EP3728736B1 - Verfahren zum betreiben eines stopfaggregats einer gleisbaumaschine sowie stopfvorrichtung zur gleisbettverdichtung und gleisbaumaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines stopfaggregats einer gleisbaumaschine sowie stopfvorrichtung zur gleisbettverdichtung und gleisbaumaschine

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EP3728736B1
EP3728736B1 EP18811471.4A EP18811471A EP3728736B1 EP 3728736 B1 EP3728736 B1 EP 3728736B1 EP 18811471 A EP18811471 A EP 18811471A EP 3728736 B1 EP3728736 B1 EP 3728736B1
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EP
European Patent Office
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tamping
tamping unit
unit
force
ballast
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EP3728736C0 (de
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Thomas Philipp
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Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
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Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
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    • E01B27/00—Placing, renewing, working, cleaning, or taking-up the ballast, with or without concurrent work on the track; Devices therefor; Packing sleepers
    • E01B27/12—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track; Compacting track-carrying ballast
    • E01B27/13—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track
    • E01B27/16—Sleeper-tamping machines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/18—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency wherein the vibrator is actuated by pressure fluid
    • B06B1/183—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency wherein the vibrator is actuated by pressure fluid operating with reciprocating masses
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01B2203/12—Tamping devices
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    • E01B2203/00—Devices for working the railway-superstructure
    • E01B2203/12—Tamping devices
    • E01B2203/127—Tamping devices vibrating the track surface
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B2203/00—Devices for working the railway-superstructure
    • E01B2203/16—Guiding or measuring means, e.g. for alignment, canting, stepwise propagation

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a tamping unit of a track construction machine and furthermore to a tamping device for track bed compaction and a track construction machine.
  • Rail-guided track maintenance machines are used to maintain track beds. These machines are equipped with a tamping device featuring a movable tamping unit for track bed compaction. During operation, the tamping unit is repeatedly moved between a reset position, in which it is disengaged from the track bed, and an engagement position, in which it is engaged with the track bed. This process subjects the tamping unit to high static and dynamic loads. To maintain the functionality of these heavily stressed components, regular, time-consuming, and costly inspections and maintenance are performed.
  • Such tamping units and methods for track bed compaction are, for example, made of WO 2017/129215 A1 , GB 2 451 310 A and WO 2014/102401 A1 known.
  • the invention is based on the objective of creating a method for operating a tamping unit of a track construction machine that increases the performance and economy of the tamping unit.
  • the area between the tamping unit and the track bed, in particular along a The displacement direction of the tamping unit and the ballast force acting on it are essential for the stress on the tamping unit, and this can be precisely determined based on the drive force and acceleration.
  • the tamping unit can be operated efficiently and economically.
  • the tamping unit in particular the at least two tamping picks, the drive unit, and the bearing unit, are subjected to high mechanical stress.
  • the ballast force acting between the tamping unit and the track bed is essential for the stress on the tamping unit.
  • the track construction machine can be designed to be robust and operated efficiently and economically. For example, highly stressed parts can be identified and designed and maintained according to the stress levels.
  • the processing of the track bed can be carried out while ensuring a high ratio between processing speed and energy consumption and taking into account the ballast forces that are essential for wear, in such a way that the expected downtime due to maintenance work is reduced.
  • the performance and cost-effectiveness of the track construction machine can be increased.
  • the tamping unit is moved relative to the track bed at least, and in particular exclusively, in a vertical direction.
  • the movement of the tamping unit preferably occurs between the return position and the engagement position.
  • the tamping unit In the return position, the tamping unit is raised and out of engagement with the track bed.
  • the tamping unit can be arranged vertically in the return position such that it is positioned completely above railway sleepers and/or rails.
  • the tamping unit has at least two, and in particular at least four, tamping picks.
  • the engagement position the tamping unit, and in particular the at least two tamping picks, are inserted into the track bed.
  • the tamping unit comes into contact with the track bed at the delivery position, which is located between the delivery position and the engagement position. Track bed compaction can occur during the movement from the delivery position to the engagement position.
  • the driving force acting on the tamping unit and required for its movement is determined.
  • the driving force is defined as the force required to move the tamping unit between its return position and its engagement position, particularly in the vertical direction.
  • the driving force can be measured, for example, using a force sensor.
  • the driving force can be measured at the tamping unit and/or at the unit carrier and/or at a drive device acting between the tamping unit and the unit carrier.
  • An acceleration sensor can be used to determine the acceleration acting on the tamping unit.
  • the acceleration can be measured at the tamping unit and/or at the drive unit.
  • the ballast force is determined based on the driving force and the acceleration.
  • Ballast force is defined as the force acting between the track bed and the tamping unit, particularly the at least two tamping picks, and is oriented along the displacement between the return position and the engagement position, especially in the vertical direction.
  • a method according to claim 2 ensures the increased performance and cost-effectiveness of the track construction machine.
  • the position of the tamping unit can be detected with exceptional reliability and robustness. Position sensors used to move the tamping unit can be employed, thus eliminating the need for additional sensors. Acceleration detection is therefore particularly economical.
  • the position can be detected at the drive unit. Alternatively, the position can be detected at a bearing assembly by which the tamping unit is mounted relative to the unit carrier.
  • the position can be detected by means of a Position sensors, in particular displacement or rotary encoders, in the form of potentiometers, Hall sensors, or cable length encoders, are used to detect the position.
  • the position's progression can be differentiated according to time using an evaluation unit, or the change in position can be determined over a discrete time step.
  • the acceleration is determined as the change in velocity over time.
  • the position, and thus the acceleration is detected relative to the assembly carrier. Taking the acceleration due to gravity into account, the absolute acceleration of the tamping unit can be determined.
  • a method according to claim 3 ensures the increased performance and efficiency of the track laying machine.
  • the ballast force can be determined with particular accuracy.
  • the mass of the tamping unit can be weighed before installation in the track laying machine or while installed on the machine. Alternatively, the mass of the tamping unit in the return position can be determined by measuring the drive force. In the unaccelerated state, the weight force, and thus the mass of the tamping unit, can be determined based on the drive force.
  • a method according to claim 4 ensures the increased performance and cost-effectiveness of the track construction machine.
  • the fluidically actuated drive unit is robust in operation and ensures the provision of the power necessary for processing the track bed. Determining the drive force by sensing at least one fluid pressure acting on the drive unit can be particularly robust. By using pressure sensors necessary for pressure control, the tamping unit can be manufactured particularly economically by avoiding redundancies.
  • the drive unit preferably has at least one hydraulic cylinder and/or at least one pneumatic cylinder.
  • a piston guided within the respective cylinder is connected to a piston rod and has a piston ring surface facing the piston rod and a piston ring surface facing the cylinder. opposite piston surface.
  • the fluid pressure is detected by detecting a piston pressure acting on the piston surface and/or a piston ring pressure acting on the piston ring surface.
  • a method according to claim 5 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the ballast force acting on the tamping unit varies considerably.
  • changes in the ballast force can be taken into account.
  • the stress on the tamping unit is determined over at least one tamping cycle.
  • a tamping cycle comprises moving the tamping unit from the return position to the engagement position and back from the engagement position to the return position.
  • the stress on the tamping unit can also be determined over the entire operating time of the tamping unit.
  • the stress on the tamping unit in particular on the at least two tamping picks, is determined at least over the duration of one tamping cycle, in particular over several tamping cycles, and in particular over the entire operating time.
  • the time course of the ballast force also allows conclusions to be drawn about the dynamic stress on the tamping unit. Knowledge of dynamic stress allows maintenance cycles to be optimized and maintenance effort to be reduced.
  • a method according to claim 6 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the ballast force varies within and between different tamping cycles. It has been recognized that the ballast force amplitudes, i.e., the amplitudes of the changing ballast force, are of crucial importance for the stress on the tamping unit.
  • the temporal profile of the ballast force between a first and a second measuring point can be recorded, wherein the ballast force is the same at both the first and second measuring points, and wherein the second measuring point is defined by the The ballast force is determined when this value is first reached again.
  • the ballast force amplitude is calculated as the difference between the maximum and minimum ballast force values at the first and second measuring points.
  • a method according to claim 7 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the cumulative frequency of the ballast force amplitudes is determined.
  • the range of occurring ballast force amplitudes is first divided into ballast force amplitude segments.
  • the frequency of the ballast force amplitude occurring within each ballast force amplitude segment can be counted.
  • the load spectrum thus provides information about the magnitude and frequency of the alternating stress acting on the tamping unit. The load spectrum is therefore particularly suitable for evaluating the dynamic stress acting on the tamping unit.
  • a method according to claim 8 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the ballast work is transferred between the tamping unit and the track bed.
  • the ballast work correlates with the stress on the tamping unit.
  • the stress on the tamping unit can be determined particularly efficiently using the ballast work.
  • the ballast force and the position can each be determined after specific time steps. Subsequently, the change in position over this time step can be multiplied by the ballast force, in particular the average ballast force over this time step. Alternatively, the ballast force can also be integrated with respect to the position.
  • a method according to claim 9 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the stress acting on the tamping unit can be compared with a maximum permissible stress. Based on the wear condition, a prediction can be made as to how long the tamping unit can continue to operate. This can be done before a failure occurs, especially before individual parts of the tamping unit fail.
  • the wear condition can also indicate the need for maintenance work, particularly the replacement of the tamping unit. Knowing the wear condition allows the track construction machine, especially the tamping unit, to be operated for a longer period, thus reducing downtime and lowering maintenance costs.
  • a method according to claim 10 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • Adjusting at least one process parameter for controlling the tamping unit based on the load allows for influencing the load on the tamping unit.
  • Suitable process parameters include, for example, the frequency and/or amplitude of the vibration and/or displacement component transmitted to the at least one tamping pick, the positioning speed of the tamping unit between the return position and the engagement position, the acceleration of the tamping unit, and the fluid pressure acting on the drive unit.
  • this allows the at least one process parameter to be adjusted depending on the track bed being worked and the load resulting from the condition of the respective track bed.
  • energy consumption and processing speed can thus be optimized taking into account the load acting on the tamping unit.
  • a method according to claim 11 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • at least one process parameter By changing at least one process parameter when a stress threshold is exceeded, both overstressing of the tamping unit and insufficient processing speed of the track bed can be counteracted.
  • the at least one process parameter is reduced when an upper threshold is exceeded in such a way that the stress on the tamping unit decreases. If a lower threshold is undershot, at least one process parameter can be changed in such a way that the stress increases.
  • a difference between the upper and lower threshold values ensures that at least one process parameter is not subject to constant change.
  • a method according to claim 12 ensures the increased performance and efficiency of the track construction machine.
  • the stress limit can be a static and/or dynamic, in particular experimentally determined, strength value of the tamping unit, especially of individual parts of the tamping unit.
  • the at least one process parameter can be changed continuously based on the stress, or the change can be made in discrete steps.
  • the vibration frequency of the at least two tamping picks can be continuously varied between 30 Hz and 50 Hz.
  • the vibration frequency is 35 Hz in a first mode and 45 Hz in a second mode.
  • the tamping unit can be operated in the first and second modes, with switching between the first and second modes possible based on the stress.
  • the tamping unit can be operated in more than two operating modes. Each operating mode differs from another operating mode in at least one process parameter.
  • ballast force and/or the stress can also be used to optimize the tamping unit, in particular its kinematics, bearings, materials, and/or design.
  • the invention is further based on the objective of creating a tamping device for track bed compaction that has increased performance and economy.
  • the tamping unit is mounted on the unit carrier so as to be slidably vertically.
  • the drive unit can include a hydraulic cylinder.
  • the tamping unit preferably comprises at least two, in particular at least four, tamping picks.
  • the drive force sensor system can include at least one pressure sensor and/or at least one force sensor.
  • the acceleration sensor system can include at least one velocity sensor and/or at least one position sensor and/or at least one acceleration sensor.
  • the position sensor can be designed as a non-contact sensor.
  • the position sensor can be arranged between the tamping unit and the unit carrier, in particular on the drive unit.
  • the at least one position sensor is designed as a potentiometer and/or as a Hall sensor and/or as a cable length sensor.
  • the invention is further based on the objective of creating a track construction machine with a tamping device that has increased performance and economy.
  • a track construction machine 1 comprises a machine frame 2, at least two axles 3 mounted on the machine frame 2, a machine drive 4, and a tamping device 5 for track bed compaction.
  • the axles 3 are arranged at different angles to each other along a horizontal x-direction on the track construction machine 1.
  • Rail-guided wheels 6 are rotatably mounted on the axles 3.
  • the machine drive 2 is designed to rotate the wheels 6 of at least one of the axles 3.
  • the tamping device 5 has an aggregate carrier 7 and a tamping unit 8 mounted in the z-direction relative to it.
  • the tamping unit 8 comprises four tamping picks 8a and a compaction drive 8b.
  • the tamping picks 8a are each attached to a tamping pick carrier 8c and rotatably mounted about a carrier axis 8d via this carrier.
  • the compaction drive 8b allows the tamping pick carriers 8c to be rotated about the respective carrier axis 8d.
  • the tamping device 5 is attached to the machine frame 2 via the aggregate carrier 7.
  • the tamping unit 8 is movable relative to the aggregate carrier 7.
  • a linear bearing 10 is provided between the aggregate carrier 7 and the tamping unit 8.
  • the linear bearing 10 has bearing rails 11 attached to the aggregate carrier 7 and bearing sleeves 12 connected to the tamping unit 8.
  • the tamping device 5 further comprises a drive unit 9.
  • the drive unit 9 includes a hydraulic cylinder 13.
  • the hydraulic cylinder 13 acts between the unit carrier 7 and the tamping unit 8.
  • a hydraulic piston 14 with a piston rod 15 attached to it is linearly displaceable within the hydraulic cylinder 13.
  • the hydraulic piston 14 has a piston ring surface A KR facing the piston rod 15 and a piston surface A K facing away from the piston rod 15.
  • a piston pressure p K of a hydraulic fluid located in the hydraulic cylinder 13 acts on the piston surface A K.
  • a piston ring pressure p KR of the hydraulic fluid acts on the piston ring surface A KR .
  • the piston pressure p K acting on the piston surface A K and the piston ring pressure p KR acting on the piston ring surface A KR result in a total drive force F A transmitted via the piston rod 15 to the tamping unit 8.
  • the stuffing device 5 has a drive force sensor system for detecting a first measured quantity pK , pKR , FA corresponding to the drive force FA .
  • the drive force sensor system comprises a piston pressure sensor 16 for detecting the piston pressure pK and a piston ring pressure sensor 17 for detecting the piston ring pressure pKR . From the piston pressure pK acting on the piston area AK and from the piston ring pressure pKR acting on the piston ring area AKR , the total drive force FA acting on the stuffing unit 8 via the piston rod 15 can be deduced.
  • the tamping device 5 has an acceleration sensor for detecting a second measured quantity corresponding to the acceleration az of the tamping unit 8, namely the position z and/or the velocity vz .
  • the acceleration sensor is designed in the form of a displacement sensor 18.
  • the displacement sensor 18 is attached to the unit carrier 7 and to the tamping unit 8.
  • the displacement sensor 18 is designed to detect the position z and the velocity vz of the tamping unit 8 relative to the unit carrier 7 in the z-direction.
  • the tamping device 5 includes an evaluation unit 19.
  • the evaluation unit 19 is in signal communication with the piston pressure sensor 16, the piston ring pressure sensor 17, and the displacement sensor 18.
  • the evaluation unit 19 is also in signal communication with a pressure regulator 20.
  • the pressure regulator 20 is designed to control the piston pressure p ⁇ sub> K ⁇ /sub> and the piston ring pressure p ⁇ sub> KR ⁇ /sub> to specific setpoint values.
  • the respective setpoint values for the piston pressure p ⁇ sub> K ⁇ /sub> and the piston ring pressure p ⁇ sub> KR ⁇ /sub> can be preset by the evaluation unit 19.
  • the track construction machine 1 is moved along a track 22 in the x-direction by means of the machine drive 4.
  • a central axis 23 of the tamping device 5 is positioned centrally above a railway sleeper 24 arranged on the track bed 21 and supporting the tracks 22.
  • the tamping unit 8 is in a reset position 25.
  • the bearing sleeve 12 is located at one upper end of the linear bearing 10, and the piston rod 15 is largely immersed in the hydraulic piston 14.
  • the tamping picks 8a attached to the tamping unit 8 are out of engagement with the track bed 21.
  • the piston area A K is subjected to the piston pressure p K, and the piston ring area A KR is subjected to the piston ring pressure p KR .
  • the Evaluation unit 19 determines the drive force F A acting on the stuffing unit 8 by the hydraulic piston 14.
  • the 9 is actuated. This increases the piston pressure pK and decreases the piston ring pressure pKR .
  • the driving force FA acting on the tamping unit 8 via the piston rod 15 is increased in the opposite direction to the z-direction.
  • the driving force FA results in the acceleration az acting on the tamping unit 8, which is oriented in the opposite direction to the z-direction and leads to an increasing velocity vz of the tamping unit 8 in the direction of the track bed 21.
  • the tamping unit 8 is displaced in the opposite direction to the z-direction.
  • Opposing the driving force FA is the inertial force FT, which is of equal magnitude.
  • the ballast force FS is zero before the tamping picks 8a make contact with the track bed 21.
  • the tamping picks 8a engage with the track bed 21.
  • the partial ballast forces F ⁇ sub> S1 ⁇ /sub>, F ⁇ sub>S2 ⁇ /sub>, F ⁇ sub> S3 ⁇ /sub>, and F ⁇ sub>S4 ⁇ /sub> additionally act on the tamping unit 8 in the z-direction via the four tamping picks 8a.
  • the partial ballast forces F ⁇ sub> S1 ⁇ /sub>, F ⁇ sub>S2 ⁇ /sub> , F ⁇ sub>S3 ⁇ /sub> , and F ⁇ sub>S4 ⁇ /sub> add up to the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> . Due to the displacement between the delivery position and the engagement position 27, the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> is not zero.
  • the curves of the driving force F A , the inertial force F T and the ballast force F S are shown in Fig. 4
  • the movement of the tamping unit 8 over time t for the duration of a tamping cycle is shown in detail.
  • the movement of the tamping unit 8 between the return position 25 and the engagement position 27 takes place during the approach phase 28.
  • the return phase 29 follows the approach phase 28 at a later time interval.
  • the tamping unit 8 is moved from the engagement position 27 via the feed position 26 back to the reset position 25.
  • the drive unit 9 is actuated such that the piston pressure pK is reduced and the piston ring pressure pKR is increased.
  • the hydraulic cylinder 13 thus generates the drive force FA , which is now oriented in the z-direction.
  • the tamping unit 8 is accelerated in the z-direction due to the drive force FA .
  • the acceleration az is oriented in the z-direction and results in an increasing velocity vz in the z-direction and the displacement of the tamping unit 8 in the z-direction.
  • ballast force FS acts on the tamping unit 8.
  • the driving force F A and the equally large and oppositely oriented inertial force F T act on the tamping unit 8, whereby the ballast force F S is zero.
  • the tamping picks 8a are set into vibration by actuating the compression drive 8b.
  • the compression drive 8b drives the tamping pick carrier 8c essentially in a horizontal direction, causing the tamping pick carrier 8c and the attached tamping picks 8a to rotate about their respective carrier axis 8d.
  • the movement of the tamping picks 8a about their respective carrier axis 8d essentially comprises two motion components.
  • a vibration component causes only a small rotational amplitude of the tamping picks 8a about their respective carrier axis 8d, with a vibration frequency f ⁇ sub>S ⁇ /sub> between 35 Hz and 45 Hz.
  • This vibration component acts on the tamping picks 8a throughout the entire tamping cycle.
  • the tamping picks 8a are subjected to a displacement component.
  • the displacement component has a higher rotational amplitude than the vibration component and a displacement frequency of approximately 0.5 Hz.
  • the tamping picks 8a are rotated about their respective support axis 8d such that the tamping picks 8a, which are spaced apart from each other in the x-direction, move towards each other.
  • the displacement component is oriented such that the tamping picks 8a move away from each other again.
  • the application of the displacement component to the tamping picks 8a follows in the displacement phase 30.
  • the compaction of the track bed 21 is achieved through the superimposed application of the vibration component and the displacement component to the tamping picks 8a.
  • the tamping cycle is completed as soon as the tamping unit 8 is back in the return position 25.
  • the track construction machine 1 is moved in the x-direction until the central axis 23 is positioned directly above the nearest sleeper 24 in the x-direction.
  • the tamping cycle is then repeated at this sleeper.
  • the course of the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> over time t is shown for six consecutive tamping cycles in Fig. 5 depicted.
  • the evaluation unit 19 determines the stress on the tamping device 5 based on the temporal profile of the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> .
  • the stress is determined using ballast force amplitudes S ⁇ sub>Fs ⁇ /sub>.
  • the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> is a time-varying, oscillating load.
  • the ballast force amplitude S ⁇ sub> Fs ⁇ /sub> is determined as the difference between a maximum ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> and a minimum ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> within a single oscillation.
  • the cumulative frequency N ⁇ sub> Fs ⁇ /sub> of each ballast force amplitude S ⁇ sub> Fs ⁇ /sub> is determined.
  • a load collective is defined based on the cumulative frequency N ⁇ sub> Fs ⁇ /sub>.
  • the graph shows the ballast force amplitude S ⁇ sub> Fs ⁇ /sub> versus the cumulative frequency N ⁇ sub> Fs ⁇ /sub>.
  • At least one process parameter pK , pKR , fS is set for the operation of the tamping unit 8 by means of the evaluation unit 19.
  • the evaluation unit 19 is in signal communication with the compaction drive 8b for controlling the vibration frequency fS and with the pressure regulator 20 for controlling the piston pressure pK and the piston ring pressure pKR . If a load threshold SW is exceeded, the at least one process parameter pK , pKR , fS is changed. The ballast force Fs is compared with the threshold SW by means of the evaluation unit 19.
  • the at least one process parameter pK , pKR , fS is changed such that the ballast force Fs is reduced; if a lower threshold SW2 is not reached, the at least one process parameter pK , pKR , fS is changed such that the ballast force Fs is increased.
  • the ballast force F S is increased by increasing the vibration frequency f S and by reducing the pressure difference between the The piston pressure p ⁇ sub> K ⁇ /sub> and the piston ring pressure p ⁇ sub> KR ⁇ /sub> are reduced and increased in the opposite way.
  • the process parameters p ⁇ sub>K ⁇ /sub>, p ⁇ sub> KR ⁇ /sub>, and f ⁇ sub>S ⁇ /sub> are modified by the evaluation unit 19 to achieve an optimum between low stress on the tamping device 5 and high processing speed of the track bed 21.
  • ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> can be determined using evaluation unit 19 to ascertain the stress.
  • the ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> is determined from the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> and a change in the position z of the tamping unit 8.
  • the ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> corresponds to the work introduced into the track bed 21 via the tamping picks 8a.
  • the change in position z is recorded over a discrete time period. This change in position z is then multiplied by the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> .
  • the ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> is determined as the sum of the products of the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> and the changes in position z.
  • FIG. 7 The graphs of position z, ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> , and ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> for one tamping cycle are plotted against time t.
  • the ballast work W ⁇ sub> S ⁇ /sub> can also be understood as the area under the curve of the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> versus position z.
  • Determining the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub> by considering the drive force F ⁇ sub> A ⁇ /sub> and additionally the acceleration a ⁇ sub> z ⁇ /sub> is significantly more accurate compared to considering only the drive force F ⁇ sub> A ⁇ /sub> to determine the ballast force F ⁇ sub> S ⁇ /sub>.
  • the stress on the tamping unit 8 can thus be reliably determined, and its wear condition can be reliably ascertained.
  • Adjusting at least one process parameter p ⁇ sub>K ⁇ /sub>, p ⁇ sub> KR ⁇ /sub> , or f ⁇ sub> S ⁇ /sub> as a function of the stress enables the efficient and economical operation of the track construction machine. In particular through optimization, a high processing speed, low energy consumption and reduced stress on the stuffing unit 8 are achieved.

Landscapes

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  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)

Description

    Gebiet der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stopfaggregats einer Gleisbaumaschine und ferner eine Stopfvorrichtung zur Gleisbettverdichtung sowie eine Gleisbaumaschine.
    • Stand der Technik
  • Schienengeführte Gleisbaumaschinen werden zum Instandhalten eines Gleisbetts verwendet. Derartige Gleisbaumaschinen weisen zur Gleisbettverdichtung eine Stopfvorrichtung mit einem verlagerbaren Stopfaggregat auf. Das Stopfaggregat wird im Betrieb wiederholt zwischen einer Rückstellposition, in der das Stopfaggregat außer Eingriff mit dem Gleisbett steht und einer Eingriffsposition, in der das Stopfaggregat in Eingriff mit dem Gleisbett steht, verlagert. Hierbei wirken hohe statische und dynamische Belastungen auf das Stopfaggregat ein. Zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit stark beanspruchter Teile des Stopfaggregats werden regelmäßig zeit- und kostenintensive Kontroll- und Wartungsarbeiten durchgeführt.
  • Derartige Stopfaggregate sowie Verfahren zur Gleisbettverdichtung sind beispielsweise aus WO 2017/129215 A1 , GB 2 451 310 A und WO 2014/102401 A1 bekannt.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Stopfaggregats einer Gleisbaumaschine zu schaffen, das die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit des Stopfaggregats erhöht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die zwischen dem Stopfaggregat und dem Gleisbett, insbesondere entlang einer Verlagerungsrichtung des Stopfaggregats, wirkende Schotterkraft für die Beanspruchung des Stopfaggregats wesentlich ist und dass diese anhand der Antriebskraft und der Beschleunigung exakt bestimmt werden kann. Durch das Bestimmen der auf das Stopfaggregat wirkenden Beanspruchung anhand der Schotterkraft kann das Stopfaggregat effizient und wirtschaftlich betrieben werden. Beim Betrieb der Gleisbaumaschine werden das Stopfaggregat, insbesondere die mindestens zwei Stopfpickel, die Antriebseinrichtung und die Lagereinrichtung, stark mechanisch beansprucht. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die zwischen dem Stopfaggregat und dem Gleisbett wirkende Schotterkraft für die Beanspruchung des Stopfaggregats wesentlich ist. Durch das Auswerten der Beanspruchung anhand der Schotterkraft kann die Gleisbaumaschine robust ausgelegt und effizient und wirtschaftlich betrieben werden. Beispielsweise können stark beanspruchte Teile identifiziert und beanspruchungsgerecht ausgelegt und gewartet werden. Die Bearbeitung des Gleisbetts kann zudem unter Gewährleistung eines hohen Verhältnisses zwischen einer Bearbeitungsgeschwindigkeit und eines Energieverbrauchs und unter Berücksichtigung der für den Verschleiß wesentlichen Schotterkräfte derart erfolgen, dass die zu erwartender Stillstandszeiten durch Wartungsarbeiten reduziert sind. Durch das Bestimmen und Auswerten der Beanspruchung anhand der Schotterkraft können somit die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine gesteigert werden.
  • Das Verlagern des Stopfaggregats relativ zu dem Gleisbett erfolgt zumindest, insbesondere ausschließlich, in vertikaler Richtung. Das Verlagern des Stopfaggregats erfolgt vorzugsweise zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition. In der Rückstellposition ist das Stopfaggregat angehoben und steht außer Eingriff mit dem Gleisbett. Insbesondere kann das Stopfaggregat in der Rückstellposition in vertikaler Richtung derart angeordnet sein, dass es vollständig oberhalb von Bahnschwellen und/oder von Gleisen positioniert ist. Vorzugsweise weist das Stopfaggregat mindestens zwei, insbesondere mindestens vier Stopfpickel auf. In der Eingriffsposition taucht das Stopfaggregat, insbesondere die mindestens zwei Stopfpickel, in das Gleisbett ein. In einer zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition angeordneten Zustellposition tritt das Stopfaggregat mit dem Gleisbett in Kontakt. Die Gleisbettverdichtung kann während des Verlagerns von der Zustellposition bis zu der Eingriffsposition erfolgen.
  • Zum Bestimmen der Schotterkraft wird die auf das Stopfaggregat wirkende und zum Verlagern erforderliche Antriebskraft bestimmt. Unter der Antriebskraft wird diejenige Kraft verstanden, die zum Verlagern des Stopfaggregats zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition, insbesondere in vertikaler Richtung, erforderlich ist. Die Antriebskraft kann beispielsweise mittels eines Kraftsensors erfasst werden. Die Antriebskraft kann an dem Stopfaggregat und/oder an dem Aggregatträger und/oder an einer zwischen dem Stopfaggregat und dem Aggregatträger wirkenden Antriebseinrichtung erfasst werden.
  • Zum Ermitteln der auf das Stopfaggregat wirkenden Beschleunigung kann ein Beschleunigungssensors verwendet werden. Die Beschleunigung kann an dem Stopfaggregat und/oder an der Antriebseinrichtung erfasst werden.
  • Die Schotterkraft wird anhand der Antriebskraft und der Beschleunigung bestimmt. Unter der Schotterkraft wird diejenige Kraft verstanden, die zwischen dem Gleisbett und dem Stopfaggregat, insbesondere den mindestens zwei Stopfpickeln, wirkt und entlang der Verlagerung zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition, insbesondere in vertikaler Richtung, orientiert ist. Durch Berücksichtigung sowohl der Antriebskraft als auch der Beschleunigung des Stopfaggregats kann die Schotterkraft trotz der rauen Einsatzbedingungen zuverlässig und genau bestimmt werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 2 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Die Position des Stopfaggregats, insbesondere in vertikaler Richtung, kann besonders zuverlässig und robust erfasst werden. Zum Verlagern des Stopfaggregats verwendete Positionssensoren können verwendet werden, womit die Integration zusätzlicher Sensoren entfällt. Das Erfassen der Beschleunigung ist somit besonders wirtschaftlich. Die Position kann an der Antriebseinrichtung erfasst werden. Die Position kann auch an einer Lagereinrichtung erfasst werden, mittels derer das Stopfaggregat relativ zu dem Aggregatträger gelagert ist. Die Position kann mittels eines Positonssensors, insbesondere eines Weggebers oder eines Drehgebers, in Form eines Potentiometers oder eines Hall-Sensors oder eines Seillängengebers erfasst werden. Zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Position kann der zeitliche Verlauf der Position mittels einer Auswerteeinheit nach der Zeit differenziert oder die Änderung der Position über einen diskreten Zeitschritt bestimmt werden. Aus der zeitlichen Änderung der Position, also der Geschwindigkeit, wird die Beschleunigung als zeitliche Änderung der Geschwindigkeit bestimmt. Vorzugsweise werden die Position und damit die Beschleunigung relativ zu dem Aggregatträger erfasst. Unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung kann die absolute Beschleunigung des Stopfaggregats bestimmt werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 3 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Unter Berücksichtigung der von der Masse abhängigen Trägheitskraft kann die Schotterkraft besonders genau bestimmt werden. Die Masse des Stopfaggregats kann vor dem Einbau in die Gleisbaumaschine oder an der Gleisbaumaschine verbaut gewogen werden. Alternativ kann die Masse des Stopfaggregats in der Rückstellposition durch Erfassen der Antriebskraft bestimmt werden. Im unbeschleunigten Zustand kann die Gewichtskraft und damit die Masse des Stopfaggregats anhand der Antriebskraft bestimmt werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 4 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Die fluidisch betätigte Antriebseinrichtung ist im Betrieb robust und gewährleistet die Bereitstellung der für die Bearbeitung des Gleisbetts notwendigen Leistung. Das Ermitteln der Antriebskraft durch Erfassen mindestens eines auf die Antriebseinrichtung wirkenden Fluiddrucks kann besonders robust erfolgen. Durch Verwendung von für die Druckregelung notwendigen Drucksensoren kann das Stopfaggregat durch Vermeidung von Redundanzen besonders wirtschaftlich hergestellt werden. Die Antriebseinrichtung weist vorzugsweise mindestens einen Hydraulikzylinder und/oder mindestens einen Pneumatikzylinder auf. Ein innerhalb des jeweiligen Zylinders geführter Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden und weist eine der Kolbenstange zugewandte Kolbenringfläche und eine der Kolbenringfläche gegenüberliegende Kolbenfläche auf. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen des Fluiddrucks durch Erfassen eines auf die Kolbenfläche wirkenden Kolbendrucks und/oder eines auf die Kolbenringfläche wirkenden Kolbenringdrucks.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 5 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Beim Verlagern des Stopfaggregats zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition variiert die auf das Stopfaggregat wirkende Schotterkraft erheblich. Durch das Bestimmen der Beanspruchung anhand des zeitlichen Verlaufs der Schotterkraft können Änderungen der Schotterkraft berücksichtigt werden. Vorzugsweise wird die Beanspruchung des Stopfaggregats über mindestens einen Stopfzyklus bestimmt. Ein Stopfzyklus umfasst das Verlagern des Stopfaggregats aus der Rückstellposition in die Eingriffsposition und zurück von der Eingriffsposition in die Rückstellposition. Die Beanspruchung des Stopfaggregats kann auch über die gesamte Betriebsdauer des Stopfaggregats bestimmt werden. Vorzugsweise wird die Beanspruchung des Stopfaggregats, insbesondere der mindestens zwei Stopfpickel, mindestens über die Dauer eines Stopfzyklus, insbesondere über mehrere Stopfzyklen, und insbesondere über die gesamte Betriebsdauer, bestimmt. Neben der statischen Beanspruchung gewährleistet der zeitliche Verlauf der Schotterkraft auch Rückschlüsse auf die dynamische Beanspruchung des Stopfaggregats. Mit Kenntnis der dynamischen Beanspruchung können Wartungszyklen optimiert und der Wartungsaufwand reduziert werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 6 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Abhängig von dem zu bearbeitenden Gleisbett variiert die Schotterkraft innerhalb und zwischen verschiedenen Stopfzyklen. Es wurde erkannt, dass für die Beanspruchung des Stopfaggregats die Schotterkraft-Amplituden, also die Amplituden der wechselnden Schotterkraft, von wesentlicher Bedeutung sind. Zum Bestimmen der Schotterkraft-Amplituden kann der zeitliche Verlauf der Schotterkraft zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt erfasst werden, wobei die Schotterkraft zu dem ersten und zu dem zweiten Messpunkt gleich groß ist und wobei der zweite Messpunkt durch das erstmalige Wiedererreichen dieser Schotterkraft bestimmt ist. Die Schotterkraft-Amplitude wird als Differenz zwischen dem maximalen Schotterkraftwert und dem minimalen Schotterkraftwert zwischen dem ersten und dem zweiten Messpunkt bestimmt.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 7 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Zum Bestimmen des Lastkollektivs wird die Summenhäufigkeit der Schotterkraft-Amplituden ermittelt. Vorzugsweise wird die Bandbreite der auftretenden Schotterkraft-Amplituden zunächst in Schotterkraft-Amplituden-Abschnitte unterteilt. Zum Bestimmen des Lastkollektivs kann die Häufigkeit der auftretenden und in den jeweiligen Schotterkraft-Amplituden-Abschnitt fallenden Schotterkraft-Amplitude gezählt werden. Das Lastkollektiv gibt damit Aufschluss über die Höhe und Häufigkeit der auf das Stopfaggregat wirkenden wechselnden Beanspruchung. Das Lastkollektiv ist somit besonders zur Auswertung der auf das Stopfaggregat wirkenden dynamischen Beanspruchung geeignet.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 8 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Beim Eindringen der mindestens zwei Stopfpickel in das Gleisbett wird zwischen dem Stopfaggregat und dem Gleisbett die Schotterarbeit übertragen. Die Schotterarbeit korreliert mit der Beanspruchung des Stopfaggregats. Mittels der Schotterarbeit kann die Beanspruchung des Stopfaggregats besonders effizient bestimmt werden. Zum Bestimmen der Schotterarbeit können die Schotterkraft und die Position jeweils nach bestimmten Zeitschritten bestimmt werden. Anschließend kann die Änderung der Position über diesen Zeitschritt mit der Schotterkraft, insbesondere der über diesen Zeitschritt mittleren Schotterkraft, multipliziert werden. Alternativ kann die Schotterkraft auch über die Position integriert werden.
  • Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Zum Bestimmen des Verschleißzustands kann die auf das Stopfaggregat wirkende Beanspruchung mit einer maximal zulässigen Beanspruchung verglichen werden. Anhand des Verschleißzustands kann eine Prognose aufgestellt werden, wie lange das Stopfaggregat noch betrieben werden kann, bevor ein Versagen eintritt, insbesondere bevor einzelne Teile des Stopfaggregats versagen. Anhand des Verschleißzustands kann auch auf die Notwendigkeit von Instandhaltungsarbeiten, insbesondere von einem Austausch des Stopfaggregats, geschlossen werden. Mit Kenntnis des Verschleißzustands kann die Gleisbaumaschine, insbesondere das Stopfaggregat, unter Ausschöpfung der tatsächlichen Lebensdauer länger betrieben werden, wodurch Stillstandszeiten reduziert und in Instandhaltungskosten verringert werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 10 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Das Einstellen mindestens eines Prozessparameters zur Steuerung des Stopfaggregats anhand der Beanspruchung gewährleistet eine Einflussnahme auf die Beanspruchung des Stopfaggregats. Als Prozessparameter kommen beispielsweise infrage, eine Frequenz und/oder eine Amplitude der auf den mindestens einen Stopfpickel übertragenen Schwingungs- und/oder der Verlagerungskomponente, eine Stellgeschwindigkeit des Stopfaggregats zwischen der Rückstellposition und der Eingriffsposition, die Beschleunigung des Stopfaggregats und der auf die Antriebseinrichtung wirkende Fluiddruck. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, dass der mindestens eine Prozessparameter in Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Gleisbett und der aus der Beschaffenheit des jeweiligen Gleisbetts resultierenden Beanspruchung eingestellt werden kann. Abhängig von dem Gleisbett können somit der Energieverbrauch und die Bearbeitungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der auf das Stopfaggregat wirkende Beanspruchung optimiert werden.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 11 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Durch Änderung mindestens eines Prozessparameters beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Beanspruchung kann sowohl einer Überbeanspruchung des Stopfaggregats als auch einer zu geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit des Gleisbetts entgegengesteuert werden. Vorzugsweise wird der mindestens eine Prozessparameter bei Überschreiten eines oberen Schwellenwerts derart reduziert, dass die Beanspruchung des Stopfaggregats abnimmt. Bei Unterschreiten eines unteren Schwellenwerts kann der mindestens eine Prozessparameter dahingehend geändert werden, dass die Beanspruchung zunimmt. Vorteilhaft wird durch einen Differenzbetrag zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert erreicht, dass der mindestens eine Prozessparameter nicht einem ständigen Wechsel unterliegt.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 12 gewährleistet die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gleisbaumaschine. Durch das Einstellen des mindestens einen Prozessparameters dahingehend, dass ein Beanspruchungs-Grenzwert nicht überschritten wird, kann ein Versagen des Stopfaggregats, insbesondere der mindestens zwei Stopfpickel, zuverlässig verhindert werden. Der Beanspruchungs-Grenzwert kann ein statischer und/oder dynamischer, insbesondere experimentell ermittelter, Festigkeitswert des Stopfaggregats, insbesondere einzelner Teile des Stopfaggregats, sein. Der mindestens eine Prozessparameter kann anhand der Beanspruchung kontinuierlich geändert werden oder die Änderung kann in diskreten Schritten erfolgen. Beispielsweise kann eine Schwingfrequenz der mindestens zwei Stopfpickel kontinuierlich zwischen 30 Hz und 50 Hz verändert werden. Alternativ beträgt die Schwingfrequenz in einem ersten Modus 35 Hz und in einem zweiten Modus 45 Hz. Das Stopfaggregat kann in dem ersten und in dem zweiten Modus betrieben werden, wobei anhand der Beanspruchung zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus umgeschaltet werden kann. Das Stopfaggregat kann in mehr als zwei Betriebsmodi betreibbar sein. Jeder Betriebsmodus unterscheidet sich von einem anderen Betriebsmodus in mindestens einem Prozessparameter.
  • Anhand der Schotterkraft und/oder der Beanspruchung können unterschiedliche Typen von Stopfaggregaten untereinander verglichen und bewertet werden. Die Schotterkraft und/oder die Beanspruchung können auch zur Optimierung des Stopfaggregats, insbesondere der Kinematik und/oder der Lagerung und/oder der verwendeten Materialien und/oder der konstruktiven Ausgestaltung, verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Stopfvorrichtung zur Gleisbettverdichtung zu schaffen, die eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Stopfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Stopfvorrichtung entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Stopfvorrichtung kann insbesondere mit den Merkmalen mindestens einer der Ansprüche 1 bis 12 weitergebildet werden. Vorzugsweise ist das Stopfaggregat an dem Aggregatträger in vertikaler Richtung verschiebbar gelagert. Die Antriebseinrichtung kann einen Hydraulikzylinder aufweisen. Zum Eingriff in das Gleisbett umfasst das Stopfaggregat vorzugsweise mindestens zwei, insbesondere mindestens vier Stopfpickel. Die Antriebskraft-Sensorik kann mindestens einen Drucksensor und/oder mindestens einen Kraftsensor aufweisen. Die Beschleunigungs-Sensorik kann mindestens einen Geschwindigkeits-Sensor und/oder mindestens einen Positions-Sensor und/oder mindestens einen Beschleunigungs-Sensor aufweisen. Der Positions-Sensor kann als berührungsloser Sensor ausgebildet sein. Der Positions-Sensor kann zwischen dem Stopfaggregat und dem Aggregatträger, insbesondere an der Antriebseinrichtung angeordnet sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine Positions-Sensor als Potentiometer und/oder als Hall-Sensor und/oder als Seillängengeber ausgebildet.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Gleisbaumaschine mit einer Stopfvorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Gleisbaumaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gleisbaumaschine entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Stopfvorrichtung. Die Gleisbaumaschine kann insbesondere mit den Merkmalen mindestens einer der Ansprüche 1 bis 13 weitergebildet werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer schienengeführten Gleisbaumaschine mit einer Stopfvorrichtung zur Gleisbettverdichtung,
    Fig. 2
    eine schematische Vorderansicht der Stopfvorrichtung in Fig. 1, wobei die Stopfvorrichtung ein Stopfaggregat mit vier Stopfpickeln aufweist und wobei die Stopfpickel in Eingriff mit einem Gleisbett stehen,
    Fig. 3
    eine schematische Seitenansicht der Stopfvorrichtung in Fig. 1, wobei eine Antriebskraft, eine Trägheitskraft und eine Schotterkraft auf das Stopfaggregat wirken,
    Fig. 4
    Verläufe der Antriebskraft, der Trägheitskraft und der Schotterkraft über der Zeit und für einen einzelnen Stopfzyklus,
    Fig. 5
    Verlauf der Schotterkraft über der Zeit für sechs Stopfzyklen,
    Fig. 6
    Verlauf erfasster Lastamplituden der Schotterkraft über einer Lastspielzahl und
    Fig. 7
    Verläufe einer Position des Stopfaggregats, der Schotterkraft und einer Schotterarbeit über der Zeit.
    Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Gleisbaumaschine 1 weist einen Maschinenrahmen 2, mindestens zwei an den Maschinenrahmen 2 gelagerte Achsen 3, einen Maschinenantrieb 4 und eine Stopfvorrichtung 5 zur Gleisbettverdichtung auf. Die Achsen 3 sind entlang einer horizontalen x-Richtung zueinander beanstandet an der Gleisbaumaschine 1 angeordnet. Die x-Richtung bildet zusammen mit einer vertikalen z-Richtung und einer horizontalen y-Richtung ein maschinenfestes Koordinatensystem. An den Achsen 3 sind schienenführbare Räder 6 drehbar gelagert. Der Maschinenantrieb 2 ist zum Drehantreiben der Räder 6 mindestens einer der Achsen 3 ausgebildet.
  • Die Stopfvorrichtung 5 weist einen Aggregatträger 7 und ein in z-Richtung relativ zu diesem gelagertes Stopfaggregat 8 auf. Das Stopfaggregat 8 umfasst vier Stopfpickel 8a und einen Verdichtungsantrieb 8b. Die Stopfpickel 8a sind jeweils an einem Stopfpickelträger 8c angebracht und über diesen um eine Trägerachse 8d drehbar gelagert. Mittels des Verdichtungsantriebs 8b sind die Stopfpickelträger 8c um die jeweilige Trägerachse 8d drehantreibbar.
  • Die Stopfvorrichtung 5 ist über den Aggregatträger 7 an dem Maschinenrahmen 2 angebracht. Das Stopfaggregat 8 ist relativ zu dem Aggregatträger 7 verlagerbar. Hierzu ist zwischen dem Aggregatträger 7 und dem Stopfaggregat 8 ein Linearlager 10 ausgebildet. Das Linearlager 10 weist an dem Aggregatträger 7 angebrachte Lagerschienen 11 und mit dem Stopfaggregat 8 verbundene Lagerhülsen 12 auf.
  • Die Stopfvorrichtung 5 weist ferner eine Antriebseinrichtung 9 auf. Die Antriebseinrichtung 9 umfasst einen Hydraulikzylinder 13. Der Hydraulikzylinder 13 wirkt zwischen dem Aggregatträger 7 und dem Stopfaggregat 8. In dem Hydraulikzylinder 13 ist ein Hydraulikkolben 14 mit einer mit einer daran angebrachten Kolbenstange 15 linear verschiebbar gelagert. Der Hydraulikkolben 14 weist eine der Kolbenstange 15 zugewandte Kolbenringfläche AKR sowie eine der Kolbenstange 15 abgewandte Kolbenfläche AK auf. Ein Kolbendruck pK einer in dem Hydraulikzylinder 13 befindlichen Hydraulikflüssigkeit wirkt dabei auf die Kolbenfläche AK. Ein Kolbenringdruck pKR der Hydraulikflüssigkeit wirkt auf die Kolbenringfläche AKR. Aus dem auf die Kolbenfläche AK wirkenden Kolbendruck pK und dem auf die Kolbenringfläche AKR wirkenden Kolbenringdruck pKR resultiert eine insgesamt über die Kolbenstange 15 auf das Stopfaggregat 8 übertragene Antriebskraft FA.
  • Die Stopfvorrichtung 5 weist eine Antriebskraft-Sensorik zum Erfassen einer zu der Antriebskraft FA korrespondierenden ersten Messgröße pK, pKR, FA auf. Die Antriebskraft-Sensorik umfasst einen Kolbendruck-Sensor 16 zum Erfassen des Kolbendrucks pK und einen Kolbenringdruck-Sensor 17 zum erfassen des Kolbenringdrucks pKR. Aus dem auf die Kolbenfläche AK wirkenden Kolbendruck pK und aus dem auf die Kolbenringfläche AKR wirkenden Kolbenringdruck pKR kann auf die insgesamt über die Kolbenstange 15 auf das Stopfaggregat 8 wirkende Antriebskraft FA geschlossen werden. Die Antriebskraft FA berechnet sich wie folgt: F A = p KR ⋅ A KR − p K ⋅ A K
  • Die Stopfvorrichtung 5 weist eine Beschleunigungs-Sensorik zum Erfassen einer zu einer Beschleunigung az des Stopfaggregats 8 korrespondierenden zweiten Messgröße auf, der Position z und/oder der Geschwindigkeit vz. Die Beschleunigung-Sensorik ist in Form eines Wegaufnehmers 18 ausgebildet. Der Wegaufnehmer 18 ist an dem Aggregatträger 7 und an dem Stopfaggregat 8 angebracht. Der Wegaufnehmer 18 ist zum Erfassen der Position z und der Geschwindigkeit vz des Stopfaggregats 8 relativ zu dem Aggregatträger 7 in z-Richtung ausgebildet.
  • Zum Bestimmen der auf das Stopfaggregat 8 wirkenden Schotterkraft FS umfasst die Stopfvorrichtung 5 eine Auswerteeinheit 19. Die Auswerteeinheit 19 steht in Signalverbindung mit dem Kolbendruck-Sensor 16, dem Kolbenringdruck-Sensor 17 sowie dem Wegaufnehmer 18. Zudem steht die Auswerteeinheit 19 in Signalverbindung mit einem Druckregler 20. Der Druckregler 20 ist zur Regelung des Kolbendrucks pK und des Kolbenringdrucks pKR auf je einen Sollwert ausgebildet. Der jeweilige Sollwert für den Kolbendruck pK und den Kolbenringdruck pKR ist von der Auswerteeinheit 19 vorgebbar.
  • Nachfolgend sind der Betrieb der Gleisbaumaschine 1 und der Betrieb des Stopfaggregats 8 beschrieben:
  • Zum Anlegen und/oder Instandhalten eines Gleisbetts 21 wird die Gleisbaumaschine 1 mittels des Maschinenantriebs 4 auf einem Gleis 22 entlang der x-Richtung verfahren. Eine Mittelachse 23 der Stopfvorrichtung 5 wird dabei mittig über einer auf dem Gleisbett 21 angeordneten und die Gleise 22 tragenden Bahnschwelle 24 positioniert.
  • Zur Beginn des Prozesses zur Gleisbettverdichtung befindet sich das Stopfaggregat 8 in einer Rückstellposition 25. Die Lagerhülse 12 befindet sich an einem oberen Ende des Linearlagers 10 und die Kolbenstange 15 taucht weitgehend in den Hydraulikkolben 14 ein. Die an dem Stopfaggregat 8 angebrachten Stopfpickel 8a stehen außer Eingriff mit dem Gleisbett 21. Die Kolbenfläche AK ist mit dem Kolbendruck pK und die Kolbenringfläche AKR ist mit dem Kolbenringdruck pKR beaufschlagt. Mittels der Auswerteeinheit 19 wird die von dem Hydraulikkolben 14 auf das Stopfaggregat 8 wirkende Antriebskraft FA bestimmt. Hierzu werden der 9 betätigt. Dabei wird der Kolbendruck pK erhöht und der Kolbenringdruck pKR gesenkt. Die über die Kolbenstange 15 auf das Stopfaggregat 8 wirkende Antriebskraft FA wird entgegen der z-Richtung erhöht. Aus der Antriebskraft FA resultiert die auf das Stopfaggregat 8 wirkende Beschleunigung az, welche entgegen der z-Richtung orientiert ist und zu einer ansteigenden Geschwindigkeit vz des Stopfaggregats 8 in Richtung des Gleisbetts 21 führt. Das Stopfaggregat 8 wird entgegen der z-Richtung verlagert. Entgegen der Antriebskraft FA wirkt die im Betrag ebenso große Trägheitskraft FT. Die Schotterkraft FS ist vor dem Kontakt der Stopfpickel 8a mit dem Gleisbett 21 gleich Null.
  • In der Zustellposition 26 gelangen die Stopfpickel 8a in Eingriff mit dem Gleisbett 21. Zwischen der Zustellposition 26 und der Eingriffsposition 27 wirken über die vier Stopfpickel 8a zusätzlich die partiellen Schotterkräfte FS1, FS2, FS3 und FS4 in z-Richtung auf das Stopfaggregat 8. Die partiellen Schotterkräfte FS1, FS2, FS3 und FS4 addieren sich zur Schotterkraft FS. Über die Verlagerung zwischen der Zustellposition und der Eingriffsposition 27 ist die Schotterkraft FS ungleich Null.
  • Die Verläufe der Antriebskraft FA, der Trägheitskraft FT und der Schotterkraft FS sind in Fig. 4 über der Zeit t für die Dauer eines Stopfzyklus im Detail dargestellt. Die Verlagerung des Stopfaggregats 8 zwischen der Rückstellposition 25 und der Eingriffsposition 27 erfolgt in der Zustellphase 28. Zeitlich beabstandet zu der Zustellphase 28 schließt sich die Rückstellphase 29 an.
  • In der Rückstellphase 29 wird das Stopfaggregat 8 aus der Eingriffsposition 27 über die Zustellposition 26 in die Rückstellposition 25 zurückverlagert. Hierzu wird die Antriebseinrichtung 9 derart betätigt, dass der Kolbendruck pK reduziert und der Kolbenringdruck pKR erhöht wird. Der Hydraulikzylinder 13 bewirkt damit die Antriebskraft FA, welche nun in z-Richtung orientiert ist. Das Stopfaggregat 8 wird aufgrund der Antriebskraft FA in z-Richtung beschleunigt. Die Beschleunigung az ist in z-Richtung orientiert und resultiert in einer in z-Richtung zunehmenden Geschwindigkeit vz und der Verlagerung des Stopfaggregats 8 in z-Richtung. Zwischen der Eingriffsposition 27 und der Zustellposition 26 wirkt die Schotterkraft FS auf das Stopfaggregat 8. Zwischen der Zustellposition 26 und der Rückstellposition 25 wirken lediglich die Antriebskraft FA sowie die betragsmäßig ebenso große und entgegengesetzt orientierte Trägheitskraft FT auf das Stopfaggregat 8, wobei die Schotterkraft FS gleich Null ist.
  • Während des Stopfzyklus werden die Stopfpickel 8a durch Betätigung des Verdichtungsantriebs 8b in Schwingung versetzt. Hierzu treibt der Verdichtungsantrieb 8b den Stopfpickelträger 8c im Wesentlichen in horizontaler Richtung an, wodurch die Stopfpickelträger 8c und die daran angebrachten Stopfpickel 8a um die jeweilige Trägerachse 8d drehen. Die Bewegung der Stopfpickel 8a um die jeweilige Trägerachse 8d umfasst im Wesentlichen zwei Bewegungskomponenten. Eine Schwingungskomponente verursacht eine nur geringe Drehamplitude der Stopfpickel 8a um die jeweilige Trägerachse 8d, wobei eine Schwingungsfrequenz fS zwischen 35 Hz und 45 Hz beträgt. Die Schwingungskomponente wirkt während des gesamten Stopfzyklus auf die Stopfpickel 8a. Zusätzlich zu der Schwingungskomponente werden die Stopfpickel 8a mit einer Verlagerungskomponente beaufschlagt. Die Verlagerungskomponente weist eine höhere Drehamplitude als die Schwingungskomponente und eine Verlagerungsfrequenz von etwa 0,5 Hz auf. In der Eingriffsposition 27 werden die Stopfpickel 8a dabei derart um die jeweilige Trägerachse 8d gedreht, dass sich die in x-Richtung zueinander beabstandeten Stopfpickel 8a aufeinander zu bewegen. In der Rückstellposition 25 ist die Verlagerungskomponente derart orientiert dass sich die Stopfpickel 8a wieder voneinander entfernen. Die Beaufschlagung der Stopfpickel 8a mit der Verlagerungskomponente folgt in der Verlagerungsphase 30. Durch die überlagerte Beaufschlagung der Stopfpickel 8a mit der Schwingungskomponente und der Verlagerungskomponente erfolgt die Verdichtung des Gleisbetts 21.
  • Der Stopfzyklus ist beendet, sobald sich das Stopfaggregat 8 wieder in der Rückstellposition 25 befindet. Zur weiteren Verdichtung des Gleisbetts 21 wird die Gleisbaumaschine 1 in der x-Richtung verlagert bis die Mittelachse 23 mittig über der in x-Richtung nächsten Bahnschwelle 24 angeordnet ist. In dieser wird der Stopfzyklus wiederholt. Der Verlauf der Schotterkraft FS über der Zeit t ist für sechs aufeinanderfolgende Stopfzyklen in Fig. 5 dargestellt.
  • Mittels der Auswerteeinheit 19 wird die Beanspruchung der Stopfvorrichtung 5 anhand des zeitlichen Verlaufs der Schotterkraft FS bestimmt. Die Beanspruchung wird anhand von Schotterkraft-Amplituden SFs der Schotterkraft FS bestimmt. Die Schotterkraft FS ist eine zeitlich variable, schwingende Last. Die Schotterkraft-Amplitude SFs wird als Differenz einer maximalen Schotterkraft FS und einer minimalen Schotterkraft FS innerhalb einer Schwingung bestimmt. Zusätzlich zu den Schotterkraft-Amplituden SFs wird die Summenhäufigkeit NFs der jeweiligen Schotterkraft-Amplitude SFs ermittelt. Zum Bestimmen der Beanspruchung wird ein Lastkollektiv anhand der Summenhäufigkeit NFs bestimmt.
  • In Fig. 6 ist ein Verlauf der Schotterkraft-Amplitude SFs über der Summenhäufigkeit NFs dargestellt. Durch Abgleich des Verlaufs der Schotterkraft-Amplitude SFs über der Summenhäufigkeit NFs mit einer maximal zulässigen Summenhäufigkeit NFs von Schotterkraft-Amplitude SFs wird ein Verschleißzustand des Stopfaggregats 8 bestimmt. Der Verschleißzustand wird sowohl für einzelne Teile des Stopfaggregats 8, wie die Stopfpickel 8a, die Antriebseinrichtung 9 und die Linearlager 10, bestimmt als auch für das gesamte Stopfaggregat 8.
  • In Abhängigkeit von der Beanspruchung wird mindestens ein Prozessparameter pK, pKR, fS zum Betrieb des Stopfaggregats 8 mittels der Auswerteeinheit 19 eingestellt. Hierzu steht die Auswerteeinheit 19 mit dem Verdichtungsantrieb 8b zur Steuerung der Schwingfrequenz fS und mit dem Druckregler 20 zur Steuerung des Kolbendrucks pK und des Kolbenringdrucks pKR in Signalverbindung. Bei Überschreiten eines Schwellenwerts SW der Beanspruchung wird der mindestens eine Prozessparameter pK, pKR, fS geändert. Mittels der Auswerteeinheit 19 wird hierzu die Schotterkraft Fs mit dem Schwellenwert SW verglichen, wobei der mindestens eine Prozessparameter pK, pKR, fS beim Überschreiten eines oberen Schwellenwerts SW1 derart verändert wird, dass die Schotterkraft FS verringert wird, wobei beim Unterschreiten eines unteren Schwellenwerts SW2 der mindestens eine Prozessparameter pK, pKR, fS derart verändert wird, dass die Schotterkraft FS erhöht wird. Die Schotterkraft FS wird durch Erhöhen der Schwingfrequenz fS sowie durch eine Reduktion des Druckunterschieds zwischen dem Kolbendruck pK und dem Kolbenringdruck pKR reduziert und in entgegengesetzter Weise erhöht. Die Prozessparameter pK, pKR, fS werden mittels der Auswerteeinheit 19 dahingehend geändert, dass ein Optimum zwischen einer geringen Beanspruchung der Stopfvorrichtung 5 und einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit des Gleisbetts 21 erfolgt.
  • Zum Ermitteln der Beanspruchung kann alternativ zum Bestimmen des Lastkollektivs auch eine Schotterarbeit WS mittels der Auswerteeinheit 19 bestimmt werden. Die Schotterarbeit WS wird aus der Schotterkraft FS und einer Änderung der Position z des Stopfaggregats 8 bestimmt. Die Schotterarbeit WS entspricht der in das Gleisbett 21 über die Stopfpickel 8a eingebrachten Arbeit. Die Änderung der Position z wird dabei über eine diskrete Zeitdauer erfasst. Diese Änderung der Position z wird anschließend mit der Schotterkraft FS multipliziert. Die Schotterarbeit WS wird als Summe der Produkte aus der Schotterkraft FS und der Änderungen der Positionen z bestimmt.
  • In Fig. 7 sind die Verläufe des Position z, der Schotterkraft FS und der Schotterarbeit WS für einen Stopfzyklus über der Zeit t angetragen. Die Schotterarbeit WS kann auch als die Fläche unter dem Verlauf der Schotterkraft FS über der Position z verstanden werden. Durch Bestimmen der auf das Stopfaggregat 8 wirkenden Schotterkraft FS mittels der Auswerteeinheit 19 können Rückschlüsse auf die Beanspruchung des Stopfaggregats 8 gezogen werden. Das Bestimmen der Schotterkraft FS unter Berücksichtigung der Antriebskraft FA und zusätzlich der Beschleunigung az ist im Vergleich zu einer ausschließlichen Betrachtung der Antriebskraft FA zur Ermittlung der Schotterkraft FS wesentlich genauer. Die Beanspruchung des Stopfaggregats 8 kann somit zuverlässig bestimmt werden und ein Verschleißzustand des Stopfaggregats 8 kann sicher ermittelt werden. Die Anpassung des mindestens eines Prozessparameters pK, pKR, fS in Abhängigkeit von der Beanspruchung ermöglicht das effiziente und wirtschaftliche Betreiben der Gleisbaumaschine. Dabei werden, insbesondere mittels einer Optimierung, eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit, ein geringer Energieverbrauch und eine reduzierte Beanspruchung des Stopfaggregats 8 erreicht.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Stopfaggregats einer Gleisbaumaschine, umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen einer Gleisbaumaschine (1) mit einem Stopfaggregat (8) auf einem Gleisbett (21),
    - Verlagern des Stopfaggregats (8) relativ zu dem Gleisbett (21),
    - Ermitteln einer auf das Stopfaggregat (8) wirkenden und zum Verlagern erforderlichen Antriebskraft (FA),
    - Ermitteln einer auf das Stopfaggregat (8) wirkenden Beschleunigung (az) und
    - Bestimmen einer zwischen dem Stopfaggregat (8) und dem Gleisbett (21) wirkenden Schotterkraft (FS) anhand der Antriebskraft (FA) und der Beschleunigung (az),
    wobei ein Auswerten der Schotterkraft (FS) derart erfolgt, dass eine auf das Stopfaggregat (8) wirkende Beanspruchung anhand der Schotterkraft (FS) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung (az) durch Erfassen einer zeitlichen Änderung einer Position (z) des Stopfaggregats (8) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Schotterkraft (FS) eine auf das Stopfaggregat (8) wirkende Trägheitskraft (FT) anhand der Beschleunigung (az) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlagern des Stopfaggregats (8) mittels einer fluidisch betätigten Antriebseinrichtung (9) erfolgt, wobei zum Ermitteln der Antriebskraft (FA) mindestens ein auf die Antriebseinrichtung (9) wirkender Fluiddruck (pK, pKR) erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung anhand eines zeitlichen Verlaufs der Schotterkraft (FS) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung anhand von Schotterkraft-Amplituden (SFs ) der Schotterkraft (FS) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Beanspruchung ein Lastkollektiv anhand einer Summenhäufigkeit (NFs ) der Schotterkraft-Amplituden (SFs ) bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Beanspruchung eine Schotterarbeit (WS) aus der Schotterkraft (FS) und einer Änderung einer Position (z) des Stopfaggregats (8) bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Beanspruchung ein Verschleißzustand des Stopfaggregats (8) bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Prozessparameter (fS, vz, az, pK, pKR) zur Steuerung des Stopfaggregats (8) abhängig von der Beanspruchung eingestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Prozessparameter (fS, vz, az, pK, pKR) beim Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellenwerts der Beanspruchung geändert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Prozessparameter (fS, vz, az, pK, pKR) derart eingestellt wird, dass die Beanspruchung einen Beanspruchungs-Grenzwert nicht überschreitet.
  13. Stopfvorrichtung zur Gleisbettverdichtung, aufweisend
    - einen Aggregatträger (7),
    - ein an dem Aggregatträger (7) gelagertes Stopfaggregat (8)
    - eine Antriebseinrichtung (9) zum Bereitstellen einer Antriebskraft (FA) und zum Verlagern des Stopfaggregats (8) relativ zu dem Aggregatträger (7),
    - eine Antriebskraft-Sensorik zum Erfassen einer zu der Antriebskraft (FA) korrespondierenden ersten Messgröße (pK, pKR, FA),
    - eine Beschleunigungs-Sensorik zum Erfassen einer zu einer Beschleunigung (az) des Stopfaggregats (8) korrespondierenden zweiten Messgröße (z, vz, az) und
    - eine Auswerteeinheit (19) zum Bestimmen einer auf das Stopfaggregat (8) wirkenden Schotterkraft (FS) anhand der ersten Messgröße (pK, pKR, FA) und der zweiten Messgröße (z, vz, az)
    dadurch gekennzeichnet, das die Auswerteeinheit (19) zum Bestimmen einer auf das Stopfaggregat (8) wirkenden Beanspruchung anhand der Schotterkraft (FS) ausgebildet ist.
  14. Gleisbaumaschine, aufweisend
    - einen Maschinenrahmen (2),
    - mindestens zwei an dem Maschinenrahmen (2) gelagerte Achsen (3) mit daran angeordneten schienenführbaren Rädern (6),
    - einen Maschinenantrieb (4) zum Drehantreiben der Räder (6) mindestens einer der Achsen (3) und
    - mindestens eine an dem Maschinenrahmen (2) befestigte Stopfvorrichtung (5) nach Anspruch 13.
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