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Maschine zum Gleisstopfen und Schwellenfachverdichten Die Erfindung
betrifft eine Maschine zum Gleisstopfen und Schwellenfachverdichten, bei der die
Verdichtungswerkzeuge mit rotierende Unwuchten aufweisenden Schwingungserzeugern
starr verbunden und während des Verdichtens abwärts bewegbar sind.
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Bei einer bekannten Maschine dieser Art sind als Verdichtungswerkzeuge
mehrere starr miteinander verbundene Stampfplatten angeordnet. Die Arbeitshöhe der
Stampfplatten kann durch zwei mittels einer hydraulischen Hebevorrichtung in der
Höhe verstellbarer Arme, die um Zapfen verschwenkbar sind, eingestellt werden. Die
Schwingungserzeuger werden über einen Riementrieb von einem Motor angetrieben, der
ebenso wie die Hebevorrichtung und die Lager der Zapfen, um die die verstellbaren
Arme schwenkbar sind, auf einem auf den Schienen fahrbaren Maschinenrahmen sitzt.
Die Amplitude der schwingenden Stampfplatten ist stets gleich groß, gleichgültig,
ob sich Schotter oder Luft unter den Stampfern befindet. Infolge des Zwangsantriebs
ist der erreichte Verdichtungsgrad verschieden groß. Bei etwas länger dauerndem
Verdichtungsvorgang wird die bereits eingetretene Verdichtung wieder zerstört. Bei
diesem System besteht auch keine physikalische Beziehung zwischen Schwingungsamplitude
und Verdichtungsgrad, so daß es schon deshalb zur Erreichung hoher Verdichtungsgrade
ungeeignet ist.
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Es ist weiterhin eine Maschine mit einer Gleisstopfeinrichtung bekannt,
bei der die Verdichtungswerkzeuge als paarweise angeordnete, beidseits der zu unterstopfenden
Schwelle in den Bettungsschotter eintauchende Stopfarme ausgebildet sind, an denen
Unwuchtschwingungserzeuger angebracht sind. Die Stopfarme sind an Querrahmen angelenkt,
die unter Zwischenschaltung vorzugsweise aus Gummi bestehender Puffer heb- und senkbar
aufgehängt sind. Diese Puffer sollen im Betrieb die lotrechten Schwingungen des
Querrahmens begrenzen. Bei dieser Maschine kommt den lotrechten Schwingungen der
Stopfarme nur eine untergeordnete Bedeutung zu, da die Stopfarnne jedes Stopfarmpaares
beim Unterstopfen einer Schwelle eine gegeneinander gerichtete Schließbewegung ausführen
und es daher in erster Linie auf die Schwingungen in Richtung der Schließbewegung
ankommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs
angegebenen Art zu schaffen, bei der die Nachteile der entsprechenden bekannten
Maschine nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die oder jede aus Verdichtungswerkzeug
oder -werkzeugen und einem Schwingungserzeuger bestehende Verdichtungsvorrichtung
mit federnden Mitteln verbunden ist, die auf sie eine abwärts gerichtete Kraft ausüben,
und durch an der Maschine angebrachte Führungen oder Lenker so geführt ist, daß
sie nur lotrechte oder im wesentlichen nur lotrechte Schwingungen ausführen kann.
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Mit einer solchen Maschine können besonders hohe Verdichtungsgrade
erzielt werden, die der Flächenpressung zwischen Schwelle und Schotter während des
Betriebes entsprechen. Trotz dieser hohen Verdichtung, bei der bis an die Festigkeitsgrenze
des Granitschotters herangegangen wird, kann die Schwelle samt Schiene nicht hochsteigen,
weil die Verdichtung vorwiegend nach unten erfolgt. Die erforderlichen Schubwiderstände
der Schwellen gegen Längs- und Seitenverschiebung werden durch die gleichzeitige
hohe Verdichtung unter und zwischen den Schwellen erreicht. Neben dem statischen
Druck und den intensiven lotrechten Schwingungen ist es vor allem der Vorspanndruck
der federnden Mittel, durch den es zu besonders energiereichen Vibrationsschlägen
kommt. Als federnde Mittel
können erfindungsgemäß Federn zur Verwendung
kommen, deren abwärts gerichtete Kraft veränderbar ist. Während eine Verdichtungsvorrichtung
ohne lotrechte Krafteinwirkung durch federnde Mittel nur harmonische Schwingungen,
also die gleichen wie der Schotter, ausführt, sind die Schwingungen bei äußerer
Einwirkung einer Federkraft nunmehr verzerrt. Bei der Aufwärtsbewegung und bei der
Ab-
wärtsbewegung des Schwingungserzeugers samt Verdichterwerkzeug sind nunmehr
zwei verschieden große Beschleunigungskräfte wirksam, was sich auch in der Schwingungsform
auswirken muß. Bei der Abwärtsbewegung des Verdichtungswerkzeuges kommt es infolge
der wesentlich größeren Beschleunigungskraft (Fliehkraft plus Federvorspannung)
zu einer Voreilung des Werkzeuges gegenüber der harmonischen Schwingung des Schotters,
so daß das Verdichtungswerkzeug mit der Frequenz der Schwingung harte, energiereiche
Schläge auf den Schotter ausübt. Mit Steigerung der äußeren Federkraft wird daher
die Energieabgabe pro Schlag wesentlich gesteigert.
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Durch Änderung des Vorspanndruckes der Feder ist es somit möglich,
mit der Verdichtung stets bis zur Bruchgrenze des zu verdichtenden Schottermaterials
zu gehen, was als besonderer Vorteil anzusehen ist. Bekanntlich wird der Schotter
durch den Eisenbahnbetrieb bis zur Bruchgrenze beansprucht.
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Wohl sind zum Verdichten von Boden oder sonstigen-Massen Geräte bekannt,
bei denen eine relativ große Verdichterplatte einen Unwuchtschwingungserzeuger trägt
und durch diesen in Schwingungen versetzt wird. Außerdem wird die Verdichterplatte
oder der Schwingungserzeuger über Federn durch eine Masse zusätzlich belastet. Durch
diese Masse ist ein Vorspanndruck der Federn gegeben, so daß energiereichere Schwingschläge
entstehen. Dieses System ist aber erst bei einer bestimmten Drehzahl des Schwingungserzeugers
brauchbar, da im Bereich der Eigenfrequenz die abgefederte Masse zu gefährlichen
Resonanzschwingungen angeregt wird. Es muß daher die Betriebsfrequenz mindestens
viermal so groß wie die Eigenfrequenz der abgefederten Masse sein, damit die bei
der Betriebsfrequenz auftretenden erzwungenen Schwingungen auf ein erträgliches
Maß herabgesetzt werden. Die Verdichtung eines solchen Systems wäre aber auch für
den schweren Eisenbahnbetrieb unzureichend, da erfahrungsgemäß -die Verdichterplatten
samt Schwingungserzeuger solcher Bodenverdichtungsgeräte zu Pendel- oder Nickschwingungen
neigen, durch deren Auftreten eine mangelhafte Verdichtung eintritt und andererseits
auch die gefederte Masse selbst zu freien langsamen Schwingungen angeregt wird,
welche sich den erzwungenen Schwingungen überlagern und wieder die Qualität der
Verdichtung wesentlich beeinträchtigen.
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Bei der Erfindung wird die Verdichtungsvorrichtung durch Führungen
oder Lenker, die an dem Maschinenrahmen angebracht sind, lotrecht geführt. Beim
Auftreten von Prellschlägen, die bei dem bekannten Gerät zu Pendelschwingungen der
Verdichterplatte und zu langsamen Schwingungen der weichgefederten Masse führen,
werden bei der Maschine nach der Erfindung die Schläge nur energiereicher, da die
Schwingungsamplitude der Verdichtungsvorrichtung wesentlich größer wird, so daß
nunmehr auch die Druckfeder auf einem wesentlich längeren, mit; mehr Energie verbundenen
Weg zur Einwirkung kommt. Pendelbewegungen der Stampfplatte und dadurch verursachte
mangelhafte Verdichtung werden durch die Lenker oder lotrechten Führungen verhindert:
Der Vorspanndruck der Federn ist stets gleich groß, da sich die energiespeichernden
Federn während des Verdichtungsvorganges auf einen festen ruhenden Punkt, d. h.
auf einem Punkt mit Widerhalt, abstützen. Das System hat daher keine ausgesprochene
Eigenfrequenz und ist somit bei jeder Drehzahl des Schwingers gleich wirksam.
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Erfindungsgemäß kann jeweils das Ende der Federn, welches nicht mit
der Verdichtungsvorrichtung verbunden ist, am Maschinengestell gelagert sein. Bei
einer kleinen Maschine gemäß der Erfindung ist zur Höhenverstellung das am Maschinengestell
gelagerte Ende der Feder mit einem Schwenkhebel verbunden. Der Schwenkhebel kann
an einem Rahmen aasgelenkt sein, der die Verdichtungsvorrichtung trägt und mit seinem
einen Ende auf einer Schiene des Gleises abgestützt ist. Der Rahmen wird dazu zweckmäßig
um einen vertikalen Zapfen schwenkbar auf einem Einschienenwagen gelagert, der vorzugsweise
mit einer Schienenklemme versehen ist.
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Um der jeweiligen Beschaffenheit des Schotterbettes Rechnung tragen
zu können, sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das oder die Verdichtungswerkzeuge
auswechselbar angeordnet. Bei feinkörnigem Schotter wird zum Verdichten des Schotters
zwischen und unter den Schwellen mit. einem einen Flachstempel tragenden Verdichtungswerkzeug
das Auslangen gefunden. Da es mit der Maschine nach der Erfindung aber auch möglich
sein soll, bei jeder Schottergröße nur mit einem Verdichtungswerkzeug sowohl die
Verdichtung zwischen den Schwellen als auch unter den Schwellen durch einen einzigen
Stopfvorgang durchzuführen, wird weiterhin ein Verdichtungswerkzeug vorgeschlagen,
das einen Stempelschaft und ein zum Stempelschaft schräg gerichtetes entsprechend
großes und schweres Spatenblatt aufweist. Infolge des einseitig angeordneten Spatenblattes
liegt der Schwerpunkt des Verdichtungswerkzeuges nicht in der Achse des Stempelschaftes,
sondern wesentlich exzentrisch auf der Seite nach der das Spatenblatt gerichtet
ist. Bei der lotrechten Auf- und Abwärtsbeschleunigung des Verdichtungswerkzeuges
wird die Beschleunigungskraft vom Schwingungserzeuger auf das Verdichtungswerkzeug
übertragen. Während die Beschleunigungskraft stets in der Schaftachse wirksam ist,
wirkt die der Beschleunigung entgegenwirkende und gleich große Trägheitskraft in
einer Angriffslinie, die durch den exzentrisch liegenden Schwerpunkt des Verdichtungswerkzeuges
geht. Trägheitskraft und Beschleunigungskraft bilden daher ein Wechselmoment mit
der gleichen Frequenz, wie sie der Schwingungserzeuger hat. Durch dieses Wechselmoment
wird eine erzwungene Biegeschwingung des Verdichtungswerkzeuges erzeugt, die zur
lotrechten Schwingung normal, also waagerecht steht. Die Stopfkante des Spatenblattes
führt daher eine zusammengesetzte Schwingungsbewegung durch, deren Richtung schräg
nach abwärts verläuft. Die Arbeitsweise dieses Verdichtungswerkzeuges ist nun folgende:
Durch den Vorspanndruck der Feder einerseits und die Vibration mit ihren energischen
Schlägen anderseits und das schräggerichtete Spatenblatt taucht das volumverdrängende
Verdichtungswerkzeug
rasch in den Schotter ein. Hierbei wird der Schotter sowohl nach abwärts als auch
unter die Schwelle gestoßen. Die von der lotrechten Hauptschwingung erzeugte waagerechte
Nebenschwingung drückt zunächst den Schotter unter die Schwelle, obwohl die resultierende
Druckrichtung schräg nach abwärts gerichtet ist. Bei genügend hoher Verdichtung
wird infolge der steigenden Einspannung des Verdichtungswerkzeuges im Schotter die
Amplitude der Nebenschwingung immer kleiner, so daß die resultierende Schlagrichtung
sich immer mehr der Lotrechten nähert.
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Ist die Verdichtung in beiden Richtungen abgeschlossen, beginnt das
Verdichtungswerkzeug Prellschläge auszuführen, d. h., die Schwingungsamplitude dieser
Schläge ist wesentlich größer, der Schlag ist härter, und die Frequenz der Schläge
wird nicht mehr von dem Schwinger allein, sondern weitgehendst von der Elastizität
des Schotters beeinflußt. Die vollzogene Verdichtung wird daher stets durch das
Auftreten dieser Prellschläge, also von der Maschine selbst, angezeigt. Ein Hochsteigen
des Gleises sowie eine Entdichtung ist nicht möglich.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt A b b. 1 eine kleine Maschine in Seitenansicht, A b b. 2 die Draufsicht
auf die Maschine nach A b b. 1, A b b. 3 eine Einzelheit der Maschine nach A b b.
1, A b b. 4 und 5 ein Verdichtungswerkzeug in Seiten- bzw. Frontansicht und A b
b. 6 eine große Maschine in Seitenansicht. Nach A b b. 1 und 2 sind auf einem Rahmen
1 der Schwingungserzeuger 2 mit den beiden Unwuchten und der Antriebsmotor 3 angeordnet.
Die linke Seite des Rahmens 1 ist um einen vertikalen Zapfen 4 auf einem kleinen
Einschienenwagen 5 schwenkbar gelagert, während die rechte Seite unmittelbar auf
einem Verdichtungswerkzeug 6 aufsteht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann
durch Verschwenken um den Zapfen 4 das Verdichtungswerkzeug 6 in Stellungen beidseitig
der Schiene gebracht werden. Es können natürlich auch zwei oder mehrere Werkzeuge,
z. B. beidseitig der Schiene, angeordnet sein, bzw. kann das Werkzeug auch gabelförmig
ausgebildet sein, damit die Schwelle rechts und links gleichzeitig verdichtet werden
kann.
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Der Schwingungserzeuger, der Rahmen und das Verdichtungswerkzeug sind
starr miteinander verbunden, so daß die großen Schlagkräfte (1500 bis 3000 kg bei
0 bis 50 Hz regelbar) vom Schwingungserzeuger über das Verdichtungswerkzeug 6 direkt
in das Schotterbett geleitet werden. Die Schwingungsamplituden selbst sind bedingt
durch den konstruktiven Aufbau, auf der rechten Seite des Rahmens am größten und
links beim Drehzapfen 4 theoretisch Null. Der über dem Drehzapfen gelagerte Motor
3 ist daher weitgehendst von Schwingungen verschont. Zufolge der verhältnismäßig
großen Länge des Rahmens 1 führt die Verdichtungsvorrichtung 2, 6 Schwingungen entlang
eines großen Kreisbogens, die im wesentlichen lotrecht verlaufen, aus.
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Im schwingungsfreien Bereich des Rahmens 1 bzw. am abgestützten Rahmenende
ist außerdem ein gabelförmig ausgebildeter Schwenkhebel ? am Rahmen 1 mittels eines
Zapfens 7' angelenkt. Der Schwenkhebel dient zum Vor- und Rückwärtsbewegen der Maschine
nach Art eines Schubkarrens sowie zum Anheben und links- und rechtsseitigem Ausschwenken
des Rahmens 1 um den Zapfen 4. Durch die Hebelwirkung ist zum Anheben mit dem Schwenkhebel
eine Kraft von bloß 20 bis 25 kg erforderlich.
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Ferner wird mit dem Schwenkhebel 7 auch die Vorspannung erzielt. Der
Hebel 7 ist mit dem Rahmen 1 über zwei Federn 9, die rechts und links am Rahmen
1 sitzen, verbunden. Die Federn stützen sich mit ihrem unteren Ende am Rahmen 1
und mit ihrem oberen Ende an der Mutter 10 eines an dem Hebel 7 verankerten
Bolzens 11 ab. Da die Mutter 10 über den Bolzen bei Verschwenkung des Schwenkhebels
7 höhenverstellbar isst, wird dadurch eine Höhenverstellung der Abstützung und damit
eine Änderung der Vorspannung der Federn 9 ermöglicht. Durch Niederdrücken des Hebels
7 wird die Druckkraft auf das Verdichtungswerkzeug 6 übertragen und entsprechend
der Hebelwirkung um ein Mehrfaches des ursprünglichen Druckes gesteigert. -Der Rahmen
1 ist durch die am,Wagen 5 befestigte Schienenklemme 8 an der Schiene 14 abgestützt,
so daß das Gerät nicht aufkippen kann. Es kann aber auch das Motorgewicht ausreichend
groß sein, so daß der Wagen nicht abgehoben wird, in welchem Falle die Klemme 8
entbehrlich ist.
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Die Federn 9 sind so dimensioniert, daß die Griffe des Schwenkhebels
7 beim Verdichten möglichst schwingungsfrei sind. Das Niederdrücken des Hebels 7
kann auch mittels einer nicht dargestellten Fußraste, die an dem Hebel befestigt
ist, erfolgen oder auch dadurch, daß sich der Bedienungsmann auf den Hebel setzt.
Der Hebel 7 wird auch zum Aus- und Einschalten des Schwingungserzeugers benützt.
Zu diesem Zweck kann ein Schalter für den Antriebsmotor an ihm vorgesehen sein bzw.
kann der Antrieb des Schwingungserzeugers 2 durch die Schwenkbewegung des Hebels
7 schaltbar sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit dem Hebel 7
eine Spannrolle 24 verbunden, die zum Ein-und Ausschalten des Riementriebes 25 dient.
Im Ruhezustand oder beim Fahren oder Schwenken sind die Keilriemen so locker, daß
sie keine Kraft übertragen und der Schwingungserzeuger 2 stillsteht. Beim Niederdrücken
des Hebels 7, also in Arbeitsstellung, wird der Keilriemen 25 gespannt und somit
der Schwingungserzeuger in Betrieb gesetzt. Die Spannrolle 24 kann entlang des Hebels
7 verschiebbar und somit einstellbar sein.
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Der Schwingungserzeuger 2 weist zwei gegenläufig rotierende Unwuchten
auf, die mit verschiedenen Drehzahlen antreibbar sein können, wobei die Drehzahl
regelbar ist. Es kann auch- eine selbsttätige Regelung zur Änderung der Drehzahl
in periodisch sich wiederholendem Rhythmus vorgesehen werden.
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Das in A b b. 1 dargestellte Verdichtungswerkzeug weist einen lotrechten
Flachstempel rechteckiger Form auf. Die Preßfläche kann auch eine andere, z. B.
ovale Form, aufweisen. Für die Verdichtung unter den Schwellen und das Unterstopfen
bei grobem Schotter eignet sich ein Verdichtungswerkzeug mit spatenförmigem Stempel,
wie er in A b b. 4 und 5 dargestellt ist. Das Spatenblatt 13 liegt schräg zum Stempelschaft
6' und sein Schwerpunkt exzentrisch. Durch diese exzentrisch liegende Masse entsteht
neben der lotrechten Hauptschwingung eine kräftige Nebenschwingung des Spatens senkrecht
zur
Hauptschwingung. Diese Nebenschwingung fördert die Verdichtung
unter der Schwelle und das Unterstopfen des Schotters. Auf der Rückseite des Spatenblattes
13 ist eine gegenüber dem Spatenblatt geneigte Verkleidungsplatte 15 angeordnet,
durch die ein vorzeitiges Verdichten in lotrechter Richtung vor Beendigung des Unterstopfens
verhindert wird.
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Außerdem ist die Stopfkante des Spatenblattes durch eine mittlere
Aussparung 16 unterbrochen, um die Werkzeugbewegung bei unsymmetrischem Widerstand
dadurch zu zentrieren und damit ein seitliches Ausweichen des Verdichtungswerkzeuges
zu vermeiden. Steine, welche durch die etwa dreieckige Aussparung 16 erfaßt werden,
zentrieren immer wieder die Werkzeugbewegung.
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Wenn das Verdichtungswerkzeug auf Blattiefe eingedrungen ist, setzt
sich das Schaftende mit seiner Fläche 27 auf und wirkt mit als Stampffläche, wenn
der Schotter zu locker verfüllt ist.
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Bei der großen Gleisstopfmaschine gemäß A b b. 6 sind Schwingungserzeuger
17 auf einem Fahrgestell 18, das zweckmäßig einen nicht dargestellten Motorantrieb
aufweist, in lotrechten Führungen 19 gelagert, tragen die Verdichtungswerkzeuge
20 und werden mittels eines Druckluftkolbens 21 oder auch eines hydraulischen
Kolbens oder einer mechanischen Druckeinrichtung gegen den Schotter gepreßt. Die
Verbindung zwischen den Kolbenstangen und den Schwingungserzeugern stellen Federn
22 her, die - gegebenenfalls zusammen mit dem elastischen Luftpolster im Druckluftzylinder
- die federnden Mittel zum Herabdrücken der Schwingungserzeuger bilden. Die Regelbarkeit
der Federvorspannung ist durch die Verstellmöglichkäit der Druckeinrichtung gegeben.
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Die Verdichtungswerkzeuge können je beidseitig ger Schiene 23 zwischen
den Betonschwellen zu liegen kommen und außerdem an den Schwellenvorköpfen vorgesehen
sein. Nachdem die Verdichtungswerkzeuge durch den Druckluftkolben od. dgl. gegen
den Schotter gepreßt sind, werden sie in Schwingungen versetzt, wodurch eine Verdichtung
des Schotterbettes samt Untergrund erzielt wird. Durch die Einwirkung der Verdichtungswerkzeuge
jeweils beidseitig der Schwellen wird eine Überlagerung der Verdichtungswirkung
erreicht, die sich unter den Schwellen verdoppelt und unter den Schienen im Schwellenmittel
zufolge der gleichzeitigen Verdichtung der anderen Seite der Schiene sogar vervierfacht,
so daß verschieden große Verdichtungsgrade an den erwünschten Stellen erreicht werden.