CN111566286A - 通过可轨道行驶的轨道捣固机改善轨道位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过可轨道行驶的轨道捣固机(6)改善轨道位置的方法，所述轨道捣固机具有具备三个测量车(A、B、C)的三点作业测量系统、在这些测量车之间绷紧的弦(9)、捣固单元(5)、用于轨道的升降校正机组(8)和尤其里程表，其中，在轨道捣固机(6)的校正作业之后，通过测量系统记录轨道的位置，其中，计算机(R)计算出预设的轨道额定位置(1)与由测量系统记录的实际位置之间的差值、即剩余误差(K_h)，并且继续校正在三点作业测量系统的轨道捣固机(6)的后部的测量车(C)上的后部的弦端部的位置，从而使在所述测量车(C)上的后部的弦端部被导引到轨道额定位置(1)上。

Description

通过可轨道行驶的轨道捣固机改善轨道位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于改善三点方法的方法，所述三点方法用于通过轨道捣固机改善轨道位置。

背景技术

大多数用于铁路的轨道设计为有碴轨道。在此，轨枕处于碎石道碴中。通过在之上行驶的列车作用的车轮力，引起了碎石道碴中的不规律的沉降和轨道的侧向的位置几何形状的移动。由于碎石道床中的沉降，在纵向高度、(在弯道中的)超高部和校正部位中出现误差。如果这些几何参数超过了特定的舒适度极限值或者安全性极限值，则进行养护作业。轨道捣固机改善由于列车的载荷变差了的轨道几何形状。为此，借助电动液压控制的升降校正装置将轨道抬升到轨道额定位置中并且通过压实(捣固)轨枕下方的碎石道碴固定在该位置中。

为了导引铁路上部工程用机械的校正工具，主要使用按照三点方法的测量和控制系统。实践证明，尽管改善了轨道位置，但远远没有实现理论上可行的改善。轨道位置误差通常只减小了30-50％之间。轨道位置误差的形状和位置在此大多还存在，只是误差的幅度减小了。

为了使轨道在这种轨道几何形状改善作业之后能够再被开通用于列车运行，铁路上部工程用机械装备有所谓的测量检验设备和检验记录器。通过检验记录器记录剩下的误差。为了开通，需要低于轨道位置误差的为此预设的公差。

在养护作业之后的剩余误差越小，通过列车在车轮与钢轨之间相互作用的力就越小，轨道几何形状再次变差的速度就越慢并且轨道位置的耐久性就越长。因此值得期望的是，尽可能地将轨道几何形状引向额定位置，因为由此可以在接下来节省大量的成本和耗费。

为了校正轨道误差，形成了不同的轨道校正方法。一方面存在只使轨道位置变得平整的相对方法，并且另一方面存在绝对方法。绝对方法在现代铁路中已经在很大程度上得到实施。在绝对方法中，按照预设的额定几何形状校正轨道位置。铁路轨道的额定几何形状可作为轨道位置平面图使用并且能够在输入到铁路上部工程用机械的计算机中之后用于在知道测量系统性能的情况下计算系统误差。如果已知用于机器测量装置的前端部的绝对校正值，则将在轨道额定几何形状上导引机器测量装置的前端部并且在已经校正的轨道上导引后端部。在作业位置上进行校正和抬升过程。捣固机在轨道纵轴中的位置通过里程表确定。这种方法称为三点方法。

在当今应用的三点方法中的缺点是，违背对轨道位置的理论上可预期的改善，轨道位置误差只不能令人满意地减小了约30-50％。通过三点方法的这种有缺陷的运行，并没有充分利用原本通过更好的应用会实现的耗费和成本的节省潜力。这种有缺陷的运行的原因在于，后部的弦端部没有精确地在轨道额定几何形状上导引，而是具有剩余误差，剩余误差反馈到系统中。误差由于抬升之后轨道的不规律沉降和由于校正之后轨道的反弹、以及由于误差反馈到调节回路中形成。所形成的沉降取决于道碴高度和道碴状态，轨道的反弹取决于校正力、钢轨固定的特性和轨道的性能。无终点地焊接的轨道在较高的钢轨温度时(例如从T＞20℃起)具有压应力并且在较低的温度时(例如从T＜20℃起)具有拉应力。因此在校正之后可能由于这种内部的应力导致轨道的反弹或者弹出。

在通过铁路上部工程用机械的作业开始和作业结束时，不允许进行或者搁置侧向位置的阶跃式起道或者校正，而是必须逐渐地增加或者减小(上坡和下坡)。然而由此在这些过渡段中只部分地消除了实际的轨道误差。在构造斜坡期间和之后可以认为后部的弦端部处于有误差的轨道上。通过机器操作者的上坡和下坡按照直觉和基于经验地进行并且结果并不能真正被预测和客观地评价。

通过测量检验记录，机器的操作者认识到剩下的误差的数量级。他尝试借助可调节的校正值抑制摆动的误差。但因为作业位置与测量检验位置之间大约有10-15m，所以不再能够影响处于其间的已经被处理过的轨道。操作者的校正可以说是操作者对误差如何发展的预测。在此，他依靠他的直觉和经验。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种方法，所述方法这样改善三点方法的作用，使得轨道位置误差能够减少多于30-50％。应该避免通过操作者按照直觉和基于经验对误差值的调节和与之相关的易出错性。在作业开始和作业结束时的上坡和下坡应该在进一步的效果中自动地这样进行，使得后部的弦端部被适宜地导引到额定位置上，以便防止反馈到调节回路中。

所述技术问题按照本发明这样解决，即，计算机计算出预设的轨道额定位置与由测量系统记录的实际位置之间的差值、即剩余误差，并且继续校正在三点作业测量系统的轨道捣固机的后部的测量车上的后部的弦端部的位置，从而使在所述测量车上的后部的弦端部被导引到轨道额定位置上。

处于轨道捣固机的后部的测量车上的后部的弦端部通过计算机并且电子地、即虚拟地被导引到轨道额定位置上并且不是如迄今普遍的那样在后部的测量车上导引到剩下的剩余误差上。由于在三点方法迄今的应用中尽管前部的弦点可以导引到轨道额定位置上，但后部的弦点不能导引到剩下的轨道误差上，所以形成了反馈的系统。后部的弦点在轨道误差上运行并且由此不利地影响校正结果。因此，轨道的位置在捣固机的校正作业之后如在下段中阐述的那样被测量并且将这个通过测量系统记录的实际位置用于计算剩余误差。处于三点作业测量系统的测量车上的后部的弦端部的位置随即这样继续被校正，从而使在轨道捣固机的后部的测量车上的后部的弦端部被导引到轨道额定位置上。

轨道捣固机的(后部的)测量车优选配设有惯性测量系统，所述惯性测量系统记录在捣固机的校正作业之后的轨道位置。但作为备选或者补充，也可以通过根据接下来的三点测量检验系统的测量的外推确定在捣固作业之后的轨道的剩余误差，所述三点测量检验系统具有三个测量车和在这些测量车之间绷紧的弦。

本发明通过以下方式解决了全自动的上坡和下坡，即为了形成起始斜坡，处于捣固机的后部的测量车上的后部的弦端部的位置自动地从作业开始时的零校正向轨道额定位置导引，从而连续地增加必要的轨道修正，并且为了形成终止斜坡，处于捣固机的前部的测量车上的弦端部的位置自动地从轨道额定位置向作业结束时的零校正导引，从而连续地降低必要的轨道修正。

后部的弦端部通过所计算的斜坡导引到轨道的额定位置上。优选在后部的弦端部的测量车上安装有测量剩余误差的惯性测量系统。借助按照本发明地由此确定的测量误差，校正后部的弦端部的位置并且导引到轨道额定位置上。以此避免了反馈和由此形成的轨道位置系统误差。

惯性测量系统构造在具有两个轮组的测量车上，所述轮组彼此可旋转地设计。里程表与所述测量车连接，所述里程表测量所述测量车在轨道上移动经过的距离。在测量期间，所述测量车侧向地按压在基准钢轨上。惯性测量系统测量轨道方向和纵向倾斜的切线以及测量车在轨道上的横向倾斜(超高部)。在例如等距的步进值中(通常为0.25；0.5或者1m，由于惯性测量系统的较高测量速率，也可以实现在一定程度上连续的记录)，将惯性测量系统的测量数据存储在相应的位置上。针对每个测量点，除了惯性测量系统的数据之外，也存储移动经过的精确弧长(或者“轨道千米”)。

在作业期间，由相对于惯性测量系统针对每个测量点所记录的值的基于北方的坐标系的绝对角度差(滚动角、侧滑角和俯仰角)计算测量车在空间中的轨迹。这些测量到的实际轨道位置轨迹与额定轨道位置轨迹的差形成绝对轨道位置误差。

但在惯性测量系统的部位上，也可以由跟随在之后的三点检验弦的测量值计算剩余误差。借助数字过滤器可以形成弦测量的接近逆传递函数(例如参见DE 103 37 976B4)，应用在测量值上并且由此往回计算真正的误差变化曲线。由所述误差变化曲线的走向外推出轨道误差并且由此确定处于后部的测量车上的作业测量弦的后端部的剩余误差。外推法例如可以通过正弦函数或者更高阶的多项式按照最小平方的方法计算地实现。

本发明的优点在于改善的轨道位置和轨道位置的由此形成的更长的耐久性。因此能够明显延长必要的养护作业之间的循环周期，这节省了大量成本。另一方面可以作为优点提到的是，通过自动的上坡和下坡以及取消校正输入在作业期间明显地减轻了操作者的压力。另一优点是由此确保的自动实现的更高的轨道位置质量并且消除了人的误差因素。

附图说明

在附图中作为示例示意性地示出本发明的技术方案。在附图中：

图1示出轨道捣固机的示意性侧视图，

图2示出图表，所述图表示出在已知的三点复测系统中和在按照本发明的具有INS单元的系统中的情形，

图3示出在未保留轨道位置误差的理想情况下的三点方法的视图，

图4示出在具有对系统的反馈的保留的轨道位置误差时的三点方法的视图，

图5示出在通过轨道捣固机进行校正之前和之后的轨道位置误差的典型变化曲线。

图6示出用于描述自动控制的起始斜坡的示意图，

图7示出用于描述自动控制的终止斜坡的示意图。

具体实施方式

图1示出用于执行按照本发明的方法的轨道捣固机。在轨道捣固机6上联接有挂车7。轨道捣固机6装备有捣固单元5。通过升降校正机组8将轨道11抬升和定向到额定轨道位置中，所述轨道需要关于其在碎石道床中的位置进行校正。在轨道捣固机6下方设有三点作业测量系统，所述三点作业测量系统具有三个测量车A、B、C和在所述测量车之间绷紧的弦9、例如钢弦。在测量车B中，传感器M测量弦9沿高度方向和侧向的偏移。弦9具有长度l并且划分为弦区段a和b，在所述弦区段之间布置有测量车B。

为了检验测量，可以在挂车7上在测量车E与C之间绷紧检验弦10。在测量车D中又借助传感器M测量在高度和方向上的偏移。检验弦的长度是l’并且其具有弦区段a’和b’。f_l示出在通过绷紧在测量车E与C之间的检验弦10测量时在测量车D的位置处的剩余误差。因为绝对剩余误差不能直接测量，所以在这种情况下轨道的剩余误差K_h的确定必须在捣固作业之后通过由测量的外推实现。

在按照本发明的具有惯性测量系统INS的优选实施方式中，取消了测量车E和D。惯性测量系统INS记录在捣固机的校正作业之后轨道的位置。在测量车C(具有轴)的位置上，构造有四轮式的惯性测量车INS。K_h一般性地代表所确定的剩余误差。K_h(INS)代表通过惯性测量系统INS确定的剩余误差。

图2在上部图表中示意性地示出在具有三点弦、即测量车C、D、E的测量检验系统的实施方式中测得的与弧长s有关的剩余误差f_l。在此，弦10绷紧在测量车E与C之间。在沿着轨道行驶的轨道捣固机(6)作业期间，在测量车D上测量分别在最后测得的剩余误差。也就是在测量车C上的后部的弦端部与在测量车D上测得的剩余误差之间存在长度b’的距离。这在通常情况下根据测量系统的设计在5-8m之间。也就是在显示于检验记录器上的、在测量车D上记录的剩余误差与测量车C上的当前剩余误差之间存在尚未被记录、但已经有错的、长度b’的路段。如果操作者想要校正测量车C处的真正的剩余误差，则他必须由所记录的误差形状外推出剩余误差的可能大小。这较难并且校正精度取决于操作者的经验和直觉。

这在图2的中部图表中通过测量车D与C之间的虚线表示。操作者由过去的曲线变化外推出所述虚线并且通过假设的校正值K_h(C)校正测量车C上的后部的弦端部的位置。

图2中的下部图表示出在按照本发明的具有惯性测量系统INS的实施方式中的情况。计算机(R)由预设的轨道额定位置(1)与通过测量系统记录的实际位置之间的差计算剩余误差(K_h)并且这样持续地校正三点作业测量系统的测量车C的后部的弦端部的位置，使得测量车C上的后部的弦端部处于轨道额定位置1上。如果惯性测量系统INS安装在具有测量车A、B和C的轨道捣固机6的三点作业测量系统的后部的测量车C上，则可以通过将惯性测量系统的测量与轨道额定位置1进行比较直接地确定剩余误差。因此，测量车C上的后部的弦端部的位置可以通过校正值K_h(n)直接在轨道额定位置1上导引。在此，测量车C上的后部的弦端部的位置在轨道额定位置1上的导引优选在计算机R中虚拟地进行，但也可以借助适当的执行器直接机械地在测量车C上进行。

图3示意性地示出三点测量系统的理想工作方式。画出了轨道额定位置1和有误差的轨道实际位置2。借助预测量确定了额定位置与实际位置之间的偏差K_v并且将其传输至轨道捣固机6的计算机R。计算机R由此可以通过补偿计算在轨道额定位置上虚拟地导引测量车C上的弦端部。然而，弦点实际处于有误差的实际轨道的点C’上。测量车A上的另一弦端部处于已经被校正的、在此理想地显示的、无误差的轨道1上。计算机R由已知的轨道额定几何形状计算轨道额定挠度f_s(针对轨道的横向)或者轨道额定纵向高度(针对轨道的起道)。f_a是测得的挠度或者纵向高度。机器的升降校正机组8现在这样校正轨道，使得测得的实际挠度f_a或者实际纵向高度与计算的额定值f_s一致并且在此使其处于轨道额定位置1上。轨道被校正了值K_f。所述系统理论上无误差地作业。

图4示意性地示出三点作业测量系统的实际工作方式。但与理想系统(参见图3)不同，测量车A上的后部的弦端部不处于轨道额定位置1上，而是具有剩余误差K_h(点A”)。因为测量车A”、B”、C上的弦的这些有误差的位置，所以对轨道位置的校正有误差地进行。由此在升降校正部位或者在测量车B、B”上保留了剩余误差F，因为由于剩余误差K_h在后方确定了过大的实际挠度或者实际纵向高度。通过按照本发明的方法同样避免了这些误差。

图5示出了在捣固12之前(实线)和捣固13之后(虚线)的轨道误差Lh的示意性变化曲线。误差波长通常在10-15m的范围内。误差的幅度根据路段速度处于2至5mm之间。如从图表中可以看出的那样，通过按照现有技术的铁路上部工程用机械的作业在类似的误差变化曲线中只将轨道误差改善了约30-50％。

图6示意性地示出起始斜坡14的自动导引的变化曲线和计算。斜坡通过以下方式形成，即，从起始点S出发在轨道误差K_v0处向零线拉出一条具有斜坡长度L_RA的直线。为了形成起始斜坡l_RA，测量车C上的后部的弦端部的位置自动地从作业开始S时的零校正这样向轨道额定位置1导引，使得必要的轨道校正K_v(s)在确定的行驶路段之后连续地增加直至斜坡终端。为了使校正和抬升值缓慢提升地开始并且不导入阶跃式的校正，测量车C上的弦(弦区段a、b，弦长度l＝a+b)的后端部(虚拟地)这样导引，使得在测量车B处确定的校正和抬升值缓慢地与设定的斜坡相应地升高。在起始点处，规定在校正部位B上的额定值为零，即零校正。为了在B处产生为零的额定值，必须通过计算机R在计算上使后部的弦端部处于值K_h上。后部的弦端部C在之后的作业中在曲线K_h(n-a)上导引。在此，n是校正部位B的相应位置。如果例如弦在所画的位置中处于测量车A’、B’、C’上，则这样计算后部的弦端部C’的校正值K_h(n-a)，使得升降校正系统B’的位置准确地在斜坡直线上导引。通过值K_fn这样校正轨道，使得轨道处于斜坡线条上。在斜坡的终端例如进行校正K_fe。在进一步作业中，如在三点方法中规定的那样，后部的弦端部C和前部的弦端部A在额定轨道线条(在此是零线)上导引。在斜坡结束之后，按照本发明借助惯性测量系统INS继续对后部的弦端部进行剩余误差校正(K_h(INS))。

在计算上，后部的弦端部C在以下曲线上导引：

针对S≤n≤S+l_RA

K_h(n-a)＝0针对n＞S+l_RA

图7示意性地示出终止斜坡17的自动导引的变化曲线和计算。为了形成终止斜坡l_RE，测量车A上的弦端部的位置这样自动地从轨道额定位置1向作业终止时的零校正导引K_v(n+b)，使得必要的轨道校正K_v(s)在确定的行驶路段上连续地减小。斜坡通过以下方式形成，即，从起始点S出发由零线向轨道误差K_vE拉出一条具有斜坡长度L_RE的直线。为了使校正和抬升值缓慢减小，弦(弦区段a、b，弦长度l＝a+b)的前端部A这样导引，使得在B处产生的校正和抬升值缓慢地与斜坡相应地减小。在终止斜坡17的起始点S处，前部和后部的弦端部处于零线上。如果弦例如处于测量车A’、B’、C’上的位置中，则前部的弦端部必须这样处于线条K_v(n+b)上，使得B’处于斜坡线条17上。在斜坡的终端(也是作业结束)处，B”直接处于轨道误差K_vE上，后部的弦端部C”处于零线上并且前部的弦端部A”处于线条K_v(l_RE+b)上并且不再出现抬升或校正过程。轨道从最后被精确校正的轨道位置S通过斜坡走向17连续地转变至处于斜坡终端的轨道误差K_vE。

在计算上，前部的弦端部A在以下曲线上导引：

针对S≤n≤S+l_RE

K_v(n+b)＝0针对n＞S+l_RE

后部的弦端部C的通过惯性测量系统INS的剩余误差校正在斜坡S开始时结束，因为否则会通过惯性测量系统INS校正期望的适配曲线(针对惯性测量系统INS如剩余误差那样作用)。

在此示意性地针对轨道的侧向位置的校正说明了针对斜坡的所示变化曲线。针对起道类似地操作。

Claims (5)

1.一种通过可轨道行驶的轨道捣固机(6)改善轨道位置的方法，所述轨道捣固机具有具备三个测量车(A、B、C)的三点作业测量系统、在这些测量车之间绷紧的弦(9)、捣固单元(5)、用于轨道的升降校正机组(8)和尤其里程表，其中，在轨道捣固机(6)的校正作业之后，通过测量系统记录轨道的位置，其特征在于，计算机(R)计算出预设的轨道额定位置(1)与由测量系统记录的实际位置之间的差值、即剩余误差(K_h)，并且继续校正在三点作业测量系统的轨道捣固机(6)的后部的测量车(C)上的后部的弦端部的位置，从而使在所述测量车(C)上的后部的弦端部被导引到轨道额定位置(1)上。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了形成起始斜坡(I_RA)，所述测量车(C)上的后部的弦端部的位置自动地从作业开始时的零校正向轨道额定位置(1)导引(K_h(n-a))，从而连续地增加必要的轨道修正(K_v(s))。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了形成终止斜坡(l_RE)，测量车(A)上的弦端部的位置自动地从轨道额定位置(1)向作业结束时的零校正导引(K_v(n+b))，从而连续地降低必要的轨道修正(K_v(s))。

4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述测量车(C)配设有惯性测量系统(INS)，所述惯性测量系统记录在捣固机的校正作业之后的轨道位置。

5.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过根据接下来的三点测量检验系统的测量的外推确定在捣固作业之后的轨道的剩余误差(K_h(n))，所述三点测量检验系统具有三个测量车(C、D、E)和在这些测量车之间绷紧的弦(10)。

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