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Technisches Gebiet
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Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Im-Gleis-Schweißsystem zum Ausführen des Abbrennstumpfschweißens von Eisenbahnschienen.
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Hintergrund
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Das Widerstandsschweißen von Eisenbahnschienen wird oft zum miteinander Verbinden von zwei Schienenabschnitten verwendet, wenn eine Schiene gefertigt oder repariert wird. Diese Art des Schweißens wird allgemein als „Abbrennstumpf”-Schweißen bezeichnet. Das Abbrennstumpfschweißen unterscheidet sich vom herkömmlichen Tiegelschweißen, bei dem ein Füllmaterial in den Schweißstoß einfließt.
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Das Tiegelschweißen, das auf dem Hinzufügen eines Füllmaterials zu einer Metallverbindung basiert, kann als eine Form des Gießens betrachtet werden. Während eines Tiegelschweißens wird flüssiges Metall als Füllmaterial verwendet. Wenn sich das Füllmaterial später während des Abkühlens der Schweißnaht von flüssigem in festes Metall umwandelt, schrumpft das Füllmaterial, das normalerweise Stahl ist, um einige Prozent, was Material aus den Steigern auf beiden Seiten der Basis und von oberhalb des Kopfs zieht. Hohlräume bedingt durch diesen Schrumpfvorgang sowie Fremdeinschlüsse aus der Gussform und Sauerstoffeinschlüsse aus dem Verspritzen neigen dazu, die Festigkeit und die Lebensdauer der Schweißnaht zu verringern.
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Diese Probleme werden weitgehend durch das Abbrennstumpfschweißen gelöst. Während des Abbrennstumpfschweißens werden die zwei zu verbindenden Schienenenden erst erhitzt und dann zusammengestaucht, was Flüssigkeit und Oxide aus dem Schweißstoß treibt. Die gestauchte Naht wird zum Entfernen des Grats abgeschert, der während des Stauchens aus der Naht gedrücktes, fest gewordenes Material ist.
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Wie oben angegeben, erfordert das normale Abbrennstumpfschweißen zwei Vorgänge: (1) Schließen einer Lücke in dem Gleis und (2) Erhitzen der Naht zum Stauchen der Schienenenden. Bestehende Im-Gleisschweißköpfe haben eine unzureichende Leistung und Hublänge zum Schließen großer Lücken/zum Aufbringen großer Kräfte, ohne zusätzliche Ausrüstung in Verbindung mit dem Kopf zu verwenden. Insbesondere wird beispielsweise die Ausführung einer Schlußnaht mit einer separaten, in Verbindung mit dem Schweißkopf arbeitenden Zugunterstützungseinrichtung durchgeführt, wenn eine hohe Kraft zum zueinander Ziehen der Schienen erforderlich ist. Während dieser Art des Vorgangs muss die Zugkraft, die Zeit und die Ausrichtung jeder Einrichtung in einer komplexen und zeitraubenden Weise koordiniert werden, die umfangreiche Bedienerkenntnisse und Übersicht erfordert.
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Zusammenfassung
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Zur Überwindung der genannten Nachteile wird ein verbessertes Im-Gleis-Schweißsystem zum miteinander Schmiedeschweißen von Schienenabschnitten vor Ort auf einer Schiene mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Bei einer Ausführungsform weist das verbesserte Im-Gleis-Schweißsystem wenigstens zwei Spannanordnungen auf, von denen jede wenigstens zwei Spannarme und einen Hydraulikaktor aufweist, so dass eine erste Spannanordnung mit einem ersten Schienenabschnitt verspannt werden kann und eine zweite Spannanordnung mit einem zweiten Schienenabschnitt verspannt werden kann. Das verbesserte Im-Gleis-Schweißsystem weist weiter wenigstens zwei Kraftaufbringungsbauteile auf, die die erste Spannanordnung und die zweite Spannanordnung koppeln, wobei die Kraftaufbringungsbauteile zum Zusammendrücken des ersten Schienenabschnitts und des zweiten Schienenabschnitts betätigbar sind. Das hydraulisch betätigte Kraftaufbringungsbauteil wird über zwei axial ausgerichtete, hydraulisch angetriebene Kolbenanordnungen betätigt. Die Kolbenanordnungen weisen einen Hydraulikaktor mit zumindest einem ersten Kolben innerhalb einer ersten Kammer und einem zweiten Kolben innerhalb einer zweiten Kammer auf, wobei die Kolben beide in Reihe mit dem Kraftaufbringungsteil verbunden sind. Ein von den Kraftaufbringungsbauteilen getrennter Schweißkreis legt eine Gleichstromdifferenz über den ersten Schienenabschnitt und den zweiten Schienenabschnitt derart an, dass, wenn der erste Schienenabschnitt und der zweite Schienenabschnitt miteinander in Kontakt gebracht werden, der Schweißkreis geschlossen wird, was zu einem Widerstandserhitzen der Enden des ersten Schienenabschnitts und des zweiten Schienenabschnitts an einem Schweißstoß führt, so dass die Enden unter der von den Kraftaufbringungsbauteilen aufgebrachten Kraft zusammengestaucht werden können.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Schienenabschnitten in Position zum Abbrennstumpfschweißen gemäß den offenbarten Prinzipien,
- 2 ist eine schematische Ansicht der Elektrik eines Im-Gleis-Schweißsystems gemäß den offenbarten Prinzipien,
- 3 ist eine Draufsicht eines Schweißkopfsystems mit einer Bauwinde und einem Schweißkopf,
- 4 ist eine Draufsicht eines Schienenspannarms,
- 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Schienenspannarms,
- 6 ist eine Querschnittsansicht eines gemäß den offenbarten Prinzipien konstruierten Schweißkopfs,
- 7 ist eine Querschnittsansicht des Schweißkopfs gemäß den offenbarten Prinzipien, die das Kraftaufbringungsbauteil und seine Umgebung in einem größeren Detail zeigt,
- 8 ist eine Querschnittsunteransicht des Schweißkopfs gemäß den offenbarten Prinzipien, die Hydraulikaktoren auf jeder Seite des Schweißkopfs zeigt,
- 9 ist eine perspektivische Schnittansicht, die eine zu einem Kopfbereich gehörende innere Abschervorrichtung zeigt, und
- 10 ist eine perspektivische Ansicht der Leiterbahnbauteile des Schweißkopfs.
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Detaillierte Beschreibung
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Bevor die offenbarten Ausführungsformen im Detail beschreiben werden, wird eine kurze Beschreibung der Schienenschweißumgebung angegeben, um dem Leser zu helfen. Eisenbahngleise bestehen aus Stahl, der Expansion und Kontraktion ausgesetzt ist, wenn die Umgebungstemperatur steigt und fällt. Da die Eisenbahngleise oft sehr lang sind, kann ein kleiner Anteil der Ausdehnung oder Kontraktion zu einer freien Schienenlänge führen, die sich beträchtlich mit der Temperatur ändert. Jedoch sind die Eisenbahngleise im Wesentlichen befestigt und können keine beträchtlichen Längenänderungen mitmachen. Stattdessen ändern sich die Spannungs- und Kompressionskräfte in den Gleisen mit der Temperatur und können beträchtlich werden. Übermäßige Spannungskräfte können Gleisablösungen verursachen, während übermäßige Kompressionskräfte zu einer Gleisverformung führen können.
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Um den Effekten der Temperaturabhängigkeit entgegenzuwirken, werden die Gleise derart installiert, dass bei einer vorbestimmten Nullspannungstemperatur, die sich von der gegenwärtigen Umgebungstemperatur unterscheiden kann, das Gleis ohne Spannung oder Kompression im Gleichgewicht sein wird. Da die Umgebungstemperatur während des Installierens oft niedriger als die Nullspannungstemperatur ist, wird sich das Gleis etwas zusammenziehen und muss während des Schweißprozesses manchmal beträchtlich zusammengezogen werden. Dieses Problem kann durch andere Ursachen ebenso verschärft werden. Beispielsweise kann ein Abschnitt eines Gleises an einem anderen Bauteil „verhakt“ sein und muss frei gezogen werden.
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Deshalb müssen die Gleise unabhängig von der Ursache der Lücke zum Berühren der Enden und Verwirklichen einer Schweißnaht oft mit einer beträchtlichen Kraft zusammengezogen werden. Diese Art des Verfahrens ist als eine Schlussnaht bekannt. Die zwei Parameter, die allgemein eine Schlussnaht beeinflussen, sind der Hub und die Schließkraft. Der Hub ist der Abstand, um den die Schienenenden in Richtung zueinander bewegt werden können, um die Lücke zu schließen und eine Stumpfnaht zu bewirken, und die Schließkraft ist die Kraft, die zum Überwinden der Gleisspannung oder Verhakungen und zum Zusammendrücken der Enden des Gleis während des Schweißens verfügbar ist. Der Betrag der aufgebrachten Kraft während sich die Enden berühren, wird manchmal als die Stauchkraft bezeichnet.
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Das hierin beschriebene System schafft einen verbesserten Hub gegenüber bekannten Systemen, während gleichzeitig eine erhöhte Schließ-/ Stauchkraft geschaffen wird, wodurch Kaltwetterbetriebe und andere Betriebe, in denen ein vergrößerter Hub und/oder eine erhöhte Kraft erforderlich sind, verbessert werden. Das beschriebene System schafft diese Vorteile durch Verwenden von Schweißgleichstrom anstelle von Schweißwechselstrom. Die Verwendung von Gleichstrom beseitigt induktive Verluste, die in Wechselstromsystemen auftreten. Insbesondere wird sich die elektrische Impedanz allgemein vorgestellt, dass sie eine Widerstands-, eine kapazitive und eine induktive Komponente enthält. In der vorliegenden Umgebung ist die kapazitive Komponente vernachlässigbar. Bedeutender ist jedoch die induktive Komponente, die in dem Fall des Wechselstroms beträchtlich ist, aber in dem Fall des Gleichstroms im Wesentlichen nicht existent ist.
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Das Beseitigen der induktiven Impedanzkomponente ermöglicht, dass längere Strombahnen und kleinere Leiter verwendet werden, ohne Blindinduktionsverluste zu verursachen. Auf diese Weise können nun anstelle des Verwendens der Kraftaufbringungsbauteile selbst als Leiter, wie es bei Wechselstromsystemen getan werden muss, getrennte längere Leiter mit kleineren Querschnittsflächen verwendet werden. Außerdem können diese Leiter aus hochleitendem Material sein, das nicht für eine körperliche Festigkeit optimiert sein muss. Im Gegensatz dazu sind die Kraftaufbringungsbauteile nun aus einem sehr festen Stahl, der nicht für die elektrische Leitfähigkeit optimiert sein muss.
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Diese Verbesserungen der Materialien und der Konfiguration führen zu wesentlichen Verbesserungen der Leistung und Fähigkeiten. Beispielsweise sind, da die Kraftaufbringungsbauteile hinsichtlich der Festigkeit und nicht der elektrischen Leitfähigkeit optimiert sind, diese kleiner und können dennoch so stark wie oder stärker als Systeme des Stands der Technik sein. Ihre verringerte Größe ermöglicht dem Schweißkopf, an einer optimalen, mittleren Stelle niedriger auf der Schiene zu verspannen. Außerdem kann, da die Strombahnlänge nicht länger kritisch ist und die Kraftaufbringungsbauteile eine verbesserte Festigkeit aufweisen, der Hub der Maschine viel länger als bei Systemen des Stands der Technik sein. Außerdem ermöglicht der größere zulässige Abstand zwischen den Kontakten, dem Einschluss in dem Kopf einer inneren Abschervorrichtung, den Schweißvorgang zu vereinfachen.
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Unter Zuwendung auf die Besonderheiten des Schienenschweißens ist 1 eine perspektivische Ansicht von zwei Schienenabschnitten in Position zum Abbrennstumpfschweißen gemäß der Offenbarung. Insbesondere sind ein erster Schienenabschnitt 100 und ein zweiter Schienenabschnitt 101 zueinander ausgerichtet mit einem kleinen Raum 102 zwischen dem ersten Schienenabschnitt 100 und dem zweiten Schienenabschnitt 101 gezeigt. Sowohl der erste Schienenabschnitt 100 als auch der zweite Schienenabschnitt 101 weisen einen Schienenbasisabschnitt 103 sowie einen Schienenkopfabschnitt 104 auf. Der Schienenbasisabschnitt 103 und der Schienenkopfabschnitt 104 sind über einen Schienenstegabschnitt 105 miteinander verbunden. Der Schienenbasisabschnitt 103 und der Schienenstegabschnitt 105 verstärken im Wesentlichen die Schiene und schaffen auch eine Oberfläche für Nahten zwischen den Schienenabschnitten, wie beispielsweise zwischen dem ersten Schienenabschnitt 100 und dem zweiten Schienenabschnitt 101. Der Schienenkopfabschnitt 104 verstärkt zusätzlich die Schiene und schafft eine zusätzliche Oberfläche zum Verbinden, aber schafft auch eine Stützfläche, auf der die Zugräder laufen, wenn das Gleis vervollständigt ist.
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Es ist oft erforderlich, das Im-Gleis-Verbinden von Schienenabschnitten durchzuführen. Beispielsweise können große, während des Im-Werk-Schweißens erzeugte Schienenabschnitte zu einer Gleisstelle transportiert werden und zum Erzeugen eines vollständigen Gleises in Reihe verbunden werden. Außerdem können einzelne Schienenabschnitte an der Gleisstelle in Kombination mit oder anstelle von längeren vorgeschweißten Abschnitten verbunden werden. Schließlich wird das Im-Gleis-Schweißen auch zum Reparieren oder Verändern bestehender Eisenbahngleise verwendet. Das Im-Gleis-Schweißen ist ein Schweißen, das oft von einer Maschine, die auf den Schienen fährt, an der Schienenstelle durchgeführt wird. Solch eine Maschine kann eine ausschließliche Schienenmaschine sein, ist aber normalerweise eine Maschine, die zum Fahren auf sowohl Straßen als auch auf Schienen über die Verwendung von zwei verschiedenen Radsätzen geeignet ist.
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Das Im-Gleis-Schweißen gemäß der offenbarten Struktur wird über Widerstandserhitzen der Schienenenden durchgeführt, um zu ermöglichen, dass die Enden unter Kraft zusammengestaucht werden. Bei der Darstellung der 1 weist der erste Schienenabschnitt 100 ein erstes Schienenende 106 auf und der zweite Schienenabschnitt 101 weist ein zweites Schienenende 107 auf (das in der perspektivischen Ansicht von dem zweiten Schienenabschnitt 101 verdeckt ist). Während des Im-Gleiß-Schweißens wird ein Bereich an dem Ende jeder betroffenen Schiene erhitzt. Bei dem dargestellten Beispiel wird ein an das erste Schienenende 106 angrenzender erster Bereich 108, der von einer Linie A beschrieben ist, ebenso erhitzt wie ein an das zweite Schienenende 107 angrenzender zweiter Bereich 109, der von einer Linie B beschrieben ist. Die Längenausdehnung des ersten Bereichs 108 und des zweiten Bereichs 109 ist in der 1 zum Verdeutlichen übertrieben dargestellt.
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Bevor die Struktur des Im-Gleis-Schweißsystems gemäß der Offenbarung erläutert wird, wird das Schweißverfahren kurz erläutert, um das spätere Verständnis der einzelnen Strukturelemente für den Leser zu erleichtern. Zusammen mit dieser Erläuterung wird auf die 2 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines Im-Gleis-Schweißenergiesystems 200 gemäß der Offenbarung zeigt. Das Im-Gleis-Schweißenergiesystem 200 weist Elemente zur elektrischen Energieerzeugung und Transformation auf. Insbesondere weist das Im-Gleis-Schweißenergiesystem 200 eine primäre Energiequelle 201, zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, auf. Die primäre Energiequelle 201 ist normalerweise eine fest zugeordnete Energiequelle, das heißt, sie wird nicht für Transportzwecke verwendet, sondern nur für das Im-Gleis-Schweißenergiesystem 200. Jedoch kann bei einer alternativen Ausführungsform die primäre Energiequelle 201 für Funktionen außerhalb des Im-Gleis-Schweißenergiesystems 200 verwendet werden.
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Die primäre Energiequelle 201 liefert zum Antreiben eines Generators 202 Drehenergie. Wenn er auf diese Weise angetrieben wird, liefert der Generator 202 entsprechend seiner Konstruktion eine elektrische Energieausgabe in Form von Wechselstrom (AC). Beispielsweise liefert bei einer Ausführungsform der Generator 202 eine Dreiphasen-Hochspannungs- (480 V) -Wechselstromausgabe. Die Wechselstromausgabe des Generators 202 wird zuerst von einem Phasen/Wandlermodul 203, zum Beispiel von einer SCR-Brücke mit SCRs und Dioden, in eine Einphasen-Hochspannungs- (zum Beispiel 550 V) Hochfrequenz - (zum Beispiel 1200 Hz) -Wechselstromausgabe verarbeitet.
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Die Wechselstromausgabe des Phasen/Wandlermoduls 203 wird einer Diodenträgeranordnung 205 zugeführt und von dieser verarbeitet. Die Diodenträgeranordnung 205 weist einen Transformator zum Heruntertransformieren der Spannung der Eingabe sowie ein oder mehrere Gleichrichtungsschaltkreiselemente auf, wie beispielsweise Dioden zum Wandeln des Signals von Wechselstrom in Gleichstrom. Nach dieser Wandlung ist die Ausgabe der Diodenträgeranordnung 205 ein Niederspannungs-Gleichstromsignal. Bei einer Ausführungsform weist die Ausgabe der Diodenträgeranordnung 205 eine Leerlaufspannung zwischen ungefähr 5 und ungefähr 12 Volt, zum Beispiel 8 Volt, auf. Die Stromausgabe der Diodenträgeranordnung 205 kann ungefähr 30.000 Ampere oder höher sein.
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Während eines Im-Gleis-Schweißens wird die Gleichstromausgabe der Diodenträgeranordnung 205 an eine Verbindung zwischen den Schienenabschnitten angelegt, zum Beispiel an einen ersten Schienenabschnitt 100 und einen zweiten Schienenabschnitt 101, um die Verbindung und das umgebende Material zu erhitzen, um die Schienenenden zu reinigen, zum Beispiel ein erstes Schienenende 106 und ein zweites Schienenende 107, und um den Schweißvorgang auszuführen.
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Wenn das Niederspannungs-Starkstromsignal durch die Schienenverbindung geleitet wird, ist die primäre Heizmodalität der elektrische Widerstand. Insbesondere wenn ein starker elektrischer Strom durch ein leitendes Material geleitet wird, entsteht in dem Material Wärme als eine Funktion des elektrischen Widerstands des Materials. Der primäre Heizeffekt wird an der Stelle oder den Stellen des größten Widerstands auftreten, der zwischen den Schienenenden sein wird. Außerdem erhöht sich der Widerstand, wenn sich die Schienenenden aufheizen, was die räumliche Nichtlinearität des Heizeffekts erhöht. Das Schlussergebnis dieser Phänomene ist, das Erwärmen des Schienenmaterials stark als eine Funktion der Querschnittsfläche zu konzentrieren.
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Die primäre Energiequelle 201 treibt zum Liefern eines druckbeaufschlagten Hydraulikfluids zu dem System auch eine Hydraulikquellenpumpe 204 an. Das druckbeaufschlagte Hydraulikfluid wird für die Betriebe des Schweißkopfs verwendet, die eine Bewegung erfordern, wie beispielsweise das Bewegen der Schienen und das Abscheren der Schweißnaht.
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Am Anfang eines Schweißzyklus werden die betroffenen Schienenenden zusammengebracht, bis sie sich berühren, wie es durch das Vorhandensein einer Schweißstromaufnahme bestimmt wird. Nach dem Berühren wird eine Materialmenge, zum Beispiel 0,25 Inch von den zwei Schienenenden während dessen entfernt, was als „Planbrenn“-Phase bezeichnet wird. Dieser Schritt hilft beim Beseitigen von Oxidation, Schmierung und anderen Verunreinigungen zwischen den Schienenenden und dient auch dazu, ungleichmäßige Sägeschnitte auszugleichen, so dass die Schienenenden gleichmäßig erhitzt werden können.
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Wenn die Enden einmal rechteckig sind, beginnt der Prozess des Erhitzens zum Schweißen in der Hitzeabbrenn-Phase, was als „Abbrennen“ bezeichnet wird. Während des Abbrennprozesses werden die Schienenenden bei einer langsamen Geschwindigkeit zueinander bewegt. Der Schweißstrom wird auf einem zum Schmelzen und Verdampfen von kleinen Flächen der Schienenenden, die die Kontaktstellen bilden, ausreichendem Niveau gehalten. Dies tritt an vielen Stellen über die Schienenstirnseite zu jedem gegebenen Moment auf, was ein Schutzschild bildet, der eine Oxidation der heißen, reaktionsfreudigen Schienenstirnseiten verhindert.
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Nach dem Abbrennen beginnt eine progressive Abbrenn-Phase. In dieser Phase bewirkt eine Steigerung der Zufuhrgeschwindigkeit eine Zunahme der Anzahl an Kontaktstellen, die geschmolzen und verdampft werden. Die Zunahme der Metallverdampfung bewirkt eine Steigerung des Schutzschilds, der hilft, zu beseitigen, dass sich Oxide auf den Schienenstirnseiten bilden. Gleichzeitig wird die Abbrandkratertiefe verringert, was weniger Material hinterlässt, das abgegratet werden muss.
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Nachdem durch das progressive Abbrennen die Schienenenden ausreichend erhitzt wurden und die Oberflächenkraterbildung verringert wurde, werden die Schienen bei einer hohen Zufuhrgeschwindigkeit gestaucht. Der Schweißstrom kann nach dem Start dieser Phase für einen gewissen Zeitraum angelegt bleiben, zum Beispiel 1,5 Sekunden. Dies hilft, sicherzustellen, dass die heißen Schienenflächen sofort vor dem Stauchen vor Oxidation geschützt werden.
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Die vollständige Stauchkraft wird auf die Schienen für einen vorbestimmten Zeitraum aufgebracht, zum Beispiel Neun (9) Sekunden, der als „Haltezeit“ bekannt ist. Die Bewegung der Schienen wird von dem Widerstand der erhitzten Schienenenden gestoppt und deshalb werden die Schienenenden zusammengestaucht bis es keine weitere plastische Verformung gibt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Stauchkraft von 9.000 Pfund pro QuadratInch auf der Stirnseite der zwei Schienenenden günstige Ergebnisse bringen wird. Deshalb wird beispielsweise die für die Nr. 115-Schiene erforderliche Stauchkraft ungefähr 51 Tonnen sein, während die für die größere Nr. 141-Schiene erforderliche Stauchkraft ungefähr 63 Tonnen sein wird.
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Während des Stauchens werden Oxide und flüssiger Stahl aus dem Schweißstoß ausgestoßen, was typischerweise zu einem dreiteiligen Schweißgrat führt. Zwei äußere Bereiche des Grats werden durch plastische Verformung des weichen Materials der zwei Schienen gebildet, während ein mittlerer Bereich durch Metall gebildet wird, das in einem flüssigen Zustand aus der Mitte des Schweißstoßes ausgestoßen wird.
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Nachdem die Schweißnaht ausreichend fest ist, aber während das Gratmaterial immer noch heiß ist, schert der Schweißkopf den Grat von dem Schweißstoß ab. Bei einer Ausführungsform wird der Abschervorgang durch das Lösen einer Seite der Schiene und dann Ausfahren des Schweißkopfs zu einer maximal offenen Position ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die ausgefahrene Seite wieder verspannt und die gegenüberliegende Seite wird entspannt. Der Schweißkopf wird dann zusammengedrückt, das heißt, die zwei Seiten werden zusammengebracht, was eine zu der zweiten Seite gehörende Abschervorrichtung durch den Wulstgrat drückt. In Abhängigkeit von dem Schienenabschnitt kann der Abschervorgang bis zu 75 Tonnen an Kraft erfordern.
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Mit Blick auf die vorstehende Übersicht über den Schweiß- und Abscherprozess kann die folgende Beschreibung des Schweißkopfs leichter verstanden werden. Ein Schweißkopfsystem 300 gemäß der Offenbarung ist in 3 dargestellt. Insbesondere ist 3 eine Draufsicht eines Schweißkopfsystem 300 mit einer Bauwinde 301 und einem Schweißkopf 602. Die Bauwinde 301 kann an einem Schienenfahrzeug (nicht gezeigt) angebracht sein, das auf Schienen fährt, dessen Rad 603 gesehen werden kann, so dass der Schweißkopf 602 von dem Fahrzeug aus gesteuert und positioniert werden kann, und der Schweißkopf kann in oder auf das Fahrzeug zwischen den Schweißvorgängen bewegt werden, zum Beispiel während einer Fahrt zu oder von einer Arbeitsstelle. Der Schweißkopf 602 weist ein Verbindungsstück 304 auf, das an einem linken Kopfbereich 305 und einem rechten Kopfbereich 306 angebracht ist. Die Bauwinde 301 ist über das Verbindungsstück 304 an dem Schweißkopf 602 angebracht.
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In der Ansicht der 3 kann gesehen werden, dass der linke Kopfbereich 305 und der rechte Kopfbereich 306 über ein Kraftaufbringungsbauteil 307 auf Gleisniveau gekoppelt sind. Ein passendes, symmetrisch über die Schiene 303 angeordnetes Kraftaufbringungsbauteil verbindet auch den linken Kopfbereich 305 und den rechten Kopfbereich 306. Diese Elemente, die nachstehend ausführlicher erläutert werden, dienen zum zueinander Ziehen des linken Kopfbereichs 305 und des rechten Kopfbereichs 306 und mit ihnen jeder verspannte Schienenabschnitt in einem ausgerichteten Verhältnis.
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Der Schweißkopf 602 weist eine Vielzahl von Schienenspannarmen 308 auf, die in Verbindung mit passenden Armen zum „Drücken“ der Schiene 303 mit vielen Tonnen an Kraft arbeiten. Diese Elemente werden ausführlicher unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. 4 ist eine Draufsicht eines Schienenspannarms 308. Der Schienenspannarm 308 weist drei ähnliche Bereiche auf, von denen der erste sichtbar ist, die anderen zwei identisch ausgerichtet sind und sich in Reihe hinter dem ersten befinden. Jeder Bereich weist einen Kraftdrehpunkt 309 zum Aufnehmen eines hydraulischen Spannaktors 312, einen Spannarmdrehpunkt 310, der von einem länglichen Durchgangszapfen gebildet ist, um den der Schienenspannarm 308 schwenkt, und eine Kraftaufbringungsbauteilöffnung 311 auf. Die Kraftaufbringungsbauteilöffnung 311 nimmt ein mit dem Kraftaufbringungsbauteil 307 verbundenes Gehäuse auf. Man beachte, dass auf einer Seite des Kopfs, zum Beispiel der linke Kopfbereich 305, das Kraftaufbringungsbauteil 307 innerhalb der Kraftaufbringungsbauteilöffnung 311 befestigt ist, wohingegen auf der anderen Seite, zum Beispiel der rechte Kopfbereich 306, das Kraftaufbringungsbauteil innerhalb der Kraftaufbringungsbauteilöffnung 311 verschiebbar zugeordnet ist, um hydraulisch betätigt zu werden, was dem Schweißkopf 602 ermöglicht, in einer gesteuerten Weise zusammengedrückt oder ausgefahren zu werden.
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Im Betrieb werden für sowohl den linken Kopfbereich 305 als auch den rechten Kopfbereich 306 zwei ähnliche Spannarme 308 über einen länglichen Durchgangszapfen an den Spannarmdrehpunkten 310 verbunden. Ein oder mehrere Hydraulikspannaktoren 312 erstrecken sich zwischen gegenüberliegenden Kraftdrehpunkten 309 der verbundenen Spannarme 308. Wenn ein Hydraulikspannaktor 312 ausfährt, drückt er die gegenüberliegenden Kraftdrehpunkte 309 weg. Da jedoch die verbundenen Spannarme 308 behindert werden, dass sie um den Spannarmdrehpunkt 310 schwenken, drückt dies die gegenüberliegenden Enden der verbundenen Spannarme 308 zusammen auf die nicht gezeigte Schiene. Wenn die gegenüberliegenden Enden der verbundenen Spannarme 308 für den linken Kopfbereich 305 und den rechten Kopfbereich 306 auf die Schiene verspannt werden, wird jede Relativbewegung der zwei Schweißkopfbereiche unter der Steuerung des Kraftaufbringungsbauteils 307 die verspannten Schienen zusammen oder voneinander weg drücken.
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5 ist eine perspektivische Ansicht des Schienenspannarms 308. In der Ansicht der 5 sind alle drei Bereiche des Schienenspannarms 308 sichtbar. Der Kraftdrehpunkt 309, der Spannarmdrehpunkt 310 und eine Kraftaufbringungsbauteilöffnung 311 sind ebenso sichtbar. Das Kraftaufbringungsbauteil 307 ist auch gezeigt.
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6 ist eine Querschnittsansicht des Schweißkopfs 602 gemäß der Offenbarung. In der Ansicht der 6 sind zwei Schienenspannarme 308 gezeigt. Der dargestellte Hydraulikspannaktor 312 ist in einer vollständig ausgefahrenen Position, die die Schienenspannarme 308 um den Spannarmdrehpunkt 310 schwenkt, die die Schiene 303 zwischen den gegenüberliegenden Enden der Schienenspannarme 308 verspannt. Die Kraftaufbringungsbauteile 307 sind in einer Stirnansicht sichtbar.
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Das Anbringen des Hydraulikspannaktors 312 an den Schienenspannarmen 308 ist so konfiguriert, dass der Teil der von dem Spannaktor 312 erzeugten Kraft maximiert wird, der in eine auf die Schiene 303 aufgebrachte Spannkraft gewandelt wird. Insbesondere muss der Spannarm 308 in der Lage sein, um einen ausreichenden Abstand von der Schiene 303 wegzuschwenken, um dem Schweißkopf 602 zu ermöglichen, auf die Schiene 303 aufgebracht und von dieser entfernt zu werden. Falls jedoch ein herkömmlicher Hydraulikaufsatz verwendet würde, das heißt mit einem Drehzapfen an dem Kopfende 312a des Zylinders und einem Drehzapfen an dem Ende der Stange 312c, dann würden die Spannarme 308 während eines Verspannens über die Vertikale hinaus geschoben, und in einer solchen Position würde zu viel der von dem Spannaktor 312 erzeugten Kraft verschwendet werden, was den Spannarm 308 dehnt, anstatt die Schiene 303 zu verspannen.
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Bei dem dargestellten Beispiel ist der Hydraulikspannaktor 312 über einen Drehzapfen 324 an dem Ende der Stange 312c des Hydraulikspannaktors 312 in herkömmlicher Weise an einem Spannarm 308 angebracht. In diesem Beispiel ist der Hydraulikspannaktor 312 jedoch über einen Drehzapfen 325 an dem unteren Ende 312b des Zylinders des Hydraulikspannaktors 312 an dem anderen Spannarm 308 angebracht. Auf diese Weise ist der Spannarm 308 im Wesentlichen vertikal, wenn der Schweißkopf 602 auf der Schiene 303 verspannt wird, aber es gibt immer noch einen ausreichenden Bewegungsbereich zum Öffnen des Spannarms 308, der zum Reinigen der Schiene 303 ausreichend ist. Diese Anordnung schafft ohne eine Steigerung der von dem Hydraulikspannaktor 312 erzeugten Kraft eine Steigerung der Spannkraft von ungefähr 15% gegenüber der herkömmlichen, oben beschriebenen Anordnung.
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Die Querschnittsansicht der 7 zeigt das Kraftaufbringungsbauteil 307 und seine Umgebung ausführlicher. Bei der dargestellten Anordnung ist das Kraftaufbringungsbauteil 307 innerhalb des rechten Kopfbereichs 306 befestigt. Das Kraftaufbringungsbauteil 307 ist jedoch einem Hydraulikaktor 313 in dem linken Kopfbereich 305 verschiebbar zugeordnet. Auf diese Weise kann ein wahlweises Drücken des Hydraulikaktors 313 zum relativ zueinander Bewegen des rechten Kopfbereichs 306 und des linken Kopfbereichs 305 verwendet werden.
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Wie zuvor angegeben ist es wichtig, die Schienen an der richtigen Stelle (an einem mittleren Bereich des Stegs) zu verspannen und die Kraftaufbringungsbauteile entsprechend dieser Stelle anzuordnen. Daher ist es wünschenswert, jeden Hydraulikaktor 313 so nah wie möglich an die Erde anzuordnen. Dazu wird bei einer Ausführungsform der Durchmesser jedes Hydraulikaktors 313 minimiert und jeder Hydraulikaktor 313 weist zwei axial ausgerichtete Kolben und Zylinder zum ungefähr Verdoppeln der effektiven Fläche auf, auf die das Hydraulikfluid wirkt, um somit den kleineren Aktordurchmesser zu kompensieren. Bei einer Ausführungsform wird ein Kolbendurchmesser von ungefähr 7,0 Inch verwendet.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Hydraulikaktor 313 einen ersten Kolben 319a innerhalb einer ersten Kammer 319b und einen zweiten Kolben 320a innerhalb einer zweiten Kammer 320b auf. Der erste Kolben 319a und der zweite Kolben 320a sind beide in Reihe mit dem Kraftaufbringungsbauteil 307 verbunden, so dass die auf das Kraftaufbringungsbauteil 307 aufgebrachte Kraft ungefähr doppelt so groß ist, wie man es gewöhnlich von einem Aktor mit seinen Abmessungen erwarten würde.
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8 ist in Querschnittsunteransicht des Schweißkopfs 602, die einen Hydraulikaktor 313 auf jeder Seite des Schweißkopfs 602 zeigt. Wie bezüglich der 7 bemerkt, weist jeder Hydraulikaktor 313 einen ersten Kolben 319a innerhalb einer ersten Kammer 319b in Reihe mit einem zweiten Kolben 320a innerhalb einer zweiten Kammer 320b auf, so dass es insgesamt vier Kolbenanordnungen 321 gibt, die zu den Kraftaufbringungsbauteilen 307 gehören, wobei zwei solche Anordnungen zu jedem Kraftaufbringungsbauteil 307 gehören. Mit der offenbarten Anordnung können Schließkräfte von 180 Tonnen oder mehr über eine Hublänge von 6 Inch oder mehr erzeugt werden.
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Wie oben bemerkt, erzeugt das Schmiedeschweißen von Schienenabschnitten einen Schweißgrat, der von der Schweißnaht an einigen Stellen vor der Verwendung der Schiene entfernt werden muss. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Schweißkopf 602 eine innere Abschervorrichtung 315 auf, wie in 9 gezeigt ist, die zu einer Seite des Schweißkopfs 602 gehört und innerhalb der Spannstellen sowohl des rechten Kopfbereichs 306 als auch des linken Kopfbereichs 305 angeordnet ist. Die von dem Gleichstrombetrieb des Schweißkopfs 602 ermöglichte lange Hublänge ermöglicht den Spannstellen des rechten Kopfbereichs 306 und des linken Kopfbereichs 305, ausreichend entfernt platziert zu werden, dass die innere Abschervorrichtung 315 bequem zwischen ihnen angeordnet werden kann.
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Die Querschnittsunteransicht der 8 zeigt auch die innere Abschervorrichtung 315. In dieser Ansicht kann gesehen werden, dass die innere Abschervorrichtung 315 eine Schneidfläche auf beiden Seiten der Schiene 303 aufweist. Die innere Abschervorrichtung 315 wird von zwei Abscherkolbenanordnungen 322 angetrieben, die sich innerhalb der entsprechenden Kraftaufbringungsbauteile 307 befinden. Zum Ausführen eines Abschervorgangs drücken die Abscherkolbenanordnungen 322 die innere Abschervorrichtung 315 über die Naht 318 zwischen einem ersten Schienenabschnitt 316 und einem zweiten Schienenabschnitt 317, was jeglichen Schweißgrat entfernt. Der Abschervorgang wird durchgeführt, während die Schienenabschnitte verspannt bleiben, um ein Reißen oder Ziehen innerhalb der Naht 318 selbst zu vermeiden.
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Wie oben bemerkt, muss gemäß der Offenbarung das Krauftbauteil 307 nicht stark leitend sein, da es nicht als ein Leiter in dem Schweißkreis verwendet wird. Stattdessen kann auf Grund des Gleichstrombetriebs und des daraus folgenden Mangels an induktivem Streuverlust die Schweißstrombahn unabhängig von dem stark leitenden Material, das auf Grund seiner elektrischen anstatt dessen struktureller Eigenschaften ausgewählt wurde, konstruiert werden. 10 ist eine perspektivische Ansicht der Leiterbahnbauteile des Schweißkopfs 602. Es gibt zwei separate Leiterbahnen in der dargestellten Ausführungsform. Insbesondere gehört eine erste Leiterbahn 901 zu einer Seite der Schienenspannvorrichtung und eine zweite Leiterbahn 902 gehört zu der anderen Seite der Schienenspannvorrichtung. Sowohl die Leiterbahn 901 als auch die Leiterbahn 902 weisen eine Diodenträgeranordnung 205 zum Liefern von Gleichstrom zu dem Schaltkreis auf. Die Diodenträgeranordnungen 205 sind in Elektrogehäusen 903 untergebracht, die sich außerhalb des Schweißkopfs 602 an einer leicht zugänglichen Stelle oberhalb und weg von der Schweißstelle befinden. Eines der Elektrogehäuse 309 und eine der Diodenträgeranordnungen 205 ist auch in 7 sichtbar. Nicht nur wird die dargestellte Stelle leicht erreicht, sondern sie ist auch zugänglich, ohne dass irgendwelche Hauptbauteile des Schweißkopfs 602 entfernt werden müssen. Auf diese Weise lassen sich Wartungsaufgaben leichter und sicherer durchführen, was die Eigeninitiative zur Wartung und Reparatur des Kopfs 602 fördert.
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Eine Stromschiene 904 in jedem Schaltkreis verteilt den Strom von der Diodenträgeranordnung 205 auf die Kontaktanschlussflächen 905. Da Bereiche des Schaltkreises bezüglich anderer Bereiche des Schaltkreises beweglich sein müssen, um zu ermöglichen, dass die Schienen während eines Schweißvorgangs enger zueinander gebracht werden, ist ein Schaltkreisbereich 906 über flexible, leitende Kupferbänder 907 mit der Stromschiene 904 verbunden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist bei Systemen zum Im-Gleis-Schweißen von Schienenabschnitten anwendbar und schafft ein verbessertes System, bei dem das Im-Gleis-Schweißen über Gleichstrom anstelle von Wechselstrom ausgeführt wird. Als eine Folge dieser Verbesserung wird ein induktiver Stromstreuverlust weitgehend eliminiert und separate Schweißkreisleiter herkömmlicher Länge und aus herkömmlichem Material können verwendet werden. Ebenso müssen die Kraftaufbringungsbauteile 307 des Schweißkopfs 602 nicht für das Leiten optimiert werden und können daher aus einem für die Festigkeit optimierten Material konstruiert werden, wie beispielsweise Stahl. Bei einer Ausführungsform sind die Kraftaufbringungsbauteile 307 aus 4140 spannungsfestem Stahl und die Struktur des Schweißkopfs 602 in der Nähe der Schweißstelle kann T1-Blech sein. Auf diese Weise können die Kraftaufbringungsbauteile 307 und die anderen Elemente kleiner, fester und/oder günstiger als in Systemen des Stands der Technik hergestellt werden. Beispielsweise weisen bei einer Ausführungsform die Kraftaufbringungsbauteile 307 legierten Stahl mit einem Durchmesser von 3,5 Inch auf.
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Außerdem ist, da bezüglich der Gleichstromzufuhr lediglich Widerstandsverluste von Interesse sind, die Länge des Schweißkreises nicht kritisch. Dies führt zu einer längeren zulässigen Bahn und einem längeren möglichen Hub des Schweißkopfs 602. Bei einer Ausführungsform ist der Hub des Schweißkopfs 602 wenigstens 6 Inch und ist 12 Inch oder mehr groß. Die erhöhte zulässige Schaltkreislänge ermöglicht auch das Anordnen einer inneren Abschervorrichtung 315 zwischen den Kontaktanschlussflächen 905 auf gegenüberliegenden Seiten der Naht 318 ohne einen Stromstreuverlust, so dass der Abscherprozess herkömmlich ohne vollständiges Entfernen des Schweißkopfs 602 von der Schiene 303 während des Prozesses durchgeführt werden kann.
