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1. WO2020108873 - MESSANORDNUNG ZUM ÜBERWACHEN EINER GLEISSTRECKE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibu ng

Messanordnung zum Überwachen einer Gleisstrecke

Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Überwachen einer

Gleisstrecke mit auf Schwellen befestigten Schienen, wobei ein

Lichtwellenleiter mit einer Messeinrichtung verbunden ist, um eine auf eine Schiene wirkende Belastung zu detektieren. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Messanordnung.

Stand der Technik

[02] Auf Gleisstrecken kommen verschiedene Messsysteme zum Einsatz, um die Bahn Infrastruktur, den Eisenbahnverkehr und sonstige Aktivitäten am Gleis zu überwachen. In entsprechenden Messanordnungen gewinnen Lichtwellenleiter zunehmend an Bedeutung. Diese werden einerseits zur Signalübertragung genutzt und andererseits als Elemente eines Sensors.

[03] Beispielsweise kennt man aus WO 2016/027072 A1 ein Messsystem und ein entsprechendes Messverfahren mit einem neben einem Gleis verlegten Lichtwellenleiter. An den Lichtwellenleiter ist eine Messeinrichtung

angeschlossen, mittels derer eine sogenannte verteilte akustische Erfassung (Distributed Acoustic Sensing, DAS) erfolgt. Dabei wird zumindest eine Faser des Lichtwellenleiters genutzt, um Reflexionen von Laserimpulsen zu detektieren. Die erfassten Lichtsignale erlauben Rückschlüsse auf

Erschütterungen entlang der Gleisstrecke. Konkret werden damit die Räder von Zügen überwacht, um frühzeitig Beschädigungen zu erkennen. Die Lösung zielt darauf ab, einen bereits für andere Zwecke verlegten

Lichtwellenleiter als Sensorelement zu nutzen.

[04] WO 2015/110361 A2 offenbart eine Messeinrichtung mit einer faseroptischen Sensoreinheit zum Messen einer mechanischen Größe, die auf eine Schiene wirkt. Dabei ist die faseroptische Sensoreinheit schräg an einem Schienensteg angeordnet und wird mit Primärlicht zur Erzeugung eines Signallichts in Reflexion oder Transmission bestrahlt. Das Signallicht wird ausgewertet, um auf Belastungsänderungen in der Schiene zu schließen.

Zusammenfassung der Erfindung

[05] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfache Herstellung und Instandhaltung sowie genaue Messergebnisse mit hoher Replizierbarkeit erzielbar sind. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Messanordnung anzugeben.

[06] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der

Ansprüche Ί und 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[07] Dabei ist vorgesehen, dass der Lichtwellenleiter lösbar in wenigstens einer Schienenbefestigung eingeklemmt ist. Auf diese Weise wirkt eine

Beanspruchung, die von der Schiene über die Schienenbefestigung auf die Schwelle übertragen wird, direkt auf den Lichtwellenleiter. Auch Vibrationen von Quellen in der Gleisumgebung wirken über die Schwelle und die

Schienenbefestigung auf den Lichtwellenleiter und können somit detektiert werden. Die sich ergebenden geringfügigen Verformungen des

Lichtwellenleiters sind mit bekannten Methoden auswertbar. Dabei sendet die mit dem Lichtwellenleiter verbundene Messeinrichtung Lichtsignale in den Lichtwellenleiter, wobei Reflexionen dieser Lichtsignale mit den Verformungen des Lichtwellenleiters korrelieren. Auch die genaue Ortung einer Verformung ist damit möglich. Somit werden Vibrationen oder Radlasten unmittelbar detektiert, weil der Lichtwellenleiter im Kraftpfad zwischen Schiene und Schwelle angeordnet ist. Durch den Einbau des Lichtwellenleiters in ein lastabtragendes Bauteil der Schienenbefestigung wird bei der Detektion ein großer Signalabstand (Messsignal zu Rauschen) zwischen einem belasteten und einem unbelasteten Zustand erzeugt. Dadurch unterliegt die

erfindungsgemäße Nutzung des Lichtwellenleiters als Detektorelement deutlich weniger Störeinflüssen als bekannte Lösungen. Zudem ermöglicht die Messanordnung eine Zustandsanalyse der Schienenbefestigung unter Last.

[08] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung ist der Lichtwellenleiter zumindest an zwei aufeinanderfolgenden Schwellen in den

Schienenbefestigungen derselben Schiene eingeklemmt. Günstigerweise verläuft der Lichtwellenleiter über einen weiten Bereich der zu überwachenden Gleisstrecke und ist dabei in allen Schienenbefestigungen derselben Schiene eingeklemmt. Der Lichtwellenleiter dient auf diese Weise als Sensorelement mit einer Längsausdehnung über eine Vielzahl von Schwellen hinweg. Im Gegensatz zu einem neben dem Gleis in einem Kabeltrog geführten

Lichtwellenleiter wird der erfindungsgemäß angeordnete Lichtwellenleiter in diskreten Abschnitten (jeweilige Kontaktstelle mit einer Schwelle) angeregt. Dadurch ist jeder Schwelle ein eigener virtueller Sensor zuordenbar. Mit einer örtlichen Zuordnung der Messergebnisse wird jede einzelne Schwelle überwacht. Beispielsweise sind Hohllagen oder lose werdende

Befestigungsmittel sofort erkennbar. Auch Achszähler sind auf diese Weise realisierbar, wobei eine Interoperabilität mit bestehenden Systemen gegeben ist. Zudem ist das Kalibrieren der Messanordnung durch die diskrete

Anregung des Lichtwellenleiters einfacher als bei bekannten Systemen.

[09] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass der Lichtwellenleiter zwischen zwei Klemmstellen eine Schlaufe für einen Längsausgleich aufweist. Damit können bei Bedarf Änderungen an der Messanordnung vorgenommen werden.

Zudem besteht die Möglichkeit, den Lichtwellenleiter an einer Baustelle aus den Klemmstellen zu lösen und neben dem Gleis abzulegen. Zum Beispiel wird der Lichtwellenleiter vor einem Verschweißen der Schiene unter Nutzung des Längsausgleichs in einem ausreichenden Abstand zur Schweißstelle abgelegt.

[10] Im montierten Zustand der Messanordnung ist es von Vorteil, wenn der

Lichtwellenleiter zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schwellen mittels eines Befestigungsmittels lösbar an der Schiene befestigt ist. Beispielsweise verhindert eine auf den Schienenfuß geklippte Klammer, dass der

Lichtwellenleiter zwischen den Schwellen durchhängt. Insbesondere für die problemlose Durchführung von Instandhaltungsvorgängen wie

Schienenschleifen, Gleisstopfen oder Gleisstabilisieren ist diese zusätzliche Schutzmaßnahme sinnvoll.

[11] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Messanordnung sieht vor, dass die wenigstens eine Schienenbefestigung eine Zwischenlage als Unterlage für den Schienenfuß umfasst und dass der eingeklemmte Lichtwellenleiter an der Zwischenlage anliegt. Vertikale Belastungen auf die Schiene werden dabei unmittelbar auf den Lichtwellenleiter übertragen. Zudem ist bei dieser Anordnung der Lichtwellenleiter durch die Schiene von äußeren Einflüssen geschützt.

[12] In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine

Schienenbefestigung eine Spannklemme umfasst und dass der eingeklemmte Lichtwellenleiter an der Spannklemme anliegt. Insbesondere

Vibrationsbelastungen der Schiene werden über die elastischen

Spannklemmen abgeleitet. Durch den anliegenden Lichtwellenleiter sind solche Belastungen besonders gut detektierbar. Von Vorteil ist hier auch die einfache Möglichkeit, die Klemmung des Lichtwellenleiters durch ein

Entspannen der Spannklemme zu lösen.

[13] Eine weitere vorteilhafte Variante ermöglicht eine sehr genaue Erfassung von horizontalen Querbelastungen. Dabei umfasst die wenigstens eine

Schienenbefestigung eine seitliche Führung zur seitlichen Abstützung des Schienenfußes, wobei der eingeklemmte Lichtwellenleiter an der seitlichen Führung anliegt.

[14] In einer günstigen Ausgestaltung dieser Variante ist die seitliche Führung eine Winkelführungsplatte. Bei einer entsprechenden Schienenbefestigung ist an jeder Seite des Schienenfußes eine Winkelführungsplatte angeordnet, um die seitliche Position der Schiene zu fixieren. Die jeweilige Winkelführungsplatte dient dabei in der Regel auch als Auflage für eine Spannklemme.

[15] Alternativ dazu kann die wenigstens eine Schienenbefestigung eine

Rippenplatte umfassen, wobei parallel zur Schiene verlaufende Rippen als seitliche Führungen angeordnet sind. Eine solche Rippenplatte kommt gewöhnlich in Verbindung mit einer Holzschwelle zum Einsatz, um auch eine vorgegebene Neigung der Schiene zur Gleismitte hin sicherzustellen. Hier dienen zumeist Verschraubungen als Befestigungselemente.

[16] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer der beschriebenen Messanordnungen sieht vor, dass bei einem Gleisneubau oder Gleisumbau

mittels einer Gleisbaumaschine eine Schiene auf Schwellen gelegt wird, dass davor, danach oder währenddessen der Lichtwellenleiter von einer an der Gleisbaumaschine angeordneten Spule abgewickelt und an jeweiligen

Klemmstellen positioniert wird und dass die Schiene mittels der

Schienenbefestigungen bei gleichzeitiger Klemmung des Lichtwellenleiters auf den Schwellen befestigt wird. Auf diese Weise wird die Messanordnung im Zuge von Gleisbauarbeiten errichtet, wobei der dafür erforderliche Aufwand vernachlässigbar ist. Insbesondere können gängige Gleisbaumaschinen, welche zum Verlegen oder zum Tauschen von Schienen konzipiert sind, auf einfache Weise mit einer Spule zum Abwickeln des Lichtwellenleiters ausgerüstet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 Querschnitt durch eine Schiene und eine Schienenbefestigung mit einer Rippenplatte

Fig. 2 Detail A aus Fig. 1 mit Lichtwellenleiter in gelöstem Zustand

Fig. 3 Detail A aus Fig. 1 mit Lichtwellenleiter in geklemmtem Zustand

Fig. 4 Querschnitt durch eine Schiene und eine Schienenbefestigung mit

Winkelführungsplatten

Fig. 5 Draufsicht auf eine Schiene und zwei Schwellen

Beschreibung der Ausführungsformen

[18] Eine in Fig. 1 dargestellte Schiene 1 ist leicht geneigt mittels einer

Schienenbefestigung 2 auf einer Schwelle 3 befestigt. Zur Vorgabe eines exakten Neigungswinkels umfasst die Schienenbefestigung 2 eine

Rippenplatte 4, die mit Schrauben 5 auf der Schwelle 3 festgeschraubt ist. Zwischen dem Schienenfuß 6 und der Rippenplatte 4 ist eine meist aus Kunststoff gefertigte Zwischenlage 7 angeordnet. Zur seitlichen Abstützung umfasst die Rippenlatte 4 beiderseits der Schiene 1 in Schienenlängsrichtung verlaufende Rippen 8. Diese Rippen 8 weisen nach unten aufgehende

Ausnehmungen auf, die als Gegenhalt für Hakenschrauben 9 von

Schraubverbindungen Ί0 dienen. Mit diesen Schraubverbindungen Ί0 wird auf jeder Seite der Schiene Ί ein Spannklemme ΊΊ von oben gegen den

Schienenfuß 6 gepresst. Eine solche Anordnung ist bei einer Verwendung von Holzschwellen üblich.

[19] Erfindungsgemäß ist zumindest ein Lichtwellenleiter 12 angeordnet, der lösbar in der Schienenbefestigung 2 eingeklemmt ist. Dabei sind die mechanischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters 12 und der Schienenbefestigung 2 aufeinander abgestimmt. Beispielsweise weist der Lichtwellenleiter 12 eine Ummantelung aus abriebfestem Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff auf. Ein vorzeitiger mechanischer Verschleiß des Lichtwellenleiters 12 wird dadurch vermieden. Gegebenenfalls wird der Lichtwellenleiter 12 im Zuge eines Schienentausches mit ausgetauscht, wobei der dadurch gegebene

Mehraufwand vernachlässigbar ist.

[20] In Fig. 1 sind mehrere sinnvolle Positionen des Lichtwellenleiters 12

eingezeichnet. Beispielsweise ist in der Zwischenlage 7 eine Längsnut 13 zur Aufnahme des Lichtwellenleiters 12 vorgesehen. Alternativ dazu oder ergänzend weist die Rippenplatte 4 eine entsprechende Längsnut 13 auf. Die Längsnut 13 kann auch in der Schwelle 3 vorgesehen sein, sodass eine herkömmliche Schienenbefestigung 2 ohne weitere Anpassungen verwendbar ist. Dasselbe gilt für eine Längsnut 13 auf der Unterseite des Schienenfußes 6.

[21] Wie in den Figuren 2 und 3 ersichtlich weist die jeweilige Längsnut 13 eine Tiefe auf, die geringer ist als der Durchmesser des Lichtwellenleiters 12 im gelösten Zustand. Im geklemmten Zustand ist der Lichtwellenleiter 12 gegen Oberflächen der Schienenbefestigung 2 und gegebenenfalls der Schiene 1 oder der Schwelle 3 gepresst. Dadurch übertragen sich auf die Schiene 1 oder die Schwelle 3 wirkende Belastungen und Vibrationen direkt auf den

Lichtwellenleiter 12.

[22] Zur genauen Erfassung von Kräften und Vibrationen in einer horizontalen Schienenquerrichtung ist der Lichtwellenleiter 12 in einer Längsnut 13 einer Rippe 8 angeordnet. Im montierten Zustand erfolgt hierbei eine Klemmung des Lichtwellenleiters 12 zwischen der Rippe 8 und einem seitlichen Steg des Schienenfußes 6. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist dieser

Lichtwellenleiter 12 mit einem Lichtwellenleiter 12 unter dem Schienenfuß 6 kombiniert. Auf diese Weise ist eine separate Erfassung und Auswertung der horizontalen und der vertikalen Kräfte und Vibrationen möglich.

[23] In Fig. 4 ist eine alternative Schienenbefestigung 2 dargestellt, die gewöhnlich bei Betonschwellen zum Einsatz kommt. Dabei weist die Schwelle 3 zur Aufnahme der Schienenbefestigung 2 auf der Oberseite reliefartige

Vertiefungen auf. Konkret sind in diesen Vertiefungen eine Zwischenlage 7 und zwei Winkelführungsplatten Ί4 der Schienenbefestigung 2 angeordnet.

Die Zwischenlage 7 bildet hier ein Dämpfungselement zwischen Schienenfuß 6 und Schwelle 3. Die Winkelführungsplatten Ί4 dienen als seitliche Führungen, die den Schienenfuß 7 in horizontaler Schienenquerrichtung fixieren. Jede Winkelführungsplatte Ί4 weist zudem eine Nut Ί5 auf, in der eine aus

Rundmaterial gebogene Spannklemme ΊΊ eingerastet ist. Gespannt ist die jeweilige Spannklemme ΊΊ mittels einer Schienenbefestigungsschraube Ί6, wobei die Enden der Spannklemme ΊΊ von oben gegen den Schienenfuß 6 gepresst sind.

[24] Auch hier sind mehrere sinnvolle Positionen des Lichtwellenleiters Ί2

eingezeichnet. Zum Beispiel ist eine Längsnut Ί3 in der Zwischenlage 7 oder in der Schwelle 3 unterhalb der Zwischenlage 7 vorgesehen. Auch die

Anordnung des Lichtwellenleiters Ί2 unterhalb der jeweiligen

Winkelführungsplatte Ί4 oder unterhalb der jeweiligen Spannklemme ΊΊ ist von Vorteil. Kräfte und Vibrationen in einer horizontalen

Schienenquerrichtung werden günstigerweise mit einem Lichtwellenleiter Ί2 zwischen der Winkelführungsplatte Ί4 und dem zugeordneten seitlichen Steg des Schienenfußes 6 detektiert. Dafür weist die entsprechende

Winkelführungsplatte Ί4 eine seitliche Längsnut Ί3 auf. Auch bei dieser Variante kann die Anordnung mehrerer Lichtwellenleiter Ί2 sinnvoll sein.

[25] In der Draufsicht in Fig. 5 sind beispielhaft zwei Schienenbefestigungen 2 mit einer jeweiligen Rippenplatte 4 dargestellt. Der Lichtwellenleiter Ί2 ist in der jeweiligen Schienenbefestigung 2 unterhalb der Schiene Ί eingeklemmt. Zum Beispiel weist die jeweilige Rippenplatte 4 eine entsprechende Längsnut Ί3 auf. Bei Belastungen wird der Lichtwellenleiter Ί2 an diesen Klemmstellen Ί7 diskret angeregt, sodass bei einem Messvorgang entsprechend diskrete Messergebnisse vorliegen.

[26] Zwischen den Schwellen ist der Lichtwellenleiter Ί2 in einer Schlaufe (Loop) Ί8 angeordnet. Diese Schlaufe Ί8 dient als Längenausgleich, falls der

Lichtwellenleiter Ί2 repariert oder anders positioniert werden muss. Um den Längenausgleich mehrerer Schlaufen Ί8 zu nutzen, werden die

dazwischenliegenden Schienenbefestigungen 2 gelöst, sodass der

Lichtwellenleiter Ί2 durch die Schienenbefestigungen 2 gleiten kann.

Beispielsweise wird der Lichtwellenleiter Ί2 bei Schweißarbeiten an der Schiene Ί unter Nutzung des Längenausgleichs im ausreichenden Abstand zur

Schweißstelle platziert.

[27] Günstigerweise ist im jeweiligen Schwellenfach zwischen zwei Schwellen 3 ein Befestigungsmittel Ί9 vorgesehen, mit dem der Lichtwellenleiter Ί2 lösbar an der Schiene Ί befestigt ist. Im einfachsten Fall ist das eine Spange, die an den Schienenfuß 6 geklippt wird und den Lichtwellenleiter Ί2 in Position hält. Auf diese Weise ist der Lichtwellenleiter Ί2 bei Instandhaltungsarbeiten wie Schienenschleifen oder Gleisstopfen ausreichend geschützt. Solche

Befestigungsmittel Ί9 können auch genutzt werden, um die Detektorfunktion des Lichtwellenleiters Ί2 bei komplizierten Gleiseinrichtungen wegzulassen. Beispielsweise wird der Lichtwellenleiter Ί2 im Bereich einer Weiche nur an eine Schiene Ί geklippt, ohne eine Klemmung in den Schienenbefestigungen 2 vorzunehmen.

[28] Ein Ende des Lichtwellenleiters Ί2 ist an eine Messeinrichtung 20

angeschlossen. Diese sendet Lichtimpulse in zumindest eine Faser des

Lichtwellenleiters Ί2 und wertet die sich ergebenden Reflexionen aus. Diese Reflexionen sind von mechanischen Spannung in der betreffenden Faser des Lichtwellenleiters Ί2 abhängig. Solche mechanischen Spannungen entstehen, wenn auf den Lichtwellenleiter Ί2 Kräfte einwirken oder der Lichtwellenleiter Ί2 durch Erschütterungen oder durch Schalleinwirkung in Vibration versetzt wird. Über auswertbare Signalmuster, insbesondere durch die diskrete Ausprägung des Messsignals ist auch eine Ortung der Krafteinwirkung oder der

Vibrationsbeaufschlagung möglich.

[29] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Messanordnung wird mit Bezug auf die Variante in Fig. 5 erläutert. Als Beispiel dient eine

Gleisinstandhaltung, bei der alte Schienen Ί in einem kontinuierlichen

Arbeitsverfahren gegen neue Schienen Ί getauscht werden. Bei einem solchen Schienentausch sind neben dem Gleis die neuen Schienen Ί vorgelagert. In einem ersten Schritt werden die Schienenbefestigungen 2 gelöst. Als

Gleisbaumaschine kommt ein sogenannter Umbauzug zum Einsatz. Dieser weist in einem Mittelteil eine Umbaueinrichtung auf, die brückenartig auf einem vorderen und einem hinteren Schienenfahrwerk abgestützt ist. Dabei befährt das vordere Schienenfahrwerk die alten Schienen Ί und das hintere Schienenfahrwerk befährt bereits die neuen Schienen Ί.

[30] Während einer Maschinenvorfahrt hebt die Umbaueinrichtung mit

entsprechenden Führungselementen die alten Schienen Ί von den Schwellen 3 und leitet sie nach außen neben das Gleis. Mit anderen Führungselementen werden die neuen Schienen von außen nach innen geleitet und auf den Schwellen 3 abgelegt. Im Zuge dieses Austauschvorgangs liegen einzelne Schwellen 3 mit ihren Schienenbefestigungen 2 frei. Dieser Zustand wird genutzt, um den Lichtwellenleiter Ί2 an den jeweiligen Klemmstellen Ί7 zu positionieren.

[31] Dabei ist in der Umbaueinrichtung eine Spule (Kabeltrommel) angeordnet, von welcher der Lichtwellenleiter 12 während der Maschinenvorfahrt abgespult wird. Eine Positioniereinrichtung leitet den Lichtwellenleiter 12 in die freiliegenden Längsnuten 13 der Rippenplatten 4. Das geschieht entweder nur für einen Schienenstrang oder es wird für jeden Schienenstrang ein eigener Lichtwellenleiter 12 von einer zugehörigen Spule abgespult. Anschließend werden die Zwischenlagen 7 mit einer entsprechenden Ablagevorrichtung auf die Rippenplatten 4 gelegt.

[32] Erst dann erfolgt die Positionierung der neuen Schienen 1 zwischen den

Rippen 8 der Rippenplatten 4 auf den Schwellen 3. In einem abschließenden Arbeitsschritt werden die Spannklemmen 11 mit den Schraubverbindungen 10 festgezogen. Dabei wird auch der Lichtwellenleiter 12 in den entsprechenden Schienenbefestigungen 2 geklemmt.