Sandstreuanlage für ein Schienenfahrzeug

Die Erfindung betri f ft eine Sandstreuanlage für ein Schienenfahrzeug . Sandstreuanlagen werden eingesetzt , um durch Bestreuen der Schienen mit Sand die Reibung der Räder eines Schienenfahrzeugs auf den Schienen zu vergrößern, z . B . beim Anfahren schwerer Fahrzeuge , bei ungünstiger Witterung oder auf starken Steigungen, sowie zur Vergrößerung der Bremswirkung .

Die Fortbewegung von Schienenfahrzeugen beruht auf der Reibung der Räder auf den Schienen . I st diese nicht ausreichend groß , so kann es zum Gleiten der Räder auf den Schienen kommen, was sowohl Beschleunigung als auch Abbremsen verhindert . Dem kann durch Bestreuen der Schienen mit Sand entgegengewirkt werden .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine verbesserte Sandstreuanlage , sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Sandstreuanlage auf zuzeigen .

Diese Aufgabe wird durch eine Sandstreuanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Ferner sind Gegenstand der Erfindung ein Verfahren, eine entsprechende Vorrichtung oder ein System zur Datenverarbeitung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes computerlesbares , vorzugsweise nicht flüchtiges , Speichermedium, und ein entsprechendes Datenträgersignal . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen .

Bei der erfindungsgemäßen Sandstreuanlage für ein Schienenfahrzeug ist ein Vorratsbehälter für auf die Schienen aus zubringenden Sand vorgesehen . Hierbei ist der Vorratsbehälter über mindestens ein eine Kraftmessung ermöglichendes Lager mit dem Schienenfahrzeug verbunden . Die Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Schienenfahrzeug erfolgt vorzugsweise an einem Wagenkasten, insbesondere an einem Triebwagen . Diese Verbindung ist nicht starr, vielmehr ist zumindest ein Lager vorgesehen, welches eine Relativbewegung zwischen dem Bestandteil des Schienenfahrzeugs , über welches die Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Schienenfahrzeug erfolgt , und dem Vorratsbehälter ermöglicht . Außer diesem mindestens einen Lager können weitere Verbindungen bestehen .

Das mindestens eine Lager ermöglicht eine Kraftmessung . Da der Sand innerhalb des Vorratsbehälters eine seiner Masse entsprechende Gewichtskraft ausübt , resultiert eine Änderung der Masse des Sandes zu einer geänderten Gewichtskraft , was mittels der Kraftmessung festgestellt werden kann . Hierbei wird ausgenutzt , dass eine Massenänderung zu einer Relativbewegung zwischen Vorratsbehälter und Schienenfahrzeug über das Lager führt .

Besonders vorteilhaft ist es , wenn die Kraftmessung mittels mindestens eines Dehnungsaufnehmers erfolgt . Hierbei kann ein Bestandteil des Lagers oder eine mit ihm verbundene Komponente gedehnt oder gestaucht werden, was mit dem Dehnungsaufnehmer detektiert und in eine Kraft umgerechnet werden kann .

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorratsbehälter über ein Rotationslager und ein eine Kraftmessung ermöglichendes Linearlager mit dem Schienenfahrzeug verbunden . Die Anordnung von Rotationslager und Linearlager kann hierbei unterschiedlich sein . Wesentlich ist , dass eine Massenänderung im Vorratsbehälter zu einer Bewegung im Linearlager führt , welche mit der Kraftmessung erfassbar ist . Anstelle eines einzigen eine Kraftmessung ermöglichenden Linearlagers kann zusätzlich zu dem Rotationslager eine Mehrzahl solcher Linearlager vorgesehen sein . In einer alternativen Ausgestaltung ist der Vorratsbehälter über zwei eine Kraftmessung ermöglichende Linearlager mit dem Schienenfahrzeug verbunden . Dies ist insbesondere vorteilhaft , wenn kein Rotationslager vorhanden ist . Auch hier gilt , dass die Anordnung der zwei Linearlager so ist , dass eine Massenänderung im Vorratsbehälter zu einer Bewegung in den Linearlagern führt , welche mit der Kraftmessung erfassbar ist .

Wenn über die Kraftmessung die Veränderung der Masse des auszubringenden Sandes im Vorratsbehälter bestimmbar ist , kann z . B . festgestellt werden, ob pro Sandungsvorgang zu viel oder zu wenig Sand ausgebracht wird . Abhängig von diesem Ergebnis können dann entsprechende Maßnahmen getrof fen werden, um die ausgebrachte Sandmenge zu korrigieren .

Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Sandstreuanlage für ein Schienenfahrzeug wird im Rahmen eines Sandungsvorgangs während der Fahrt Sand aus einem Vorratsbehälter auf die Schienen ausgebracht . Über eine Kraftmessung an einem Lager, über welches der Vorratsbehälter mit dem Schienenfahrzeug verbunden ist , wird die aufgrund des Sandungsvorgangs erfolgte Änderung der Masse des Sandes im Vorratsbehälter bestimmt .

Die Vorrichtung oder das System zur Datenverarbeitung verfügt über einen Eingang zum Empfangen von Messwerten einer Kraftmessung einer Sandstreuanlage , sowie über Mittel zum Berechnen einer Änderung der Masse des Sandes im Vorratsbehälters aufgrund eines Sandungsvorgangs , und über einen Speicher zur Speicherung der berechneten Massenänderung .

Das Computerprogramm für eine Sandstreuanlage verfügt über Mittel zum Empfangen von Messwerten einer Kraftmessung, sowie über Mittel zum Berechnen einer Änderung der Masse des Sandes im Vorratsbehälters aufgrund eines Sandungsvorgangs , und über einen Ausgang zur Ausgabe der berechneten Massenänderung .

Diese Ausgabe kann an einen Speicher ergehen, und/oder an eine Anzeige oder andersartige Mitteilung, z . B . für den Triebfahrzeugführer .

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt ablaufen . Es kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Computer, Prozessoren, anwendungsspezi fischer integrierter Schaltungen (AS IC ) , digitaler Signalprozessoren (DSP ) und/oder sogenannter „Field Programmable Gate Arrays" ( FPGA) ausgeführt bzw . implementiert werden . Es kann auch zumindest teilweise in einer Cloud und/oder in einer Edge- Computing-Umgebung ausgeführt werden . Für den computergestützten Ablauf kommt eines oder mehrere miteinander zusammenwirkende Computerprogramme zum Einsatz . Werden mehrere Programme verwendet , so können diese gemeinsam auf einem Computer gespeichert und von diesem ausgeführt werden, oder auch auf verschiedenen Computern an verschiedenen Orten . Da dies funktional gleichbedeutend ist , wird vorliegend im Singular „das Computerprogramm" und „der Computer" formuliert .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispiels näher erläutert . Dabei zeigen :

Figur 1 : einen Ausschnitt aus einer Sandstreuanlage mit Streurohr im Bereich der Schiene ,

Figuren 2A, 2B, 2C : die Befestigung eines Sandbehälters einer Sandstreuanlage mit verschiedenen Konstellationen zur Kraf termittlung,

Figur 3 : ein Auswertungssystem .

Schienenfahrzeuge verfügen üblicherweise über eine Sandstreuanlage . Dies dient dazu, mit Druckluft Sand aus einem Vorratsbehälter unter die Räder zu blasen, um die Reibung zwischen Rad und Schiene zu erhöhen, also den Kraftschluss des Rad-Schiene Systems zu verbessern . Ziel dieses Vorgehens ist die Erhöhung der Reibung zwischen Rad und Schiene . Angewandt wird das Ausbringen von Sand vor allem bei z . B . aufgrund von Nässe reduziertem Reibungskoef fi zienten, oder starken Zugoder Bremskräften . Durch die erhöhte Reibung wird die Trakti- ons- bzw . Bremswirkung verbessert und ein Durchrutschen der Räder kann verhindert werden .

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Sandstreuanlage . Das Streurohr la dient zum gezielten Ausbringen des Sandes 1c auf die Schiene 1b . Der aus zubringende Sand befindet sich in einem Behälter, welcher nicht in der Figur gezeigt ist , und an welchen das Streurohr la direkt oder über einen Schlauch angeschlossen wird . Die Sandstreuanlage kann eine Diagnosemöglichkeit basierend auf einer Optik aufweisen, wobei diese Optik erkennt , ob sich im Austrittsbereich Sand befindet oder nicht . Hierzu wird mittels eines Lichtwellenleiters Licht zum Sensorkopf le geleitet . Die Anordnung bei dem Sensorkopf le ist hierbei so , dass abhängig davon, ob aktuell Sand vom Streurohr la ausgebracht wird oder nicht , von einem Fotoelement des Sensorkopfes le Licht detektiert wird : wenn Sand aus dem Streurohr la kommt , empfängt der Sensor kein Lichtsignal und umgekehrt .

Das Sanden wird ausgelöst , indem der Fahrer im Triebfahrzeug dies durch Tastendruck anordnet . Durch die beschriebene Sensoranordnung in der Sandstreuanlage kann somit das ordnungsgemäße Funktionieren der Sandstreuanlage überprüft werden : es kann detektiert werden, ob in Übereinstimmung mit dem Signal , welches der Fahrer ausgelöst hat , Sand aus dem Streurohr kommt . Mit Hil fe einer Software kann das gemessene Signal mit der entsprechenden Anforderung verglichen und ein „in Ordnung" bzw . „nicht in Ordnung" Status vergeben werden .

Übermäßiges Sanden ist ungünstig, da der zerriebene Quarzsand den elektrischen Kontakt zwischen Rad und Schiene und somit die Möglichkeit der Gleis freimeldung beeinträchtigt . Durch fehlerhafte Gleis freimeldungen kam es bereits zu Zusammenstößen von Schienenfahrzeugen . Somit stellt zu viel Sand auf den Schienen ein Sicherheitsrisiko dar .

Ferner ist auch die durch das Ausbringen von Sand hervorgerufene Staubentwicklung unerwünscht . In der Nähe von Bahnstre- cken und auch im Passagierraum tritt durch Verschleiß am Rad- Schiene-Bremsen-System Eisen ( oxid) staub auf . Durch Sanden wird quarzhaltiger Sand zwischen Schiene und Rad zu feinem Staub zerrieben . Lungengängiger feiner Staub insbesondere mit Silikat- und Quarzanteil ist besonders gesundheitsschädlich .

Das Ausbringen von Sand ist also einerseits wichtig, um eine vorteilhafte Reibung zwischen Rad und Schiene und somit einen sicheren Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs zu gewährleisten . Gleichzeitig ist die Verschlechterung des elektrischen Kontaktes durch den Sand auf den Schienen unerwünscht , und überdies ist die gesundheitsgefährdende Staubentwicklung ein negativer Ef fekt des Sandens . Hieraus folgt , dass eine Regulierung der ausgebrachten Sandmenge anzustreben ist . Dies impliziert , dass gemessen werden sollte , wie viel Sand tatsächlich ausgebracht wird . Eine derartige Ermittlung der Quantität des ausgebrachten Sandes wird derzeit nicht durchgeführt .

Vielmehr wird bei einer regelmäßigen Wartung der Sandstreuanlage , z . B . in regelmäßigen Inspektionsintervallen von drei Monaten, die Sandstreuanlage im Wartungsmodus aktiviert , um über eine externe Waage fest zustellen, wie viel Sand die Anlage ausbringt . Dies ermöglicht j edoch keine genaue Angabe , wie viel Gramm Sand pro Sandungsvorgang tatsächlich ausgebracht wurden, denn diese Menge kann von Vorgang zu Vorgang schwanken .

Die in Figur 1 gezeigte Sandstreuanlage wird daher dahingehend modi fi ziert , dass eine Erfassung der Massenreduktion für j eden einzelnen Sandungsvorgang ermöglicht wird . Hierzu zeigen die Figuren 2A, 2B und 2C beispielhaft drei Konstellationen . Jeweils ist hierbei der Behälter B, welcher den Streusand enthält , mit einem Wagenkasten WK des Schienenfahrzeugs verbunden . Diese Verbindung dient der Befestigung des Behälters B am Schienenfahrzeug . Anstelle des Wagenkastens WK kann auch eine andere Komponente des Fahrzeugs verwendet werden . In der Konstellation der Figur 2A erfolgt die Verbindung über ein Drehlager DL und ein Lager mit Kraftermittlung FL . Das Drehlager DL erlaubt eine Rotationsbewegung des Behälters B um eine senkrecht zur Bildebene stehende Achse . Das Lager FL hingegen ermöglicht eine Translation, nämlich eine Relativbewegung zwischen dem Behälter B und dem Wagenkasten WK in Längsrichtung, und zwar in der durch den Doppelpfeil angezeigten hori zontalen Richtung . Das Lager mit Kraftermittlung FL kann mit einem Dehnungsaufnehmer realisiert werden . Dieses elektrische Bauteil reagiert auf dehnende oder stauchende Verformungen mit einer Änderung des elektrischen Widerstands . Beim Einsatz von Dehnungsaufnehmern lassen sich über gemes- senene Dehnungen somit Kräfte und Lasten zuverlässig messen . Zur Umsetzung der Kraftmessungen mittels Dehnungsaufnehmer kann ein Dehnungsmessstrei fen auf ein Bauteil aufgeklebt werden; vorzugsweise j edoch werden auf schraubbare Dehnungssensoren eingesetzt .

Die Gewichtskraft F des Sandes in dem Behälter B zeigt nach unten . Bei abnehmender Sandmenge im Behälter B wird der Dehnungsaufnehmer in der durch den Doppelpfeil angezeigten horizontalen Richtung gedehnt . Aus dem elektrischen Signal des Dehnungsaufnehmers kann die Gewichtsänderung des Behälters B einschließlich des darin befindlichen Sandes berechnet werden . Hierfür ausschlaggebend ist die geometrische Ausgestaltung des Behälters . Bei einer Ausgestaltung wie in Figur 2A mit einem trapez förmigen Querschnitt ist hierfür das Verhältnis von L2 /L1 ausschlaggebend .

Der Aufbau der Figur 2B unterscheidet sich von derj enigen der Figur 2A darin, dass das Lager mit Kraftermittlung FL eine Relativbewegung zwischen dem Behälter B und dem Wagenkasten WK in Längsrichtung ermöglicht , und zwar in der durch den Doppelpfeil angezeigten vertikalen Richtung . Bei abnehmender Sandmenge im Behälter B wird der Dehnungsaufnehmer in der durch den Doppelpfeil angezeigten hori zontalen Richtung gestaucht . Ansonsten gelten die Aus führungen zu Figur 2A entsprechend . Der Aufbau der Figur 2C unterscheidet sich von denj enigen der Figuren 2A und 2B darin, dass kein Drehlager DL vorgesehen ist . Vielmehr ist der Behälter B mit dem Wagenkasten WK über zwei Lager mit Kraftermittlung FL verbunden . Beide ermöglichen eine Relativbewegung zwischen dem Behälter B und dem Wagenkasten WK in Längsrichtung, und zwar j eweils in der durch den Doppelpfeil angezeigten vertikalen Richtung .

Wie in den Figuren 2A, 2B und 2C gezeigt , wird die aus dem Stand der Technik bekannte Sandstreuanlage an den Befestigungsstellen um Sensoren zur Kraftermittlung ergänzt . Über eine Kraftmessung können Rückschlüsse auf den Inhalt des Behälters gezogen werden . Durch die in die Befestigung integrierten Sensoren wird die Änderung der Gewichtskraft und somit eine Änderung der Masse des Behälters ermittelt , welche durch eine Ausbringung von Sand während eines Sandungsvor- gangs hervorgerufen wird . Die Massenreduktion entspricht der ausgebrachten Sandmenge , es kann somit eine quantitative Aussage über die Menge des ausgebrachten Sandes pro Sandungsvor- gang getrof fen werden .

Zur Überprüfung sollte vor der Anwendung der beschriebenen Anlage im laufenden Betrieb eine Testsandung durchgeführt werden . Beispielsweise sollte eine übliche Sandstreuanlage pro Sandungsvorgang ca . 650g Sand innerhalb eines 30 Sekunden dauernden Sandungsvorgangs ausgeben . Die bei der Testsandung reduzierte Masse des Behälters B wird mittels der beschriebenen Anordnung ermittelt . Hieraus kann eine prozentuale Abweichung von dem Nominalwert von 650g errechnet werden . Es können auch mehrere Testsandungen vorgenommen werden, um eine Statistik betref fend die Abweichungen erstellen zu können .

Der Einsatz der Kraftmessung erfordert hinsichtlich der Hardware geeignete Sensoren . Bei der beschriebenen Verwendung der Dehnungsaufnehmer handelt es sich hierbei um die bevorzugte Methode , da es sich bei Dehnungsaufnehmern um günstige und viel fältig erhältliche Produkte handelt . Dennoch kann auch alternative Sensorik zum Einsatz kommen, z . B . basierend auf Druckmessungen .

Die Auswertung der Messwerte der Kraftmessung erfolgt computergestützt . Hierzu zeigt Figur 3 schematisch ein Auswertungssystem SYS . Während die im Folgenden näher erläuterten Bestandteile in der Figur einfach vorhanden sind, ist es auch möglich, dass diese in mehrfacher Aus führung vorhanden sind, z . B . als verteiltes System . Auf diese Weise kann die Funktionalität des Auswertungssystems SYS auf mehrere , gegebenenfalls hierarchisch miteinander verknüpfte , Systeme aufgeteilt werden . Dieses oder diese befinden vorzugsweise im Triebfahrzeug .

Das Auswertungssystem SYS umfasst eine Recheneinheit bzw . einen Prozessor PRO . Dieser ist verbunden mit einem Speicher MEM, in welchem ein Computerprogramm PROGRAM abgelegt ist . Bei dem Speicher MEM handelt es sich vorzugsweise um ein nicht- flüchtiges computerlesbares Datenspeichermedium . Die Speicherung kann auf j egliche Weise erfolgen, welche geeignet ist , die Auslesbarkeit durch eine Recheneinheit zu gewährleisten, wie durch magnetische Speicherung, z . B . mittels Diskette , optische Speicherung, z . B . mittels CD, magnetooptische Speicherung, ROM (Read Only Memory) Speicherung, RAM (Random Access Memory) Speicherung, EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) , EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) , Flash-Memory .

Durch Aus führen der Instruktionen des Programms PROGRAM in dem Prozessor PRO werden die Schritte der oben erläuterten Vorgehensweise durchgeführt . Insbesondere werden Messwerte der Kraftmessung empfangen und hieraus die Massenänderung des Sandes im Behälter berechnet . Die hierfür erforderlichen mathematischen Beziehungen, welche aus der Geometrie des Behälters resultieren, sind Bestandteil des Programms PROGRAM . Alternativ kann eine derartige Berechnung bereits von einem im Dehnungsaufnehmer integrierten Prozessor durchgeführt werden . Der Prozessor PRO ist mit einer Ein- und Ausgabeeinheit IN/OUT verbunden, über welche Informationen zwischen dem Auswertungssystem SYS und anderen Komponenten und/oder einem Nutzer ausgetauscht werden können . Insbesondere können hierüber Messwerte empfangen und Ergebnisse ausgegeben werden . Diese Schnittstelle kann hierbei auf geeignete Weise ausgestaltet sein, z . B . über Funk oder über Kabel , und die Kommunikation kann über geeignete Standards erfolgen .

Das Auswertungssystem SYS kann auf Grundlage der berechneten Massenreduktion eine quantitative Aussage über die ausgebrachte Sandmenge tref fen . Dies kann auf verschiedene Art ausgegeben und verwendet werden :

- Als Ergebnis kann nach j edem Sandungsvorgang die Masse des ausgebrachten Sandes angegeben werden . Dies kann beispielsweise dem Fahrer angezeigt werden, und/oder in einer Datei gespeichert und gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet werden .

- Es ist auch möglich, bei einem Überschreiten einer bestimmten Abweichung vom Nominalwert eine Warnung aus zugeben und/oder zu speichern, z . B . wenn die Abweichung der bei einem Sandungsvorgang ausgebrachten Sandmenge mehr als 10% vom Nominalwert beträgt .

- Die ermittelten Informationen über die ausgebrachte Sandmenge können zur Anpassung der Sandstreuanlage herangezogen werden . Wenn z . B . festgestellt wird, dass im Schnitt zu viel Sand ausgebracht wird, so kann das Austragungssystem in der Wartung mechanisch nachj ustiert werden . Diese Anpassung kann bei festen wie auch variablen Sandmengen pro Sandungsvorgang vorgenommen werden . Bei einer variablen Sandmenge können z . B . zwei unterschiedliche Mengen von 400 Gramm oder 650 Gramm pro 30-sekündigem Sandungsvorgang angefordert werden, oder die erforderliche Sandmenge kann abhängig von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bestimmt werden .

Es ist möglich, dass über die Durchführung dieser Anpassungsmaßnahmen im Rahmen einer Wartung entschieden wird, wenn der Speicher mit den Ergebnissen der Berechnungen ausgewertet wird . Alternativ kann das Auswertungssystem aber auch so programmiert sein, dass das Durchführen dieser Maßnahmen direkt während der Fahrt ausgelöst wird .

- Auch ein Wechsel des verwendeten Sandes und somit der Sandqualität kann sinnvoll sein . Z . B . kann auf eine Sandsorte mit veränderter Dichte gewechselt werden .

- Vorteilhaft ist die Kombination des Berechnungsergebnisses der Menge des ausgebrachten Sandes mit der eingangs zu Figur 1 erläuterten Diagnostik des grundsätzlichen Funktionierens der Sandstreuanlage . Somit kann für j eden Sandungsvorgang angezeigt und/oder gespeichert werden, ob aufgrund der optischen Messung die Sandstreuanlage ordnungsgemäß funktioniert und weiterhin, wie viel Gramm Sand bei dem j eweiligen Sandungsvorgang ausgetragen wurden .

- Schließlich kann diese Messtechnik zudem zur Ermittlung von Füllständen des Behälters genutzt werden . Beim Befüllen des Behälters kann gespeichert werden, welche Menge Sand sich im Behälter befindet . Durch Abzug der bei j edem Sandungsvorgang ausgetragenen Sandmassen kann eine Warnung ausgegeben werden, wenn ein bestimmter Mindest füllstand erreicht ist . Hierdurch kann auf Sichtfenster oder ähnliche Maßnahmen, die der ungefähren Ermittlung der verbleibenden Sandmenge dienen, verzichtet werden .

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Aus führungsbeispiel beschrieben . Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Modi fikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird .