EP3408450A1 - Verfahren zur verdichtung der schotterbettung eines gleises sowie stopfaggregat - Google Patents

Verfahren zur verdichtung der schotterbettung eines gleises sowie stopfaggregat

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EP3408450A1
EP3408450A1 EP16826704.5A EP16826704A EP3408450A1 EP 3408450 A1 EP3408450 A1 EP 3408450A1 EP 16826704 A EP16826704 A EP 16826704A EP 3408450 A1 EP3408450 A1 EP 3408450A1
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EP
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ballast
compacting
power
compaction
tool
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Thomas Philipp
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Definitions

  • the invention relates to a method for compacting the ballast bed of a track by a vibrating compacting tool, as well as a tamping unit for compacting ballast.
  • a tamping unit for compacting ballast of a track is known.
  • the position of a compacting Beistellenden Beistellzylinders is detected by means of displacement transducer.
  • the actuation of the auxiliary cylinders is carried out by a displacement sensor.
  • the oscillation amplitude and the oscillation frequency of the compacting tools are changed as a function of the supply position.
  • AT 515 801 B1 describes a quality figure for the hardness of the ballast.
  • the auxiliary power of a side-by-side cylinder is shown as a function of a supply path and an indicator is defined by the energy consumption. Accordingly, the energy supplied to the ballast via the auxiliary cylinder is considered by this reference number. In this way, however, the energy lost in the system is not taken into account.
  • the object of the present invention is now to provide a method of the type mentioned above, with which an improved recognizability of achievable by the compacting tools ballast compaction is possible.
  • Another object of the invention is also to provide a vibratory compacting tool having tamping aggregate which enables uniform crushing of the ballast.
  • the invention features - with the advantageous exclusion of constructive energy losses - a registration of the energy transmitted directly into the ballast and thus a meaningful index for achieving an optimal ballast compaction possible. borrowed.
  • the maximum possible dynamic additional force can be found just below a threshold value. Consequently, the ballast is not destroyed by excessive compression and reliably precludes a very disadvantageous lateral drainage in the threshold longitudinal direction.
  • the additional time and supply force necessary for the desired compaction can be metered in a targeted manner.
  • the method features according to the invention can generally be used to improve equipment suitable for ballast compaction so that in each case an accurate statement (or index number) with regard to the achievable degree of compaction is possible.
  • an optimal compression state can be achieved even with different track-bound compaction, stuffing and track stabilization machines.
  • FIG. 1 shows a simplified side view of a tamping unit having two compacting tools which can be supplied to one another
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a compacting tool
  • FIG. 3 shows acceleration signals.
  • a ballast bed consists essentially of two each about a pivot axis 4 pivoting Stopfhebeln 5. These are at a lower end 6 each with a to penetrate provided in the ballast 3 compaction tool or tamping 7 and connected at an upper end 8 with a hydraulic Beistellantrieb 9.
  • Each Beistellantrieb 9 is mounted on a rotatable by an eccentric 10 eccentric shaft 11. This vibration vibrations are generated, which via the Beistellantrieb 9, the Stopfhe- at 5 and the compacting tool 7 are transferred to the crushed stone 3 to be compacted.
  • a connected to a control unit 12 acceleration sensor 3 is arranged. This could alternatively be attached directly to the compacting tool 7.
  • the acceleration sensor could also be arranged on a compacting tool designed as a track stabilizer and displacing the track into vibrations.
  • the acceleration of the vibrating compacting tool or stuffing plug 7 serves as an input to the system for determining the compaction quality. Normally, this does not perform any harmonic motion but works in a non-linear mode. It will transfer the forces on the ballast 3 only in one direction, it may lead to a lifting of the ballast grains of the Pimple surfaces come. This creates jumps in the force curve that distort the harmonic acceleration signal.
  • a maximum possible degree of compaction can be calculated with the acceleration sensor 13 within a time interval. It is thus possible to obtain the information that the ballast 3 located between the compacting tools 7 has not yet been compressed to a maximum degree corresponding to a specific value of the acceleration signal. If necessary, another stuffing process can be initiated. In an advantageous manner, it can also be documented that the degree of compaction has been produced homogeneously, in particular during a longer stuffing period.
  • Gravel 3 as resonator a vibratory system The resonance of the dynamic system is changed by the compression as the system's equivalent stiffness changes. With the aid of the frequency response of the dynamic system, the resonance frequency can be evaluated. It would also be advantageous to track the frequency of this resonant frequency.
  • a power density spectrum or spectral power density indicates the power of a signal in relation to the frequency in an infinitesimal (limit-to-zero) frequency band.
  • the acceleration signals are deformed as soon as a load occurs. This is visualized by the calculation of the power density spectrum and summed up in the range below 50Hz for the power of the fundamental and above 50 Hz for the power of the harmonics.
  • the measure of ballast compaction is the harmonic content (OSG).
  • the OSG of a harmonic sinusoidal fundamental signal of the acceleration is influenced by the nonlinear behavior of the feedback (reflection) of the ballast.
  • the harmonic content is referred to as the dimensionless quantity and indicates the extent to which the power of the harmonics superimposes the power of the sinusoidal fundamental.
  • FIG. 3a shows the acceleration signal with unloaded compacting tool 7, FIGS. 3b and 3c with medium or high compression (the time t is indicated on the x-axis and the acceleration on the y-axis).
  • a comparison shows a significant change in the shape of the sine function.
  • the spectral components of the acceleration signal increase in the harmonic range.
  • Fig. 3d The course of the spectral power density of the three acceleration signals presented is shown in Fig. 3d (x-axis corresponds to the frequency Hz, the y-axis the power density spectrum W / Hz).
  • the main frequency components are at 35 Hz.
  • the curve marked with a dashed line several higher frequency components occur and even more higher frequency components occur in the curve shown by dot-dash lines. These higher frequency components are responsible for the deformation of the originally sinusoidal acceleration signal.
  • time-limited portions of the acceleration signal are selected and fed to a calculation routine for the power density spectrum. This calculates the power density spectrum in the frequency band from 5 to 300 Hz.
  • the power is determined by integrating the spectral power density over the desired frequency range. It the fundamental vibration power (LGS) and the harmonic content (OSG) are determined as follows:
  • a cutoff frequency f1 between fundamental oscillation (LGS) and harmonic depends on the resonance frequency of the mechanical construction of the tamping unit 1 and is determined by the course of the power density spectrum (PSD).
  • the evaluation of an acceleration signal is described below.
  • the individual measured variables for the auxiliary travel of the compacting tools 7 and their additional time are divided into several temporal sections.
  • the characteristic values for LGS and OSG are determined for the front and rear compacting tool 7 with respect to a working direction of a tamping machine.
  • the compacting operation or the auxiliary movement of the compacting tools 7 can advantageously be terminated immediately as soon as the characteristic value OSG has reached a preset size.
  • To determine an apparent power is a drive power of the eccentric 10. This is detected by the pressure curve metrologically and subtracted the reactive power of the Beistellantriebe 9, since the power is lost at this point.
  • ballast force is determined by means of the measured acceleration of the compaction tool 7. This is an indication of gravel compaction.
  • the working process ballast compaction can be divided into the following sections: immersion, addition and start-up of the compacting tool 7. The actual compaction process takes place during the addition.
  • the measured value representative of the active power can be obtained in various ways.
  • the drive power can be measured via the torque and the rotational speed of the eccentric drive 10 and the reactive power consumed in the system itself can be subtracted therefrom.
  • auxiliary drives 9 which also serves as a force-limiting overload protection in the system. If the force limit is active, more reactive power is consumed.
  • the reactive power can be done by measuring the power in the auxiliary drive 9. For this purpose, the resulting cylinder force and the speed that covers the piston rod relative to the Beistellantrieb 9, needed.
  • the resulting cylinder force can be done by two pressure sensors in the auxiliary drive 9.
  • a transducer in the hydraulic cylinder can be used for the determi- Speed can be used by differentiating the path once.
  • the reactive power of the auxiliary cylinder is determined by multiplying the measured pressures by the corresponding areas and the speed (differentiated path).
  • the total reactive power can be determined during commissioning as a function of speed, supply pressure and apparent power and stored in a multi-dimensional table in the computer. As a result, only the determination of the torque and the rotational speed is necessary for determining an impact force of the system.
  • the power introduced into the ballast 3 can thus be calculated as follows:
  • the braking torque or torque loss can be determined via special test scenarios.
  • the power that is transmitted to the ballast 3 is known at this point.
  • the size of the compression force which is an indication of the generated compaction quality, depends on the accelerations on the compacting tool 7.
  • a replacement model of the corresponding implement in the case of a tamping machine of the compacting tool 7, is necessary:
  • Fhydr (see Fig. 2) can either be measured online (by the two chambers of the Beistellantriebes 9 are equipped with pressure sensors), or calculated on the drive power of the eccentric drive 10. The acceleration a p is detected metrologically.
  • the speed traveled and the path of the compacting tool 7 is necessary.
  • the acceleration signal is integrated once and twice for the route.
  • the energy flowing into the ballast 3 during compression by the tamping plow 7 can be described as follows:
  • the energy determined in this way describes the energy absorption of the ballast 3 during the compaction process and gives a measure of the respective degree of compaction. If the energy input converges to a certain value, the ballast 3 can no longer be compressed.
  • the impressed energy is normalized to the Stopfpickel Structure and in-use compacting tools 7 as follows.
  • ballast 3 absorbs no more energy and the physical behavior is like a stiffness and is used as a track ballast E-module.
  • the stiffness which corresponds to the slope in a force-displacement diagram, indicates the elastic behavior of the ballast 3.
  • the determination of the modulus of elasticity for the ballast 3 is calculated by means of a linear regression line with minimization of the root mean square.

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Abstract

Unterhalb von Schwellen eines Gleises befindlicher Schotter (3) wird durch Eintauchen und Beistellen von in Schwingungen versetzten Verdichtwerkzeugen (7) verdichtet. Die während des Verdichtvorganges in den Schotter (3) eingeleiteten Schwingungen werden als Maß für die Schotterverdichtung registriert. Damit ist auch bei unterschiedlichen Schottereigenschaften ein homogen verdichtetes Gleis erzielbar.

Description

Verfahren zur Verdichtung der Schotterbettung eines Gleises sowie Stopfaggregat
[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung der Schotterbettung eines Gleises durch ein in Schwingungen versetztes Verdichtwerkzeug, sowie ein Stopfaggregat zum Verdichten von Schotter.
[02] Gemäß AT 513 973 B1 ist ein Stopfaggregat zum Verdichten von Schotter eines Gleises bekannt. Dabei wird die Position eines Verdichtwerkzeuge beistellenden Beistellzylinders mittels Wegaufnehmer erfasst. Die Ansteuerung der Beistellzylinder erfolgt durch einen Wegsensor. Zur Erzielung einer optimalen Schotterverdichtung wird die Schwingungsamplitude und die Schwingungsfrequenz der Verdichtwerkzeuge in Abhängigkeit von der Beistelllage verändert.
[03] Durch AT 515 801 B1 wird eine Qualitätsziffer für die Schotterhärte beschrieben. Dabei wird die Beistellkraft eines Beistellzylinders in Abhängigkeit eines Beistellweges dargestellt und über den Energieverbrauch eine Kennziffer definiert. Demnach wird durch diese Kennziffer die über den Beistellzylinder dem Schotter zugeführte Energie betrachtet. Auf diese Weise wird jedoch die Energie, die im System verloren geht, nicht berücksichtigt.
[04] Ein Großteil der Energie wird jedoch für das Beschleunigen und Abbremsen des Verdichtwerkzeuges verwendet. Dadurch entsteht eine Abhängigkeit von der zum Quadrat eingehenden Massenträgheit und Frequenz des schwingenden Verdichtwerkzeuges. Folglich ist die genannte Kennziffer in erster Linie abhängig von der konstruktiven Ausführung des Verdichtwerkzeuges. Eine Vergleichbarkeit mit anderen Verdichtwerkzeugen ist damit nicht möglich. Wesentlicher Nachteil ist, dass die Kennziffer keine Aussage in bezug auf den Verdichtungsgrad des Schotter zulässt. Genaugenommen erlangt man nur eine Kennzahl für ein bestimmtes Verdichtwerkzeug.
[05] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem eine verbesserte Erkennbarkeit der durch die Verdichtwerkzeuge erzielbaren Schotterverdichtung möglich ist.
[06] Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt auch in der Schaffung eines in Schwingungen versetzbare Verdichtwerkzeuge aufweisenden Stopfaggregates, das eine gleichmäßige Schotterverdichtung ermöglicht.
[07] Die auf ein Verfahren bezugnehmende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die während des Verdichtvorganges in den Schotter eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert werden.
[08] Durch die Erfindungsmerkmale ist - unter vorteilhaftem Ausschluss von konstruktiven Energieverlusten - eine Registrierung der direkt in den Schotter übertragenen Energie und damit eine aussagekräftige Kennzahl für das Erzielen einer optimalen Schotterverdichtung mög- lieh. Damit kann die maximal mögliche dynamische Beistellkraft knapp unterhalb eines Grenzwertes gefunden werden. Folglich wird der Schotter nicht durch übermäßiges Verdichten zerstört und ein sehr nachteiliges seitliches Abfließen in Schwellenlängsrichtung zuverlässig ausgeschlossen. Durch die Erfassung geeigneter Prozessdaten kann die für die angestrebte Verdichtung notwendige Beistellzeit und Beistellkraft gezielt dosiert werden.
[09] Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmalen können generell für die Schotterverdichtung geeignete Arbeitsgeräte dahingehend verbessert werden, dass jeweils eine genaue Aussage (bzw. Kennziffer) hinsichtlich des erreichbaren Verdichtungsgrades möglich ist. Damit ist auch bei unterschiedlichen gleisgebundenen Verdichtungs-, Stopf- und Gleisstabilisationsmaschinen ein optimaler Verdichtungszustand erzielbar.
[10] Die weitere, oben genannte und auf ein Stopfaggregat bezug nehmende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass am Stopfhebel und/oder am Verdichtwerkzeug ein mit einer Steuereinheit verbundener Beschleunigungssensor angeordnet ist.
[11] Mit einer derartigen konstruktiv sehr einfach zu verwirklichenden Optimierung eines Stopfaggregates wird der für den Stopfvorgang erforderliche Energieeinsatz auf den angestrebten Verdichtungsgrad des Schotters abgestimmt und damit dessen Verschleiß gesenkt. Mit dieser Erfindung ist eine Automatisierung des Stopfprozesses unter Erzielung einer homogenen Verdichtungsqualität und homogener Schwellenauflager möglich.
[12] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Zeichnungsbeschreibung.
[13] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines zwei zueinander beistellbare Verdichtwerkzeuge aufweisenden Stopfaggregates, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verdichtwerkzeuges und Fig. 3 Beschleunigungssignale.
[14] Ein in Fig. 1 vereinfacht dargestelltes Stopfaggregat 1 zum Unterstopfen von unterhalb eines Gleises 2 befindlichem Schotter 3 einer Schotterbettung besteht im Wesentlichen aus zwei je um eine Schwenkachse 4 verschwenkbaren Stopfhebeln 5. Diese sind an einem unteren Ende 6 jeweils mit einem zum Eindringen in den Schotter 3 vorgesehenen Verdichtwerkzeug bzw. Stopfpickel 7 und an einem oberen Ende 8 mit einem hydraulischen Beistellantrieb 9 verbunden.
[15] Jeder Beistellantrieb 9 ist auf einer durch einen Exzenterantrieb 10 rotierbaren Exzenterwelle 11 gelagert. Damit werden Vibrationsschwingungen erzeugt, die über den Beistellantrieb 9, den Stopfhe- bei 5 und das Verdichtwerkzeug 7 auf den zu verdichtenden Schotter 3 übertragen werden. Am unteren Ende 6 jedes Stopfhebels 5 ist ein mit einer Steuereinheit 12 verbundener Beschleunigungssensor 3 angeordnet. Dieser könnte alternativ aber auch direkt am Verdichtwerkzeug 7 befestigt sein.
[16] In einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausgestaltungsvariante der Erfindung könnte der Beschleunigungssensor auch auf einem als Gleisstabilisator ausgebildeten, das Gleis in Vibrationen versetzenden Verdichtwerkzeug angeordnet sein.
[17] Mit Hilfe des Beschleunigungssensors 13 werden die während des Verdichtvorganges durch die Verdichtwerkzeuge 7 in den Schotter 3 eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert. Dazu werden die direkt am Verdichtwerkzeug 7 wirkenden Beschleunigungskräfte gemessen und als Beschleunigungssignal der Steuereinheit 12 zugeführt.
[18] Als Eingangsgröße in das System zur Ermittlung der Verdichtungsqualität dient die Beschleunigung des schwingenden Verdichtwerkzeuges bzw. Stopfpickels 7. Im Normalfall führt dieser keine harmonische Bewegung aus sondern arbeitet in einem nichtlinearen Betrieb. Es werden die Kräfte auf den Schotter 3 nur in eine Richtung übertragen, es kann zu einem Abheben der Schotterkörner von den Pickelflächen kommen. Dadurch entstehen im Kraftverlauf Sprünge, die das harmonische Beschleunigungssignal verzerren.
[19] Während einer Beistellbewegung kann mit dem Beschleunigungssensor 13 innerhalb eines Zeitintervalls ein maximal möglicher Verdichtungsgrad errechnet werden. Es kann somit die Information gewonnen werden, dass der zwischen den Verdichtwerkzeugen 7 befindliche Schotter 3 noch nicht bis zu einem maximalen, einem bestimmten Wert des Beschleunigungssignals entsprechenden Grad verdichtet wurde. Bedarfsweise kann auch ein weiterer Stopfvorgang eingeleitet werden. In vorteilhafter Weise kann auch dokumentiert werden, dass der Verdichtungsgrad insbesondere während einer längeren Stopfstrecke homogen hergestellt wurde.
[20] Die als Erreger wirksamen Verdichtwerkzeuge 7 bilden mit dem
Schotter 3 als Resonator ein schwingungsfähiges System. Die Resonanz des dynamischen Systems wird durch die Verdichtung verändert, da sich die Ersatzsteifigkeit des Systems ändert. Unter Zuhilfenahme des Frequenzganges des dynamischen Systems kann die Resonanzfrequenz ausgewertet werden. Es wäre auch vorteilhaft die Frequenz dieser Resonanzfrequenz nachzuführen.
[21] Als Grundlage für einen Oberschwingungsgehalt (OSG) und einer Leistung einer Grundschwingung (LGS) dient ein an die Steuereinheit 12 abgegebenes Beschleunigungssignal des Beschleunigungs- sensors 13. Ein Leistungsdichtespektrum bzw. die spektrale Leistungsdichte gibt die Leistung eines Signals bezogen auf die Frequenz in einem infinitesimalen (Grenzwert gegen Null) breiten Frequenzband an.
[22] Die Beschleunigungssignale werden deformiert, sobald eine Last auftritt. Dies wird durch die Berechnung des Leistungsdichtespektrum sichtbar gemacht und im Bereich unter 50Hz für die Leistung der Grundschwingung aufsummiert und über 50 Hz für die Leistung der Oberschwingungen.
[23] Als Maß für die Schotterverdichtung wird der Oberschwingungsgehalt (OSG) verwendet. Der OSG eines harmonischen sinusförmigen Grundsignals der Beschleunigung wird durch das nichtlineare Verhalten der Rückwirkung (Reflexion) des Schotters beeinflusst. Der Oberschwingungsgehalt wird als dimensionslose Größe bezeichnet und gibt an, in welchem Maße die Leistung der Oberschwingungen die Leistung der sinusförmigen Grundschwingung überlagert.
[24] In Fig. 3 sind die Ergebnisse einer Auswertung der spektralen Leistungsdichte (bzw. PSD, abgeleitet von Power Spectral Density) dargestellt. Die in Fig. 3a ersichtliche Kurve zeigt das Beschleunigungssignal bei unbelastetem Verdichtwerkzeug 7, Fig. 3b und 3c bei mittlerer bzw. hoher Verdichtung (auf der x-Achse ist jeweils die Zeit t, auf der y-Achse die Beschleunigung angegeben). Ein Vergleich zeigt eine deutliche Veränderung der Form der Sinusfunktion. Es nehmen die spektralen Anteile des Beschleunigungssignals im Oberschwingungsbereich zu.
[25] Der Verlauf der spektralen Leistungsdichte der drei vorgestellten Beschleunigungssignale ist in Fig. 3d (x-Achse entspricht der Frequenz Hz, die y-Achse dem Leistungsdichtespektrum W/Hz) dargestellt. Bei der in voller Linie dargestellten Kurve sind die Hauptfrequenzanteile bei 35 Hz. Bei der strichliert gekennzeichneten Kurve kommen mehrere höhere Frequenzanteile und bei der strich-punktiert dargestellten Kurve noch mehr höhere Frequenzanteile dazu. Diese höheren Frequenzanteile sind für die Verformung des ursprünglich sinusförmigen Beschleunigungssignals verantwortlich.
[26] Für die Ermittlung der spektralen Leistungsdichte werden zeitlich begrenzte Anteile des Beschleunigungssignals ausgewählt und einer Berechnungsroutine für das Leistungsdichtespektrum zugeführt. Dadurch wird das Leistungsdichtespektrum im Frequenzband von 5 bis 300 Hz berechnet.
[27] Das Leistungsdichtespektrum liegt dann als Funktion über die Frequenz vor: Sxx = F (2* TT · f)
[28] Die Ermittlung der Leistung erfolgt, indem die spektrale Leistungsdichte über dem gewünschten Frequenzbereich integriert wird. Es werden die Leistung der Grundschwingung (LGS) und der Oberschwingungsgehalt (OSG) folgendermaßen ermittelt:
[31] Durch Division der Leistung der Oberschwingung durch die Leistung der Grundschwingung (LGS) wird der Oberschwingungsgehalt (OSG), der mit der vorhandenen Verdichtung im Schotter 3 korreliert, ermittelt. Diese Kennzahl (OSG) gibt an, wie groß der Leistungsanteil der Oberschwingungen im gesamten Beschleunigungssignal ist.
[32] Eine zwischen Grundschwingung (LGS) und Oberschwingung gelegene Grenzfrequenz f1 ist abhängig von der Resonanzfrequenz der mechanischen Konstruktion des Stopfaggregates 1 und wird durch den Verlauf der Leistungsdichtespektrum (PSD) ermittelt.
[33] Im Folgenden wird die Auswertung eines Beschleunigungssignals beschrieben. Die einzelnen Messgrößen für den Beistellweg der Verdichtwerkzeuge 7 und deren Beistellzeit werden in mehrere zeitliche Abschnitte aufgeteilt. Für die einzelnen Abschnitte werden die Kennwerte für LGS und OSG für das bezüglich einer Arbeitsrichtung einer Stopfmaschine vordere und hintere Verdichtwerkzeug 7 ermittelt. Der Verdichtvorgang bzw. die Beistellbewegung der Verdicht- werkzeuge7 kann in vorteilhafter Weise sofort beendet werden, sobald der Kennwert OSG eine voreingestellte Größe erreicht hat. [34] Zur Ermittlung einer Scheinleistung dient eine Antriebsleistung des Exzenterantriebes 10. Diese wird durch dessen Druckverlauf messtechnisch erfasst und die Blindleistung der Beistellantriebe 9 abgezogen, da die Leistung an dieser Stelle verlorengeht.
[35] Eine Wirkleistung ist für die Berechnung von Beistellkräften der Verdichtwerkzeuge 7 notwendig. Des Weiteren wird mittels der gemessenen Beschleunigung des Verdichtungswerkzeuges 7 die Schotterkraft ermittelt. Diese ist ein Indiz für die Schotterverdichtung. Grundsätzlich kann der Arbeitsprozess Schotterverdichten in folgende Abschnitte unterteilt werden: Eintauchen, Beistellen und Hochfahren des Verdichtwerkzeuges 7. Der eigentliche Verdichtungsvorgang erfolgt während des Beistellens.
[36] Während der Beistellbewegung der Verdichtwerkzeuge 7 wird das
Korngerüst des Schotters 3 umgelagert. Damit wird Verdichtungsenergie vom Verdichtwerkzeug 7 auf den Schotter 3 übertragen. Durch die im Schotter 3 aufgenommene Energie erfolgt die Umlage- rung des Korngerüstes und dies führt in weiterer Folge zu einer Verringerung des Porenvolumens. Ist die Schotterbewegung unterhalb der Schwelle abgeschlossen, wird die Energieaufnahme des Schotters 3 reduziert. Daraufhin werden die eingebrachten Kräfte des Verdichtwerkzeuges 7 mehr reflektiert bzw. wird das gegenüberliegende Verdichtwerkzeug 7 stärker abgebremst. Die Steifigkeit des Schotters 3 steigt mit zunehmender Verdichtung und die Anteile, in denen Energie im Schotter 3 aufgenommen wird (Dämpfung), sinken. Daraus resultiert eine größere Reaktionskraft auf eine einwirkende Kraft der Verdichtwerkzeuge 7. Ist somit eine gute Verdichtung des Schotters erreicht, kann eine erhöhte Leistungsaufnahme des Verdichtwerkzeuges 7 beobachtet werden.
[37] Der für die Wirkleistung (die Leistung, die vom Schotter aufgenommen wird) repräsentative Messwert kann in verschiedener Weise gewonnen werden. Beispielsweise kann die Antriebsleistung über das Drehmoment und die Drehzahl des Exzenterantriebes 10 gemessen und hiervon die im System selbst verbrauchte Blindleistung abgezogen werden.
[38] Blindleistung entsteht einerseits durch interne Reibungsverluste und
Strömungsverluste im Hydrauliksystem sowie auch innerhalb der Beistellantriebe 9, die auch als kraftbegrenzende Überlastsicherung im System dient. Ist die Kraftbegrenzung aktiv, wird mehr Blindleistung verbraucht. Die Blindleistung kann durch eine Messung der Leistung im Beistellantrieb 9 erfolgen. Dazu werden die resultierende Zylinderkraft sowie die Geschwindigkeit, die die Kolbenstange gegenüber dem Beistellantrieb 9 zurücklegt, benötigt. Die resultierende Zylinderkraft kann durch zwei Drucksensoren im Beistellantrieb 9 erfolgen. Ein Wegaufnehmer im Hydraulikzylinder kann für die Ermitt- lung der Geschwindigkeit durch einmaliges Differenzieren des Weges herangezogen werden.
[39] Die Ermittlung der Blindleistung des Beistellzylinders erfolgt durch Multiplikation der gemessenen Drücke mit den korrespondierenden Flächen und der Geschwindigkeit (Differenzierter Weg).
ύχ
[40] Ffyar = (pA * AA - pB * Aß Bbeist = *—
[41] Die Blindleistung des Beistellantriebes 9 ist auch vom gewählten
Beistelldruck abhängig. Die gesamte Blindleistung kann während der Inbetriebnahme in Abhängigkeit von Drehzahl, Beistelldruck und der Scheinleistung ermittelt werden und in einer mehrdimensionalen Tabelle in dem Rechner hinterlegt werden. Dadurch ist für die Ermittlung einer Schlagkraft des Systems nur die Ermittlung des Drehmomentes und der Drehzahl notwendig. Die in den Schotter 3 eingebrachte Leistung kann somit wie folgt berechnet werden:
[42] PSC/totter = ML * 2 * n * nan - Bbeist
[43] Bei hydraulisch angetriebenen Verdichtungsgeräten kann es zweckmäßig sein, den Hydraulikdruck des Exzenterantriebes 10 für die Berechnung des Drehmomentes bzw. als Messgröße zu verwenden.
[44] Während der Erstinbetriebnahme eines Verdichtwerkzeuges 7 kann über spezielle Testszenarien das Bremsmoment bzw. Verlustmoment ermittelt werden. Die Leistung, die auf den Schotter 3 übertragen wird, ist an dieser Stelle bekannt. Die Größe der Verdichtungs- kraft, die ein Indiz für die erzeugte Verdichtungsgüte ist, hängt von den Beschleunigungen am Verdichtwerkzeug 7 ab. Für die Berechnung der Schotterkraft ist ein Ersatzmodell des entsprechenden Arbeitsgerätes, im Falle einer Stopfmaschine des Verdichtwerkzeuges 7, notwendig:
Die dynamische Bewegungsgleichung des Stopfhebels bzw. Pickelarmes 5 kann durch folgendes Momentengleichgewicht dargestellt werden:
Ipickelarm * ~~ = ^hydr * Γχ— ^scAotter * r2
•a
Fhydr (s. Fig. 2) kann entweder online gemessen (indem die beiden Kammern des Beistellantriebes 9 mit Drucksensoren bestückt werden), oder auch über die Antriebsleistung des Exzenterantriebes 10 errechnet werden. Die Beschleunigung ap wird messtechnisch er- fasst.
Für den nächsten Berechnungsschritt ist die zurückgelegte Geschwindigkeit und der Weg des Verdichtwerkzeuges 7 notwendig. Für die Geschwindigkeit wird das Beschleunigungssignal einmal und für den Weg zweimal integriert.
Die während der Verdichtung durch den Stopfpickel 7 in den Schotter 3 einfließende Energie kann folgendermaßen beschrieben werden:
Epickel ) * dt [51] Die auf diese Weise ermittelte Energie beschreibt die Energieaufnahme des Schotters 3 während des Verdichtungsprozesses und gibt ein Maß für den jeweiligen Verdichtungsgrad an. Konvergiert der Energieeintrag gegen einen bestimmten Wert, kann der Schotter 3 nicht mehr weiter verdichtet werden. Um den Verdichtungsgrad bei verschiedenen Typen von Verdichtwerkzeugen 7 untereinander vergleichbar zu machen, wird die eingeprägte Energie auf die Stopfpickelfläche und der sich im Einsatz befindlichen Verdichtwerkzeuge 7 folgendermaßen normiert.
[53] Konvergiert der Energieeintrag beim Verdichten gegen Null, so folgt einer Verdichtungskraft eine Verformung nach einer linearen Federkennlinie. Der Schotter 3 nimmt keine Energie mehr auf und das physikalische Verhalten ist wie bei einer Steifigkeit und wird als Gleisschotter E-modul verwendet.
[54] Die Steifigkeit, dies entspricht der Steigung in einem Kraft-Weg- Diagramm, gibt das elastische Verhalten des Schotters 3 an. Die Ermittlung des E-Moduls für den Schotter 3 wird mittels linearer Regressionsgerade mit Minimierung der quadratischen Mittel berechnet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Verdichtung der Schotterbettung eines Gleises durch ein in Schwingungen versetztes Verdichtwerkzeug (7), dadurch gekennzeichnet, dass die während des Verdichtvorganges in den Schotter eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Verdichtwerkzeug (7) wirkende Beschleunigungskräfte gemessen und als Beschleunigungssignal einer Steuereinheit (12) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einer optimalen Schotterverdichtung entsprechende Beschleunigungssignal durch Berechnung der spektralen Leistungsdichte (PSD) als Verdichtsollwert ermittelt und der Verdichtvorgang mit Erreichen des Verdichtsollwertes automatisch beendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der spektralen Leistungsdichte (PSD) zeitlich begrenzte Abschnitte des Beschleunigungssignals ausgewählt und einer Berechnungsroutine für ein Leistungsdichtespektrum zugeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsdichtespektrum im Frequenzband von etwa 5 bis etwa 300 Hz berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer mechanischen Konstruktion des Verdichtwerkzeuges () abhängige Grenzfrequenz f1 zwischen einer Grundschwingung (GS) und einer Oberschwingung (OS) des Beschleunigungssignals ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung der Grundschwingung (LGS) und der Oberschwingung (LOS) durch Integration der spektralen Leistungsdichte (PSD) über einen gewünschten Frequenzbereich berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Division der Leistung der Oberschwingung (LOS) durch die Leistung der Grundschwingung (LGS) ein mit der Verdichtung des Schotters korrelierender Oberschwingungsgehalt (OSG) ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Multiplikation der Leistung der Grundschwingung (LGS) mit einem in Abhängigkeit einer Leerlaufamplitude festgelegten Faktor f eine - einen Rückschluss auf einen Schotterzustand ermöglichende - Aggregatauslastung (SL) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Druckverlauf eines Exzenterantriebes (10) oder eines Beistellantriebes (9) messtechnisch eine Antriebsleistung des Verdichtwerkzeuges (7) er- fasst und diese um die Scheinleistung der Beistellantriebe (9) reduziert wird, wonach eine am Verdichtwerkzeug (7) zur Verdichtung des Schotters (3) zur Verfügung stehende Wirkleistung errechnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Wirkleistung resultierende Verdichtkraft des Verdichtwerkzeuges (Stopfpickelkraft) einer aus der Schotterverdichtung resultierenden Schotter-Reaktionskraft gegenübergestellt und die Beistellbewegung der Verdichtwerkzeuge (7) nach Erreichen eines Grenzwertes automatisch beendet wird.
12. Stopfaggregat zum Verdichten von unterhalb eines Gleises gelegenen Schotter mit um eine Schwenkachse (4) schwenkbaren Stopfhebeln (5), die an einem unteren Ende (6) jeweils mit einem zum Eindringen in den Schotter (3) vorgesehenen Verdichtwerkzeug (7) und an einem oberen Ende (8) mit einem Beistellantrieb (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Stopfhebel (5) und/oder am Verdichtwerkzeug (7) ein mit einer Steuereinheit (12) verbundener Beschleunigungssensor (13) angeordnet ist.
13. Stopfaggregat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (13) am unteren Ende des Stopfhebels (5) angeordnet ist.
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