeinheit gegenüber der Basiseinheit mittels eines Stellantriebs verstellbar ist. Mit dieser Anordnung ist die Anregungseinrichtung zunächst bezüglich der Oberleitung positionierbar. Mittels des Stellantriebs wird die Auslöseeinheit feinjustiert, um bei der anschließenden Aktivierung die gewünschte impulsartige Anregung zu bewirken. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Auslöseeinheit können definierte Anregungsamplituden und/oder definierte Anregungskräfte eingestellt werden.

[11] In einer vorteilhaften Variante umfasst die Auslöseeinheit einen Haken, der mittels eines Auslöseantriebs gegenüber einer Halterung verstellbar ist. Dabei wird der Haken relativ zur Oberleitung bewegt und belastet diese impulsartig.

[12] Eine andere vorteilhafte Ausprägung der Auslöseeinheit umfasst ein Halteelement, das mittels eines Auslöseantriebs gegenüber einer Leitungsaufnahme verstellbar ist. Hierbei wird mittels des Haltelements kurzzeitig die Vorspannung der Oberleitung erhöht. Daraufhin wird das Halteelement schlagartig gelöst und die Oberleitung freigegeben, wodurch eine sprunghafte Anregung der Oberleitung erfolgt. Die Anregungsrichtung kann in jedem Fall vertikal nach Norm oder in eine beliebige andere Richtung erfolgen.

[13] Zur weiteren Verbesserung der Messqualität ist in einem definierten Abstand zum Sensor ein weiterer berührungsloser Sensor zur Erfassung der Schwingung in einem weiteren Messpunkt angeordnet. Damit ist eine erweiterte Messung zur Bestimmung von Phasenverschiebungen und Wellenlaufzeiten durchführbar.

[14] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Elastizitätsmessung einer Oberleitung eines Gleises mittels des Messsystems sieht vor, dass die Oberleitung mittels der mechanischen Anregungseinrichtung in Schwingung versetzt wird, dass der Schwingungsverlauf mittels des Sensors in einem Messpunkt erfasst wird und dass mittels der Auswerteeinrichtung aus dem Schwingungsverlauf zumindest eine mechanische Eigenschaft der Oberleitung abgeleitet wird. Auf diese Weise ist die Erfassung der Elastizität der Oberleitung in einem Messdurchgang durchführbar.

[15] Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mittels des Sensors Schwingungen in einem Messpunkt eines Fahrdrahts und synchron dazu Schwingungen in einem Messpunkt eines Tragseils erfasst werden. Damit werden mehrere Schwingungskurven erfasst, aus deren Charakteristika (Amplituden, Dämpfungskonstanten, Phasenlage) sich weitere mechanische Eigenschaften der Oberleitung ableiten lassen.

[16] Zudem ist es von Vorteil, wenn mittels eines weiteren berührungslosen Sensors Schwingungen in einem in Leitungslängsrichtung distanzierten Messpunkt erfasst werden. Bei dieser erweiterten Messmethode lassen sich aus den relativen Phasenverschiebungen zwischen den Messpunkten auch die Wellenlaufzeiten und andere charakteristische Kenngrößen bestimmen.

[17] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gleisbaufahrzeug mit einem Fahrzeugrahmen, der auf Schienenfahrwerken abgestützt auf einem Gleis verfahrbar ist, wobei das beschriebene Messsystem auf dem Gleisbaufahrzeug angeordnet ist. Dabei sind bereits vorhandene Einrichtungen des Gleisbaufahrzeugs wie zum Beispiel ein 3D-Laser- Scanner als Komponenten des Messsystems nutzbar. Insbesondere kann ein Kran zur Positionierung der Anregungseinrichtung genutzt werden. Dabei ist die Anregungseinrichtung am Kranausleger befestigt und gegenüber der Oberleitung verlagerbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [18] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Gleisbaufahrzeug mit Messsystem in einer Seitenansicht Fig. 2 Fahrdrahtkonstruktion entlang eines Gleises Fig. 3 optischer Sensor und Fahrdraht

Fig. 4 gemessene Schwingungskurve des Fahrdrahts

Fig. 5 Anregungseinrichtung mit Haken

Fig. 6 Anregungseinrichtung mit Halteelement

Beschreibung der Ausführungsformen

[19] Das in Fig. 1 dargestellte Gleisbaufahrzeug 1 umfasst einen Fahrzeugrahmen 2, der auf Schienenfahrwerken 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Das Gleis 4 umfasst eine Oberleitung 5, deren Elastizität mittels eines am Gleisbaufahrzeug 1 angeordneten Messsystems bestimmt wird. Dazu ist an einem Kran 6 eine Anregungseinrichtung 7 angeordnet, mittels derer die Oberleitung 5 in Schwingung versetzbar ist. Am Dach des Gleisbaufahrzeugs 1 ist ein berührungsloser Sensor 8 angeordnet, beispielsweise ein Laser-Lichtschnitt-Sensor. Zudem befindet sich an einer Fahrzeugstirnseite ein weiterer berührungsloser Sensor 8, der als 3D-Laser- Scanner ausgebildet ist. Das Messsystem ist in entsprechender Weise auf einem Gleisbauzug, einer Stopfmaschine, einem Stabilisator, einem Messwagen und dergleichen anordenbar. Alle diese Fahrzeuge und Fahrzeugkombinationen werden mit Bezug auf die vorliegenden Erfindung als Gleisbaufahrzeug 1 bezeichnet. Zudem ist das Messsystem als separates System ausbildbar, das nur temporär auf dem Gleisbaufahrzeug 1 mitgeführt wird.

[20] Beim dargestellten Gleisbaufahrzeug 1 ist am Fahrzeugrahmen 2 eine Hebebühne 9 angeordnet, die für Reparaturen oder Wartungsarbeiten an der Oberleitung 5 einsetzbar ist. Ein Stromabnehmer 10 ist zur Versorgung des Gleisbaufahrzeugs 1 nutzbar. Vorteilhafterweise ist ein mit der Oberleitung 5 in Kontakt kommendes Element der Anregungseinrichtung 7 isoliert ausgebildet, sodass auch eine Anregung der eingeschalteten Oberleitung 5 möglich ist. Der Stromabnehmer 10 ist zudem als Messstromabnehmer einsetzbar.

[21] Neben der Anregungseinrichtung 7 und den Sensoren 8 umfasst das Messsystem eine Auswerteeinrichtung 11 , der die Messergebnisse der Sensoren 8 zugeführt sind. In der Auswerteeinrichtung 11 ist ein Prozessor angeordnet, der eine erfasste Schwingungskurve 12 auswertet. Dabei werden mittels geeigneter Algorithmen aus Charakteristika der Schwingungskurve 12 mechanische Eigenschaften der Oberleitung 5 abgeleitet. Die entsprechende Programmierung obliegt dem Fachmann.

[22] In Fig. 2 sind mehrere Messpunkte 13 in einem Oberleitungsabschnitt eingezeichnet. Die dargestellte Konstruktion umfasst Masten 14 mit Auslegern 15, an welchen ein Tragseil 16 und ein Fahrdraht 17 befestigt sind. Zudem ist der gespannte Fahrdraht 17 über Hänger 18 mit dem Tragseil 16 verbunden. Es sind auch andere Konstruktionen bekannt, die ebenfalls erfindungsgemäß in Schwingung versetzbar sind.

[23] Vorzugsweise erfolgt die mechanische Anregung der Oberleitung 5 annähernd in der Mitte zwischen zwei Masten 14. An dieser Stelle sind auch bevorzugte Messpunkte 13 am Fahrdraht 17 und am Tragseil 16 vorgesehen. Demensprechend sind während eines Messvorgangs die Anregungseinrichtung 7 und zumindest ein Sensor 8 in diesem Bereich positioniert.

[24] Weitere Messungen werden in mehreren in Leitungslängsrichtung 19 distanzieren Messpunkte 13 durchgeführt, um Wellenlaufzeiten zu bestimmen. Dazu ist beispielsweise der an der Stirnseite eines längeren Gleisbauzugs angeordnete 3D-Laser-Scanner nutzbar. Dabei erfolgen die Messungen in allen Messpunkten 13 synchron, um in den erfassten Schwingungskurven Phasenverschiebungen auswerten zu können.

[25] In Fig. 3 sind der als Laser-Lichtschnitt-Sensor ausgebildete Sensor 8 und der Fahrdraht 17 mit dem erfassten Messpunkt 13 dargestellt. Dabei wird die Lage des Messpunktes 13 in einem definierten Koordinatensystem XYZ mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung erfasst. Insbesondere erfolgen zumindest hundert Messungen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 0,1 mm. Die Z-Achse des Koordinatensystems ist in Leitungslängsrichtung 19 ausgerichtet. Die X-Achse weist in Querrichtung und die Y-Achse ist in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet.

[26] Die Anregung der Oberleitung 5 kann normgerecht in Y-Richtung oder in eine beliebige andere Richtung erfolgen. Die resultierende gedämpfte Schwingung wird in X-Richtung und Y-Richtung im Messpunkt 13 erfasst. Unter Berücksichtigung eines Montagewinkels des Sensors 8 relativ zur Y- Richtung sind die gemessenen Schwingungen auch relativ zur Erdbeschleunigung erfassbar.

[27] Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Schwingungskurve 12, die an einem Messpunkt 13 in eine Richtung y über der Zeit t erfasst wurde. Abhängig von der Anzahl der gewählten Messpunkte 13 und der Anregungsrichtung ergeben sich eine Vielzahl solcher Schwingungskurven 12, die in weiterer Folge mittels der Auswerteeinrichtung 11 gemeinsam ausgewertet werden. Die Amplituden und Phasenlagen der einzelnen Schwingungszyklen sind direkt erfassbar. Aus den abnehmenden Amplituden ist eine Dämpfungskonstante ableitbar.

[28] Durch Vergleich mehrerer synchronisierter Schwingungskurven 12 sind relative Phasenverschiebungen erfassbar. Daraus ergeben sich Wellenlaufzeiten und andere charakteristische Kenngrößen, aus welchen die mechanischen Eigenschaften der Oberleitung hervorgehen. Durch eine Messung an mehreren Messpunkten 13 in Leitungslängsrichtung 19 ist zudem eine Ungleichförmigkeit der Elastizität erfassbar. Daraus lässt sich auf einfache Weise auf die Güte der Oberleitungsbauart schließen.

[29] Eine erste beispielhafte Ausprägung der Anregungseinrichtung 7 ist in Fig. 5 dargestellt. An einem Kranausleger 20 befindet sich eine schwenkbare Basiseinheit 21. Über einen Stellantrieb 22 ist eine Auslöseeinheit 23 gegenüber der Basiseinheit 21 verstellbar. Die Auslöseeinheit 23 umfasst einen Haken 24, der mittels eines Auslöseantriebs 25 gegenüber einer Halterung 26 verstellbar ist.

[30] Zur Vorbereitung eines Messdurchgangs wird die Auslöseeinheit 23 mittels des Kranauslegers 20 positioniert. Die Feinjustierung der Position des Hakens 24 über dem Fahrdraht 17 erfolgt mittels des Stellantriebs 22. Bei Betätigung des Auslöseantriebs 25 streicht der Haken über den Fahrdraht 17 und bewirkt einen impulsartigen Energieeintrag. Durch diese aktive Anregung wird die Oberleitung 5 in Schwingung versetzt.

[31] Vorteilhafterweise ist auch der Sensor 8 auf der Basiseinheit 21 angeordnet. Auf diese Weise besteht immer ein eindeutiger räumlicher Bezug zwischen der Anregungsstelle und den Messpunkten 13 am Fahrdraht 17 und am darüber befindlichen Tragseil 16.

[32] Fig. 6 zeigt eine alternative Ausprägung der Anregungseinrichtung 7. Hier umfasst die Auslöseeinheit 23 ein Haltelement 27, das mittels eines Auslöseantriebs 25 gegenüber einer Leitungsaufnahme 28 verstellbar ist. Vor der Aktivierung wird die Auslöseeinheit 23 mittels des Krans 6 in der Weise positioniert, dass der Fahrdraht 17 bei gelöstem Haltelement 27 in der Leitungsaufnahme 28 aufgenommen wird.

[33] Anschließend wird das Haltelement 27 mittels des Auslöseantriebs 25 nach unten geschwenkt und arretiert. Als Auslöseantrieb 25 kommt beispielsweise ein elektrisch betriebener Rotationsantrieb zum Einsatz. Durch Betätigung des Stellantriebs 22 wird die Auslöseeinheit 23 nach unten bewegt, wodurch das Halteelement 27 den Fahrdraht um einen definierten Stellweg nach unten zieht. Dabei kann über den Stellantrieb 22 (z.B. ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder mit Wegsensor) auch eine definierte Kraft ausgeübt werden. Zur sprunghaften Anregung der Oberleitung 5 wird die Arretierung des Halteelements 27 über den Auslöseantrieb 25 gelöst. Dabei gibt das Halteelement 27 den Fahrdraht 17 schlagartig frei, wodurch die Oberleitung 5 in Schwingung versetzt wird.

[34] Die Erfindung umfasst auch weitere Anregungseinrichtung 11 , die geeignet sind, die Oberleitung 5 durch eine impulsartige oder sprunghafte Anregung in Schwingung zu versetzten. Beispielsweise kann mittels eines Schlagelements ein Anschlägen des Fahrdrahts 17 erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass das Schlagelement eine flächige Kontaktzone aufweist, um eine Beschädigung des Fahrdrahts auszuschließen.