Verfahren zur Bestimmung der Zugmasse eines Zugverbandes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zugmasse eines Zugverbandes während einer Zugfahrt, wobei die Zugkraft und Beschleunigung oder Verzögerung während Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen der Zugfahrt gemessen werden und unter Zuhilfenahme dieser Messwerte die Zugmasse errechnet wird.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE 101 59 957 A1 bekannt. Die DE 101 59 957 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung spezifischer, physikalischer Parameter eines Zugverbandes als aktuelle Zustandsgrößen während einer laufenden Zugfahrt. Dies erfolgt unter Verzicht auf einen fahrzeugseitigen oder streckenseitigen Einbau zusätzlicher Bauteile oder Komponenten. Ein aktueller Fahrzustand des Zugverbandes wird durch Erfassen einer oder mehrerer physikalischer Zustandsgrößen des Zugverbandes bestimmt und einer der Bewegungsphasen Beschleunigung, Beharrungsfahrt, Auslauf oder Bremsung zugeordnet. Anschließend werden die spezifischen, physikalischen Parameter des Zugverbandes mittels fahrdynamischer Formeln in Abhängigkeit von der so ermittelten aktuellen Bewegungsphase des Zugverbandes als aktuelle Zustandsgröße errechnet. Als physikalische Zustandsgrößen des Zugverbandes werden die am Radumfang übertragene Zugkraft, der zurückgelegte Weg, die Geschwindigkeit und/oder die Zeit bestimmt. Beispielsweise wird nach der DE 101 59 957 A1 vorgeschlagen, in Beschleunigungsphasen eine Massebestimmung des Zugverbandes vorzunehmen, wobei die Massebestimmung nach der DE 101 59 957 A1 die Ermittlung von Luftwiderstand, Hangabtrieb, Rollwiderstand und Kurvenwiderstand erfordert. Beispielsweise wird der Luftwiderstandsbeiwert des Zugverbandes in Auslaufphasen des Zugverbandes ermittelt. Da die Ermittlung der einzelnen Fahrwiderstände teils direkt oder indirekt mit verhältnismäßig großen Fehlern behaftet ist, ist es erforderlich, die Auswertungsergebnisse einer Vielzahl von Messpunkten nach der Methode der gleitenden Mittelwertbildung aufzusummieren.

Das in der DE 101 59 957 A1 beschriebne Verfahren zur Ermittlung von Zugmassen über Zugkraft- und Beschleunigungsmessung kann daher als durchaus aufwendig und ungenau bezeichnet werden.

Obwohl in der DE 101 59 957 A1 ein Verfahren zur Massebestimmung eines Zugverbandes während einer laufenden Zugfahrt beschrieben ist, wird üblicherweise zur Massebestimmung bei gleisgebundenen Zugverbänden, die Stückgut oder Schüttgut transportieren, eine Wägung auf dem Gleis durchgeführt. Insbesondere bei Kohlezügen, wie sie beispielsweise im rheinischen Braunkohlenrevier Anwendung finden, wird die ins Kraftwerk verbrachte Kohlenmenge bzw. Kohlentonnage mittels Gleiswaagen ermittelt. Solche Gleiswaagen erfordern verhältnismäßig hohe Investitionskosten, ganz abgesehen davon, dass die Wägung auf dem Gleis umständlich ist. Zunächst muss die Leermasse des Zuges mittels eines Wägevorgangs erfasst werden, sodann muss der beladene Zug über die Gleiswaage gefahren werden.

Das aus der DE 10159 957 A1 bekannte Verfahren ist u. a. mangels hinreichender Genauigkeit nicht zur Wägung zwecks Transportmassebestimmung geeignet. Das bekannte Verfahren ist in erster Linie zur Erzielung einer energiesparenden Fahrweise des Triebfahrzeuges geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere für die Transportmassebestimmung eines Zugverbandes geeignetes Verfahren bereitzustellen, das hinreichend genau ist und verhältnismäßig einfach während einer Zugfahrt durchführbar ist.

Die Aufgabe wird zunächst gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Zugmasse eines Zugverbandes während einer Zugfahrt, wobei die Zugkraft und Beschleunigung oder Verzögerung während Beschleunigungs- oder Verzögerungsphasen der Zugfahrt gemessen werden und unter Zuhilfenahme dieser Messwerte die Zugmasse errechnet wird, wobei sich das Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Zugkraftmessung in wenigstens zwei verschiedenen Messdurchgängen erfolgt, wobei in einem ersten Messdurchgang eine erste Zugbeschleunigung oder Verzögerung mit einer ersten

Zugkraft oder einer ersten Verzögerungskraft und in einem zweiten Messdurchgang eine zweite Zugbeschleunigung oder Verzögerung mit einer zweiten Zugkraft oder Verzögerungskraft ermittelt werden und wobei der Betrag der ersten Zugkraft oder Verzögerungskraft kleiner als der Betrag der zweiten Zug- oder Verzögerungskraft ist.

Unter Zugverband im Sinne der Erfindung ist nicht notwendigerweise ein gleisgebundener Zugverband zu verstehen, vielmehr können hierunter auch Fahrzeuge jedweder Art fallen, die einen angetriebenen und einen gezogenen Teil umfassen. Gleichwohl ist unter dem Begriff bei der Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele im Folgenden ein gleisgebundener Zugverband bestehend aus einem oder mehreren Lokomotiven bzw. Triebfahrzeugen und einem oder mehreren Waggons zu verstehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in vorteilhafter Art und Weise in zwei verschiedenen Messdurchgängen während der Zugfahrt verschiedene Zugkräfte und Beschleunigungen ermittelt und die Zugmasse aufgrund des bekannten physikalischen Zusammenhangs F= m*a ermittelt. Das Funktionsprinzip ist ähnlich demjenigen einer herkömmlichen Waage (z. B. Federwaage), wobei zur Massenberechnung nicht die Erdbeschleunigung verwendet wird, sondern die Masse verschiedenen Beschleunigungen ausgesetzt wird und die hierzu benötigte Kraft gemessen wird. Das verwendete physikalische Prinzip ist grundsätzlich bekannt.

Erfindungsgemäß werden verschiedene andere Einflussgrößen auf das Messergebnis dadurch eliminiert, dass die Zugmasse verschiedenen Beschleunigungen oder Verzögerungen ausgesetzt wird und zu jeder Beschleunigung oder Verzögerung die beschleunigungs- oder verzögerungsabhängige Zugkraft ermittelt wird.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zugmasse aus der Differenz der ersten Zug- oder Verzögerungskraft und der zweiten Zug- oder Verzögerungskraft bezogen auf die Differenz der ersten und zweiten Beschleunigung oder Verzögerung ermittelt wird.

Auf diese Art und Weise werden die beschleunigungsunabhängigen Zugkräfte, d. h. die Summe aus Fahrwiderstand und Hangabtriebskraft, bei der Berechnung der Zugmasse eliminiert. Hierdurch entfällt die Berechnung der geschwindigkeitsabhängigen Fahrwiderstände, eine Berücksichtigung der Streckenneigung ist nicht erforderlich. Auf diese Art und Weise kann mit verhältnismäßig hoher Genauigkeit die Masse des Zugverbandes ermittelt werden. Bei einer bekannten Leermasse ist so auf einfache Art und Weise die Zuladung des Zugverbandes ermittelbar.

Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass eine Massenberechnung auch mit negativen Beschleunigungswerten möglich ist. Aus Vereinfachungsgründen ist deshalb im Folgenden nur noch von Zugkräften und Beschleunigungen die Rede, hiermit sollen auch Verzögerungskräfte sowie Verzögerungen umfasst sein.

Bei einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei aufeinanderfolgende Messungen der Zugkraft des Zugverbandes während wenigstens zweier aufeinanderfolgender Beschleunigungsvorgänge mit unterschiedlichen Fahrleistungseinstellungen vorgenommen werden.

Die Fahrleistungseinstellungen werden zweckmäßigerweise so gewählt, dass die zweite Zugkraft wenigstens dreimal so groß wie die erste Zugkraft ist.

Die Messung der Zugkraft erfolgt vorzugsweise mittels wenigstens eines zwischen dem Zugfahrzeug und dem gezogenen Wagen vorgesehenen Kupplungsmessglieds.

Hierzu kann beispielsweise die Kuppelstange zwischen dem Triebwagen und den daran angehängten Waggons mit einem Messaufnehmer versehen sein. Als Messaufnehmer kommen beispielsweise Dehnmessstreifen in Betracht, die zu einer Wheatstoneschen Messbrücke miteinander verschaltet sind.

Bei einer Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Messung der ersten Zugkraft und der ersten Beschleunigung mit einer ersten Fahrleistungseinstellung aus dem Stand nach Erreichen einer definierten Anfangsgeschwindigkeit Vi

gestartet wird und über ein erstes definiertes Messinterval durchgeführt wird und dass die Messung der zweiten Zugkraft und der zweiten Beschleunigung mit einer zweiten Fahrleistungseinstellung über ein zweites definiertes Messinterval im Anschluss an das erste Messinterval durchgeführt wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Messung der zweiten Zugkraft und der zweiten Beschleunigung unterhalb einer definierten Maximalgeschwindigkeit V _max , die vorzugsweise < 20 Stundenkilometer beträgt. Die Anfangsgeschwindigkeit \λ beträgt zweckmäßigerweise > 3 Stundenkilometer.

Durch die Durchführung der Messfahrten bei geringer Geschwindigkeit wird der Einfluss des Luftwiderstandes auf die Genauigkeit der Berechnung verhältnismäßig gering.

Die Messung der Zugkraft und der Beschleunigung erfolgt zweckmäßigerweise während einer für diese Zwecke eingeleiteten Messfahrt des Zugverbandes. Die Messung kann beispielsweise auf einem Messstreckenabschnitt definierter Länge mit einer konstanten Steigung durchgeführt werden. Für eine nahezu vollständige Kompensation der Streckensteigung muss für die Zuglänge plus Messstrecke eine konstante Steigung/Gefälle vorliegen.

Die Geschwindigkeit des Zugverbandes kann mittels wenigstens eines auf dem Fahrzeug vorgesehenen Radarmessgeräts bestimmt werden.

Die Festlegung des korrekten Messorts kann anhand an Ortsmarken auf dem Gleis sichergestellt werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Gleisabschnitt mit konstanter Neigung vorgesehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels erläutert.

Das zuvor beschriebene Messverfahren kann beispielsweise zur Wägung von Kohlenzügen verwendet werden. Solche Kohlenzüge als gleisgebundene Transportfahrzeuge umfassen üblicherweise eine oder mehrere Lokomotiven und von der Lokomotive gezogene Waggons mit einem Gewicht von jeweils etwa 130

Tonnen. Das Wägen eines solchen Zugs kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Bei der Verfahrensweise nach Stand der Technik wird der Zug üblicherweise beladen gewogen. Von dem so ermittelten Zuggewicht wird die Leermasse des Zuges subtrahiert.

Eine Wägung kann grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise erfolgen, entweder direkt oder indirekt. Bei der indirekten Messung wird die Masse einer Beschleunigung ausgesetzt und die hierzu benötigte Kraft wird gemessen, und zwar nach der bekannten Gleichung:

F = m*a

wobei m die Masse, F die Kraft und a die Beschleunigung ist. Bei Wägungen mit einer Federwaage wird die Masse der Erdbeschleunigung ausgesetzt. Die Federwaage misst dann die Gewichtskraft, die proportional zur Masse mit der Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s ² ) ist.

Nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, die Masse des Zuges zu messen, in dem dieser beschleunigt und die hierzu notwendige Zugkraft ermittelt wird. Hierzu ist zwischen Lokomotive und Waggons eine Anlage zur Zugkraftmessung installiert. Beispielsweise kann die Kuppelstange durch Lokomotive und Waggons mit einer Messeinrichtung in Form von Dehnmessstreifen bestückt sein, wobei die Dehnmessstreifen in bekannter Art und Weise zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind. über diese Brücke lässt sich ein proportionales Signal abnehmen. Die Geschwindigkeit und damit die Beschleunigung des Zuges werden mit einem Radarmessgerät ermittelt, welches sich auf der Lokomotive befindet. Die genaue Position des Zuges für die Festlegung des korrekten Messorts wird anhand von Ortsmarken im Gleis sichergestellt.

Der Zug wird nun aus dem Stand beschleunigt. Dabei wird eine erste Zugkraft (als Fahrleistungseinstellung) beispielsweise auf 40 kN angestellt. Bei Erreichen von 5 Stundenkilometern werden die mittlere Zugkraft und die mittlere Beschleunigung über einen Messzeitraum von ca. 5 Sekunden ermittelt. Die Mittelwerte für

Zugkraft und Beschleunigung werden gespeichert. Eine zweite Messung wird unmittelbar im Anschluss an die erste Messung durchgeführt, und zwar mit einer voreingestellten Zugkraft (Fahrleistungseinstellung) von 150 kN. Die mittlere Zugkraft und die mittlere Beschleunigung werden wiederum über einen Messzeitraum von etwa 5 Sekunden ermittelt. Die Mittelwerte werden gespeichert.

Die Zugkraft der Lokomotive errechnet sich wie folgt:

F _Lθ k = m ^* a + σ (J ^* α) + m ^* g sinφ + m*g*(ß+ζ ^* v ² /(km/h) ² ) (1 )

Hierbei ist ß = 0,001.

Die Formel beinhaltet die Einflüsse folgender Größen auf die gemessene Kraft

• die Beschleunigung der Masse des Zuges (m*a),

• die Beschleunigung der rotierenden Massen (σ (J ^* α)),

• die Hangabtriebskraft (m*g ^* sinφ),

• den Rollwiderstand (m*g ^* ß), • spezifischer Fahrwiderstand (r _L ) (g^ß+ζV^m/h) ² )

Für einen Kohlezug gilt beispielsweise:

F _Lθ k hat die Einheit kN ß = 10 ^~3 ζ = 0,15 ^* 10- ⁶

Es bezeichnen

F _Lθk - Zugkraft der Lok, gemessen zwischen Lok und Zug, m - Gesamtmasse des Zuges, a - Beschleunigung des Zuges, α - Winkelbeschleunigung der Räder, J - Massenträgheitsmoment rotierender Teile (Räder),

g - Erdbeschleunigung, ß - Faktor Rollwiderstand, v - Geschwindigkeit des Zuges.

Mit dem Radius R _r der Räder kann α durch a ausgedrückt werden

α = a/R _r

und damit wird (1 ) zu

FL _O K = a ^* (m + σ (J/R _r) )) + m g (sinφ + ß + 0,15 ^* 10 ^" V /(km/h) ² ) (2)

Wird nun eine Zugkraftmessung bei niedrigen Geschwindigkeiten zwei Mal durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Beschleunigungen, verursacht durch zwei unterschiedliche Kräfte, gemessen werden, so erhält man zwei Gleichungen der Form (2). Nach Subtraktion ergibt sich

F _L ok, rFLo _k .2 (3)

wobei

m ¹ = m+σ (J/R _r )

ist. Wenn die Geschwindigkeiten hinreichend klein (bis 20 km/h) sind, kann der letzte Term in (3) vernachlässigt werden und man erhält

m = (F _Loki1 -FLoκ,2 )/ (a _r a ₂ ) - ∑ (J/Rr) (4)

Die Größen Fι_ _O k,i _> F _Lθ k,2ι ai und a2 werden gemessen, die Leermasse des Zuges rrii _eer kann aus Messungen auf einer Gleiswaage ermittelt werden und die Massenträgheitsmomente J der Räder können berechnet werden. Damit ergibt sich die Masse der Kohle m _kO hie eines Zuges als

Mkohle = m - mieer-

Idealerweise werden die Messungen auf einer Gleisanlage mit konstanter Steigung über einen Streckenabschnitt durchgeführt, dessen Länge mindestens die Summe aus Zuglänge und Messfahrtstrecke beträgt. Der Messvorgang kann von dem Lokomotivführer manuell eingeleitet werden, die Messung läuft dann automatisiert ab.

Die Messergebnisse können von Zeit zu Zeit durch eine Wägung mittels Gleiswaage kalibriert werden.