AT528400B1

AT528400B1 - Antriebseinheit für Arbeitsaggregat einer Gleisbaumaschine

Info

Publication number: AT528400B1
Application number: ATA50683/2024A
Authority: AT
Original assignee: Plasser & Theurer Export Von Bahnbaumaschinen Ges M B H
Priority date: 2024-08-22
Filing date: 2024-08-22
Publication date: 2026-01-15
Also published as: AT528400A4; WO2026041522A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1), vorgesehen zum Antrieb mindestens eines Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) eines Arbeitsaggregats (2B, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) einer Gleisbaumaschine (11, 26, 26A, 26B), zur Ausführung einer dynamischen Linearbewegung x(t), insbesondere einer gerichteten oder periodischen Bewegung entlang eines geraden oder gekrümmten Pfades, umfassend einen direkt-elektrischen Aktor (2, 2A), eine leistungselektronische Stelleinheit (3) zur Ansteuerung dieses Aktors (2, 2A) und eine digitale Steuereinheit (4) zur Erzeugung von Steuersignalen für die leistungselektronische Stelleinheit (3) auf Basis von Sollwerten (xr, vr, ar, Fr) der Betriebsgrößen des Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B).

Description

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Beschreibung

ANTRIEBSEINHEIT FÜR ARBEITSAGGREGAT EINER GLEISBAUMASCHINE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, die zum Antrieb mindestens eines Werkzeuges eines Arbeitsaggregats einer Gleisbaumaschine vorgesehen ist, um eine dynamische Linearbewegung, insbesondere eine gerichtete oder periodische Bewegung entlang eines geraden oder gekrümmten Pfades, auszuführen.

[0002] Um einen Schienenfahrweg, bestehend aus Schienen und weiteren Komponenten zur Lagerung und Befestigung dieser Schienen entlang einer Trasse, herzustellen und während seiner Lebensdauer Instand zu halten, sind nach dem Stand der Technik Baumaschinen, die oftmals als Schienenfahrzeuge ausgebildet sind, mit für verschiedene notwendige Arbeitsschritte geeigneten speziellen Arbeitsaggregaten vorgesehen.

[0003] So zeigt AT 14 391 U ein Schienenschleifaggregat mit konventionellem Antrieb, das mit verschiedenen Fahrzeugen verbindbar ist.

[0004] In AT 525 273 A4 ist eine Gleisbaumaschine mit alternierend angeordneten Stopf- und Stabilisierungsaggregaten offenbart.

[0005] Zur Positionierung der Werkzeuge dieser Arbeitsaggregate gegenüber den zu bearbeitenden Komponenten des Schienenfahrweges, beispielsweise der Schienen selbst oder der Schotterlage, auf der ein Gleisrost aus Schienen und mit diesen verbundenen Schwellen ruht, werden nach dem Stand der Technik Antriebseinheiten und Antriebssysteme mit hydraulischen Aktoren eingesetzt.

[0006] Den Vorteilen dieser linear oder rotatorisch wirkenden hydraulischen Aktoren, insbesondere ihrer kompakten Bauweise aufgrund der hohen Energiedichte von mit Hydraulikmedium betriebenen Aggregatkomponenten und Werkzeugen, die es erlauben die erforderlichen Kräfte und Leistungen gegenüber den zu bearbeitenden Werkstücken aufzubringen, stehen die Nachteile der Anordnung eines hydraulischen Kreises und der Bereitstellung des Hydraulikmediums mittels einer Vielzahl von hydraulischen Komponenten, insbesondere verschiedenen Ventilen, Pumpen oder Motor-Pumpen-Einheiten, Leitungen sowie Leitungsnetzen und Tanks oder Behältern für das Hydraulikmedium, auf einer mobilen Baumaschine gegenüber.

[0007] Es finden sich im Stand der Technik jedoch auch Maschinenanordnungen, die, aufgrund technischer, wirtschaftlicher und/oder gesellschaftspolitischer Gründe, hydraulische Antriebe durch elektromechanische Antriebseinheiten und -systeme ergänzen oder ersetzen.

[0008] AT 17 965 U1 offenbart beispielsweise ein Schienenfahrzeug, umfassend einen Gleiskraftwagen mit mindestens einer elektrisch betreibbaren Bearbeitungseinrichtung und einer Energieversorgungseinrichtung und einen an den Gleiskraftwagen angekoppelten Anhängewagen mit einer Energiespeichereinrichtung, einem eigenen elektrischen Traktionsantrieb und einer weiteren elektrisch betriebenen Bearbeitungseinrichtungen.

[0009] In EP 4 036 316 A1 finden sich verschiedene Ausführungsformen von Baugeräten, deren Elemente mittels elektrischer Antriebe gegeneinander bewegt werden.

[0010] Elektrische Antriebe haben gegenüber hydraulischen Antriebseinheiten den Vorzug eines höheren Wirkungsgrades und geringerer Schallemissionen.

[0011] Beim Einsatz elektrischer Antriebssysteme ist allerdings die Bereitstellung elektrischer Energie auch dann vorzusehen, wenn entlang der Schienenfahrwege keine kontinuierliche Versorgung durch einen Fahrdraht oder eine Stromschiene gewährleistet ist.

[0012] Die Energiedichte von elektromechanischen Aktoren ist gegenüber hydraulischen Aktoren nach dem Stand der Technik in der Regel geringer, weshalb bei gleicher Ausgangsleistung der Platzbedarf elektromechanischer Aktoren größer ist.

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[0013] Tabelle 1 vergleicht unter Verwendung von Messdaten, Simulationsergebnissen sowie Informationen aus der Fachliteratur die elektrische Leistungsaufnahme P+ eines Werkzeugs - des Schleifsteins - eines Schienenschleifaggregats für die hydraulische Antriebsart (h) gegenüber einem direktem Linearantrieb (I) und einem Rotationsantrieb mit Kurbelwelle (r) bei zwei unterschiedlichen Betriebspunkten.

[0014] Bei den beiden nicht hydraulischen Antriebsarten (I) und (r) ist die elektrische Leistungsaufnahme P-+ für den ersten Betriebspunkt, der durch eine periodische Bewegung des Schleifsteins mit einer Amplitude von 35 mm und einer Frequenz von 3,5 Hz charakterisiert ist, gegenüber dem hydraulischen Antrieb (h) geringer.

[0015] Während bei diesem Betriebspunkt der Rotationsantrieb mit Kurbelwelle mit P1=5,31 kW effektiv weniger Leistung aufnimmt als der direkte Linearantrieb mit P1=6,67 kW, kehrt sich der Leistungsbedarf beim zweiten Betriebspunkt, charakterisiert durch eine gegenüber dem ersten Betriebspunkt größeren Amplitude von 60 mm und höheren Frequenz von 6 Hz, um.

[0016] Der Linearantrieb benötigt in diesem Betriebsfall eine effektive elektrische Leistung von P1=13,54 kW, für den Rotationsantrieb mit Kurbelwelle ergibt sich hingegen eine Leistung von P1=14,93 kW.

[0017] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Antriebseinheit eingangs genannter Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben. Zudem soll ein entsprechend verbessertes Arbeitsaggregat sowie ein verbessertes Antriebssystem angegeben werden.

[0018] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1, durch ein Arbeitsaggregat nach Anspruch 4 sowie durch ein Antriebssystem nach Anspruch 11 oder Anspruch 12.

[0019] Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[0020] Eine Antriebseinheit, vorgesehen zum Antrieb mindestens eines Werkzeuges eines Arbeitsaggregats einer Gleisbaumaschine, zur Ausführung einer dynamischen Linearbewegung, insbesondere einer gerichteten oder periodischen Bewegung entlang eines geraden oder gekrümmten Pfades, umfasst erfindungsgemäß einen direkt-elektrischen Aktor, eine leistungselektronische Stelleinheit zur Ansteuerung dieses Aktors und eine digitale Steuereinheit zur Erzeugung von Steuersignalen für die leistungselektronische Stelleinheit auf Basis von zumindest einem Sollwert einer Betriebsgröße des Werkzeuges.

[0021] Für ein bestimmtes Zeitintervall T kann der zumindest eine Sollwert entweder zeitlich unveränderlich sein oder einen definierten günstigen zeitlichen Verlauf aufweisen.

[0022] Ein direkt-elektrischer Aktor ist dabei insbesondere ein synchroner Linearmotor, wobei alternativ auch mit Gleichstrom betriebene multipolare oder unipolare Bauformen, aber auch

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asynchrone Linearmotoren als direkt-elektrische Aktoren zur Anwendung kommen.

[0023] Linearmotoren werden unter anderem von Rexroth angeboten, beispielsweise unter der Modellbezeichnung MLP300C. Von anderen Herstellern sind weitere direkt-elektrische Aktoren bekannt. Dabei sind auch unterschiedliche Bauformen erhältlich, beispielsweise zylindrisch geformte Aktoren.

[0024] Für die Auslegung solcher Motoren sind Entwicklungsumgebungen verfügbar, die oftmals von den Motorenherstellern bezogen werden können.

[0025] Die Software IndraSize von Rexroth ermöglicht beispielsweise die Auswahl und Berechnung der von diesem Hersteller angebotenen Antriebe.

[0026] Als leistungselektronische Stelleinheit werden für die gewählte Bauform des Linearmotors geeignete Ansteuermodule verwendet, insbesondere Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter mit Spannungs- bzw. Stromzwischenkreis.

[0027] Die elektronischen Leistungsschalter sind dabei insbesondere Feldeffekttransistoren in Halbbrücken oder Brückenschaltung mit für die projektierten Lastfälle geeigneten statischen und dynamischen charakteristischen Kennwerten.

[0028] Die digitale Steuereinheit ist ein mikroelektronisches Modul, versehen mit digitalen und analogen Eingängen und Ausgängen und einem oder mehreren Prozessoren sowie internen und externen Speichereinheiten zur Verarbeitung der eingelesenen Eingangssignale und Erzeugung von Ausgangssignalen nach logischen, mathematischen, algorithmischen und programmtechnischen Regeln und Verfahren.

[0029] Dazu wird mittels Entwicklungsumgebungen von fachkundigen Personen Programmcode erstellt, fehlerbereinigt, getestet und in der digitalen Steuereinheit hinterlegt.

[0030] Die digitale Steuereinheit kann als Mikrocontroller und/oder als System on Chip SoC realisiert sein.

[0031] Die schaltungstechnische Realisierung der digitalen Steuereinheit kann mit einem oder mehreren programmierbaren, integrierten Schaltkreisen (field programmable gate array FPGA) und/oder mindestens einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit ASIC) erfolgen.

[0032] Die Betriebsgröße ist beispielsweise die Position x(t) eines Punktes und/oder einer Kante und/oder einer Fläche des Werkzeugs.

[0033] Alternativ ist die Betriebsgröße die zeitliche Änderung dieser Position und damit die Geschwindigkeit v(t)=dx(t)/dt des Punktes und/oder der Kante und/oder der Fläche des Werkzeugs.

[0034] In einer weiteren Ausführungsform ist die Betriebsgröße die zeitliche Änderung dieser Geschwindigkeit des Punktes und/oder der Kante und/oder der Fläche des Werkzeugs, also seine und/oder ihre Beschleunigung a(t)=dv(t)/dt=d?x(t)/dt?.

[0035] Komplementär oder ergänzend ist eine Betriebsgröße als eine Kraftwirkung F(t) definiert, die entweder auf einen Punkt und/oder eine Kante und/oder eine Fläche des Werkzeugs wirkt oder von diesem, dieser oder diesen ausgeht.

[0036] In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Messeinheit, die als Sensor beispielsweise Messwertaufnahme, Messwertverstärkung und gegebenenfalls auch Messwertverarbeitung umfasst, an dem Arbeitsaggregat angeordnet, um eine oder mehrere Betriebsgrößen messtechnisch zu erfassen.

[0037] Alternativ ist diese Messeinheit in der Umgebung des Arbeitsaggregats oder eines Arbeitsaggregatelements und insbesondere in der Umgebung des Werkzeugs angeordnet.

[0038] Vorzugsweise ist die digitale Steuereinheit dazu vorgesehen, an ihren digitalen oder analogen Ausgängen Steuersignale und/oder Steuersignalmuster für die leistungselektronische Stelleinheit zu erzeugen.

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[0039] Zur Erzeugung dieser Steuersignale zieht die Verarbeitungseinheit der digitalen Steuereinheit Sollwerte und Messwerte einer Betriebsgröße oder mehrerer Betriebsgrößen heran, die ihr über die digitalen oder analogen Eingänge zur Verfügung gestellt werden oder bereits in einem internen Speicher der digitalen Steuereinheit abgelegt sind.

[0040] Es ist beispielsweise vorgesehen, die Differenz zwischen Sollwert und Messwert zu bestimmen, um ein Maß der Abweichung, die in der Regelungstechnik als Regeldifferenz bezeichnet wird, zur Erzeugung der Steuersignalmuster zu verwenden.

[0041] Vorzugsweise kommen dabei konventionelle oder fortgeschrittene Entwurfsmethoden und Regelungsalgorithmen zur Anwendung.

[0042] Dafür bedienen sich fachkundige Personen beispielsweise Entwicklungsumgebungen nach dem Stand der Technik.

[0043] In einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die digitale Steuereinheit weitere Betriebsgrößen mittels der erfassten Betriebsgrößenmesswerte bestimmt.

[0044] Beispielsweise entsprechen diese weiteren Betriebsgrößen statistischen Kennwerten wie dem Mittelwert oder den Extremwerten (kleinster Wert, größter Wert) der erfassten BetriebsgröRBenmesswerte in einem vorgegebenen Zeitintervall T.

[0045] Es kann aber auch vorgesehen sein, physikalische Größen wie eine Leistung P, eine aufgewandte Energie E oder einen Wirkungsgrad n als Verhältnis einer Ausgangsleistung P2 zur einer Eingangsleistung P+ einer Funktionseinheit oder eines Moduls innerhalb eines gegebenen Zeitraums T=t2-t1 mittels der Betriebsgrößenmesswerte zu ermitteln, wobei dabei in der Regel auch vorgesehen ist, charakteristische Parameter p.={ px, P2, ..., Pn} des Arbeitsaggregats und/oder der zu bearbeitenden Schienenfahrwegkomponenten, wie der Schiene oder einer Schotterschicht des Schienenfahrwegoberbaus, heranzuziehen.

[0046] Diese Parameter p. sind entweder bereits in der digitalen Steuereinheit abgespeichert oder sind an deren Eingängen zur weiteren Bearbeitung verfügbar.

[0047] Es ist günstig, diese weiteren Betriebsgrößen zur Erzeugung der Steuersignale heranzuziehen.

[0048] Dabei ergänzen die weiteren Betriebsgrößen beispielsweise die Sollwerte und Messwerte der Betriebsgrößen, die zu ihrer Bestimmung herangezogen wurden.

[0049] In einer bevorzugten Variante werden auch Sollwerte für die weiteren Betriebsgrößen vorgegeben oder sind in einem Speicher der digitalen Steuereinheit hinterlegt.

[0050] Vorzugsweise ist vorgesehen, die Betriebsgrößen an eine digitale Überwachungseinheit zu übermitteln, für eine Bedienperson darzustellen und/oder mit Betriebsgrenzwerten für Sicherheitsvorrichtungen des Arbeitsaggregats zu vergleichen.

[0051] Nähern sich die Betriebswerte den vorgegebenen, in der digitalen Überwachungseinheit hinterlegten Betriebsgrenzwerten, ist vorgesehen, dass das Arbeitsaggregat in einen sicheren Betriebszustand wechselt.

[0052] In der Regel verbleibt das Arbeitsaggregat dann so lange in diesem sicheren Betriebszustand, bis die kritische Betriebsgröße wieder unterhalb des vorgegebenen Betriebsgrenzwerts gesunken ist und eine Bedienperson eine Sicherheitsfreigabe bestätigt.

[0053] Alternativ kann eine Sicherheitsfreigabe in der Überwachungseinheit auch automatisch ausgelöst werden.

[0054] Es ist günstig, wenn vorgesehen ist, dass der direkt-elektrische Aktor durch ein Fluid gekühlt wird.

[0055] Dieses Fluid ist vorzugsweise Wasser. [0056] Durch die Kühlung mittels eines Fluids erhält man einen direkt-elektrische Aktor mit kom-

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pakten Abmessungen, die jenen eines hydraulischen Aktors entsprechen.

[0057] Das Werkzeug der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schleifstein oder eine Mehrzahl von Schleifsteinen eines Schleifaggregats.

[0058] Komplementär oder ergänzend ist das Werkzeug ein Verdichter oder eine Anordnung von Verdichtern eines Aggregats zur dynamischen Gleisstabilisierung und/oder ein Hebelarm mit Stopfpickel oder ein Hebelarmpaar mit paarweise angeordneten Stopfpickeln als Teil eines Stopfaggregats.

[0059] Es ist günstig, wenn die erfindungsgemäße Antriebeinheit dazu eingerichtet ist, Schwingungen des Werkzeuges aktiv zu dämpfen.

[0060] Bei einer aktiven Schwingungsdämpfung werden jene parasitären Schwingungen ermittelt, die die Funktion des Werkzeuges beeinträchtigen, und es werden Stellbewegungen des Werkzeuges überlagert, die diese Schwingungen teilweise oder im günstigsten Fall gänzlich kompensieren.

[0061] In einer bevorzugten Variante sind mindestens zwei Antriebseinheiten derart angeordnet, dass ein Antriebssystem vorliegt, um einen mit nur einer Antriebseinheit erzielbaren Maximalwert mindestens einer Betriebsgröße, beispielsweise eine maximal erzielbare Kraftwirkung des Werkzeuges, aufgrund des Zusammenwirkens der Antriebseinheiten, zu erhöhen.

[0062] Dazu ist vorzugsweise eine Kommunikationseinheit vorgesehen, um die Steuereinheiten der einzelnen Antriebseinheiten miteinander zu synchronisieren.

[0063] Alternativ ist nur eine digitale Steuereinheit für alle Antriebseinheiten des Antriebssystems vorgesehen, die mittels ihrer Steuersignalmuster die Antriebseinheiten miteinander synchronisiert.

[0064] Bevorzugt ist ein Arbeitsaggregat mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit als Teil einer Gleisbaumaschine angeordnet.

[0065] Diese Gleisbaumaschine ist vorzugsweise zur Positionierung und/oder Berichtigung der Lage einer Komponente des Schienenfahrweges, beispielsweise einer Schiene oder eines Gleisrostes vorgesehen.

[0066] Komplementär oder ergänzend ist die Gleisbaumaschine eine Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung einer Komponente des Schienenfahrwegs, beispielsweise zur Reinigung und/oder Begradigung einer Schienenlaufläche oder zur Berichtigung eines Schienenprofils.

[0067] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

[0068] Fig. 1 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit drei funktionellen Modulen

[0069] Fig. 2 Eine erste Erweiterung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit aus Figur 1 [0070] Fig. 3 Eine Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit aus Figur 2

[0071] Fig. 4A Eine Kombination der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit einem Schleifwerkzeug

[0072] Fig. 4B Eine Schnittdarstellung des Verbundes Antriebseinheit und Schleifwerkzeug aus Figur 4A

[0073] Fig. 5 Ein Schienenfahrzeug mit zwei Schleifaggregaten, die jeweils einen Verbund Antriebseinheit und Schleifwerkzeug aus Figuren 4A und 4B umfassen

[0074] Fig. 6 Ein Stopfaggregat

[0075] Fig. 7 Ein Schienenfahrzeug, bestehend aus zwei Fahrzeugteilen, an dem zwei erfindungsgemäße Arbeitsaggregate angeordnet sind

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[0076] Fig. 8A Eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Kommunikationseinheit

[0077] Fig. 8B Eine Variante des Antriebssystems aus Figur 8A mit einer gemeinsamen Steuereinheit

[0078] Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 mit den drei funktionellen Modulen 2, 3 und 4.

[0079] Ein direkt-elektrischer Aktor 2 erhält an seinem Eingang Stellsignale einer leistungselektronischen Stelleinheit 3, mittels denen ein beweglich gelagerter Sekundarteil 9A, der in den Figuren 4A und 4B dargestellt ist, gegenüber einem Primärteil 8A dynamisch bewegt wird.

[0080] Die leistungselektronische Stelleinheit 3 ist auch mit einer digitalen Steuereinheit 4 verbunden, an deren Eingang Sollwerte und/oder Sollwertverläufe von Betriebsgrößen x, v, a, F eines durch die Antriebseinheit 1 gesteuerten Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B anliegen.

[0081] Die digitale Steuereinheit 4 erzeugt aus diesen Sollwerten x;, vr, ar, F, und/oder Sollwertverläufen x,(t), v.(t), ar(t), F.(t) mittels Schaltungslogik und/oder Steueralgorithmen die Steuersignale, die von der leistungselektronischen Stelleinheit 3 verstärkt werden, um den direkt-elektrischen Aktor 2 zu stellen.

[0082] Die in Figur 1 dargestellte Antriebseinheit 1 weist keine Rückführung eines messtechnisch erfassten Wertes einer oder mehrerer Betriebsgrößen x, v, a, F des Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B oder des Arbeitsaggregats 2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B auf.

[0083] In der digitalen Steuereinheit 4 kann jedoch ein statisches und/oder dynamisches mathematisches Modell eines Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B oder eines Arbeitsaggregats 2B°‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B hinterlegt sein und zur Erzeugung der Steuersignale aus den Sollwerten der Betriebsgrößen x, v, a, F genutzt werden.

[0084] In Figur 2 ist der direkt-elektrische Aktor 2 aus Figur 1 als Aktor 2A mit einem Werkzeug 2B oder direkt mit einem Arbeitsaggregat 2B‘ verbunden.

[0085] Eine Messeinheit 5A, 5B erfasst eine oder mehrere Betriebsgrößen x, v, a, F des Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B oder des Arbeitsaggregats 2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B mittels eines als Sensor ausgebildeten Messgrößenaufnehmers 5A und bereitet das erhaltene Messsignal mit einem Messsignalverstärker 5B auf, um es der digitalen Steuereinheit 4 zur Verfügung zu stellen.

[0086] Die Betriebsgrößenmesswerte xm, Vm, am, Fm werden bei dieser Variante der erfindungsmäßen Antriebseinheit 1 gemeinsam mit den Betriebsgrößensollwerten xr, vı, ar, F, in der digitalen Steuereinheit 4 verarbeitet, um daraus Steuersignale für die leistungselektronische Stelleinheit 3 zu erzeugen.

[0087] Die leistungselektronische Stelleinheit 3 verstärkt schließlich wie schon in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit aus Figur 1 das Steuersignal an ihrem Eingang und stellt es dem Verbund aus direkt-elektrischem Aktor 2A und Werkzeug 2B oder Arbeitsaggregat 2B°‘ als Stellsignal zur Verfügung.

[0088] Im Gegensatz zur Ausführungsform der Antriebseinheit 1 aus Figur 1 ist es durch Berücksichtigung von Betriebsgrößenmesswerten Xm, Vm, am, Fm in der in Figur 2 dargestellten Variante möglich, mit Hilfe von Regelungsalgorithmen, die in der digitalen Steuereinheit 4 hinterlegt werden, Störungen die auf einen Aktor/Werkzeug/Aggregat-Verbund 2A, 2B, 2B‘ einwirken, auszugleichen.

[0089] Auch Ungenauigkeiten oder Fehler des mathematischen Modells von Werkzeug 2B, 7, 7A, TB, 16A, 16B und/oder Arbeitsaggregat 2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B können durch die Rückführung der Betriebsgrößenmesswerte Xm, Vm, am, Fm ausgeregelt werden.

[0090] In Figur 3 wird die Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 mit Rückkopplung um eine digitale Uberwachungseinheit 6 ergänzt.

[0091] Diese digitale Überwachungseinheit 6 erhält abgeleitete Betriebsgrößen P, E, n, Be

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triebsgrößensollwerte x;,, vr, ar, F, und Betriebsgrößengrenzwerte von bzw. mittels der digitalen Steuereinheit 4.

[0092] Durch Vergleich zwischen den abgeleiteten Betriebsgrößen P, E, n mit ihren Grenzwerten werden von der digitalen Überwachungseinheit 6 Überwachungs- und Sicherungssignale generiert, die komplementär zu den Steuersignalen der digitalen Steuereinheit 4 auf die leistungselektronische Stelleinheit 3 wirken, um beispielsweise bei Annäherung einer abgeleiteten Betriebsgröße P, E, n an ihren Grenzwert das Antriebssystem 1 in einen sicheren Betriebszustand zu überführen.

[0093] Die Figuren 4A und 4B zeigen eine konstruktive Ausführung des direkt-elektrischen Aktors 2, 2A der Antriebseinheit 1, der ein Werkzeug 7, 7A, 7B als Teil eines Schleifaggregats 14A, 14B bewegt, um Oberflächen von Schienen 25 zu schleifen.

[0094] Die Teile 8D der Primärseite des direkt-elektrischen Aktors 2, 2A, der vorzugsweise ein synchroner Linearmotor ist, sind mittels einer Halteplatte 8A miteinander verbunden und zwischen Endplatten 8B oberhalb eines Paares zylindrischer Führungsstäbe 8C angeordnet.

[0095] Um eine kompakte Bauweise bei einer gegebenen Leistungsaufnahme P+ zu gewährleisten, ist eine Fluidkühlung der Primärteile 8D vorgesehen.

[0096] Dabei ist vorgesehen das Fluid, vorzugsweise Wasser, mittels der Anschlussstutzen 81D, 82D innerhalb der Primärteile 8D nicht dargestellten Leitungen oder Hohlräumen zuzuführen bzw. von diesen wieder abzuleiten.

[0097] Die beweglichen Teile 9A der Sekundärseite des direkt-elektrischen Aktors 2, 2A sind mittels als Winkel ausgebildete Verbindungselemente 9B mit einem Schlitten 9C verbunden.

[0098] Der Schlitten 9C ist auf den zylindrischen Führungsstäben 8C gelagert und kann zwischen den beiden Endplatten 8B bewegt werden.

[0099] Unterhalb des Schlittens 9C ist mittels Schraubverbindungen das Werkzeug 2B angeordnet, das eine Haltevorrichtung 10C und zwei Schleifsteine 10A und 10B umfasst.

[00100] Die beiden Schleifsteine 10A und 10B sind in eine Nut, die an der Unterseite der Haltevorrichtung 10C ausgebildet ist, mit einem horizontalen Zwischenraum voneinander eingesetzt und in ihrer Lage mittels einer schraubbaren Platte befestigt.

[00101] Somit können abgenutzt Schleifsteine 10A, 10B ausgetauscht werden.

[00102] Die linke untere Kante des Schleifsteins 10B nimmt in der Figur 4A die Position x+(t) ein gegenüber einer Referenzposition xo, die der Position dieser Schleifsteinkante entspricht, wenn der Schlitten 9C bis zum ersten Ende der Führungsstäbe 8C bewegt wird.

[00103] Wird der Schlitten 9C von diesem ersten Ende der Führungsstäbe 8C bis zum anderen Ende der Führungsstäbe 8C bewegt, legt die linke untere Kante des Schleifsteins 10B einen Weg AxXmax Zurück, der dem maximal möglichen horizontalen Hub des Schleifstein 10B entspricht.

[00104] Dieser Hub Axmax wird auch von Eckpunkten und Kanten des zweiten Schleifsteins 10A gegenüber Referenzpositionen ausgeführt, die von xo verschieden sind.

[00105] Figur 4B ist eine Schnittdarstellung des Werkzeugs 7, wobei die Schnittebene parallel zu den Endplatten 8B durch das Schnittwerkzeug 10B gelegt ist.

[00106] Die Schnittdarstellung in Figur 4B zeigt Teile des Werkzeugs 7, wie die Halteplatte 8A, die Figur 4A nicht zu entnehmen sind.

[00107] Zwei Schleifwerkzeuge 7A, 7B sind in Figur 5 als Komponenten von zwei Schleifaggregaten 14A, 14B angeordnet, die als Arbeitsaggregate 2B, 14A, 14B, 28A, 28B zwischen den jeweils zweiachsigen Fahrwerken 12A, 12B eines Schienenfahrzeugs 11 angeordnet sind.

[00108] Die Schleifwerkzeuge 7A, 7B der Schleifaggregate 14A, 14B sind dabei jeweils mit erfindungsgemäßen Antriebseinheiten 1 zur Ausführung der oszillatorischen Schleifbewegung x(t) mit einer Amplitude Ax/2 und einer Frequenz f ausgestattet.

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[00109] In einer Variante der Antriebseinheit 1 aus Figur 1 sind die direkt-elektrischen Aktoren 2A der Schleifwerkzeuge 7A, 7B mittels den leistungselektronischen Stelleneinheiten 3A, 3B von einer gemeinsamen digitalen Steuereinheit 4 angesteuert.

[00110] Die Kühlung der Primärteile 8D erfolgt dabei mittels eines Leitungsnetzwerkes 83, das mit den Anschlussstutzen 81D, 82D und mit einem Tank 84 zur Speicherung des für die Kühlung verwendeten Fluids verbunden ist.

[00111] Mittels Kupplungen 13A, 13B kann dieses als Schienenschleifmaschine ausgebildete Fahrzeug 11 an Triebfahrzeugen 26, 26A oder andere Maschineneinheiten 26B angekoppelt werden, um die Oberflächen von Schienen 25 zu bearbeiten.

[00112] Bei der Betriebsart des oszillatorischen Schleifens geht man bei solchen Maschinen von einer mittleren mechanischen Schleifkraft F; von 8kN pro Schleifstein und einer Arbeitsgeschwindigkeit va von 26,5m/min aus, womit sich folgende Leistung P-; ergibt

— m 1 . kNm . P = Va F; = 26,55—— 8 10°N = 26,55m — - 8 - 10°N = 3,53 — = 3,53kW. min 60s Ss

[00113] Der mechanische Maximalwert F, pro Schleifstein wird demgegenüber mit 8,4kN angenommen bei einer Arbeitsgeschwindigkeit va von 41,6m/min, woraus man die untenstehende Leistung P-; erhält

N m 1 P) = 41,6 —— = 8,4 * 10°N = 41,6m — - 8,4 - 10°N = 5,82kW min 60s

[00114] Ein Verdichter, der für das Verdichten der Oberfläche einer Schotterschicht in Arbeitsaggregaten zur dynamischen Gleisstabilisierung DGS zur Anwendung kommt, wird hingegen mit einer maximalen mechanischen Kraftwirkung F, von 35kN pro 0,5m? Aufstandsfläche angesetzt. Mit einer Arbeitsgeschwindigkeit va von 35,3m/min folgt daraus

PR = 35,3 —. 35 10°N = 353m —- 35 - 10°N = 20,59kW. min 60s [00115] Ist das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 mit direkt-elektrischen Aktor 2, 2A zur Anregung dieses Verdichters ausgestattet, werden vorzugsweise Energiespeicher angeordnet, um ungewollte Massenmomente und/oder Massenkräfte zu reduzieren und eine effiziente, gezielte Vibration ausschließlich in die gewünschte Richtung hervorzurufen.

[00116] Solche Energiespeicher werden beispielsweise mit mechanischen und/oder pneumatischen Federn realisiert.

[00117] Komplementär kann Energie mit Komponenten, beispielsweise Spulenanordnungen und Körpern aus ferromagnetischen Materialen, in einem oder mehreren Magnetfeldern gespeichert werden, um unerwünschte Vibration zu vermeiden.

[00118] In Figur 6 ist ein Stopfaggregat 15 neben einem Stück Schiene 25 dargestellt.

[00119] Ein solches Stopfaggregat 15 dient zum Umlagern und Verdichten von Neuschotterlagen und von bestehenden Schotterlagen unterhalb der Schwellen eines Gleisrostes.

[00120] Dazu wird ein Paar Stopfwerkzeuge, die drehbar gelagerte Schwenkhebel 17A, 17B mit jeweils einem Stopfpickel 16A, 16B sowie jeweils einem Aktor 18A und 18B und in einer bevorzugten Ausführungsform eine Exzenterwelle 19 umfassen, mittels eines Aktors 23 in die Schotterschicht abgesenkt.

[00121] Die Aktoren 18A, 18B sind auf der Exzenterwelle 19 gelagert und mit dem oberen Ende des jeweils zugeordneten Schwenkhebels 17A, 17B verbunden.

[00122] In der Schotterschicht wird einer durch die Exzenterwelle 19 hervorgerufene Vibration definierter Frequenz und Amplitude eine von den Aktoren 18A, 18B verursachte Beistellbewegung der Stopfpickel 16A, 16B überlagert.

[00123] Die geradlinige Bewegung des jeweiligen Aktors 18A, 18B führt dabei durch Vermittlung

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des drehbar an einem Träger 20 gelagerten Schwenkhebels 17A, 17B zu einer Bewegung der Punkte und Kanten des Stopfwerkzeugs 16A, 16B entlang eines Kreisbogens.

[00124] In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform sind nur die Aktoren 18A, 18B sowohl für die Beistellbewegung als auch für die Vibration der Stopfpickel 16A, 16B mittels der jeweiligen Schwenkhebel 17A, 17B verantwortlich.

[00125] Zur vertikalen Ab- und Aufwärtsbewegung des Stopfwerkzeugs sind die Schwenkhebel 17A, 17B, die Aktoren 18A, 18B und/oder die Exzenterwelle 19 mit dem Träger 20 verbunden.

[00126] Dieser Träger 20 umfasst einen Schlitten 21 oder bildet mit ihm zusammen eine fest verbundene Einheit.

[00127] Der Schlitten 21 ist auf zwei zylindrischen, vertikal in einem Stopfaggregatrahmen 24 angeordneten Führungsstangen 22A, 22B gelagert.

[00128] Somit ist das Stopfwerkzeug 16A, 16B, 17A, 17B, 18A, 18B, 19 mit seiner Tragstruktur 20, 21 mittels des Aktors 23, der mit dem Stopfaggregatrahmen 24 und mit dem Träger 20 beweglich verbunden ist, vertikal entlang der Führungsstangen 22A, 22B verstellbar.

[00129] Die maximal mögliche Amplitude dieser linearen Bewegung ist durch den maximalen Hub des linearen Aktors 23 bestimmt, der durch die Höhe des Stopfaggregatrahmens 24 und/oder des Schlittens 21 begrenzt ist.

[00130] Eine Abschätzung der mittleren Leistung P,; für die Beistellbewegung eines jeweiligen Stopfpickels 16A, 16B ergibt mit einer Beistellkraft F3=7,5kN und einer Beistellgeschwindigkeit ve=8,5m/min eine Leistung von P2=1,06kW.

[00131] Die maximale Leistung P-, für die Vibration des jeweiligen Stopfpickels 16A, 16B wird mit einer Vibrationskraft Fv=10kN und einer Vibrationsgeschwindigkeit vv=59,4m/min zu P2=9,90kW berechnet.

[00132] Die linearen Aktoren 18A, 18B sind in dem erfindungsgemäßen Stopfaggregat 15 direktelektrische Aktoren 2, 2A. Auch der Aktor zum Senken und Heben ist vorzugsweise als direktelektrischer Aktor 2, 2A ausgebildet. Bei einem bestehenden Stopfaggregat mit herkömmlichen hydraulischen linearen Aktoren können diese durch direkt-elektrische Aktoren 2, 2A ausgetauscht werden. Auf diese Weise ist ein Umbau bestehender Stopfaggregate durchführbar.

[00133] Ähnlich wie bei den beschriebenen Verdichtern erweist sich die Anordnung von Energiespeichern zur Erhöhung der Effizienz als günstig.

[00134] Figur 7 zeigt ein Schienenfahrzeug 26 bestehend aus einem ersten Fahrzeugteil 26A mit einem Fahrwerk 27A auf einer Schiene 25 und einem zweiten Fahrzeugteil 26B mit drei Fahrwerken 27B, 27C, 27D.

[00135] Das erste Fahrzeugteil 26A besitzt auch einen Stromabnehmer 30 in Form eines Pantographen, mit dem elektrische Energie von einer Oberleitungsinfrastruktur des Schienenfahrwegs an elektrische Verbraucher im Fahrzeug 26 übertragen werden kann.

[00136] Zwischen dem Fahrwerk 27A des ersten Fahrzeugteils 26A und dem ersten Fahrwerk 27B des zweiten Fahrzeugteils 26B kann bei diesem Schienenfahrzeug ein erstes Arbeitsaggregat 28A angeordnet sein.

[00137] Dieses Arbeitsaggregat 28A ist beispielsweise ein Stopfaggregat 15 mit linearen Aktoren, die teilweise oder gänzlich mit erfindungsgemäßen Antriebseinheiten 1 ausgestattet sind.

[00138] Alternativ ist das Arbeitsaggregat 28A ein Aggregat zur dynamischen Gleisstabilisation oder ein Schienenschleifaggregat 14A, 14B.

[00139] Zusätzlich kann zwischen dem zweiten Fahrwerk 27C und dem dritten Fahrwerk 27D des Fahrzeugteils 26B ein Arbeitsaggregat 28B angeordnet sein.

[00140] Dieses Arbeitsaggregat 28B kann ein Aggregat zur dynamischen Gleisstabilisation sein, wenn das Arbeitsaggregat 28A ein Stopfaggregat 15 ist oder umgekehrt ein Stopfaggregat 15 für

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das synchrone Stopfen von zwei oder mehr Schwellen, wenn das Arbeitsaggregat 28A ein dynamisches Stabilisationsaggregat ist.

[00141] Das Schienenfahrzeug 26 kann mit dem Schienenfahrzeug 11 mittels der Kupplungen 13A, 13B und gegebenenfalls zusätzlichen Koppelstangen, die nicht dargestellt sind, zu einem Schienenfahrzeugverband gekoppelt werden, um die Richtigstellung der Gleislage, die Verdichtung und Stabilisierung der Schotterschicht und die Reinigung und Berichtigung von Oberfläche und/oder des Profils von Schienen 25 mittels eines Baumaschinenverbands 26, 11 zu erreichen.

[00142] Ein Antriebssystem 33 mit zwei Antriebseinheiten 1 ist in Figur 8A gezeigt.

[00143] Die Antriebseinheiten 1 bestehen dabei aus einer digitalen Steuereinheit 4, die ein Werkzeugmodul 32 ansteuert, das eine leistungselektronische Stelleinheit 3 mit einem direkt-elektrischen Aktor 2, 2A und gegebenenfalls einen Teil des Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B umfasst.

[00144] Da beide Antriebseinheiten 1 des Antriebssystems 33 zusammenwirken sollen, um Betriebsgrößen wie eine Geschwindigkeit v oder Kraft F eines Punktes, einer Kante oder einer Fläche des Werkzeugs 2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B zu vergrößern ist eine Kommunikationseinheit 34 vorgesehen, um die Ansteuerung der Werkzeugmodule 32 mittels der jeweiligen digitalen Steuereinheiten 4 zu koordinieren.

[00145] Dieses Kommunikationsmodul 34 ist dazu mit beiden digitalen Steuereinheiten 4 mittels bidirektionaler analoger und/oder digitaler Datenleitungen verbunden.

[00146] Eine Variante dieses Antriebssystems 33 ist in Figur 8B abgebildet.

[00147] Die Kommunikationseinrichtung 34 ist mit den beiden digitalen Steuereinheiten 4 in eine gemeinsame Steuereinheit 4 vereinigt, die beide Werkzeugmodule 32 ansteuert.

[00148] Die nötige Synchronisation der Steuersignale und Steuermuster erfolgt dabei innerhalb dieser gemeinsamen Steuereinheit 4.

[00149] Zusätzlich werden in dieser Variante Istwerte von Betriebsgrößen xm, Vm, am, Fm mittels Messeinheiten 5 ermittelt, die eine Messgrößenerfassung 5A und einen Messsignalverstärker 5B beinhalten, und gemeinsam mit den Betriebsgrößensollwerten x,, vr, ar, F. der gemeinsamen Steuereinheit 4 zur Verarbeitung zugeführt.

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Claims

x bes AT 528 400 B1 2026-01-15 Ss N Patentansprüche

1. Antriebseinheit (1), vorgesehen zum Antrieb mindestens eines Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) eines Arbeitsaggregats (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) einer Gleisbaumaschine (11, 26, 26A, 26B), zur Ausführung einer dynamischen Linearbewegung x(t), insbesondere einer gerichteten oder periodischen Bewegung entlang eines geraden oder gekrümmten Pfades, gekennzeichnet durch - einen direkt-elektrischen Aktor (2, 2A),

- eine leistungselektronische Stelleinheit (3) zur Ansteuerung dieses Aktors (2, 2A) und

- eine digitale Steuereinheit (4) zur Erzeugung von Steuersignalen für die leistungselektronische Stelleinheit (3) auf Basis von zumindest einem vorgegebenen Sollwert (x;, vr, ar, F}) einer Betriebsgröße (x, v, a, F) des Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B).

2. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgrößensollwert (xr, vr, ar, Fi) eine Position (x) und/oder eine Geschwindigkeit (v) und/oder eine Beschleunigung (a) eines Punktes und/oder einer Kante und/oder einer Fläche des Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) ist.

3. Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgrößensollwert (xr, vr, ar, Fi) eine Kraftwirkung (F) auf einen oder von einem Punkt und/oder auf eine oder von einer Kante und/oder auf eine oder von einer Fläche des Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) ist.

4. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) mit einer Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (5A) an dem Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) oder in dessen Umgebung angeordnet ist zur messtechnischen Erfassung von mindestens einer Betriebsgröße (x, v, a, F).

5. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinheit (4) vorgesehen ist, Steuersignale für die leistungselektronische Stelleinheit (3) auf Basis des zumindest einen Betriebsgrößensollwertes (x,, vr, ar, Fı) und des mindestens einen erfassten Betriebsgrößenmesswertes (Xm, Vm, am, Fm) Zu erzeugen.

6. Arbeitsaggregat (2B°‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinheit (4) vorgesehen ist weitere Betriebsgrößen (P, E, n) auf Basis der erfassten Betriebsgrößenmesswerte (Xm, Vm, am, Fm) und weiterer in der digitalen Steuereinheit (4) gespeicherter charakteristischer Parameter (pc) des Arbeitsaggregats (14A, 14B, 15, 28A, 28B) und/oder von zu bearbeitenden Schienenfahrwegkomponenten (25) abzuleiten.

7. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die weiteren Betriebsgrößen (P, E, n) zur Erzeugung der Steuersignale für die leistungselektronische Stelleinheit (3) heranzuziehen und/oder an eine digitale Überwachungseinheit (6) zu übermitteln.

8. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der direkt-elektrische Aktor (2, 2A) durch ein Fluid, insbesondere Wasser, gekühlt wird.

9. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) ein Schleifstein (10A, 10B) eines Schleifaggregats (14A, 14B) und/oder ein Verdichter eines Aggregats zur dynamischen Gleisstabilisierung und/oder ein Hebelarm (17A, 17B) mit Stopfpickel (16A, 16B) eines Stopfaggregats (15) ist.

10. Arbeitsaggregat (2B‘, 14A, 14B, 15, 28A, 28B) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) zur aktiven Schwingungsdämpfung des Werkzeuges (2B, 7, 7A, 7B, 16A, 16B) und/oder des Arbeitsaggregats (14A, 14B, 15, 28A, 28B) vorgesehen ist.

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11. Antriebssystem (33) mit mindestens zwei Antriebseinheiten (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikationseinheit (34) dazu eingerichtet ist, die Steuereinheiten (4) dieser Antriebseinheiten (1) derart miteinander zu synchronisieren, sodass der Maximalwert mindestens einer der Betriebsgrößen (x, v, a, F) erhöht wird.

12. Antriebssystem (33) mit mindestens zwei Antriebseinheiten (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Steuereinheit (4) dazu eingerichtet ist, diese Antriebseinheiten (1) derart miteinander zu synchronisieren, sodass ein Maximalwert mindestens einer der Betriebsgrößen (x, v, a, F) erhöht wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen