DE Patent 10155143 - Eddy current or magnetic braking for rail vehicle, uses detector and monitoring program sensing air gap between brake and track to detect unexpected dropping of brake onto track

Claims

Claims of

DE 10155143 (A1)

1. Schienenbremse für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abstandssensor (11, 11', 12) zur Messung des Abstandes (h) zwischen der Schienenbremse (1) und der Schiene (1') vorgesehen ist.

2. Magnetbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenbremse eine Magnetschienenbremse oder eine Wirbelstrombremse ist, mit mehreren in Fahrtrichtung hintereinander in einem Abstand (h) von der Schiene (1) angeordneten Polspulen (2-7).

3. Magnetbremse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetbremse (2-7; 9, 10) bei einer Bremsbetätigung in einer abgesenkten, schienennahen Position ist und bei unbetätigter Bremse in einer angehobenen Position, wobei der Abstand (h) zwischen der Magnetbremse (2-7; 9, 10) und der Schiene (1') zumindest in einer der Positionen messbar ist.

4. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (11, 11', 12) an den Bremsmagneten (1) angeordnet ist, zur Messung des Abstandes (h) zwischen dem Bremsmagneten (2-7) und der Schiene (1').

5. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer in Fahrtrichtung gesehen ersten Polspule (2) und einer in Fahrtrichtung gesehen letzten Polspule (7) jeweils ein Endstück (9, 10) angeordnet ist.

6. Magnetbremse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke das Querprofil der Bremsmagnete (2-7) im wesentlichen überdecken.

7. Magnetbremse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der beiden Endstücke (9, 10) je ein Abstandssensor (11, 12) angeordnet ist.

8. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandssensoren (11, 11', 12) in die zugeordneten Endstücke (9, 9', 10, 10') integriert sind.

9. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polspulen (2-7) an einem Längsträger (8, 8') zwischen zwei in Fahrtrichtung aufeinanderfolgenden Rädern eines Drehgestells angeordnet sind, wobei sich der Längsträger an Achslagern des Drehgestells abstützt.

10. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (9, 9', 10, 10') an dem Längsträger (8, 8') befestigt sind.

11. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (9, 9', 10, 10') an den Längsträger (8, 8') angeschraubt sind.

12. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (11, 11', 12) an eine Diagnoseeinrichtung angeschlossen ist, welche bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes (h) ein Warnsignal erzeugt.

13. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der ein vorgegebener Mindestabstand (h) und/oder ein gemessener Abstand gespeichert ist und ein Vergleicher, welcher den aktuell gemessenen Abstand mit dem gespeicherten Abstand vergleicht.

14. Magnetbremse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrtrichtung hintereinander mindestens zwei Abstandssensoren (11, 12) angeordnet sind, wobei die von den beiden Abstandssensoren (11, 12) gemessenen Abstände (h) miteinander verglichen sind, zur Überwachung einer ggf. vorhandenen Schrägstellung der in Fahrtrichtung aufeinanderfolgenden Bremsmagneten (2-7).

15. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (11, 11', 12) über einen Datenbus mit der Zugdiagnoseeinrichtung verbunden ist.

16. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (11, 11', 12) ein induktiv arbeitender Sensor ist.

17. Magnetbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandssensor (11, 11', 12) ein Wirbelstromsensor ist.

18. Magnetbremse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (11, 12) sich selbst überwacht (Eigendiagnose).

19. Magnetbremse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (11, 12) nach einem Sensorprinzip mit unmittelbarem digitalem Ausgang arbeitet.

Description

Description of

DE 10155143 (A1)

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetbremse für Schienenfahrzeuge gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Moderne Schienenfahrzeuge sind üblicherweise zusätzlich zu einer pneumatischen Bremsanlage mit einer "magnetischen Schienenbremse", d. h. mit einer "Magnetschienenbremse" oder einer "Wirbelstrombremse" ausgestattet, wie sie beispielsweise aus "Bremsen für Schienenfahrzeuge, Handbuch, Bremstechnische Begriffe und Werte, Knorr-Bremse AG, München, 1990" bekannt sind.

Eine Schienenbremse ist eine zusätzliche Bremseinrichtung, die nicht die Haftung zwischen Rad und Schiene in Anspruch nimmt und deshalb grössere Verzögerungen gegenüber einer nur auf die Räder wirkenden Bremse ermöglicht. Bei Vollbahnen ist eine "Hochaufhängung" üblich, so dass selbst bei tiefstem Pufferstand der Abstand von der Schienenoberfläche einen vorgegebenen Mindestwert hat.

Die Magnetschienenbremsen werden durch Speicherfedern in dieser Höhe gehalten und bei einer Bremsbetätigung durch Druckluft abgesenkt. Bei Triebfahrzeugen kann auch eine Kombination von Hoch- und Tiefaufhängung vorgesehen sein. Die Magnete sind hier an Druckzylindern oder Luftbälgen aufgehängt, die mittels Druckluft in die Hochlage gegen einen drehgestellfesten Zentrieranschlag gedrückt werden. Bei einer Bremsbetätigung erfolgt eine Entlüftung der Druckzylinder bzw. Luftbälge, wobei die Magnete in Bereitschaftsstellung abgesenkt werden. Bei Nahverkehrsfahrzeugen, wie z. B. Strassenbahnen, sind die Magnetschienenbremsen in "Tiefaufhängung" lediglich an Federn befestigt. In der Bremsstellung reibt die Magnetschienenbremse unmittelbar auf der Schiene.

Mittels einer sog. linearen Wirbelstrombremse wird ebenfalls, unabhängig vom Haftwert Rad/Schiene, eine Bremskraft erzeugt. Eine lineare Wirbelstrombremse besteht aus einem Eisenjoch und mehreren in Fahrtrichtung hintereinander in einem Abstand von der Schienenoberseite angeordneten Polkernen. Elektrische Magnetspulen erregen die Polkerne so, dass "alternierend", d. h. abwechselnd hintereinander liegende magnetische Nord- und Südpole entstehen. Bei eingeschalteter Wirbelstrombremse werden bei einer Relativbewegung der Wirbelstrombremse gegenüber der Schiene aufgrund der zeitlichen Änderungen des magnetischen Flusses Wirbelströme in der Fahrschiene induziert. Die Wirbelströme erzeugen ein sekundäres Magnetfeld, das dem Magnetfeld der Wirbelstrombremse entgegengerichtet ist. Hieraus ergibt sich eine der Fahrtrichtung entgegengesetzt wirkende horizontale Bremskraft. Eine Wirbelstrombremse ist somit unabhängig vom Haftwert zwischen Rad und Schiene und bremst praktisch verschleissfrei.

Eine z. B. aus dem Hochgeschwindigkeitszug ICE 3 bekannte lineare Wirbelstrombremse ist zwischen den beiden Radsätzen eines Drehgestells eingebaut, die zwei Stellungen einnehmen kann, nämlich eine "angehobene Deaktivierungsstellung" und eine "Bremsstellung", in der die Bremsmagneten abgesenkt, d. h. nahe an die Schiene herangeführt sind. In Bremsstellung ist zwischen der Bremse und der Schienenoberseite ein Luftspalt vorhanden, der eine vorgegebene Grösse haben soll, um

- eine optimale Bremskraft zu erreichen und

- eine Schienenberührung, um somit einen Polschuhverschleiss zu vermeiden.

Die Anzugskräfte werden an den Achslagern abgestützt.

Bei einem Bauteilversagen, z. B. infolge eines Zusammenstosses mit einem in dem Gleis liegenden Gegenstand oder durch einen Montagefehler oder durch einen Ermüdungsbruch o. ä., besteht die Gefahr, dass die Bremsmagnete unsachgemäss auf der Schiene schleifen, was insbesondere bei einem Befahren von Weichen zum Entgleisen des Zuges führen kann.

Eine derartige Gefahrensituation kann mit heutigen Bremssystemen weder während der Fahrt noch bei einer Bremsprobe erkannt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetbremse zu schaffen, die eine erhöhte Betriebssicherheit aufweist, insbesondere den oben genannten Anforderungen gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einer Diagnose- bzw. Überwachungseinrichtung zur Überwachung des Abstandes zwischen der Magnetbremse und der Fahrschiene. Konkret ist ein bzw. sind mehrere Abstandssensoren (Luftspaltsensoren) vorgesehen, der bzw. die den Abstand zwischen der Magnetbremse und der Schienenoberseite messen.

Vorzugsweise ist die "Abstandssensorik" ein Bestandteil des Zug-Diagnosesystems. Somit können während der Fahrt gefährliche Fahrzustände durch auf den Schienen schleifende Bauteile erkannt und an den Triebfahrzeugführer gemeldet werden. Dieser muss dann Abhilfemassnahmen einleiten, d. h. den Zug anhalten und die Schienenbremsen in dem jeweiligen Wagen überprüfen, ggf. ausschalten und pneumatisch anheben. Die "Luftspaltsensoren" informieren also über gefährliche Fahrsituationen. Ferner geben sie wichtige Hinweise für die Instandhaltung und Wartung der Schienenbremse. Ein zu geringer Luftspalt kann ein Anzeichen für eine Beschädigung der Bremsmagnetaufhängung sein.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sensorik den Luftspalt automatisch überwacht. Beispielsweise kann automatisch vor Fahrtbeginn im Stillstand eine Bremsprobe durchgeführt werden und ein ggf. vorhandener unzulässiger Abstandswert an eine Diagnoseeinrichtung gemeldet werden.

Bei einer Wirbelstrombremse beträgt der Abstand zwischen den Bremsmagneten und der Eisenbahnschiene üblicherweise zwischen 6 mm und 9 mm. Ein zu grosser Luftspalt führt zu einer unzulässig kleinen Bremskraft. Ein zu kleiner Luftspalt hingegen bewirkt einen unzulässigen Verschleiss an den Polflächen der Bremse und kann darüberhinaus zu signaltechnischen Störungen führen.

Heutzutage kann der Luftspalt zwischen dem Bremsmagneten und der Schienenoberseite nur im Rahmen von Instandhaltungsmassnahmen in Betriebswerken kontrolliert und eingestellt werden. Die Kontrolle erfolgt heutzutage üblicherweise alle drei bis zehn Tage. Die Kontrolle bzw. Einstellung erfolgt manuell mit Prüflehren bzw. Einstellehren.

Gemäss der Erfindung ist nun eine umfassende "Wirbelstrombremsendiagnoseeinrichtung" vorgesehen, bestehend aus einer Sensorik und einer Elektronik zur Auswertung bzw. Weiterverarbeitung der Sensorsignale. Durch die automatische Luftspaltkontrolle werden Betriebs- bzw. Werkstattkosten deutlich gesenkt und die Betriebssicherheit der Züge erhöht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Abstand mittels induktiver Sensoren oder Wirbelstromsensoren gemessen, welche einen anormalen Zustand einer Schienenberührung durch Bremsmagnete während der Fahrt erkennen.

Mit einer derartigen Sensorik ist auch eine Überwachung der Bremsstellung möglich, d. h. ob der Bremsmagnet die "abgesenkte" Bremsstellung wirklich erreicht hat. Auf den bei herkömmlichen Bremssystemen hierfür vorgesehenen "Pufferschalter" kann daher verzichtet werden.

Im Rahmen einer Bremsprobe sind eine Luftspaltmessung und eine Kontrolle eines eventuell nachgestellten Luftspaltes möglich. Nur im Fehlerfall erfolgt eine Weitermeldung ggf. mit einer Handlungsanweisung (Nachstellung des Luftspaltes) an das Werkstattpersonal.

Die "Überwachungseinrichtung" gemäss der Erfindung kann auch bei Magnetschienenbremsen eingesetzt werden. Dies gilt allgemein und ist besonders bei Strassenbahnen und automatisch fahrenden Fahrzeugen sinnvoll.

Zusammenfassend werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erreicht:

- Sofortige Diagnose einer Schienenberührung durch Bauteil- oder Funktionsversagen mit Handlungsanweisung an den Triebfahrzeugführer;

- Speicherung der Luftspaltwerte in einem Historienspeicher des Diagnoserechners und Überwachung der aktuellen Luftspaltwerte. Dadurch lassen sich auch "schleichende" Bauteilschäden erkennen;

- Verringerung der Entgleisungsgefahr, da ein Schaden sofort erkannt und geeignete Abhilfemassnahmen eingeleitet werden können;

- Überwachung der korrekten Bremsstellung im Drehgestell, insbesondere Erkennen einer Schrägstellung der Bremsmagneten, z. B. bei Vereisung der Bremsmechanik;

- Integration der Abstandssensorik in ein Fahrzeugdiagnosesystem;

- Automatische Luftspaltmessung im Rahmen einer Bremsprobe. Derzeit erfolgt alle drei bis zehn Tage eine manuelle Luftspaltkontrolle im Betriebswerk. Durch die automatische Luftspaltmessung ergibt sich somit eine erhebliche Zeit- und Arbeitsersparnis. Ferner wird die Gefahr einer Beschädigung der Polspulenisolierung durch unsachgemässen bzw. häufigen Einsatz von Prüflehren vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2 eine schematische Darstellung der Sensoranordnung in Front- bzw. Seitenansicht;

Fig. 3-5 eine Seitenansicht, Draufsicht bzw. Frontansicht einer Wirbelstrombremsenanordnung mit integrierter Abstandssensorik.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung die Wirbelstrombremse eines Schienenfahrzeuges. Die Wirbelstrombremse weist einen "Schienenbremsmagnet" 1 auf. Der Schienenbremsmagnet 1 befindet sich in der hier gezeigten "abgesenkten" Bremsstellung in einem Abstand h von der Oberseite einer Schiene 1'.

Der Schienenbremsmagnet 1 weist mehrere im Abstand h von der Schienenoberseite in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Polspulen 2-7 auf. Die Polspulen 2-7 sind an einem "Integralträger" bzw. Längsträger befestigt, der ein Magnetjoch 8 bildet. Vorderhalb der in Fahrtrichtung gesehen ersten Polspule 2 und hinterhalb der in Fahrtrichtung gesehen letzten Polspule 7 ist jeweils ein Endstück 9, 10 vorgesehen. Die beiden Endstücke 9, 10 "überdecken" jeweils die Querschnitte der Polspulen 2-7. Sie stellen somit einen gewissen Schutz die Polspulen vor auf der Schiene liegenden Gegenständen, Ästen etc. dar.

In die beiden Endstücke 9, 10 ist jeweils ein Abstandssensor 11 bzw. 12 integriert. Mit den Abstandssensoren 11, 12 kann der zwischen der Oberseite der Schiene 1' und dem zugeordneten Endstück 9, 10 vorhandene Luftspalt gemessen werden.

Durch Vergleich der beiden "Luftspaltweiten" kann eine ggf. vorhandene Schrägstellung des Schienenbremsmagneten 1 erkannt werden. Insbesondere kann ein zu geringer Luftspalt bzw. ein Schleifen des Schienenbremsmagneten 1 auf der Schiene 1' erkannt werden. Die Abstandssensoren 11, 12 sind über elektrische Leitungen 13 bzw. 14 an ein elektronisches Zugdiagnosesystem (nicht dargestellt) angeschlossen, das die Sensorsignale auswertet und ggf. ein Warnsignal erzeugt.

Fig. 3 zeigt eine detailiertere Darstellung des Schienenbremsmagnetes 1 in Seitenansicht. An den beiden Enden des Magnetjochs bzw. Integralträgers 8 sind jeweils ein Tragarm 15 bzw. 16 vorgesehen. Die Tragarme 15, 16 stützen sich jeweils an einem zugeordneten vorderen bzw. hinteren Achslager eines Drehgestells (nicht dargestellt) ab. Mittels zweier Luftbälge 17 bzw. 18 kann der an den Achslagern (nicht dargestellt) "aufgehängte" Integralträger 8 zusammen mit den an dessen Unterseite angeordneten Polspulen 2-7 in die hier dargestellte Bremsstellung abgesenkt werden, in der die Polspulen 2-7 einen vorgegebenen Abstand h von der Oberseite der Schiene 1' haben.

Vor der vorderen Polspule 2 und hinter der hinteren Polspule 7 sind die beiden Endstücke 9, 10 angeordnet, die hier an die Unterseite des Integralträgers 8 angeschraubt sind. Die zugeordneten Abstandssensoren 11, 12 sind in die beiden Endstücke 9, 10 integriert.

Durch den "Einbau" der Sensorik in einen "unteren Raum" der Endstücke 9, 10 ist sie vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen gut geschützt. Da es sich bei den Endstücken um separate, an den Integralträger angeschraubte Teile handelt, können diese mit relativ geringem Aufwand an die Grösse der für die Abstandsmessung erforderlichen Sensoren 11, 12 angepasst werden.

Die Sensorik muss in einem Bereich mit starken Magnetfeldern zuverlässig arbeiten. Durch den Einbau der Sensoren 11, 12 in die Endstücke sind sie hinreichend vor Störmagnetfeldern geschützt. Die Sensorik arbeitet somit zuverlässig, d. h. sie liefert ein vom Magnetfeld und der Fahrgeschwindigkeit unabhängiges Wegsignal und zwar auch dann, wenn die "Schienenbremse" und die Schiene nicht magnetisiert sind, teilmagnetisiert oder magnetisch gesättigt sind.

In Fig. 3 ist ferner der bei herkömmlichen Wirbelstrombremsen vorhandene sog. "Pufferschalter" 19 dargestellt, welcher ein "digitales Signal" liefert. Im Unterschied zu den Abstandssensoren gemäss der Erfindung zeigt der Puffersensor 19 lediglich an, ob die Bremse die Hochlage verlassen hat oder zu ihr zurückkehrt, nicht aber den Abstand der Bremse von der Schiene. Der Pufferschalter 19 ist bei einer Bremsanlage gemäss der Erfindung eigentlich nicht mehr erforderlich, da die Bremsstellung (abgesenkt oder angehoben) ebenfalls mittels der Abstandssensoren 11, 12 detektiert werden kann.

Ferner ist zur Aufnahme der bei einer Bremsbetätigung entstehenden horizontalen Bremskräfte eine sog. Bremskraftstütze 20 vorgesehen.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den "Schienenbremsmagnet" der Fig. 1. Die gesamte Anordnung ist im wesentlichen symmetrisch aufgebaut, d. h. auf der "linken" und "rechten" Seite eines Drehgestells ist jeweils eine eigene "Polspulenreihe" vorgesehen. In der hier dargestellten Draufsicht sind die in Fig. 3 gezeigten Polspulen 2-7 durch die Integralträger 8, 8' verdeckt. Die Integralträger 8, 8' sind über Querträger bzw. Spurhalter 21, 21' miteinander verbunden. Ferner ist ein den beiden Luftbälgen 17, 18 zugeordnetes Luftbalgpaar 17', 18' vorgesehen. Dementsprechend sind den beiden Endstücken 9, 10 zugeordnete Endstücke 9', 10' vorgesehen. Die gesamte Anordnung ist über die Tragarme 15, 16 bzw. 15', 16' "höhenverstellbar" mit zugeordneten Achslagern des Drehgestells (nicht dargestellt) verbunden, wobei die Aufnahme der in Schienenlängsrichtung wirkenden Bremskräfte durch die beiden Bremskraftstützen 20, 20' erfolgt.

Fig. 5 zeigt eine Frontansicht der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtung. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass die beiden Endstücke 9, 9' hinsichtlich Höhe und Breite so dimensioniert sind, dass sie das Querprofil der hier nicht erkennbaren Polspulen überdecken. Ferner sind die in die Endstücke 9, 9' integrierten Abstandssensoren 11, 11' dargestellt.

Die Endstücke sind beidseitig an den Integralträger 8 angeschraubt und können somit einfach nachgerüstet werden. Die Sensorik liegt geschützt vor Umweltbelastungen und Steinschlag eingebettet in den Endstücken. Die Auswerteelektronik und Eigendiagnose ist Bestandteil des Sensors und/oder eines im Fahrzeug vorgesehenen Diagnoserechners. Eine Weiterleitung der Sensor- bzw. Diagnosedaten erfolgt an den Triebfahrzeugführer. Die Luftspaltmessung ist "funktioneller" Bestandteil einer Bremsprobe. Die Sensoren sind über einen Datenbus mit dem Diagnoserechner verbunden und werden von der Fahrzeugbatterie bzw. dem Diagnoserechner mit Strom versorgt.