DE4391556C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung der Schwingungen von Schienen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von von Gleisteilen, wie Schienen stammenden Schwingungen, wobei die Schienen über Zwischenlagen als Dämpfungsmittel ggf. eine Rippenplatte auf einer Gleisunterstützung, wie Schwelle, befestigt ist.

Gleisteile, wie Schienen, werden beim Befahren mit Fahrzeugen auf Biegung beansprucht. Hierdurch entstehen Durchbiegungen, die in den Schienen Schwingungen hervorrufen, die von der Geschwindigkeit abhängen, mit der sich die Fahrzeuge bzw. ein Zug über die Schiene bewegt. Die Schienenschwingungen verursachen nicht nur eine Geräuschbelästigung, sondern können auch zu Schädigungen am Oberbau bzw. insbesondere an Achsen und Rädern der Fahrzeuge hervorrufen.

Nach dem Stand der Technik werden im Oberbau Schwingungen mittels elastischer Zwischenlagen gedämpft (DE 39 37 086 A1).

In anderen Gebieten der Technik, insbesondere im Maschinen- und Fahrzeugbau, werden piezokeramische Elemente zur Schwingungsdämpfung verwendet (DE 39 39 822 A1, US 50 97 171, US 45 95 515, US 49 40 914, SU 947 934).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Dämpfung der Schwingungen von befahrenen Gleisteilen zu entwickeln.

Das Problem wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Schiene und der Schwelle als Dämpfungsmittel wenigstens ein elektromechanischer Aktor angeordnet ist, der an einen Verstärker angeschlossen ist, dessen Eingang von einem Signal beaufschlagt wird, das von einem die Schienenschwingungen erfassenden Sensor erzeugt wird.

Mit dieser Vorrichtung läßt sich eine aktive Schwingungsdämpfung erreichen, indem der elektromechanische Aktor in der jeweiligen Schiene Biegebeanspruchungen hervorruft, die von den Fahrzeugen eines Zuges erzeugten Biegebeanspruchungen entgegengerichtet sind, so daß die Durchbiegungen insgesamt geringer sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor eine piezoelektrische Feder in Sandwich-Bauweise, die aus mehreren Lagen Metallfolien mit dazwischen angeordneten Schichten aus Piezokeramik besteht. Ein derartiger Aktor be­ ansprucht wenig Raum senkrecht zu den Ebenen der Lagen aus Metallfolien. Die Metallfolien bestehen vorzugsweise aus Kupfer und haben eine Stärke von etwa 0,1 mm. Die piezokeramischen Schichten sind insbesondere etwa 0,3 mm stark.

Es ist zweckmäßig, wenn zwischen der Unterseite des Gleisteils und der Oberseite der piezoelektrischen Feder und zwischen der Unterseite der piezoelektrischen Feder und der Oberseite einer Unterlage wie Schwelle oder Rippenplatte jeweils elastische Platten zur Dämpfung niedriger Frequenzen mit hohen Amplituden angeordnet sind. Während die piezoelektrische Feder vorwiegend höherfrequente Schwingungen dämpft, werden durch die elastischen Platten Schwingungen mit niedrigeren Frequenzen gedämpft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die einen eigenständigen erfinderischen Gehalt hat, ist zwischen der Schiene und der Schwelle eine piezoelektrische Feder in Sandwich-Bauweise angeordnet, die aus mehreren Lagen Metallfolien mit dazwischen angeordneten Schichten aus Piezokeramik besteht, wobei die Ausgänge der piezoelektrischen Feder mit wenigstens einem Widerstand verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform wirkt die piezoelektrische Feder als passives Dämpfungsmittel. Die Schwingungsenergie in der Schiene, die auf die piezoelektrische Feder einwirkt, erzeugt durch die Verformung der Feder elektrische Spannungen an den Anschlüssen. Die Spannungen treiben Ströme über den mit den Anschlüssen verbundenen Widerstand bzw. über mehrere parallel geschaltete Widerstände, wodurch mindestens ein Teil der Schwingungsenergie aufgezehrt wird.

Verfahrensmäßig wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mittels eines elektromechanischen Aktors zwischen Schiene und Schwelle eine Biegebeanspruchung erzeugt wird, die derjenigen Biegebeanspruchung entgegengerichtet ist, die von einem die Schiene überfahrenden Fahrzeug erzeugt wird.

In der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den unteren Teil einer Schiene an der Auflagestelle auf einer Schwelle mit einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung im Längsschnitt und

Fig. 2 einen Teil einer Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung an Schienen im Schema.

Ein Gleisteil in Form einer Schiene (10), deren unteres Teil in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt ist, ist mit ihrer Unterseite auf einer elastischen Platte (12) gelagert, die aus einem Material besteht, das mechanische Schwingungen mit niedrigen Frequenzen und großen Amplituden gut dämpft. Die Platte (12) liegt mit ihrer Unterseite auf einer piezoelektrischen Feder (14) in Sandwich-Bauweise. Die Feder (14) besteht aus mehreren Lagen (16, 18, 20, 22, 24, 26) Kupferfolie mit zwischen den Lagen (16, 18, 20, 22, 24 und 26) angeordneten Schichten (28, 30, 32, 34, 36) aus Piezokeramik. Die Lagen (16 bis 26) sind jeweils etwa 0,1 mm dick. Die Schichten (28 bis 36) sind jeweils 0,3 mm dick.

Die Unterseite der Feder (14) liegt auf einer elastischen Platte (38), die aus einem Material besteht, das mechanische Schwingungen mit niedrigen Frequenzen und großen Amplituden gut dämpft. Die Unterseite der Platte (38) liegt auf einer Rippenplatte (40), wie sie für die Auflage von Schienen verwendete wird. Die Rippenplatte (40) liegt wiederum auf einer Schwelle (42).

Die Lagen (16, 20 und 24) sind durch nicht näher bezeichnete Leitungen miteinander elektrisch leitend verbunden. Ebenso sind die Lagen (18, 22 und 26) durch nicht näher bezeichnete Leitungen elektrisch leitend miteinander verbunden. Die miteinander verbundenen Lagen (16, 20, 24) sind mittels einer Leitung (44) gemeinsam an einen Anschluß (46) eines Umschalters (48) gelegt. Die miteinander verbundenen Lagen (18, 22, 26) sind mittels einer Leitung (50) gemeinsam an einen anderen Anschluß (52) des Umschalters (48) angeschlossen.

Die piezoelektrische Feder (14) bildet einen elektromechanischen Aktor, der in Fig. 2 mit (54) bezeichnet ist. Mit dem Umschalter (48) sind die Ausgänge eines Verstärkers (56) verbunden, der eingangsseitig an einen Sensor (58) angeschlossen ist, der die von der Schiene (10) beim Befahren mit Wagen eines Zuges ausgehenden Schwingungen erfaßt. Der Umschalter (48) weist weitere Anschlüsse (60, 62) auf, an die ein Widerstand (64) angeschlossen ist. Der Verstärker (56) kann mit einem Filter verbunden sein, das für bestimmte Frequenzen durchlässig ist.

Wenn ein Fahrzeug auf der Schiene (10) fährt, entstehen in ihr Biege­ beanspruchungen, deren Höhe und Lage sich in Abhängigkeit von der Lage der auf ihr abrollenden Räder ändert. Hierdurch werden mechanische Schwingungen verursacht. Die mechanischen Schwingungen mit niedriger Frequenz und großen Amplituden werden von den elastischen Platten (12, 38) zum größten Teil absorbiert und somit stark gedämpft. Der Sensor (58) gibt bei Beaufschlagung mit den Schall­ schwingungen die Signale ab, die im Verstärker (56) frequenzabhängig verstärkt werden. Der Verstärker (56) und das nicht näher dargestellte Filter, das zum Beispiel im Rückkopplungszweig des Verstärkers (56) angeordnet ist, sind insbesondere für höherfrequente Signale durchlässig. Die höherfrequenten Schwingungen in der Schiene (10) haben im allgemeinen kleinere Amplituden.

Die Ausgangssignale des Verstärkers (56) gelangen über den Umschalter (48) zum Aktor (54), der die Signale in mechanische Bewegungen umsetzt. Diese mechanischen Bewegungen wirken über die Feder (14) so auf die Schiene (10) ein, daß sie die Biegeschwingungen und damit die Schallschwingungen dämpfen. Während die Platten (12, 38) die Schwingungen passiv dämpfen, sind die Federn (14) Teil einer Steueranordnung, mit der die Schwingungen aktiv gedämpft werden.

Mit der piezoelektrischen Feder (14) kann aber auch eine passive Schwingungs­ dämpfung erzielt werden. Hierzu werden die Leitungen (44, 50) über den Umschalter (48) nicht an den Verstärker (56), sondern an den Widerstand (64) angeschlossen. Die Biegeschwingungen der Schiene (10) rufen in der Feder (14) Dickenänderungen hervor, durch die an den leitenden Lagen (16 bis 26) Spannungen entstehen. Diese Spannungen treiben Ströme über den Widerstand (64), in dem Strom-Wärme-Verluste auftreten, durch die Schwingungsenergie aufgezehrt wird. Hierdurch werden die Biegeschwingungen, insbesondere diejenigen mit höheren Frequenzen und kleineren Amplituden, gedämpft.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Dämpfung von von Gleisteilen, wie Schienen, stammenden Schwingungen, wobei die Schienen über Zwischenlagen als Dämpfungsmittel und ggf. eine Rippenplatte auf Schwellen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schiene (10) und der Schwelle (42) als Dämpfungsmittel wenigstens ein elektromechanischer Aktor (54) angeordnet ist, der an einen Verstärker (56) angeschlossen ist, dessen Eingang von einem Signal beaufschlagt wird, das von einem die Schienenschwingungen erfassenden Sensor (58) erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (54) eine piezoelektrische Feder (14) in Sandwich-Bauweise ist, die aus mehreren Lagen (16, 18, 20, 22, 24, 26) von Metallfolien mit dazwischen angeordneten Schichten (28, 30, 32, 34, 36) aus Piezokeramik besteht.

3. Vorrichtung zur Dämpfung von von Gleisteilen, wie Schienen, stammenden Schwingungen, wobei die Schienen über Zwischenlagen als Dämpfungsmittel und ggf. eine Rippenplatte auf Schwellen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schiene (10) und der Schwelle (42) eine piezoelektrische Feder (14) in Sandwich-Bauweise angeordnet ist, die aus mehreren Lagen (16, 18, 20, 22, 24, 26) Metallfolien mit dazwischen angeordneten Schichten (28, 30, 32, 34, 36) aus Piezokeramik besteht, und daß die Ausgänge der piezoelektrischen Feder (14) mit wenigstens einem Widerstand (64) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterseite der Schiene (10) und der Oberseite der piezoelektrischen Feder (14) und zwischen der Unterseite der piezoelektrischen Feder (14) und der Oberseite der Rippenplatte (40) jeweils elastische Platten (12, 38) zur Dämpfung niedriger Frequenzen mit hohen Amplituden angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (56) ein Filter aufweist oder mit einem Filter verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der piezoelektrischen Feder (14) an einen Umschalter (48) angeschlossen sind, der jeweils mit dem Widerstand (64) und den Ausgängen des Verstärkers (56) verbundene Anschlüsse aufweist.

7. Verfahren zur Dämpfung von von Gleisteilen, wie Schienen, stammenden Schwingungen, wobei die Schienen mittelbar oder unmittelbar auf einer Unterlage befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektromechanischen Aktors zwischen Schiene und Schwelle eine Biegebeanspruchung erzeugt wird, die derjenigen Biegebeanspruchung entgegengerichtet ist, die von einem die Schienen überfahrenden Fahrzeug erzeugt wird.