Herausforderung im Schienenverkehr: Validierung unter realen Betriebsbedingungen
Ein Anbieter im Bereich Schienenverkehrstechnik, benötigte eine belastbare Messlösung zur Validierung von Fahrdynamik und Schienenbelastung bei der Entwicklung neuer Schienenfahrzeuge. Die bisherigen Methoden boten nur unzureichende Aussagekraft über reale Kräfte im Rad-Schiene-Kontakt – insbesondere unter Lastwechseln und unterschiedlichen Spurführungssituationen.
Um die Beanspruchung von Schienenfahrzeugen präzise zu überwachen, wurde ein Messsystem entwickelt, das die vertikale Raddruckkraft sowie die auftretenden Seitenkräfte direkt an der Schiene erfasst. Die Lösung basiert auf FCAB-5 Dehnungsmessstreifen, die in Brückenschaltung montiert sind und unerwünschte Messkomponenten zuverlässig herausfiltern.
Kundenerwartung und Anforderungen
Ziel war die genaue Erfassung:
- der vertikalen Radlast
- sowie der lateralen Seitenkräfte
Dabei sollten sowohl positive als auch negative Kraftkomponenten differenziert und störungsfrei erkannt werden. Besonders wichtig für den Kunden waren eine hohe Messgenauigkeit, eine robuste und dauerhafte Installation direkt an der Schiene sowie die zuverlässige Differenzierung zwischen Längs- und Querkräften.
Installation und Verkabelung
Die Dehnungsmessstreifen wurden in einem Winkel von 45° zur Hauptachse der Schiene an den vorgesehenen Positionen auf dem Schienensteg/-flansch (für die Raddruckkraft) und auf dem Schienenfuß (für die Seitenkraft) angebracht.
Insgesamt wurden acht Dehnungsmessstreifen verwendet, die über die Anschlussplatine in einer Brückenschaltung verbunden sind.
Messung der Raddruckkraft
Ein auf der Seite der Schiene in einem 45°-Winkel angebrachter Dehnungsmessstreifen erfährt unter Raddruck eine rhombusförmige Verformung an der Messstelle.
Die Streifen 1, 2, 5 und 6 liefern positive Ausgangssignale, während die Streifen 3, 4, 7 und 8 negative Ausgangssignale liefern. Daraus ergibt sich ein positiver Brückenausgang, wenn eine Raddruckkraft anliegt.
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Zuverlässige Trennung von Radlast und SeitenkraftDank der 45°-Anbringung und Brückenschaltung lassen sich vertikale und laterale Kräfte klar differenzieren.
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Hohe Messgenauigkeit unter realen BetriebsbedingungenDie Anbringung direkt an der Schiene und die gezielte Kalibrierung ermöglichen präzise Ergebnisse trotz Umwelteinflüssen.
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Kompensation unerwünschter Einflüsse durch 8-fach-DMS-KonfigurationDie systematische Signalverarbeitung eliminiert Störkomponenten und erhöht die Aussagekraft der Messdaten.
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Robuste und feldtaugliche InstallationGeeignet für den langfristigen Einsatz im Schienenumfeld – mit widerstandsfähigen Kabeln, Schutzmaterialien und stabiler Verklebung.
Kalibrierung
Nach der Installation der Dehnungsmessstreifen muss ein Belastungstest durchgeführt werden, um Kalibrierfaktoren zu ermitteln (Beziehung zwischen Dehnung oder Brückenausgang und angelegter Last). Die Kalibrierung ist notwendig, um Installationsunterschiede und die standortspezifischen Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene zu berücksichtigen.
Mechanische Überlegungen
Zwischen zwei Rädern sind die Biegemomente gleich groß. Es tritt keine resultierende Scherkraft zwischen den Rädern auf. Da die Dehnungsmessstreifen in einem Winkel von 45° angebracht sind, bezieht sich das Ausgangssignal hauptsächlich auf die Scherdehnung. Theoretisch ist die Scherdehnung nur mit der Raddruckkraft verknüpft; in der Praxis beeinflussen jedoch auch Seitenkräfte und die spezifischen Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene das Ausgangssignal.
Um diese Effekte zu minimieren, werden acht Dehnungsmessstreifen eingesetzt, deren Signale gemittelt werden, um unerwünschte Komponenten zu eliminieren.
Einfluss des Abstands zwischen den Messstreifengruppen
Wenn der Abstand zwischen den Dehnungsmessstreifengruppen von 1000 mm auf 150 mm reduziert wird, verkürzt sich die Dauer der Lastanwendung beim Überrollen durch das Rad.
Die Amplitude des Ausgangssignals bleibt voraussichtlich weitgehend unverändert; eine Neukalibrierung ist jedoch erforderlich, um die Beziehung zwischen Last und Ausgangssignal zu überprüfen und ggf. zu aktualisieren.
Ergebnisse und Nutzen
- Positive Brückenausgänge bei realer Raddruckbelastung
- Hohe Signalqualität trotz Umgebungseinflüssen
- Scherdehnungsmessung ermöglicht Differenzierung vertikaler und lateraler Kräfte
- System bleibt auch bei verkürztem Sensorabstand kalibriergenau
Das System überzeugte durch seine Praxistauglichkeit und einfache Integration – ein wichtiger Schritt zur datenbasierten Optimierung von Schienenfahrzeugen. Althen Sensors & Controls stellte nicht nur die passenden Sensoren, sondern unterstützte auch bei der Applikationsauslegung, Kalibrierung und Integration. Dank unseres anwendungsspezifischen Know-hows konnte eine zuverlässige, robuste und wartungsarme Messlösung für den rauen Einsatz auf der Schiene bereitgestellt werden.
Was ist Ihr Projekt?
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