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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von Gleisbettungen, bei welchem über das Gleis und die Schwellen auf die Bettung mit vorbestimmter Frequenz wechselnde, im wesentlichen synchron wirkende
Kräfte aufgebracht werden und diesen Kräften eine statische Kraft überlagert wird, wobei der Höchstbetrag sämtlicher Kräfte grösser ist als die normale Betriebsbelastung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens, mit einem vorzugsweise von Rädern abgestützten, mit der statischen Kraft belasteten Gestell, an dem zumindest ein mit wenigstens einem auf das Gleis aufsetzbaren Rüttelorgan starr verbundener Schwingungserreger vorgesehen ist.
Die Praxis zeigt, dass jedes frisch unterstopfte Gleis durch die Betriebsbelastung etwas nachgibt (bleibende
Setzung). Gleichzeitig wird nach jeder Gleisstopfung auch der Widerstand gegen das seitliche Verschieben des
Gleisrahmens herabgesetzt. Bei Gleisstopfung nach einer Schotterneulage oder Reinigung tritt dieser Nachteil noch stärker in Erscheinung.
Die Setzung eines frisch unterstopften Gleises ist das äussere Zeichen einer zusätzlichen Verdichtung durch den Betrieb. Leider erfolgt die Verdichtung nicht gleichmässig, sondern ist bei den einzelnen Schwellen verschieden stark und wird ferner erst nach einer längerdauernden Betriebsbelastung erreicht. Die Vorteile der
Betriebsverdichtung werden beim"Soufflage-Verfahren"oder beim"Zwischenlagenausgleich" (Platteln) mit grossem Erfolg ausgenutzt. Mit Hilfe des Zwischenlagenausgleiches wird eine gute und elastische Gleislage erreicht, deren Haltbarkeit derzeit von Stopfmaschinen od. ähnl. Gleisbaumaschinen nicht übertroffen werden kann.
Die Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, dass es eine verhältnismässig grosse Zahl von Arbeitskräften erfordert sowie zeitraubend ist und ausserdem erst etwa 2 bis 3 Jahre nach erfolgter Unterstopfung durchgeführt werden kann.
Gemäss der Bodendynamik erfolgt die Verdichtung durch den Betrieb praktisch nur durch Fahrzeuge mit dem höchsten Achsdruck, also hauptsächlich durch Lokomotiven, jedoch erfolgt diese Verdichtung in hohem
Mass ungleichmässig.
Infolge der vom maschinentechnischen Standpunkt notwendigen steifen Federung der Lokomotiven schwankt der Achsdruck und insbesondere der Raddruck bei Schwingbewegungen bis zu 80%, da der Raddruck bekanntlich durch das Zusammendrücken der Federn bestimmt und bei steifer Federung durch die Schwingungen des Fahrzeugaufbaues in grossen Grenzen verändert wird. Nun sind es aber immer dieselben Stellen, an denen jedes Fahrzeug stets grosse Schwingbewegungen ausführt, so dass an diesen Stellen die Gleisfehler am grössten werden.
Auch in horizontaler Richtung wird das Gleis infolge der Schlingerbewegung, des Sinuslaufes und der Wankbewegung der Fahrzeuge sehr unterschiedlich und stets an den gleichen Stellen extrem hoch beansprucht.
Um die Endverdichtung durch den Betrieb gleichmässiger zu gestalten, wird beispielsweise jedes frisch unterstopfte Gleis zunächst nur mit 70 km/h befahren. Erst nach 50000 t Betriebslast wird die Geschwindigkeit auf 90 km/h angehoben und nach 100000 t Last mit entsprechend höheren Geschwindigkeiten gefahren. Mit dieser Vorgangsweise wird eine weit bessere Gleislage erzielt, als durch die sofortige Freigabe eines unterstopften Gleisabschnittes ohne Geschwindigkeitsbeschränkungen. Nachteilig bei dieser Vorgangsweise ist die sehr unterschiedliche Beanspruchung des Gleises, denn schon bei 70 km/h und darunter führen Fahrzeuge Schwingbewegungen aus und bewirken entsprechende Änderungen der Achs- und Raddrücke.
Bei einem Schienenfahrzeug steht jeder einzelne Radsatz unter hoher Federvorspannung. Wird nun das Gewicht eines Radsatzes mit 1 bis 3 t angenommen, so beträgt bei etwa 20 t Achslast die Federvorspannung (Federkraft auf den Radsatz) 17 bis 19 t. Durch die hohe Federvorspannung werden bei jeder Unregelmässigkeit der Schiene, wie bei Stosslücken, Riffeln, Rattermarken od. dgl., ober bei Unregelmässigkeiten an den Radsätzen, wie Flachstellen, durch die entstehenden Schläge und Stösse hohe Beschleunigungskräfte auf die Schiene ausgeübt. So entsteht beispielsweise bei einer Radmasse von 1 und 19 t Federvorspannung eine Beschleunigungskraft von 19 g (1 g = 9, 8l m/sec2).
Die Betriebsverdichtung erfolgt durch grosse statische und dynamische Kräfte, die über die Schienen und Schwellen auf die Bettung einwirken. Wird ein Gleis unmittelbar über einer Schwelle belastet, so wird die Schwelle je nach Steifigkeit der Schiene und Verdichtung des Schotters um ein bestimmtes Mass einsinken. Das Be- und Entlasten der Schwelle infolge darüberrollender Achslasten kann nun langsam (quase statische Belastung) oder rascher (höher frequent) erfolgen, so dass sich ein dynamischer Belastungsfall mit einer intensiveren Krafteinwirkung der Schwelle auf das Schotterbett ergibt. Erfolgt diese dynamische Belastung des Systems "Schotterbett-Planum"etwa im Bereich der Eigenfrequenz, so ist die zusätzliche dynamische Wirkung am grössten.
Diese zusätzlichen dynamischen Kräfte werden mit höheren Geschwindigkeiten der darüberrollenden Lasten grösser, da infolge der gleichen Abstände der Fahrzeugachsen das System zu periodischen Schwingungen angeregt wird. Schläge und Stösse, die wegen Unebenheiten der Schienen, wie Stosslücken, Riffeln od. dgl. auf die Schienen ausgeübt werden, erzeugen höherfrequente Schwingungen und damit Kräfte, die sich ebenfalls den statischen Radlasten überlagern. Bei der Betriebsverdichtung kann jede Schwelle als Verdichterwerkzeug angesehen werden, das mit grosser statischer Last (zirka 20 t Achsdruck) sowie mit zusätzlicher dynamischer Krafterregung (pulsierende Kraft von etwa 20 t) auf die Schotterbettung einwirkt.
Dadurch wird über die Gesamtbreite der Bettung quer zum Gleis der Schotter gleichsinnig und homogen zum Schwingen angeregt,
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wobei sich durch die grossen statischen und dynamischen Kräfte ein einziger Tragkörper, nämlich der synchron zur Schwelle mitschwingende Teil des Gleisschotters, bis in entsprechend grosse Tiefe ausbildet. Durch diesen dynamischen Tragkörper, der durch die Betriebsbeanspruchung entsteht, wird aber nicht nur das Schwellenauflager entsprechend hoch verdichtet, sondern auch das Schwellenfach und der Schottervorkopf. Das äussere Zeichen der höheren Verdichtung ist das elastische Verhalten und die bleibende Setzung des Gleises um ein bestimmtes Mass.
Von der Betriebsverdichtung werden also sowohl das Schwellenauflager, das Schwellenfach sowie der Schottervorkopf gleichzeitig erfasst. Sie ist gegenwärtig die beste Verdichtungsart, und wird beim Soufflageverfahren oder Zwischenlagenausgleich ("Platteln") vorteilhaft ausgenutzt. Durch die grossen statischen und dynamischen Kräfte wird eine besonders gute Haltbarkeit der Gleislage erzielt. Jedoch benötigt das
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Umfang durchgeführt werden. Nach einer bestimmten Zahl von Lastwechseln zeigt die Bettung elastisches
Verhalten, d. h. bei weiteren Lastwechseln wird keine zusätzliche Setzung eintreten. Die homogene Verdichtung entsteht durch das gleichsinnige Schwingen benachbarter Schotterkörner innerhalb des dynamischen Tragkörpers.
Sie ist eine Voraussetzung für das elastische Verhalten des Gleises. Für die Betriebsverdichtung des Schotterbettes sind die maximalen Kräfte (maximale statische Last + Scheitelwerte der dynamischen Krafteinwirkung), die über die Schiene und Schwelle auf das Schotterbett einwirken, massgebend (zirka 100 bis 120 Lastwechsel pro
Schwelle). Sie sind jedoch kaum vorausbestimmbar, da die statische Last in grossen Grenzen vom Federspiel (Schwingungsbewegung) der Züge und die dynamische Krafteinwirkung vorwiegend von der Geschwindigkeit,
Unebenheiten der Schiene und Radreifen, Unwuchten der Radsätze usw. abhängig sind. Selbst unter gleichen
Belastungsbedingungen ergibt sich eine unterschiedliche Belastung jeder einzelnen Schwelle.
Eine
Betriebsverdichtung ist daher stets ungleichmässig, so dass auch verschieden grosse Setzungen der einzelnen
Schwellen eines Gleisabschnittes eintreten werden.
Mit Hilfe der Schwellenfachverdichtung soll das Setzmass (Absinken des Gleises durch die
Betriebsverdichtung) möglichst klein gehalten werden. Das bedeutet, dass ein grosser Teil der Betriebsverdichtung durch die Schwellenfachverdichtung ersetzt werden soll. Mit den bekannten Schwellenfachverdichtern ist dieses
Ziel aber nicht erreichbar. Bei diesen wird ein Schwellenfach in der Regel mit vier Verdichterstempeln erfasst, wobei beiderseits der Schiene sowie der Schwelle je ein Stopfstempel angeordnet und jeder Stempel mit einem
Schwingungserreger fest verbunden ist. Manchmal werden zwei Schwellenfächer gleichzeitig verdichtet, so dass acht Stopfstempel erforderlich sind. Bekannt ist auch, zwei Verdichterstempel mit nur einem Schwingungserreger zu verbinden.
In der Regel weist jeder Schwingungserreger einen elektrischen oder hydraulischen Einzelantrieb auf, der als Unwuchtantrieb ausgebildet ist. Die Erregerfrequenz (Drehzahl) ist daher bei den einzelnen Unwuchtantrieben etwas verschieden. Selbst bei genau gleichen Drehzahlen ist noch immer keine gleichsinnige Erregerwirkung gegeben, da die Unwuchten der Schwinger zueinander verschiedene Stellungen einnehmen, demzufolge Phasenverschiebungen der dynamischen Krafteinwirkung auftreten. Die Verdichterwerkzeuge, die mit der Kraft p = P sin wt auf den Schotter einwirken, weisen daher bei sin wt = 1 zeitlich verschiedene Maximalwerte auf.
Die am Schotter angreifenden Verdichterwerkzeuge schwingen somit unabhängig voneinander, so dass auch die Bettung zu zonenweise unterschiedlichen Schwingungen bezüglich Frequenz und Phasenlage angeregt wird. In jenen Bereichen, in denen diese Zonen aneinandergrenzen, d. h. im wesentlichen unterhalb der Schienen und Schwellen, wird die Ausbildung eines einheitlichen Tragkörpers dadurch gestört, dass auf die einzelnen Schotterkörner verschieden gerichtete Kräfte einwirken. Diese Störung kann sogar zum Verlust des Zusammenhaltes der Schotterbettung führen. Mit bekannten Maschinen wird also praktisch bestenfalls die Ausbildung entweder eines nur in geringe Tiefe reichenden Tragkörpers oder von mehreren, z. B. vier relativ kleinen Tragkörpern erreicht, was infolge der geringen Tragfähigkeit zu einer Setzung des Gleises führt.
Es ist daher auch vorgeschlagen worden, die Unwuchtantriebe für die einzelnen Verdichterwerkzeuge miteinander zu synchronisieren, jedoch hat sich herausgestellt, dass auch diese Ausgestaltung nicht zum gewünschten Erfolg führt und keine optimale Schotterverdichtung sowie Gleislage zeitigt.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 216556 ist eine Maschine zum Gleisstopfen und Schwellenfachverdichten bekannt, bei der die Stopfwerkzeuge mit einer motorbetriebenen Vibriereinrichtung verbunden sind, wobei ein Schwinger über sein Gehäuse mit den Stopfwerkzeugen starr verbunden ist, unter einem Vorspanndruck von elastischen Mitteln, z. B. einer Stahlfeder, als äussere lotrecht gerichtete Kraft steht, und das Schwingergehäuse durch an einem Schienenfahrzeug angebrachte Führungen derart geführt ist, dass der Schwinger samt Stopfwerkzeugen im wesentlichen lotrechte Schwingungen ausführt. Obzwar bei dieser Konstruktion der Schwinger auch auf die Schienen aufgesetzt werden kann, zeigt die Praxis, dass eine Schotterverdichtung erzielt wird, die nur in ungenügendem Ausmass der Betriebsverdichtung angepasst ist.
Ferner sind aus der deutschen Offenlegungsschrift 2159262 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Korrigieren des Niveaus von Schwellen eines von einem Schotterbett getragenen Schienenstranges bekannt, wobei eine Belastung auf den Schotter unterhalb der Schwelle mit einer Stärke aufgebracht wird, die grösser als die Stärke der normalen Verkehrsbelastung ist, und weiters wiederholt erfolgt, um den Schotter in vertikaler
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oder pneumatische Druckzylinder--10--mit der Masse des Gestells--l--belastbar, die als statische Kraft den dynamischen Verdichtungskräften überlagert wird ; dabei beträgt das Gestellgewicht etwa 20 t.
Das Gewicht
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Schlagen des Wälzkörpers-8-auf die Schiene zu vermeiden, muss die dynamische Erregerkraft des Schwingantriebes unter der statischen Last liegen. Man kann im Rahmen der Erfindung aber auch durch Erhöhung der Drehzahl die Erregerkraft vergrössern, so dass diese etwa grösser als die statische Last wird. Da in diesem Fall der Wälzkörper--8--leicht auf die Schiene schlägt, werden der Erregerfrequenz zusätzlich höherfrequente Schwingungen überlagert.
Fig. 4 zeigt eine Variante der Vorrichtung, wobei das Rüttelorgan aus zwei Gleitkörpern--11--besteht, deren gegenseitiger Abstand der Spurweite des Gleises angepasst ist. Die Gleitkörper --11-- sind, wie vorstehend beschrieben, über Längslenker --7-- mit dem Gestell--l--eines Fahrzeuges oder einer Gleisbaumaschine verbunden und mittels Federn oder Druckzylinder--10--mit der Gestellmasse elastisch
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--12-- aufGelenkwellen--5--od. dgl. gekuppelt bzw. synchronisiert sind. Da die Druckkraft als Schwellast insbesondere vom Wert Null (Pstat - P dyn) mit der Erregerfrequenz auf den Wert (Pstat + Pdyn) ansteigt und wieder auf den
Wert Null zurückkehrt, ist die auftretende Gleitreibung minimal, so dass die Gleitkörper --11-- leicht fortbewegt werden können.
Die dynamische Erregerkraft des Schwingungserregers wird zweckmässigerweise durch eine oder mehrere rotierende Unwuchten erreicht, die mit einer Frequenz von zirka 20 bis 50 Hz über die
Schienen und Schwellen auf den Gleisschotter einwirken. Eine Verdichtung des Gleisschotters mit zwei
Erregerfrequenzen, beispielsweise mit einer Grundfrequenz von 30 Hz und einer Überlagerungsfrequenz von 50 bis 70 Hz führt unter Umständen zu einer besseren Simulierung der Betriebsverdichtung.
Sollen die Verdichtungskräfte über einen längeren Bettungsabschnitt verteilt werden, so weist die
Vorrichtung mehrere hintereinander angeordnete Gleitkörperpaare oder Wälzkörper--8--auf, deren
Schwingungserreger auf die beschriebene Weise miteinander synchronisiert sind. Durch die gleichmässige
Verdichtung jedes einzelnen Schwellenauflagers sinkt das Gleis um einen bestimmten Betrag (Setzmass) ab. Dieser ist nur von der Grösse und Art der Vorverdichtung, wie etwa durch Gleisstopfen, abhängig ; danach zeigt das
Gleis elastisches Verhalten, so dass es nach jeder Betriebsbelastung in die ursprüngliche Lage zurückkehrt. Ist die
Verdichtung höher als die Betriebsverdichtung, so ergibt sich eine weitere Setzung, das elastische Verhalten des
Gleises gegenüber dem Betrieb bleibt aber praktisch unverändert.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es daher möglich, noch vorhandene kleine Höhenfehler zu beheben. Ist beispielsweise ein Stoss zu überspitzt, so wird der statische Druck auf jedes Rüttelorgan bzw. die Drehzahl des Schwingungserregers oder beides vorübergehend erhöht, um mit der stärkeren Verdichterwirkung ein stärkeres Einsinken der gewünschten Schwellen bzw. Schwellengruppen zu erreichen. Zu diesem Zweck besitzt die Maschine links und rechts mindestens einen Druckkolben, durch welchen erforderlichenfalls unabhängig örtlich verschiedener Druck auf das bzw. die Rüttelorgane ausgeübt wird.
Die Vorrichtung kann ferner mit bekannten Mess- und Arbeitseinrichtungen üblicher Gleisbaumaschinen versehen sein, mit denen etwaige Fehler, wie Längs-, Quer-, oder Verwindungsfehler aufgezeigt bzw. sofort behoben werden können.
Mit der Vorrichtung werden auch schlecht unterstopfte, lockere Schwellen sowie die Grösse der Fehler festgestellt. Lässt sich der Fehler mit der Verdichtung allein nicht beheben, so ist ein Nacharbeiten an diesen Stellen notwendig. Die Vorrichtung kann demnach auch mit Stopfwerkzeugen versehen werden. Anderseits ist die Kombination der Vorrichtung mit einer Gleisstopf- oder andern Gleisbaumaschinen möglich.
Mit Hilfe der Erfindung wird der Schotter der Bettung gleichmässig und homogen verdichtet. Das Ausmass der Verdichtung ist einstellbar und wird jeweils derart ausgewählt, dass es höher liegt als dasjenige der nachfolgend zu erwartenden Betriebsverdichtung durch den Verkehr. Das Ende der Verdichtung kann am einfachsten von den Überwachungsinstrumenten des Schwingungserregers abgelesen werden, da nach erfolgter Verdichtung das aus Planum, Bettung und gegebenenfalls Gleisrahmen bestehende System elastisches Verhalten zeigt, so dass die aufgebrachten Kräfte mechanisch reflektiert werden. Auf diese Weise wird eine dauerhafte und optimale Gleislage erreicht, die lange Zeit keiner Nachbearbeitung bedarf.
Der zur Verdichtung erforderliche Zeitbedarf ist etwa demjenigen des herkömmlichen Gleisstopfens gleichzusetzen und somit weitaus geringer als beim Soufflageverfahren oder beim Zwischenlagenausgleich.
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