DE102018116317A1 - Verfahren zum Verdichten eines Schotterbettes eines Gleises - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verdichten eines Schotterbettes (10) eines Gleises mit einem Stopfaggregat (20) zur Unterstopfung von Schwellen (2) des Gleises vorgeschlagen, wobei die Beistellkräfte (F_v) über Beistellzylindern (7) zugeordnete Druckaufnehmer (9) berechnet und Beistellwege (D) der Stopfwerkzeuge (4) insbesondere durch Wegsensoren (8) gemessen werden. Um gleichmäßigere Stopfergebnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass zunächst aus dem Beistellweg (D), dem daraus berechneten normierten Beistellweg (D_N) und der Beistellkraft (F_v) eine, einer Schotterbetthärte an der gestopften Schwelle entsprechende, normierte Verdichtungsarbeit (W_N) errechnet wird, dass für eine bestimmte Anzahl m von vor der aktuell zu bearbeitenden Schwelle (j) liegende Schwellen ein gleitender Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit (W_NmJ ) errechnet wird, wonach ein Sollwert F_VNomj der Verdichtkraft F_v an der Schwelle j aus der normierten Verdichtungsarbeit (W_NmJ ) berechnet wird und dass in weiterer Folge der Verdichtvorgang beim Erreichen des Verdichtkraft-Sollwertes F_VNomj der Verdichtkraft F_v beendet wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten eines Schotterbettes eines Gleises mit einem Stopfaggregat zur Unterstopfung von Schwellen des Gleises, wobei das Stopfaggregat mit Stopfwerkzeugpaaren ausgestattet ist, denen ein Beistelltrieb mit hydraulischen Beistellzylindern zum Verdichten zugeordnet ist und wobei die Beistellkräfte über den Beistellzylindern zugeordnete Druckaufnehmer berechnet und die Beistellwege der Stopfwerkzeuge gemessen werden.
• Aus der AT 515 801 ist ein Verfahren zur Wahl des Stopfdruckes des Beistellweges und der Beistellzeit bekannt. In diesem Verfahren wird unter jeder Schwelle abhängig vom unter der Schwelle sich befindlichen Schottermaterial eine maximal erreichbare Verdichtung erzeugt, was allerdings nicht unbedingt von Vorteil ist. Die derzeit gängigen Verfahren zielen darauf ab bei jeder Schwelle die maximal mögliche Verdichtung des aktuell unter der gerade zu bearbeitenden Schwelle liegenden Schottermaterials zu erzielen. Als Folge davon ergeben sich von Schwelle zu Schwelle starke Steifigkeitsunterschiede. Unter einer bestimmten Radlast kommt es daher je nach Steifigkeit des verdichteten Schotters unter der Schwelle zu unterschiedlichen Einsenkungen. Die Räder darüber rollender Züge reagieren darauf mit Radkraftschwankungen die einerseits das Laufverhalten der Züge negativ beeinflussen und andererseits das Gleis und die Räder hoch beanspruchen. Dies erhöht den Verschleiß der Räder und des Laufwerkes. Dies führt auch zu einem schnellen Qualitätsverfall der Gleislage.
• Stopfaggregate von Gleisstopfmaschinen penetrieren mit Stopfwerkzeugen den Schotter eines Gleisbettes im Bereich zwischen zwei Schwellen (Zwischenfach) im Bereich des Auflagers der Schwelle im Schotter unter der Schiene und verdichten den Schotter durch eine dynamische Vibration der Stopfpickel zwischen den zueinander beistellbaren gegenüberliegenden Stopfpickeln. Gemäß der Lehre der EP 1 653 003 A2 sind die als Linearantrieb wirksamen Beistellantriebe derart ausgeführt, dass diese nicht nur eine lineare Beistellbewegung, sondern gleichzeitig auch in einer aus der AT 339 358 , der EP 0 331 956 oder der US 4 068 595 bekannten Weise die für die Stopfpickel erforderliche Vibration erzeugen. Damit können die Beistellgeschwindigkeit, die Schwingungsamplitude, deren Form und die Frequenz vorgegeben werden.
• Die Bewegungen eines Stopfaggregates umfassen das vertikale Eintauchen der Stopfpickel in den Schotter, die Beistellbewegung bei welcher die Stopfpickelenden zueinander geschlossen werden und die überlagerte dynamische Schwingung welche die eigentliche Verdichtung der Schotterkörner bewirkt. Bekannt ist es für die Beistellbewegung Hydraulikzylinder zu verwenden, die über Pleuel mit einer Vibrationswelle mit Exzentrizität verbunden sind und die der Beistellbewegung die vibratorische Schwingung überlagern ( AT 369 455 B ). Neuere Lösungen verwenden eine lineare Anregung über Hydraulikzylinder, besitzen in den Hydraulikzylinder integrierte Wegsensoren und angeschlossene Drucksensoren die die im Hydraulikzylinder wirkenden Drücke messen. Über die Formel $$F_{Zyl}=p_K\cdot A_K-p_{KR}\cdot \left(A_k-A_{St}\right)$$

  

  kann aus dem auf den Kolben wirkenden Druck p_k , dem auf die Kreisringfläche wirkenden Druck p_KR , der Kolbenfläche A_k und der Kolbenstangenfläche A_st die Zylinderkraft F_Zyl berechnet werden. Diese kann auf die Verdichtkraft (über die Hebelübersetzung) an der Stopfpickelplatte wirkend umgerechnet werden. Das Unterstopfen (Verdichten des Schotters unter der Schwelle) der Schwellen hat zum Ziel eine verbesserte Gleis-Lage zu fixieren. Je gleichmäßiger ein Gleis von Schwelle zu Schwelle verdichtet wird um so haltbarer ist die erzielte geometrische Gleislage nach der Instandhaltungsarbeit. Bei langer Gebrauchsdauer des Schotters (lange Liegezeiten typischerweise mehr als 10 Jahre) ist der Schotter in der Regel stark verunreinigt. Zum einen brechen die Schotterkörner und die abgebrochenen Teile liegen dann zwischen den Schotterkörnern, dazwischen sammelt sich auch Gesteinsmehl (Abrieb der Schotterkörner unter Verkehrslast) und Feinanteile die aus dem Transport stammen (z.B. herabrieselnder Kohlestaub oder Erzstaub) und andere Feinanteile die aus dem Bewuchs, dem Anflug oder aus dem Untergrund stammen.
• Dies führt dazu, dass von Schwelle zu Schwelle unterschiedliche Schotterverhältnisse vorliegen die unterschiedliche maximale Verdichtkräfte zulassen. Harter und verkrusteter Schotter weist hohe Verdichtkräfte auf.
• Üblicherweise wird heute der Verdichtungsvorgang von Stopfaggregaten mit vorgegebener konstanter Zeit gesteuert oder zum Erreichen einer maximal möglichen Verdichtung mit der erforderlichen optimalen Wahl des Stopfdruckes, des Beistellweges und der Beistellzeit. Typische Stopfzeiten liegen zwischen 0,8-1,2 Sekunden. Der Schotter weist je nach seiner Siebkurve, seinen Eigenschaften (Härte, Form, Abriebfestigkeit, Schlagfestigkeit, Witterungsbeständigkeit etc.) wie jedes körnige Material eine bestimmte maximale Verdichtbarkeit auf.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben welches in Gleislängsrichtung möglichst geringe Steifigkeitsschwankungen von Schwelle zu Schwelle aufweist und so die Rad-Schiene-Wechselwirkung verringert und damit die Haltbarkeit einer mit Stopfmaschinen berichtigten Gleislage verlängert.
• Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zunächst aus dem Beistellweg, dem daraus berechneten normierten Beistellweg und der Beistellkraft eine, einer Schotterbetthärte an der gestopften Schwelle entsprechende, normierte Verdichtungsarbeit errechnet wird, dass für eine bestimmte Anzahl von vor der aktuell zu bearbeitenden Schwelle liegende Schwellen ein gleitender Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit errechnet wird, wonach ein Sollwert der Verdichtkraft F_v an der zu bearbeitenden Schwelle aus der normierten Verdichtungsarbeit berechnet wird und dass in weiterer Folge der Verdichtvorgang beim Erreichen des Verdichtkraft-Sollwertes der Verdichtkraft F_v beendet wird.
• Damit ist gewährleistet, dass die Schotterbetthärte in Gleislängsrichtung von Schwelle zu Schwelle nur geringe Steifigkeitsschwankungen aufweist und damit die Haltbarkeit einer mit Stopfmaschinen berichtigten Gleislage verlängert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Instandhaltungskosten für ein Gleis gesenkt, da wegen der sich damit ergebenden geringeren Kräfte im Betrieb des Gleises die Lebensdauer der Gleiskomponenten verlängert wird und die Fahrzeuge bzw. deren Laufwerke weniger beansprucht werden.
• Für das erfindungsgemäße Verfahren werden der Beistellweg und die Beistellkraft jedes einzelnen Beistellzylinders gemessen. Aus dem Beistellweg und der Beistellkraft wird die normierte Verdichtungsarbeit die der Schotterbetthärte entspricht errechnet (Normierung: Berechnung für den gleichen Beistellweg von z.b. 15 mm). Über eine bestimmte Anzahl Schwellen, typischerweise zwischen 20-30 Schwellen, wird der gleitende Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit mitgerechnet. Über diesen gleitenden Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit wird auf die Sollverdichtung (Soll-Verdichtkraft) für die noch zu stopfenden Schwellen zurückgerechnet. Bei Erreichen der aus dem gleitenden Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit errechneten Soll-Verdichtkraft wird die Stopfung beendet.
• Wird die Soll-Verdichtkraft während der Stopfung nicht erreicht, dann kann automatisch an der gleichen Schwelle mehrfach getaucht werden, um die Verdichtung zu erhöhen, um sich möglichst dem angestrebten Sollwert zu nähern oder diesen zu erreichen.
• Basierend auf diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei solcherart vorgegebenem Stopfdruck die Verdichtungsarbeit durch Integration der Kraft über den Beistellweg (Arbeit = Kraft mal Weg) für jede Schwelle nach folgender Formel errechnet werden $$W_i={\displaystyle {\int }_0^D{F}_{vi}dD}$$

  
• Der Bereich typischer Verdichtungskräfte für „normalen“ Schotter liegt zwischen 35 und 50 kN. Typische Beistellwege der Verdichtungswerkzeuge liegen zwischen 20 und 50 mm. Der Bereich für die typische normalisierte Verdichtungsarbeit liegt zwischen 200 und 600 Nm.
• Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der vergleichmäßigenden Verdichtung in Gleislängsrichtung, in der dadurch geringeren Rad-Schiene-Wechselwirkung, der verlängerten Gleislagebeständigkeit und der reduzierten Instandhaltungskosten der Infrastruktur und des rollenden Materials.
• Die normierte Verdichtungsarbeit (W_N ) wird vorzugsweise nach der Formel $W_N={\displaystyle {\int }_0^{D_N}{F}_{v}dD}$

  

  errechnet.
• Der gleitende Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit W_NmJ wird insbesondere nach der Formel $\overline{W_{Nmj}}=\frac{1}{m}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^m{W}_{Nij}}$

  

  errechnet.
• Der Verdichtkraft-Sollwert an der Schwelle j wird beispielsweise aus der normierten Verdichtungsarbeit ( W_NmJ ) mit Hilfe der Beziehung F_VNomj = k · W_Nmj berechnet.
• Für den Fall, dass der Sollwert der Verdichtkraft F_VNomj mit einem Stopfvorgang nicht erreicht wird, wird die Verdichtkraft F_v an der gleichen Schwelle j durch wiederholtes Stopfen, gegebenenfalls durch Mehrfachstopfen, erhöht, um den vorgegeben Verdichtkraft-Sollwert F_VNomj zu erreichen. Falls die, gegebenenfalls nach einem Mehrfachstopfen, erreichte Verdichtung (F_v ) einen vorgegebenen Prozentsatz X(%) der vorgegebenen Soll-Verdichtkraft (F_VNomj ) nicht erreicht die Schwelle (j) elektronisch markiert und eine entsprechende Meldung an den Maschinenbediener ausgegeben.
• In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
• 1 links die Kornanordnung eines neu eingebrachten Schotters und rechts eine schon länger in Gebrauch stehende Kornanordnung mit Feinanteilen,
• 2 links ein angehobenes Gleis unmittelbar vor den eindringenden Stopfwerkzeugen mit den sich durch die Anhebung ergebenden Hohlräumen unter den Schwellen und rechts eine Schwelle die gerade unterstopft wird,
• 3 eine schematische Darstellung eines Stopfaggregates,
• 4 Schema zur Erklärung der normalisierten Verdichtarbeit W_N ,
• 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der mit gleitendem Durchschnitt errechneten normalisierten Verdichtarbeit und dem dazugehörigen definierten Sollwert für die Verdichtung und
• 6 stellt in einem Diagramm den Verlauf der normalisierten Verdichtarbeit und der Verdichtkraft in Längsrichtung des Gleises dar
• 1 zeigt links die Anordnung der Schotterkörner 13 (auch Skelettkorn genannt) reinen Schotters („weiche“ Bettung), rechts ist die Anordnung von Schotterkörnern 13 (Skelettkorn) feinen Kornteilen 14 (Stützkorn) und Feinanteilen 15 zu entnehmen wie sie nach langer Gebrauchsdauer auftritt („harte“ Bettung).
• Die folgende Abbildung (2) zeigt links die Schiene 1, ruhend auf den Schwellen 2 die ihrerseits im Schotter 10 liegen. Die Abbildung links zeigt schematisch das Gleis im durch die Stopfmaschine angehobenen Zustand wodurch sich Hohlräume 3 unter den Schwellen bilden. Rechts in der Abbildung werden durch die schraffierten Bereiche 5 der verdichtete Schotter unter den Schwellen dargestellt. Die Stopfwerkzeuge 4 verdichten den Schotter durch eine vibrierende Beistellbewegung. Die Arbeitsrichtung wird durch 6 angegeben.
• 3 zeigt schematisch ein Stopfaggregat 20. Über hydraulische Beistellzylinder 7 werden durch einen im Aggregatkasten 12, einen gelenkig gelagerten Stopfarm 11 die Stopfwerkzeuge (4) (Pickel) geschlossen (Beistellweg D). Die Pickelplatten 19 treffen vibrierend auf die Schotterfront auf und verdichten den Schotter 10 unter den Schwellen 2 durch die Beistellbewegung D. Zur Messung und Ermittlung der Verdichtkraft F_v wird der Hydraulikdruck der im Zylinder 7 herrscht durch angebaute Drucksensoren 9 gemessen. Der Weg der Hydraulikzylinder 6 wird durch entweder in den Zylinder 7 eingebaute Wegesensoren 8 oder außen angebrachte Wegsensoren gemessen.
• Das Diagramm (4) zeigt den Verlauf der Verdichtkraft F_V über dem Beistellweg D bei Stopfung einer Schwelle. Liegt ein „weiches“ Schotterbett vor (Neuschotter, gereinigter Schotter) dann ist die erreichbare Verdichtkraft F_v klein aber der Beistellweg D_W ist groß. Insgesamt wird die Verdichtarbeit W_W aufgewendet. Bei einem harten Schotterbett ergibt sich eine hohe erreichbare Verdichtkraft F_v aber ein kleiner Beistellweg. Die gesamte aufgewendete Verdichtarbeit ist W_H . Die Schotterbetthärte unter den verschiedenen Schwellen kann als Vergleichszahl durch „Normalisierung“ ermittelt werden. Dazu wird die Verdichtarbeit bei jeder Stopfung nur bis zu einem vorgegebenen Beistellweg D_N (z.B. 15mm) aus den Messungen errechnet. Dann ergibt sich für die „weiche“ Schotterbettung der Wert W_NW und für die „harte“ Schotterbettung der Wert W_NH .
• Die schematische Darstellung (5) zeigt wie aus einem gleitend gerechneten Mittelwert W_N über die jeweils z.B. letzten 20 Schwellen ein angestrebter Verdichtungssollwert F_VNom vorgegeben werden kann. Die Steigung k liegt dabei im Bereich von 0,08-1,2 kN/Nm.
• 6 zeigt im Diagramm oben (Punkte) die normalisierte Verdichtarbeit W_Ni für die einzelnen Schwellen bei maximal erreichbarer Verdichtkraft. Die ausgezogene Linie stellt den gleitenden Mittelwert W_N20 über jeweils 20 Schwellen dar. Entsprechend dem gleitenden Mittelwert kann mit Hilfe des Zusammenhangs in 5 $$F_{VNom}=k\cdot \overline{W_{N20}}$$

  

  die Soll-Verdichtung F_VNom errechnet und bei der Stopfung vorgegeben werden. Der Faktor k liegt dabei zwischen 0,08 - 1,2 kN/Nm. Im unteren Teil des Diagramms ist der Verlauf (strichpunktierte Linie) der gewünschten Sollverdichtung F_VNom gegeben. In Bereichen die mit M.T. gekennzeichnet sind, wird die Stopfung bei Erreichen des Sollwertes beendet. In weicheren Bereichen die mit D.T. gekennzeichnet sind kann bei einem einmaligen Stopfen der vorgegeben Verdicht-Sollwert F_VNom nicht erreicht werden. In diesem Falle wird an der gleichen Schwelle zwei oder mehr mal gestopft um die Verdichtkraft zu erhöhen (Pfeile).
• Die Flächeninhalte und damit die normierten Verdichtarbeiten für „harte“ und „weiche“ Schotterbettung ergeben sich zu $$W_{NH}={\displaystyle {\int }_0^{D_N}{F}_{vH}dD}$$

  

  $$W_{NW}={\displaystyle {\int }_0^{D_N}{F}_{vW}dD}$$

  
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• AT 515801 [0002]
• EP 1653003 A2 [0003]
• AT 339358 [0003]
• EP 0331956 [0003]
• US 4068595 [0003]
• AT 369455 B [0004]

Claims (6)

1. Verfahren zum Verdichten eines Schotterbettes (10) eines Gleises mit einem Stopfaggregat (20) zur Unterstopfung von Schwellen (2) des Gleises, wobei das Stopfaggregat (20) mit Stopfwerkzeugpaaren (4) ausgestattet ist, denen ein Beistelltrieb mit hydraulischen Beistellzylindern (7) zum Verdichten zugeordnet ist und wobei die Beistellkräfte (F_v) über den Beistellzylindern (7) zugeordnete Druckaufnehmer (9) berechnet und die Beistellwege (D) der Stopfwerkzeuge (4) insbesondere über Wegsensoren (8) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst aus dem Beistellweg (D), dem daraus berechneten normierten Beistellweg (D_N) und der Beistellkraft (F_v) eine, einer Schotterbetthärte an der gestopften Schwelle entsprechende, normierte Verdichtungsarbeit (W_N) errechnet wird, dass für eine bestimmte Anzahl m von vor der aktuell zu bearbeitenden Schwelle (j) liegende Schwellen ein gleitender Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit (W_NmJ ) errechnet wird, wonach ein Sollwert F_VNomj der Verdichtkraft F_v an der Schwelle j aus der normierten Verdichtungsarbeit (W_NmJ ) berechnet wird und dass in weiterer Folge der Verdichtvorgang beim Erreichen des Verdichtkraft-Sollwertes F_VNomj der Verdichtkraft F_v beendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die normierte Verdichtungsarbeit (W_N) nach der folgenden Formel errechnet wird $W_N={\displaystyle {\int }_0^{D_N}{F}_{v}dD.}$

   
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gleitende Mittelwert der normierten Verdichtungsarbeit W_NmJ nach der Formel $\overline{W_{Nmj}}=\frac{1}{m}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^m{W}_{Nij}}$

   

   errechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtkraft-Sollwert an der Schwelle j aus der normierten Verdichtungsarbeit (W_NmJ ) mit Hilfe der Beziehung F_VNomj = k · W_Nmj berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Sollwert der Verdichtkraft F_VNomj mit einem Stopfvorgang nicht erreicht wird, die Verdichtkraft F_v an der gleichen Schwelle j durch wiederholtes Stopfen, gegebenenfalls durch Mehrfachstopfen, erhöht wird, um den vorgegeben Verdichtkraft-Sollwert F_VNomj zu erreichen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass falls die erreichte Verdichtung (F_v) einen vorgegebenen Prozentsatz X(%) der vorgegebenen Soll-Verdichtkraft (F_VNomj) nicht erreicht die Schwelle (j) elektronisch markiert und eine entsprechende Meldung an den Maschinenbediener ausgegeben wird.

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