CN108603345B - 用于压实轨道的道碴床的方法以及捣固单元 - Google Patents

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Abstract

位于轨道的枕木下方的道碴(3)通过设置为震荡的压实工具(7)的浸入和挤压来压实。在压实过程期间引入道碴(3)中的震荡被记录为道碴压实的量度。因此，即使在不同的道碴特性的情况下，也可以获得均匀压实的轨道。

Description

用于压实轨道的道碴床的方法以及捣固单元
技术领域
本发明涉及一种借助于设置为震荡的压实工具来压实轨道的道碴床的方法、以及一种用于压实道碴的捣固单元。
背景技术
根据AT 513 973 B1已知一种用于压实轨道的道碴的捣固单元。在该捣固单元中，通过位移传感器来检测挤压压实工具的挤压缸的位置。挤压缸由路径传感器控制。为了实现最佳的道碴压实，压实工具的震荡幅度和震荡频率根据挤压位置而改变。
AT 515 801 B1描述了用于道碴硬度的质量数值。在此，基于挤压路径示出挤压缸的挤压力，并且经由能量消耗定义特征值。因此，经由挤压缸供给到道碴的能量被认为是这个特征值。然而，以这种方式，没有考虑在系统中损失的能量。
然而，大部分能量用于加速和制动压实工具。因此导致了对震荡压实工具的频率和质量的平方的依赖性。结果，所述比率首先取决于压实工具的结构设计。因此与其他压实工具不可能具有可比性。重要的缺点在于，这个比率不能得出关于道碴的压实程度的任何结论。严格地说，仅接收一个用于某个压实工具的比率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种本文开头提到的类型的方法，其能够改进可由压实工具实现的道碴压实的可识别性。
本发明的另一目的还在于提供一种具有可震荡压实工具的捣固单元，其使得均匀的道碴压实成为可能。
根据本发明，该方法的目的通过以下方式实现，即在压实过程期间引入道碴的震荡被记录为道碴压实的量度。
通过本发明的特征，在有利地排除了结构能量损耗的同时，能够将直接传输到道碴中的能量记录下来并且因此为实现最佳道碴压实提供有意义的特征值。借此，可以获得刚好低于阈值的最大可能的动态挤压功率。结果，道渣不会被过度的压实破坏，并且可靠地排除了在枕木的纵向方向上非常不利的侧向溢流。通过检测合适的工艺数据，可以有针对性地定制期望的压实所需要的挤压时间和挤压功率。
利用根据本发明的方法的特征，可以总体上改进适用于道碴压实的工作装置，使得在每种情况下均可获得关于可达到的压实程度的精确描述(或比率)。由此，即使在不同的有轨压实、捣固和轨道稳定机器的情况下，也可以实现最佳的压实状态。
上述提及的所涉捣固单元的另一个目的是通过在捣固杆和/或压实工具上布置连接到控制单元的加速度传感器来实现的。
通过捣固单元的这种可以非常容易地在结构上实现的优化，捣固操作所需的能量消耗与道碴的期望压实程度相匹配，因此减少了捣固单元的磨损。通过本发明，可以实现捣固过程的自动化，同时实现均匀的压实质量和均匀的枕木道床。
附图说明
下面将参考附图中所示的实施例更详细地描述本发明。
图1示出了具有两个可朝向彼此挤压的压实工具的捣固单元的简化侧视图；
图2示出了压实工具的示意图；以及
图3a-3d示出了加速度信号。
具体实施方式
在图1中以简化方式示出的捣固单元1用于捣固位于轨道2下方的道碴床的道碴3，该捣固单元基本上由两个捣固杆5组成，每个捣固杆5可绕枢转轴线4枢转。在下端部6处，这些捣固杆5分别与压实工具或捣固镐7连接，该压实工具或捣固镐7设置用于穿入道碴3中，并且捣固杆5在上端部8处连接至液压挤压驱动器9。
每个挤压驱动器9安装在偏心轴11上，偏心轴11可通过偏心驱动器10旋转。因此，产生振荡震荡，其经由挤压驱动器9、捣固杆5和压实工具7传递到待被压实的道碴3。在每个捣固杆5的下端部6处布置有加速度传感器13，该加速度传感器13连接到控制单元12。然而，替代地，该加速度传感器13也可以直接紧固到压实工具7。
在未详细示出的本发明实施例的另一变型中，加速度传感器也可以布置在设计成将轨道设置为震荡的轨道稳定器的压实工具上。
借助于加速度传感器13，在压实过程期间通过压实工具7引入道碴3中的震荡被记录为道碴压实的量度。为此，测量直接作用在压实工具7上的加速力并且将其作为加速度信号馈送到控制单元12。
震荡压实工具或捣固镐7的加速度用作系统中的输入变量，用于确定压实质量。通常，压实工具或捣固镐7不执行谐波运动，而是以非线性操作方式进行工作。力仅在一个方向上传递到道碴3，这可能使得道碴石离开镐面。结果，在力进程中发生跳跃，这使谐波加速度信号失真。
在挤压运动期间，可以在某一时间间隔内用加速度传感器13计算最大可能的压实程度。因此，可以获得位于压实工具7之间的道碴3尚未被压实到与加速度信号的某一值对应的最大程度的信息。如果需要，还可以启动额外的捣固顺序。在有利的方式中，还可以记录压实程度(特别是在较长的捣固部分期间)已经均匀地产生。
充当激励器的压实工具7与作为共振器的道碴3一起形成能够震荡的系统。由于动态系统的等效刚度发生变化，因此压实会改变系统的共振。借助于动态系统的频率响应，可以评估共振频率。跟踪该共振频率的频率也是有利的。
发送到控制单元12的加速度传感器13的加速度信号用作谐波含量(OSG)和基础震荡的功率(LGS)的基础。功率密度频谱或功率频谱密度表示针对无限小宽频带(极限值趋近于零)中的频率的信号功率。
一旦存在负载，加速度信号就会变形。通过功率密度频谱的计算可以看出这一点，并且在用于基础震荡的功率的50Hz以下以及用于谐波的功率的超过50Hz的区域中被合计。
谐波含量(OSG)用作道碴压实的量度。加速度的谐波正弦形基础信号的OSG受道碴的反作用效应(反射)的非线性行为的影响。谐波含量称为无量纲值，并且表示谐波功率叠加在正弦形基础震荡的功率上的量值。
在图3a-3d中，展示了功率频谱密度(或PSD，“功率频谱密度”的简称)的分析结果。图3a中可见的曲线示出了具有未加载的压实工具7的加速度信号，图3b和3c分别具有中等压实和高度压实(在x轴上显示时间t，在y轴上显示每种情况下的加速度)。比较显示了正弦函数的形状的显著变化。谐波区域中的加速度信号的频谱部分正在增加。
三个呈现的加速度信号的功率频谱密度的曲线在图3d中示出(x轴对应于频率Hz，y轴对应于功率密度频谱W/Hz)。在实线所示的曲线中，主频率部分大约为35Hz。在用虚线画出的曲线中，增加了几个较高频率的部分，并且在点划线所示的曲线中，增加了更多的较高频率部分。这些较高频率的部分是最初的正弦形加速度信号变形的原因。
为了确定功率频谱密度，选择限制时间部分的加速度信号并将其馈送到用于功率密度频谱的计算程序。以这种方式，在5至300Hz的频带中计算功率密度频谱。
功率密度频谱随后可作为频率的函数提供：Sxx＝F(2*π*f)。
功率由功率频谱密度在期望的频率范围内积分进行确定。基础震荡的功率(LGS)和谐波含量(OSG)如下确定：
Figure GDA0002802112000000041
Figure GDA0002802112000000042
通过将谐波功率除以基础震荡的功率(LGS)，确定与道碴3中现有压实相关的谐波含量(OSG)。该特征值(OSG)表示整个加速度信号中的谐波的功率部分的量级。
位于基础震荡(GS)和谐波之间的极限频率f1取决于捣固单元1的机械结构的共振频率，并且由功率频谱密度(PSD)的曲线确定。
下面将描述加速度信号的评估。用于压实工具7的挤压路径的各个测量值及其挤压持续时间被分成几个时间段。对于各个部分，确定用于相对于捣固机的工作方向的前后压实工具7的LGS和OSG的特征值。以有利的方式，一旦特征值OSG达到预设大小，就可以立即终止压实工具7的压实过程或挤压运动。
偏心驱动器10的驱动功率用于确定视在功率。所述驱动功率通过其压力曲线以技术测量手段记录，并且减去挤压驱动器9的无功功率，因为在这个地方功率损失。
计算压实工具7的挤压力需要有效功率。此外，通过测量的压实工具7的加速度，确定道碴力。道碴力是道碴压实的指标。原则上，道碴压实的工作过程可以分为以下部分：压实工具7的插入、挤压和提升。实际的压实过程在挤压过程中发生。
在压实工具7的挤压运动期间，道碴3的颗粒结构被重新布置。由此，压实能量从压实工具7传递到道碴3。通过道碴3中吸收的能量，发生颗粒结构的重新排列，并且进一步地，这导致孔体积的减小。当枕木下方的道碴运动完成时，道碴3的能量吸收减少。此后，由压实工具7引入的力被更多地反射，并且相对定位的压实工具7被更强烈地减速。道碴3的刚度随着压实的增进而增加，并且能量被吸收到道碴3中的部分(衰减)减小。这导致对压实工具7的主动力产生更大的反作用力。因此，如果已经达到了道碴良好的压实，则可以观察到压实工具7的增加的功率吸收。
表示有效功率(道碴吸收的功率)的测量值可以通过各种方式获得。例如，可以经由偏心驱动器10的扭矩和旋转速度来测量驱动功率，并且由此可以推导出系统本身所消耗的无功功率。
无功功率一方面由液压系统中以及挤压驱动器9内的内部摩擦损耗和流动损耗产生，其也用作系统中的限力过载保护。如果力限制有效，则会消耗更多的无功功率。通过测量挤压驱动器9中的功率可以导致无功功率。为此，需要产生的气缸力和活塞杆相对于挤压驱动器9的速度。产生的气缸力可以通过挤压驱动器9中的两个压力传感器来获得。液压缸中的位移传感器可以用于通过路径的一次微分确定速度。
通过将测量的压力与相应的表面积和速度(差分路径)相乘来确定挤压缸的无功功率：
Figure GDA0002802112000000051
挤压驱动器9的无功功率也取决于所选择的挤压压力。在投入运行期间，整个无功功率可根据旋转速度、挤压压力和视在功率确定，并可存入计算机中的多维图表中。因此，为了确定系统的冲击力，仅需要确定扭矩和旋转速度。因此可以如下计算引入到道碴3中的功率：
P道碴＝ML*2*π*nan-Bbeist。
在液压驱动的压实工具的情况下，可以方便地使用偏心驱动器10的液压压力来计算扭矩或作为测量值。
在压实工具7的初始启动期间，可以通过特殊的测试场景确定制动力矩或损失力矩。传递到道碴3的功率在此处是已知的。作为所产生压实质量的指标的压实力的大小取决于压实工具7处的加速度。为了计算道碴力，需要相应工作装置的替代模型；在捣固机的情况下，这是压实工具7。
捣固杆或镐臂5的动态运动方程可以由以下的力矩平衡表示：
Figure GDA0002802112000000061
既可以在线测量(因为挤压驱动器9的两个腔室都配备有压力传感器)或者也可以经由偏心驱动器10的驱动功率来计算Fhydr(见图2)。加速度ap是通过计量学方式记录的。
对于下一个计算步骤，需要压实工具7的行进速度和路径。对于速度，将加速度信号积分一次，并且对于路径，则将加速度信号积分两次。
在通过捣固镐7压实期间流入道碴3的能量可描述如下：
E镐(t)＝∫F道碴*v镐(t)*dt。
以这种方式确定的能量描述了压实过程期间道碴3的能量消耗，并且表示了特定压实程度的量度。如果能量输入朝向某个值收敛，则道碴3不能再进一步压实。为了能够比较不同类型的压实工具7彼此之间的压实程度，在操作中施加在压实工具7的捣固镐表面上的能量以下列方式标准化：
Figure GDA0002802112000000062
如果在压实期间输入的能量朝向零点收敛，则压实力会根据线性弹簧特性进行变形。道碴3不吸收任何更多的能量，并且物理行为与刚度相当并被使用作为轨道道碴的弹性模量。
对应于力路径图中的梯度的刚度表示道碴3的弹性行为。通过使用二次均值最小化的线性回归来计算确定道碴3的弹性模量。

Claims (11)

1.一种通过捣固单元(1)的设置为震荡的压实工具(7)来压实轨道(2)的道碴床的方法，所述捣固单元(1)用于捣固位于所述轨道(2)下方的道碴，其中所述捣固单元(1)包括能够绕枢转轴线(4)枢转的捣固杆(5)，这些捣固杆(5)在下端部(6)处分别具有压实工具(7)，所述压实工具(7)被设置用于穿入所述道碴(3)中，并且这些捣固杆(5)在上端部(8)处连接至挤压驱动器(9)，其特征在于，
在所述捣固杆(5)的所述下端部(6)上和/或在所述压实工具(7)上布置有加速度传感器(13)，该加速度传感器(13)连接到控制单元(12)，
在压实过程期间引入所述道碴(3)中的震荡被记录为道碴压实的量度，
测量作用在所述压实工具(7)上的加速度力并且将该加速度力作为加速度信号馈送到所述控制单元(12)，
利用所述加速度信号确定特征值(OSG，F道碴，E镐(t)，E镐，标准化(t))，并且
一旦所述特征值(OSG，F道碴，E镐(t)，E镐，标准化(t))已达到预设大小，则压实过程自动地终止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算作为压实目标值的功率频谱密度(PSD)来得到对应于最佳道碴压实的加速度信号，并且一旦达到所述压实目标值，则压实过程自动地终止。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了得到功率频谱密度(PSD)，选择所述加速度信号的适时限制部分并且将该适时限制部分馈送到功率密度频谱的计算程序。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功率频谱密度是在5至300Hz的频带内计算的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，确定在所述加速度信号的基础震荡(GS)和谐波(OS)之间的取决于所述压实工具(7)的机械结构的极限频率f1。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过在期望的频率范围内对功率频谱密度(PSD)进行积分来计算基础震荡的功率(LGS)和谐波的功率(LOS)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过将谐波的功率(LOS)除以基础震荡的功率(LGS)来确定与道碴的压实相关的谐波含量(OSG)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过将所述基础震荡的功率(LGS)与基于空转振幅指定的因子f相乘，来确定单位利用率(SL)，该单位利用率能够得出关于道碴情况的结论。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，由偏心驱动器(10)或挤压驱动器(9)的压力曲线，通过技术测量手段记录所述压实工具(7)的驱动功率，并且所述压实工具(7)的驱动功率减去所述挤压驱动器(9)的视在功率，之后计算在所述压实工具(7)处可用的用于压实道碴(3)的有效功率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，由所述有效功率所产生的所述压实工具的压实力与由道碴压实所产生的道碴反作用力(F道碴)比较，并且在达到极限值之后所述压实工具(7)的挤压运动自动终止。
11.一种用于压实位于轨道下方的道碴的捣固单元，具有能围绕枢转轴线(4)枢转的捣固杆(5)，所述捣固杆(5)分别在下端部(6)处连接到被提供用于插入所述道碴(3)中的压实工具(7)以及在上端部(8)处连接到挤压驱动器(9)，其特征在于，连接到控制单元(12)的加速度传感器(13)布置在所述捣固杆(5)的所述下端部(6)上和/或所述压实工具(7)上，所述加速度传感器(13)被布置为用于测量直接作用在所述压实工具(7)上的加速度力，所述控制单元(12)被设计为使得利用加速度信号确定特征值(OSG，F道碴，E镐(t)，E镐，标准化(t))，并且一旦所述特征值(OSG，F道碴，E镐(t)，E镐，标准化(t))已达到预设大小，则压实过程自动地终止。
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