CN112888821B - 用于稳定轨道的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过稳定单元(8)稳定轨道(5)的方法，该轨道具有支撑在轨道道碴(7)上的轨枕(6)和固定在轨枕上的铁轨(4)，稳定单元(8)与能够在铁轨(4)上移动的机架(2)连接并且包括振动激励器以及能够在铁轨(4)上滚动的辊(9、10)。振动激励器产生特别是横向于轨道的纵向方向延伸的水平振动(15)。通过传感器(18、19、20)在振动周期期间检测在振动路径(y_DGS、y_S)上通过稳定单元(8)作用在轨道(5)上的力(F、F_B、F_S)的曲线(21)，并且通过评估单元(22)从该曲线中导出至少一个特征性参数，并且该参数用于评估稳定过程和/或轨道道碴(7)的质量。

Description

用于稳定轨道的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助于稳定单元稳定轨道的方法，该轨道具有支撑在轨道道碴上的轨枕和固定在该轨枕上的铁轨，该稳定单元连接到能够在铁轨上移动的机架并且包括振动激励器以及被设计为在铁轨上滚动的辊，其中，振动激励器产生特别是横向于轨道的纵向方向延伸的水平振动。本发明还涉及用于实施该方法的设备。

背景技术

轨道的稳定(也称为动态轨道稳定)用于在起道、拨道、和捣固道碴床中的轨道之后产生持久的轨道位置。在此期间，通过稳定单元产生水平振动并将水平振动传递至轨道，以便通过将轨道轻推到适当位置来实现轨道位置的更好的耐久性。这样可以最大程度地减少在轨道的起道、拨道和捣固之后发生在道碴床中的后沉降。此外，轨道在道碴床中的横向位移阻力显著增加。通常，将稳定单元布置在轨道维护机上，该轨道维护机称为动态轨道稳定器(DTS)。例如从EP 0 666 371 A1或DE 41 02 870 A1中已知一种相应的机器。

在WO 2008/009314 A1中，公开了一种具有可变动态撞击力的稳定单元。然而，在这种情况下，仅可以测量在轨道的相应铁轨头部上有效的振动，而不能测量轨道的轨枕的所形成的振动。

根据AT 518 373A1，已知一种用于稳定具有轨道道碴床的轨道的方法，其中，借助于附接到机架上的相机记录轨道的所产生的振动。在进一步的顺序中，从所获得的图像数据中得出轨排的所形成的振动幅度。

发明内容

本发明的目的是提供一种开头所述类型的方法和设备，其具有改进的稳定性为，特别是具有对稳定过程的优化监视。

根据本发明，这些目的是通过权利要求1和11的特征来实现的。根据从属权利要求能够明显看出有利的进一步改进。

在此，通过特别是安装在稳定单元上的传感器，在振动周期期间记录在振荡路径上从稳定单元作用在轨道上的力的曲线，其中，通过评估装置从该曲线导出至少一个参数，通过该参数进行稳定过程和/或轨道道碴的质量的评估。稳定的工作过程成为用于现场确定轨道道碴的载荷-变形行为及其变化的测量过程。通过实时分析测量值并形成至少一个参数，可以在稳定过程期间在线评估轨道道碴质量和轨道道碴压实。在进一步的顺序中，可以相应地连续调节压实的过程参数和稳定的轨道位置。

以这种方式，存在一种用于通过在轨道稳定器处和正在其上作业的轨道上的作业-集成测量来进行压实控制的方法。动态激励的稳定单元将振动传递到轨排及其道碴床，从而实现压实。在此期间，稳定单元和铺有道碴的轨道形成动态相互作用系统，其运动状态可以得出关于道碴床状况的特征的结论。通过适当的分析，该系统用于压实控制并且用于优化道碴压实。

过程伴随的压实控制的优点是对执行的压实作业及其文档(Dokumentation)进行连续的质量控制。其还结合捣固过程用于优化整个压实，捣固过程在稳定之前通过捣固装置进行。在此，在轨道捣固期间以指定的过度校正提升轨道，过度校正的程度是：在通过稳定单元对轨道道碴进行优化的最终压实之后，会发生轨道沉降，这精确地达到了轨道的预期目标位置。特别是在包括捣固单元和尾随的稳定单元的组合机器的情况下，必须强调该优点。

虽然目标应是在压实之后尽可能使道碴状况均匀，但是实现最佳最终压实绝对优先，从而以可控的方式预期轨排的大部分沉降并且轨道位置此后稳定。在此，轨道道碴的足够且最重要的是其均匀的承载能力是在铁路运营过程中轨道位置稳定的主要基本要求。

因此，本发明的核心在于分析轨道稳定器-铁路轨道的动态相互作用系统，并识别各个部件的动态特征。在此，主要重点在于跟踪描述轨道道碴的那些系统参数的变化。

在通过稳定单元压实轨道道碴期间，如果所有过程参数(行进速度、频率、偏心率、竖直载荷等)和轨排的动态特征(铁轨轮廓、铁轨固定装置、轨枕质量和几何形状等)保持不变，则振动行为的变化可以清楚地追溯回到轨道道碴的变化。通过根据本发明的测量及其分析，也可以考虑或识别过程参数或轨排特征的变化的影响。

在该方法的进一步改进中，该参数被指定为用于控制稳定单元的参数。由此实现的稳定过程的自动调节允许对道碴床的变化状况做出快速反应。例如，从对压载床质量的评估中，可以导出在改变的竖直载荷或调整的振动频率情况下的稳定的规格值。因此，自动选择动态激励的频率和稳定单元在竖直方向上施加在处理过的轨道上的静态竖直载荷。在此有利的是，对过程参数进行自动控制。

通过这种方式，作业-集成的动态压实控制的测量值是对过程参数进行自动控制的基础，以便借助稳定单元，根据轨道道碴的最佳最终压实，自动将压实工具最佳地调节到给定的道碴状况。

在本发明的一种有利的实施例中，当振动激励器起作用时，至少两个偏心质量块以彼此匹配的相位位置并且以预定的角频率旋转。以此方式，通过指定改变的相位位置或改变的角频率，可以以简单的方式调整将振动引入轨道中，因为。通过调节偏心质量块，可以无级地调整所产生的偏心率。

在此有利地，根据旋转质量、偏心率和角频率确定激振力。因为质量和偏心率是已知的，因此连续记录角频率足以从其导出激励力。在具有可调节的偏心率的偏心质量块的情况下，该值也包含在激励力的确定中。

作为第一有利参数，导出曲线的斜率以用于确定刚度条件。表示应力刚度的功示意图的功线路的这种倾斜度提供了有关轨道道碴的承载能力的信息。该倾斜度在道碴稳定过程中上升，并且被用作压实或稳定的证据。在此，有利的是，例如使用最小平方误差的方法通过所记录的曲线的线性回归来确定总倾斜度。

有利地导出曲线的曲率作为第二参数，以用于确定阻尼条件，。例如，可以确定轨道的共振质量的阻尼系数。通过土壤机械原理，轨道的弹簧常数、阻尼系数和共振质量与轨道道碴的剪切模量相关，这可以通过反算来确定。轨道道碴的剪切模量是用于评估道碴刚度和因此评估轨道道碴的压实状况的重要参数。

另一有利的参数确定规定：对于在振荡路径上从稳定单元作用在轨道上的力的至少一个曲线，在每个激励期间中通过圆积分(Kreisintegration)将外接(umschriebene)区域确定为动态传递的功。对于由稳定单元传递到铁轨上的功以及对于由铁轨传递到轨道道碴床的功，每个时间间隔的相应性都能得到保证。这些性能值不仅彼此对应，而且与稳定单元的马达性能相对应。

此外，有利的是，在评估装置中指定稳定单元的模态质量，其中通过考虑所述模态质量乘以稳定单元的加速度的乘积来确定作用在铁轨上的力，并且其中确定在稳定单元的振荡路径上作用在铁轨上的力的曲线。在此有利的是，稳定单元的加速度被确定为振荡路径的二阶导数。

对该方法的进一步改进规定：在评估装置中指定振动轨枕的模态质量、特别是具有铁轨的振动部分的振动轨枕的模态质量，通过考虑所述模态质量乘以轨枕的加速度的乘积来确定作用在轨道道碴上的力，并且确定在轨枕的振荡路径上作用在轨道道碴上的力的曲线。在此，有利的是，通过布置在机架上的非接触式传感器来记录轨枕的振动。

如果将稳定单元和设置为振动的轨道部分的机械模型存储在评估装置中，并且如果通过所述模型计算土壤-机械参数，则可以获得关于轨道状况的附加信息。利用传感器记录的测量数据可以通过这种方式得出有关设置为振动的系统部件的动态特征的结论。

该方法的另一种变型方案规定：在稳定单元在停止操作的同时记录在振荡路径上力的曲线。为了校准和测试目的特别有用的是，在测量操作期间停止包含稳定单元的轨道维护机。

用于实施所描述的方法之一的根据本发明的设备包括稳定单元，该稳定单元固定到机架并且包括振动激励器和设计成在铁轨上滚动的辊，其中在该设备上布置有传感器，该传感器用于记录在振荡路径上从稳定单元作用在轨道上的力的曲线，其中，传感器的测量信号被提供给评估装置，并且其中评估装置被设计为用于确定从曲线导出的参数。以这种方式，稳定单元在操作过程期间还用作测量装置，以记录该稳定单元的力-路径曲线(功示意图)并从该曲线导出该有意义的参数。

有利地，在设备上布置有至少一个路径测量传感器。这样，可以以简单的方式记录设备在轨道上的位置，并且可以将该位置分配给各个导出参数。然后，以位置相关的方式获得对测量结果的相应记录，从而在整个处理过的部分上记录轨道的状况。

设备的另一种改进规定：评估装置被耦合到设备控制装置，以便根据参数来控制稳定单元。因此，轨道上变化的状况会自动导致稳定过程的适用性，以确保在整个已处理轨道部分上的均匀压实质量。

为了确定由稳定单元产生的力，评估装置有利地包括存储装置，在该存储装置中存储稳定单元和待被稳定的轨道的模态质量。安装在工作区域中的轨枕和铁轨的数据对铁路操作者来说通常是已知的。如果需要，可以预先进行测量运行以记录必要的数据。为此，该设备包括例如用于确定铁轨和轨枕的激光扫描仪。

附图说明

以下将参考附图以示例的方式描述本发明。以示意方式示出了：

图1是具有稳定单元的轨道维护机；

图2是具有稳定单元的轨道的剖视图；

图3是具有稳定单元的轨道的俯视图；

图4是具有通过稳定单元引入动态力的轨道的剖视图；

图5是功示意图；

图6是用于描述稳定单元与铺有道碴的轨道的动态相互作用的动态模型。

具体实施方式

图1中所示的设备1被配置为轨道维护机(动态轨道稳定器DTS)，并且包括机架2，支撑在轨上行走机构3上的机架2能够在轨道5的铁轨4上移动。铁轨4固定到轨枕6，并且与轨枕6一起形成被支撑在轨道道碴7上的轨排。有利地，两个稳定单元8可移动地连接至机架2，以将相反指向的振动传递至轨道5。在简单的实施例中，仅设置一个稳定单元8。

稳定单元8包括带凸缘的辊9和用于夹紧轨排的夹紧辊10。具体地，通过夹紧机构11进行夹紧辊10对铁轨4的夹紧。在此有利的是，带凸缘的辊9通过锁定的伸缩轴12从内部压靠在铁轨4上。稳定单元8将轨排局部地设置为振动，该振动通过轨排传递到轨道道碴中。该振动具有以下效果：颗粒结构中的颗粒变得可移动，允许位移并具有较密的堆积。在没有明显大量细小部分的新的轨道道碴7情况下，道碴7可以开始流动，这附加地增强了压实效果。由于轨道道碴7的压实，道碴的承载能力和刚度增加，并且以控制的方式预期伴随压实的沉降。

图2示出了通过铁路路堤的剖视图，其中稳定单元8作用在轨道5上。图3示出了相应的俯视图。借助于振动激励器13(定向振动器)在横向于轨道轴线14的水平方向上动态地激励稳定单元8。这些水平振动15通过夹紧辊10和带有凸缘的辊9传递到铁轨4，并且通过铁轨固定装置16传递到轨枕6。相应的轨枕6可选地通过轨枕底垫17将由此产生的振动传递到待被压实的轨道道碴7。

在示例性实施例中，振动激励器13包括旋转的偏心质量块(不平衡件)，这些偏心质量块的相位位置彼此同步。优选地，偏心质量块沿相反的方向旋转，其中，偏心力在竖直方向上彼此抵消，并且在水平方向上彼此增大。通过改变相应的相位位置或偏心率，可以调节偏心质量块的作用。为了确定有效偏心率的大小，对动态激励的频率和相位位置、旋转偏心质量块的位置进行连续的计量记录。在可选的振动激励器13的情况下，的以相应合适的方式记录动态激励。

根据本发明，在振动周期期间通过布置在稳定单元8上的传感器18、19、20记录在振荡路径y_DGS、y_S(水平位移)上通过稳定单元8作用在轨道5上的力F、F_S、F_B的曲线21。在根据图2的布置中，传感器18测量稳定单元8的运动，并且传感器19测量振动激励器13的旋转偏心质量块的位置。例如，首先通过加速度传感器18确定加速度

并且通过积分分别确定稳定单元8的以及还有因此铁轨头部的振动速度

和振荡路径y_DGS。

有利地，通过非接触式传感器20来确定轨枕6在稳定单元8的有效方向上的运动状态。例如，该非接触式传感器20是具有自动图像评估的相机，其对准处于振动中的轨枕8。以这种方式，记录相应的轨枕8的位移或振荡路径y_S。

优选地，为了在线评估而在轨道维护机中布置有评估装置22，借助于传感器18、19、20将重新编码的传感器信号或数据馈送到评估装置22。例如，该评估装置22是具有存储装置的工业计算机。在存储装置中，存储了装置1和处理过的轨道4的结构数据以及动态模型。在评估装置22中安装有软件，通过该软件来建立和评估功示意图。另外，路径测量传感器23的测量结果被馈送到评估装置22，以将各个振动周期的功示意图链接到轨道5上的相应位置。在另一实施例中，评估装置22被布置在控制中心中，其中在轨道维护机和控制中心之间建立数据传输。

参考图4，解释路径-位移关系(功示意图)，路径-位移关系基于根据本发明的测量被建立。借助于振动激励器13对稳定单元8的激励的力F是有效偏心率(偏心质量m乘以偏心率e)与励磁电路频率ω的平方乘以励磁电路频率ω和时间t的乘积的正弦的乘积：

F＝m·e·ω²·sin(ω·t)

振幅和相位位置都可以从测量中得知。由计量确定的相位位置作为其他相位位置的基准，并且因此在计算中将其设置为零。

通常，在移动的稳定单元8的操作期间，以作业-集成的方式进行测量，但是也可以在停止期间进行测量，以进行校准或测试目的，从而在固定点处跟踪压实过程。

从测量中已知稳定单元8的水平位移y_DGS及其利用相关的相位位置的推导。基于该设计已知稳定单元8的质量M_DGS和被激励的轨枕6的模态质量M_S。铁轨头部的质量可以模态地添加到稳定单元8的质量M_DGS上，并且铁轨基部的质量可以模态地添加到被激励的轨枕6的模态质量M_S上。

如果从激振力F中减去部件的相应质量惯性力，则可以确定轨枕8上的激振力F_S和轨道道碴7上的激振力F_B。

从这些力F、F_B、F_S与有效方向上的相关联的振荡路径或位移y_DGS、y_S之间的关系可以建立图5中所示的功示意图。这些示意图提供有关刚度关系(线的倾斜度)和阻尼关系(曲率)以及每个激励周期引入系统中的功(外接区域A₁和A₂)的信息。

A₁＝∮F_B·dy_s

A₂＝∮F_s·dy_DGS

还可以读出系统中的力F、F_B、F_S的振幅关系

和振荡路径y_DGS、y_S的振幅关系

为了通过根据测量和其分析建立的振幅和相位位置确定系统部件的动态特征，使用了根据图6的机械模型。在此，用于机械建模的相关系统部件被串联地切换。

通过计量已知的动态激励力F作用在稳定单元8的模态质量M_DGS上，该模态质量M_DGS经历位移y_DGS。稳定单元8通过铁轨4和铁轨固定装置16连接到轨枕6(模态质量M_S和位移y_S)。在此，通过开尔文-沃格特元件(并行布置的弹簧k_S和减振器c_S)对铁轨4和轨道固定装置16的弹性进行建模。

轨枕6安置在轨道道碴7上，轨道道碴7被建模为摩擦元件r_B，可选地具有共振质量M_B和开尔文-沃格特元件(并行布置的弹簧k_B和阻尼器c_B)。在此，摩擦元件r_B描述了动态的横向位移阻力。

通过土壤机械原理，弹簧常数k_B、阻尼系数c_B和共振质量M_B与轨道道碴7的剪切模量G_B有关，该剪切模量可以通过反算来确定。除了来自功示意图的信息(图5)以外，轨道道碴7的剪切模量G_B是用于评估道碴刚度并因此评估轨道道碴7的压实状态的最重要的参数之一。通过借助机械模型(图6)进行反算以与过程相关的测量(图2)对剪切模量G_B进行连续的确定。

如果两个或更多个稳定单元8在轨道维护机中一个接一个地工作，则可以将所描述的测量原理应用于这些稳定单元8中的每一个。彼此独立地确定的结果彼此相关地设置，结果是可获得并可以应用有关轨道道碴状况、可压实性、承载能力的改进、沉降曲线等的附加信息。因此，有利的是，若干个稳定单元8一个接一个地布置，并且与稳定单元8相关联的传感器18、19、20的测量信号被馈送到共同的评估装置22。

Claims (14)

1.一种用于通过稳定单元(8)稳定轨道(5)的方法，该轨道(5)具有支撑在轨道道碴(7)上的轨枕(6)和固定在所述轨枕上的铁轨(4)，所述稳定单元(8)与能够在所述铁轨(4)上移动的机架(2)连接并且包括振动激励器(13)以及设计成在所述铁轨(4)上滚动的辊(9、10)，其中，所述振动激励器(13)产生横向于所述轨道的纵向方向延伸的水平振动(15)，其特征在于，通过传感器(18、19、20)在振动周期期间记录在振荡路径(y_DGS、y_S)上从所述稳定单元(8)作用在所述轨道(5)上的力(F、F_B、F_S)的曲线(21)，并且通过评估装置(22)从该曲线中导出至少一个参数，通过该参数进行稳定过程和/或所述轨道道碴(7)的质量的评估，其中导出所述曲线(21)的斜率作为第一参数，以用于确定刚度条件，并且导出所述曲线(21)的曲率作为第二参数，以用于确定阻尼条件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数被指定为用于控制所述稳定单元(8)的参数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述振动激励器(13)起作用时，至少两个偏心质量块以彼此匹配的相位位置并且以预定的角频率旋转。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据旋转质量块、偏心率和角频率确定激励力(F)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于在相关联的振荡路径(y_DGS、y_S)上从所述稳定单元(8)作用在所述轨道(5)上的力(F、F_B、F_S)的至少一个曲线(21)，在每个激励期间通过圆积分将外接区域(A₁、A₂)确定为动态传输的功。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述评估装置(22)中指定所述稳定单元(8)的模态质量(M_DGS)，通过考虑所述模态质量(M_DGS)乘以所述稳定单元(8)的加速度的乘积来确定作用在所述铁轨(4)上的力(F_S)，并且确定在所述稳定单元(8)的所述振荡路径(y_DGS)上作用在所述铁轨(4)上的力(F_S)的所述曲线(21)。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述评估装置(22)中指定振动轨枕(6)的模态质量(M_S)，通过考虑所述模态质量(M_S)乘以所述轨枕(6)的加速度的乘积来确定作用在所述轨道道碴(7)上的力(F_B)，并且确定在轨枕(6)的振荡路径(y_S)上作用在所述轨道道碴(7)上的力(F_B)的所述曲线(21)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模态质量(M_S)是具有所述铁轨(4)的振动部分的振动轨枕的模态质量。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述稳定单元(8)和设置为振动的轨道部分的机械模型存储在所述评估装置(22)中，并且通过所述模型计算土壤-机械参数。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述稳定单元(8)在停止操作的同时记录在所述振荡路径(y_DGS、y_S)上的所述力(F、F_B、F_S)的曲线(21)。

11.一种用于实施根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的设备(1)，该设备具有稳定单元(8)，该稳定单元固定到机架(2)并且包括振动激励器(13)以及设计成在铁轨(4)上滚动的辊(9、10)，其特征在于，在所述设备(1)上布置有传感器(18、19、20)，所述传感器(18、19、20)用于记录在振荡路径(y_DGS、y_S)上从所述稳定单元(8)作用在所述轨道上的力(F、F_B、F_S)的曲线(21)，所述传感器(18、19、20)的测量信号被提供给评估装置(22)，并且所述评估装置(22)被设计为用于确定从所述曲线(21)导出的参数，其中导出所述曲线(21)的斜率作为第一参数，以用于确定刚度条件，并且导出所述曲线(21)的曲率作为第二参数，以用于确定阻尼条件。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，布置至少一个路径测量传感器(23)。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述评估装置(22)耦合至设备控制器，以便根据所述参数来控制所述稳定单元(8)。

14.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述评估装置(22)包括存储装置，在所述存储装置中存储所述稳定单元(8)和待被稳定的所述轨道(5)的模态质量(M_DGS、M_S)。

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