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 lotrecht sowie synchron wirkende Kräfte aufgebracht werden und diesen Kräften eine statische Kraft überlagert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem 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 ausgenützt. Mit Hilfe des Zwischenlagenausgleichs wird eine gute und elastische Gleislage erreicht, deren Haltbarkeit derzeit von Stopfmaschinen oder ähnlichen Gleisbaumaschinen nicht übertroffen werden kann.
Die Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, dass es eine verhältnismässig grosse Zahl von Arbeitskräften erfordert sowie zweitraubend 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 Masse 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 50.000 t Betriebslast wird die Geschwindigkeit auf 90 km/h angehoben und nach 100.000 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., oder 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 Beschleuni gungskraftvon 19 g (1 g = 9,81 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 (quasi 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 Verdichterwerkreug angesehen werden, das mit grosser statischer Last (ca. 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, 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 ausgenützt. Durch die grossen statischen und dynamischen Kräfte wird eine besonders gute Haltbarkeit der Gleislage erzielt. Jedoch benötigt das Platteln sowie das Soufflageverfahren eine grosse Zahl von Arbeitskräften und kann daher nur in beschränktem 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 (ca. 100 bis 120 Lastwechsel pro Schwelle).
Sie sind jedoch kaum vorausbestimmbar, da die statische Last in grossen Grenzen vom Federspiel (Schwingbewegung) 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 Verdichtungsstempel 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 zwar auch schon vorgeschlagen worden, das Niveau einer Schwelle dadurch zu korrigieren, dass unterhalb der Schwelle eine Belastung auf den Schotter mit einer Stärke ausgeübt wird, die grösser als diejenige der stärksten Verkehrsbelastung ist, und dass diese Belastung genügend oft erfolgt, um den Schotter in vertikaler Richtung zu verformen.
Die zur Durchführungen dieses Verfahrens bekannte Vorrichtung weist ein sich auf dem Gleis bewegendes Fahrzeug auf, das an jeder Seite eine hydraulisch steuerbare Ramme besitzt.
Da jedoch die Federn des Fahrzeuges während des Betriebes blockiert werden, ergeben sich nachteilige Rückwirkungen über die Räder auf das Gleis, wodurch vor allem die Schienenbefestigungsmittel sehr stark beansprucht und sogar zerstört werden können. Ausserdem sind die Belastungen des Fahrzeuges ungebührlich gross, ohne eine zufriedenstellende Verdichtung des Schotters zu ermöglichen.
Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile sowie eine derartige Verdichtung der Gleisbettung, dass unterhalb der Schwellen ausreichend tragfähige Tragkörper gebildet werden, die bei betriebsmässiger Belastung elastisch nachgeben und somit eine Setzung des Gleises verhindert wird.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass erfindungsgemäss sämtliche Kräfte wenigstens einmal entlang eines Abschnittes der Bettung kontinuierlich verlagert werden, dass der Höchstbetrag sämtlicher Kräfte grösser ist als der Höchstbetrag der normalen Betriebsbelastung und dass die statische Kraft über einen Energiespeicher mit den Wechselkräften gekoppelt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens kann die Frequenz der Wechselkräfte im Bereich der Eigenfrequenz der Bettung samt des Gleisrahmens liegen. Günstig ist ferner, wenn die Frequenz der Wechselkräfte aus zwei einander überlagerten Frequenzen gebildet wird. Weiters können auf die Bettung im Bereich der Schwellenvorköpfe zusätzlich periodisch wechselnde, mit den Wechselkräften synchronisierte Kräfte aufgebracht werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäss der Schwingungserreger über einen Energiespeicher mit dem Gestell verbunden ist und dass das Rüttelorgan zur kontinuierlichen Fortbewegung auf dem Gleis ausgebildet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind; in dieser zeigen Fig. 1 die Wirkungsweise bekannter Maschinen, Fig. 2 den Effekt des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung, Fig. 4 eine Vorrichtung mit als Walze ausgebildetem Rüttelorgan, Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4 und Fig. 6 eine Variante der Erfindung mit Gleitkörpern.
Wie Fig. 1 zeigt, entstehen bei der herkömmlichen Verdichtung der Schotterbettung Bereiche, in denen die beabsichtigte Verdichtung teilweise oder aber auch gänzlich zunichte gemacht wird, da durch vektorielle Addition der einzelnen auf den Schotter wirkenden Kräfte keine gleichmässigen, unter Umständen sogar gegensinnige Schwingungen aufgebracht werden. Da weiters die Verdichterwerkzeuge bekannter Maschinen beiderseits der Schiene angreifen, bilden sich diese Bereiche gerade dort aus, wo sie am wenigsten erwünscht sind, nämlich unterhalb der Schiene. Werden zwei Schwellenfächer zugleich verdichtet, so treten diese Bereiche in gleicher Weise unterhalb der dazwischenliegenden Schwelle auf.
Dieser Nachteil wird bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beseitigt. Gemäss Fig. 2 addieren sich die stets gleichsinnig aufgebrachten Verdichtungskräfte derart, dass sich unterhalb der Schiene und bzw. oder Schwelle ein sogenannter dynamischer Tragkörper ausbildet, dessen Tragfähigkeit um ein Vielfaches grösser ist als die bisher erzielbare. Einer der wesentlichsten Vorteile der Erfindung liegt darin, dass der dynamische Tragkörper seine grösste Festigkeit gerade dort besitzt, wo die im Betrieb auftretenden Kräfte angreifen, nämlich unterhalb der Schiene bzw. Schwelle. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, dass sämtliche Verdichtungskräfte mit gleicher Frequenz und Phasenlage sowie etwa senkrecht zur Bettung aufgebracht werden, wodurch diese in einem Abschnitt einheitlich in Schwingung versetzt wird.
Da die Verdichtungskräfte an den Schienen angreifen, können die Angriffspunkte dieser Wechselkräfte kontinuierlich entlang des Gleises verlagert werden, so dass ein durchlaufender Betrieb möglich ist.
Ist in Kurven eine Überhöhung des Gleises erwünscht, so werden die Wechselkräfte im Bereich der Schienen zwar mit gleicher Frequenz und Phasenlage, jedoch mit unterschiedlicher Grösse aufgebracht.
Wie bereits erwähnt, wird die optimale Wirkung dann erreicht, wenn die Frequenz der Wechselkräfte im Bereich der Eigenfrequenz der Bettung samt Gleisrahmen liegt, welcher aus Schienen und Schwellen gebildet wird.
Unter Umständen wird die Wirkung noch verbessert, wenn die Frequenz der Wechselkräfte aus zwei einander überlagerten Frequenzen zusammengesetzt ist. Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, die Bet tung im Bereich der Schwellenvorköpfe zusätzlich mit Kräften zu verdichten, die mit den Wechselkräften synchronisiert sind.
Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise des Verfahrens, bei dem die Verdichtungskräfte an den Schienen angreifen und über die Schwellen in die Bettung eingeleitet werden. Hiebei wird die Betriebsverdichtung simuliert, deren Nachteile, wie ungleiche Setzung od. dgl., werden jedoch in ausreichendem Masse vermieden. Es ergibt sich, dass die Schwelle als Verdichtungswerkzeug angesehen werden kann und dass der im Bereich unterhalb der Schwelle befindliche Bettungsabschnitt optimal verdichtet wird, da er in annähernd senkrechter Richtung durch Kräfte mit gleicher Frequenz und Phasenlage zum Schwingen angeregt wird. Nach etwa 100 bis 120 Lastwechseln ist die Verdichtung so gross, dass die Bettung elastisches Verhalten zeigt; dies bedeutet, dass jede weitere Belastung in der gleichen Grössenordnung keine weitere Setzung mehr verursacht.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gegenüber einem verfahrbaren Gestell 1, z.B.
dem einer Gleisstopfmaschine, sind über als Energiespeicher dienende Federn 2 Unwuchtantriebe 3 abgestützt, die über Gelenkwellen 5 miteinander gekoppelt und somit synchronisiert sind. Anstelle der Gelenkwellen 5 können auch flexible Wellen, Kettentriebe od. dgl. verwendet werden; da sie keine nennenswerten Kräfte zu übertragen haben, können sie verhältnismässig schwach dimensioniert sein. Im Betrieb schwingen sohin sämtliche Unwichtantriebe 3 mit selber Frequenz und selber Phasenlage. Je zwei Unwuchtantriebe 3 sind über eine Brücke 4 miteinander verbunden, an deren Unterseite wenigstens ein rollenförmiges Rüttelorgan 6 gelagert ist. Dasselbe ist mit Spurkränzen 9 versehen, um ein kontinuierliches Verfahren auf dem Gleis zu ermöglichen.
Obwohl die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einer Gleisstopfmaschine oder einem Gleismesswagen kombiniert sein kann, weist die Vorrichtung vorzugsweise ein eigenes Fahrgestell auf, so dass sie beispielsweise hinter einer Gleisstopf- oder Gleisreinigungsmaschine als Finishmaschine eingesetzt werden kann, die mehrmals über einen Abschnitt des frisch unterstopften bzw. gereinigten Gleises verfahren wird. Auf diese Weise erhält man ein Gleis, das optimal verankert und dessen Bettung optimal verdichtet ist.
Fig. 4 und 5 zeigen schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. Sie weist ein Gestell 1, beispielsweise das einer Gleisbaumaschine auf, mit dem über Längslenker 7 ein als Walze 8 ausgebildetes Rüttelorgan verbunden ist. Diese Walze 8 ist mit Spurkränzen 9 versehen und der Spurweite des Gleises entsprechend breit. In der Walze 8 ist ein oder eine Anzahl miteinander synchronisierter Unwucht- antriebe angeordnet, deren Betriebsfrequenz etwa 20 bis 50 Hz beträgt. Die Walze 8 ist über als einstellbare hydraulische oder pneumatische Druckzylinder 10 ausgebildete Energiespeicher mit der Masse des Gestells 1 belastbar, die als statische Kraft den Wechselkräften überlagert wird; dabei beträgt das Gestellgewicht etwa 20 t.
Das Gewicht des Schwingantriebes zusammen mit der Druckkraft der hydraulischen oder pneumatischen Zylinder ergibt die statische Last, die von der Walze 8 auf das Gleis ausgeübt wird. Um ein Anheben und damit ein Schlagen der Walze 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 etwas grösser als die statische Last wird. Da in diesem Fall die Walze 8 leicht auf die Schiene schlägt, werden der Erregerfrequenz zusätzlich höherfrequente Schwingungen überlagert.
Fig. 6 zeigt eine Variante dieser 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 1 eines Fahrzeuges oder einer Gleisbaumaschine verbunden und mittels Druckzylinder 10 mit der Gestellmasse belastbar. Sie sind ferner mit Führungen 12 auf den Schienen geführt. In jedem Gleitkörper 11 ist wenigstens ein Schwingantrieb, z.B. ein Unwuchtantrieb, angeordnet, wobei diese miteinander über Gelenkwellen 5 od. dgl. gekuppelt bzw. synchronisiert sind.
Da die Druckkraft als Schwellast vom Wert Null (Pstat-Pdyn) 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 Schwingantriebes wird zweckmässigerweise durch eine oder mehrere rotierende Unwuchten erreicht, die mit einer Frequenz von ca. 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 Verdichterwalzen 8 auf, deren Schwingantriebe 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 nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der statische Druck auf jedes Verdichterwerkzeug bzw. die Drehzahl des Schwingantriebes 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 Verdichterwerkzeuge ausgeübt wird.
Die Vorrichtung ist zweckmässig mit bekannten Mess- und Arbeitseinrichtungen üblicher Gleisbaumaschinen versehen, 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. Es ist daher im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Vorrichtung auch mit Stopfwerkzeugen zu versehen. Anderseits ist die Kombination der Vorrichtung mit einer Gleisstopf- oder anderen 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 Schwingantriebes abgelesen werden, da nach erfolgter Verdichtung das aus Planum, Bettung und Gleisrah men 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.
The invention relates to a method for compacting
Track bedding, in which alternating, essentially perpendicular and synchronous forces are applied to the bedding with a predetermined frequency via the track and the sleepers and a static force is superimposed on these forces, as well as a device for carrying out the method, with one supported by wheels, with the static force loaded frame, on which at least one vibration exciter rigidly connected to at least one vibrating element that can be placed on the track is provided.
Practice shows that every freshly tamped track gives way a little due to the operating load (permanent settlement).
At the same time, the resistance to the sideways movement of the track frame is reduced after each track tamping. This disadvantage becomes even more pronounced when the track is blocked after a new ballast layer or cleaning.
The setting of a freshly tamped track is the outward sign of additional densification by operation. Unfortunately, the compression does not take place evenly, but is differently strong in the individual sleepers and is also only achieved after a prolonged operational load. The advantages of operational densification are exploited with great success in the soufflage process or in interlayer compensation (plating). With the help of the intermediate layer compensation, a good and elastic track position is achieved, the durability of which cannot currently be exceeded by tamping machines or similar track construction machines.
The disadvantages of this method are that it requires a relatively large number of workers and is second consuming and, moreover, can only be carried out about 2 to 3 years after the under-stuffing has taken place.
According to the soil dynamics, the compaction during operation is practically only carried out by vehicles with the highest axle pressure, i.e. mainly by locomotives, but this compaction is largely uneven.
As a result of the stiff suspension of the locomotives, which is necessary from a machine-technical point of view, the axle pressure and especially the wheel pressure fluctuates by up to 80% during oscillating movements, since the wheel pressure is determined by the compression of the springs and, with stiff suspension, is changed within large limits by the vibrations of the vehicle body. Now, however, it is always the same places where every vehicle always performs large oscillating movements, so that the track faults are greatest at these points.
In the horizontal direction, too, the track is subject to very different stresses due to the rolling motion, the sinusoidal motion and the rolling motion of the vehicles and always extremely high in the same places.
In order to make the final compaction through operation more even, each freshly tamped track is initially only driven at 70 km / h. Only after an operating load of 50,000 t is the speed increased to 90 km / h and, after a load of 100,000 t, the vehicle is driven at correspondingly higher speeds. With this approach, a far better track position is achieved than with the immediate release of a clogged track section without speed restrictions. The disadvantage of this approach is the very different stress on the track, because vehicles start oscillating at speeds of 70 km / h and below, causing corresponding changes in axle and wheel pressures.
In a rail vehicle, every single wheel set is under high spring preload. If the weight of a wheelset is now assumed to be 1 to 3 t, the spring preload (spring force on the wheelset) is 17 to 19 t with an axle load of around 20 t. Due to the high spring preload, any irregularity in the rail, such as joint gaps,
Corrugations, chatter marks or the like, or in the case of irregularities on the wheel sets, such as flat spots, due to the resulting
Impacts and bumps have high acceleration forces on the
Rail exercised. For example, a wheel mass of 1 and 19 t spring preload results in an acceleration force of 19 g (1 g = 9.81 m / sec2).
The operational densification takes place through large static and dynamic forces that act on the bedding via the rails and sleepers. If a track is loaded directly above a sleeper, the sleeper will sink in by a certain amount depending on the stiffness of the rail and the compression of the ballast. The loading and unloading of the sleeper as a result of axle loads rolling over it can now take place slowly (quasi static loading) or more rapidly (higher frequency), so that a dynamic loading case results with a more intensive force of the sleeper on the ballast bed. If this dynamic load on the gravel bed-subgrade system occurs roughly in the range of the natural frequency, the additional dynamic effect is greatest.
These additional dynamic forces increase with higher speeds of the loads rolling over them, since the system is excited to periodic oscillations due to the same distances between the vehicle axles. Bumps and bumps caused by bumps in the rails, such as joint gaps, corrugations or the like.
are exerted on the rails, generate higher-frequency vibrations and thus forces that are also superimposed on the static wheel loads. In the case of operational compaction, each sleeper can be viewed as a compactor, which acts on the ballast bedding with a large static load (approx. 20 t axle pressure) and with additional dynamic force excitation (pulsating force of approx. 20 t). This causes the ballast to vibrate in the same direction and homogeneously across the entire width of the bedding across the track, with the large static and dynamic forces forming a single supporting body, namely the part of the track ballast that vibrates synchronously with the sleeper, down to a correspondingly large depth.
This dynamic support body, which is created by the operational stress, not only compresses the sleeper support, but also the sleeper compartment and the gravel head. The external sign of the higher compression is the elastic behavior and the permanent settlement of the track by a certain amount.
From the operational consolidation, both the sleeper support, the sleeper compartment and the ballast head are recorded at the same time. It is currently the best type of compaction and is used to advantage in the soufflage process or interlayer compensation (flattening). Due to the large static and dynamic forces, the track position is particularly durable. However, the platter and the soufflé method require a large number of workers and can therefore only be carried out to a limited extent. After a certain number of load changes, the bedding shows elastic behavior, i.e. no additional settlement will occur with further load changes. The homogeneous compaction is created by the swinging of neighboring ballast grains in the same direction within the dynamic support structure.
It is a prerequisite for the elastic behavior of the track. For the operational compaction of the ballast bed, the maximum forces (maximum static load + peak values of the dynamic force action) acting on the ballast bed via the rail and sleeper are decisive (approx. 100 to 120 load changes per sleeper).
However, they can hardly be determined in advance, as the static load is largely dependent on the spring play (oscillating movement) of the trains and the dynamic force is mainly dependent on the speed, unevenness of the rails and wheel tires, imbalances in the wheel sets, etc. Even under the same load conditions, there is a different load on each individual threshold. Operational densification is therefore always uneven, so that the individual sleepers of a track section will also settle in different sizes.
With the help of sleeper compaction, the slump (sinking of the track due to operational compaction) should be kept as small as possible. This means that a large part of the operational consolidation is to be replaced by the threshold compartment consolidation. However, this goal cannot be achieved with the known sleeper compartment compressors. In these, a sleeper compartment is usually covered with four compressor rams, with a tamping stamp arranged on both sides of the rail and the sleeper and each stamp being firmly connected to a vibration exciter. Sometimes two sleeper compartments are compacted at the same time, so that eight tampers are required. It is also known to connect two compression rams with only one vibration exciter.
As a rule, each vibration exciter has an electric or hydraulic individual drive, which is designed as an unbalance drive. The excitation frequency (speed) is therefore slightly different for the individual unbalance drives. Even at exactly the same speeds, there is still no excitation effect in the same direction, since the unbalances of the oscillators assume different positions with respect to one another, which results in phase shifts in the dynamic force. The compaction tools that act on the ballast with the force p = P sin wt therefore have maximum values that differ over time at sin wt = 1.
The compacting tools acting on the ballast therefore vibrate independently of one another, so that the bedding is also excited to vibrate in different zones in terms of frequency and phase position. In those areas in which these zones are contiguous, i.e. essentially below the rails and sleepers, the formation of a uniform support body is disturbed by the fact that differently directed forces act on the individual ballast grains. This disruption can even lead to a loss of cohesion in the ballast bed. With known machines, in practice, at best, the formation of either a supporting body reaching only a shallow depth or of several, e.g.
four relatively small supporting bodies reached, which leads to a settlement of the track due to the low load-bearing capacity.
It has already been proposed to correct the level of a threshold by exerting a load on the ballast below the threshold that is greater than that of the heaviest traffic load, and that this load is applied sufficiently often to remove the Deform ballast in the vertical direction.
The device known for carrying out this method has a vehicle moving on the track, which has a hydraulically controllable ram on each side.
However, since the springs of the vehicle are blocked during operation, there are disadvantageous repercussions via the wheels on the track, as a result of which the rail fastening means in particular can be very stressed and even destroyed. In addition, the loads on the vehicle are unduly large without allowing the ballast to be compacted satisfactorily.
The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned and to compress the track bedding in such a way that sufficiently load-bearing support bodies are formed below the sleepers, which yield elastically under normal load and thus prevent the track from settling.
This goal is achieved with a method of the type mentioned in that according to the invention all forces are continuously shifted at least once along a section of the bedding, that the maximum amount of all forces is greater than the maximum amount of the normal operating load and that the static force via an energy store with is coupled to the alternating forces.
In an advantageous development of the method, the frequency of the alternating forces can be in the range of the natural frequency of the bedding including the track frame. It is also beneficial if the frequency of the alternating forces is formed from two superimposed frequencies. Furthermore, periodically changing forces synchronized with the alternating forces can be applied to the bedding in the area of the sleeper front heads.
The device for performing this method is characterized in that, according to the invention, the vibration exciter is connected to the frame via an energy store and that the vibrating element is designed for continuous movement on the track.
The invention is explained in more detail below with reference to preferred exemplary embodiments which are shown schematically in the drawing; 1 shows the mode of operation of known machines, FIG. 2 shows the effect of the method according to the invention, FIG. 3 shows schematically an embodiment of the device, FIG. 4 shows a device with a vibrating element designed as a roller, FIG. 5 shows a partial section along the line VV in 4 and 6 show a variant of the invention with sliding bodies.
As Fig. 1 shows, the conventional compaction of the ballast bed creates areas in which the intended compaction is partially or completely nullified, since the vectorial addition of the individual forces acting on the ballast does not generate uniform, possibly even opposing vibrations . Furthermore, since the compression tools of known machines attack on both sides of the rail, these areas are formed precisely where they are least desired, namely below the rail. If two threshold compartments are compressed at the same time, these areas appear in the same way below the threshold lying in between.
This disadvantage is eliminated when the method according to the invention is used. According to FIG. 2, the compression forces, which are always applied in the same direction, add up in such a way that a so-called dynamic support body is formed below the rail and / or threshold, the load-bearing capacity of which is many times greater than that which has previously been achieved. One of the most important advantages of the invention is that the dynamic support body has its greatest strength precisely where the forces that occur during operation act, namely below the rail or threshold. This effect is achieved in that all compression forces are applied with the same frequency and phase position as well as approximately perpendicular to the bedding, which causes it to vibrate uniformly in one section.
Since the compression forces act on the rails, the points of application of these alternating forces can be continuously shifted along the track, so that continuous operation is possible.
If an elevation of the track is desired in curves, the alternating forces in the area of the rails are applied with the same frequency and phase position, but with different magnitudes.
As already mentioned, the optimum effect is achieved when the frequency of the alternating forces is in the range of the natural frequency of the bedding including the track frame, which is formed from rails and sleepers.
Under certain circumstances, the effect is even better if the frequency of the alternating forces is composed of two superimposed frequencies. A further improvement of the method according to the invention is to additionally compact the bed in the area of the sleeper front heads with forces that are synchronized with the alternating forces.
Fig. 2 shows the mode of operation of the method in which the compaction forces act on the rails and are introduced into the bedding via the sleepers. The operational compression is simulated, but its disadvantages, such as uneven settlement or the like, are avoided to a sufficient extent. The result is that the sleeper can be viewed as a compaction tool and that the bedding section located in the area below the sleeper is optimally compacted, since it is excited to vibrate in an approximately perpendicular direction by forces with the same frequency and phase position. After about 100 to 120 load changes, the compaction is so great that the bedding shows elastic behavior; this means that any further loading of the same order of magnitude does not cause any further settlement.
3 shows schematically the structure of an embodiment of the device according to the invention for carrying out the method. Compared to a movable frame 1, e.g.
that of a track tamping machine, unbalanced drives 3 are supported by springs 2 serving as energy stores, which are coupled to one another via cardan shafts 5 and are thus synchronized. Instead of the cardan shafts 5, flexible shafts, chain drives or the like can also be used; since they do not have to transmit any significant forces, they can be relatively weak. In operation, all unimportant drives 3 vibrate with the same frequency and phase position. Two unbalance drives 3 are connected to one another via a bridge 4, on the underside of which at least one roller-shaped vibrating element 6 is mounted. The same is provided with flanges 9 in order to enable a continuous process on the track.
Although the device according to the invention can be combined with a track tamping machine or a track measuring car, the device preferably has its own chassis, so that it can be used, for example, behind a track tamping or track cleaning machine as a finishing machine that repeatedly over a section of the freshly tamped or cleaned Track is moved. In this way you get a track that is optimally anchored and the bedding is optimally compacted.
4 and 5 schematically show an embodiment of the device according to the invention. It has a frame 1, for example that of a track construction machine, to which a vibrating element designed as a roller 8 is connected via longitudinal links 7. This roller 8 is provided with wheel flanges 9 and has a width corresponding to the track width of the track. One or a number of unbalanced drives which are synchronized with one another and whose operating frequency is approximately 20 to 50 Hz is arranged in the roller 8. The roller 8 can be loaded with the mass of the frame 1 via an energy storage device designed as an adjustable hydraulic or pneumatic pressure cylinder 10, which is superimposed on the alternating forces as a static force; the frame weight is around 20 t.
The weight of the oscillating drive together with the pressure force of the hydraulic or pneumatic cylinder gives the static load which is exerted by the roller 8 on the track. In order to prevent the roller 8 from lifting and thus hitting the rail, the dynamic excitation force of the vibratory drive must be below the static load. In the context of the invention, however, the excitation force can also be increased by increasing the speed so that it is somewhat greater than the static load. Since in this case the roller 8 hits the rail lightly, the excitation frequency is also superimposed with higher-frequency vibrations.
Fig. 6 shows a variant of this device, wherein the vibrating element consists of two sliding bodies 11, the mutual spacing of which is adapted to the track width of the track. As described above, the sliding bodies 11 are connected to the frame 1 of a vehicle or a track-laying machine via trailing arms 7 and can be loaded with the frame mass by means of pressure cylinders 10. They are also guided with guides 12 on the rails. In each sliding body 11 there is at least one oscillating drive, e.g. an unbalance drive, arranged, these being coupled or synchronized with one another via cardan shafts 5 or the like.
Since the compressive force as a threshold load increases from the value zero (Pstat-Pdyn) with the excitation frequency to the value (Pstat + Pdyn) and then returns to the value zero, the sliding friction that occurs is minimal, so that the sliding bodies 11 can be moved easily. The dynamic excitation force of the vibratory drive is expediently achieved by one or more rotating imbalances which act on the track ballast via the rails and sleepers at a frequency of approx. 20 to 50 Hz. Compaction of the track ballast with two excitation frequencies, for example with a base frequency of 30 Hz and a superimposition frequency of 50 to 70 Hz, may lead to a better simulation of the operational compaction.
If the compression forces are to be distributed over a longer bedding section, the device has several pairs of sliding bodies or compression rollers 8 arranged one behind the other, the vibrating drives of which are synchronized with one another in the manner described. Due to the even compression of every single sleeper support, the track sinks by a certain amount (settlement). This is only dependent on the size and type of pre-compaction, such as with track clogging; thereafter the track shows elastic behavior, so that it returns to its original position after every operational load. If the compression is higher than the operational compression, there is a further settlement, but the elastic behavior of the track in relation to operation remains practically unchanged.
With the device according to the invention it is therefore possible to correct any small height errors that are still present. If, for example, a shock is too exaggerated, according to a further feature of the invention, the static pressure on each compression tool or the speed of the vibratory drive or both is temporarily increased in order to achieve a greater sinking of the desired thresholds or threshold groups with the stronger compression effect. For this purpose, the machine has at least one pressure piston on the left and right, by means of which, if necessary, locally different pressure is exerted on the compressor tool or tools independently.
The device is expediently provided with known measuring and working devices of conventional track construction machines, with which any errors, such as longitudinal, transverse, or twisting errors can be identified or immediately corrected.
With the device, poorly stuffed, loose thresholds as well as the size of the defects are determined.
If the error cannot be eliminated with compression alone, reworking is necessary at these points. It is therefore provided within the scope of the invention to provide the device with tamping tools. On the other hand, the device can be combined with a track tamping machine or other track construction machine.
With the help of the invention, the ballast of the bedding is compacted evenly and homogeneously. The degree of compaction is adjustable and is selected in such a way that it is higher than that of the subsequently expected operational compaction due to traffic. The end of compaction is easiest to read from the monitoring instruments of the vibratory drive, since after compaction the system consisting of subgrade, bedding and track frame shows elastic behavior, so that the applied forces are mechanically reflected. In this way, a permanent and optimal track position is achieved that does not require post-processing for a long time.
The time required for compaction is roughly equivalent to that of conventional track tamping and is therefore much less than with the soufflation method or with the leveling of intermediate layers.