EP3408450B1 - Verfahren zur verdichtung der schotterbettung eines gleises - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for compacting the ballast bed of a track by means of a compacting tool set in vibration, the vibrations introduced into the ballast during the compacting process being recorded as a measure of the compaction of the ballast.
- a tamping unit for compacting ballast on a track is known.
- the position of an auxiliary cylinder providing compaction tools is recorded by means of a displacement transducer.
- the auxiliary cylinder is controlled by a displacement sensor.
- the vibration amplitude and the vibration frequency of the compaction tools are changed depending on the position of the ballast.
- auxiliary force of an auxiliary cylinder is shown as a function of an auxiliary path and a code number is defined via the energy consumption. Accordingly, the energy supplied to the ballast via the auxiliary cylinder is considered by this index. This way, however, the energy that is lost in the system is not taken into account.
- GB 2 451 310A discloses the monitoring of a tamping unit by means of sensors arranged on bearings.
- the object of the present invention is now to create a method of the type mentioned at the outset, with which improved recognition of the ballast compaction that can be achieved by the compaction tools is possible.
- the method should be executable with a tamping unit having compacting tools that can be set in vibration, which enables uniform ballast compaction.
- the object is achieved according to the invention in that a drive power of the compacting tool is measured from a pressure curve of an eccentric drive or an auxiliary drive and this is reduced by the apparent power of the auxiliary drives, after which an active power available at the compacting tool for compacting the ballast is calculated.
- the features of the invention make it possible—with the advantageous exclusion of constructive energy losses—to register the energy transferred directly into the ballast and thus to obtain a meaningful indicator for achieving optimum ballast compaction.
- the ballast is not destroyed by excessive compaction and a very disadvantageous lateral flow in the longitudinal direction of the sleeper is reliably ruled out.
- working devices suitable for ballast compaction can generally be improved in such a way that an exact statement (or code number) with regard to the achievable degree of compaction is possible in each case. This means that an optimal compaction state can be achieved even with different track-bound compaction, tamping and track stabilization machines.
- the method according to the invention can be carried out by means of a tamping unit in which an acceleration sensor connected to a control unit is arranged on the tamping lever and/or on the compacting tool.
- a tamping unit 1, shown in simplified form, for tamping ballast 3 of a ballast bed located underneath a track 2 consists essentially of two tamping levers 5, each pivotable about a pivot axis 4. These are each equipped at a lower end 6 with a compacting tool or Tamping tine 7 and connected at an upper end 8 to a hydraulic auxiliary drive 9.
- Each auxiliary drive 9 is mounted on an eccentric shaft 11 which can be rotated by an eccentric drive 10 .
- This vibratory oscillations are generated, the over the auxiliary drive 9, the Stopfhebei 5 and the compacting tool 7 are transferred to the ballast 3 to be compacted.
- An acceleration sensor 13 connected to a control unit 12 is arranged at the lower end 6 of each stuffing lever 5 . Alternatively, this could also be fastened directly to the compaction tool 7 .
- the acceleration sensor could also be arranged on a compacting tool designed as a track stabilizer and causing the track to vibrate.
- the vibrations introduced into the ballast 3 by the compaction tools 7 during the compaction process are registered as a measure of the compaction of the ballast.
- the acceleration forces acting directly on the compacting tool 7 are measured and fed to the control unit 12 as an acceleration signal.
- the acceleration of the oscillating compaction tool or tamping pick 7 serves as an input variable in the system for determining the compaction quality. Normally, this does not execute a harmonic movement but works in a non-linear operation. The forces are transferred to the gravel 3 in one direction only, it can lead to a lifting of the gravel grains from the pimple areas come. This creates jumps in the force curve that distort the harmonic acceleration signal.
- a maximum possible degree of compaction can be calculated with the acceleration sensor 13 within a time interval.
- the information can thus be obtained that the ballast 3 located between the compacting tools 7 has not yet been compacted to a maximum degree corresponding to a specific value of the acceleration signal. If necessary, another tamping process can be initiated. It can also be documented in an advantageous manner that the degree of compaction was produced homogeneously, in particular during a longer tamping section.
- the compacting tools 7 acting as exciters form an oscillating system with the ballast 3 as a resonator.
- the resonance of the dynamic system is changed by the compression because the equivalent stiffness of the system changes.
- the resonance frequency can be evaluated. It would also be advantageous to track the frequency of this resonant frequency.
- An acceleration signal from the acceleration sensor that is output to the control unit 12 serves as the basis for a harmonic content (OSG) and a power of a fundamental oscillation (LGS). 13.
- a power density spectrum or the spectral power density indicates the power of a signal in relation to the frequency in an infinitesimal (limit value towards zero) wide frequency band.
- the acceleration signals are deformed as soon as a load occurs. This is visualized by calculating the power density spectrum and summed up in the range below 50Hz for fundamental power and above 50Hz for harmonic power.
- the harmonic content is used as a measure of the ballast compaction.
- the OSG of a harmonic sinusoidal basic acceleration signal is influenced by the non-linear behavior of the feedback (reflection) of the ballast.
- the harmonic content is referred to as a dimensionless quantity and indicates the extent to which the power of the harmonics is superimposed on the power of the sinusoidal fundamental.
- time-limited components of the acceleration signal are selected and fed to a calculation routine for the power density spectrum. This calculates the power density spectrum in the frequency band from 5 to 300 Hz.
- the harmonic content (OSG), which correlates with the existing compaction in the ballast 3, is determined by dividing the power of the harmonics by the power of the fundamental oscillation (LGS). This key figure (OSG) indicates how large the power component of the harmonics is in the overall acceleration signal.
- a cut-off frequency f1 between the fundamental (LGS) and the harmonic depends on the resonant frequency of the mechanical construction of the tamping unit 1 and is determined by the course of the power density spectrum (PSD).
- the evaluation of an acceleration signal is described below.
- the individual measured variables for the additional travel of the compaction tools 7 and their additional time are divided into several time segments.
- the characteristic values for LGS and OSG are determined for the front and rear compacting tool 7 with respect to a working direction of a tamping machine.
- the compaction process or the additional movement of the compaction tools 7 can advantageously be ended immediately as soon as the characteristic value OSG has reached a preset value.
- a drive power of the eccentric drive 10 is used to determine an apparent power. This is measured by means of its pressure profile and the reactive power of the auxiliary drives 9 is deducted, since the power is lost at this point.
- ballast force is determined using the measured acceleration of the compaction tool 7 .
- the work process of ballast compaction can be divided into the following sections: immersing, positioning and raising the compaction tool 7. The actual compaction process takes place during the positioning.
- the grain structure of the ballast 3 is rearranged. In this way, compaction energy is transferred from the compaction tool 7 to the ballast 3 .
- the energy absorbed in the ballast 3 causes the grain structure to be rearranged and this subsequently leads to a reduction in the pore volume. If the ballast movement is complete below the threshold, the energy absorption of the ballast 3 is reduced. As a result, the forces introduced by the compacting tool 7 are reflected more or the opposite compacting tool 7 is decelerated to a greater extent.
- the rigidity of Gravel 3 increases with increasing compaction and the proportions in which energy is absorbed in the gravel 3 (damping) decrease. This results in a greater reaction force to an acting force of the compaction tools 7. If good compaction of the ballast is thus achieved, an increased power consumption of the compaction tool 7 can be observed.
- the measured value representative of the active power (the power absorbed by the ballast) can be obtained in various ways.
- the drive power can be measured via the torque and the speed of the eccentric drive 10 and the reactive power consumed in the system itself can be subtracted from this.
- Reactive power arises on the one hand from internal friction losses and flow losses in the hydraulic system and also within the auxiliary drives 9, which also serves as a force-limiting overload protection in the system. If the power limitation is active, more reactive power is consumed.
- the reactive power can be done by measuring the power in the auxiliary drive 9 .
- the resulting cylinder force and the speed that the piston rod travels in relation to the auxiliary drive 9 are required for this.
- the resulting cylinder force can be determined by two pressure sensors in the auxiliary drive 9.
- a displacement transducer in the hydraulic cylinder can be used to determine of the speed can be used by differentiating the distance once.
- the reactive power of the auxiliary cylinder is determined by multiplying the measured pressures with the corresponding areas and the speed (differentiated path).
- the reactive power of the auxiliary drive 9 is also dependent on the auxiliary pressure selected.
- the total reactive power can be determined during commissioning as a function of speed, additional pressure and apparent power and stored in a multidimensional table in the computer. As a result, only the torque and the speed need to be determined to determine the impact force of the system.
- the braking torque or torque loss can be determined using special test scenarios.
- the power that is transferred to the gravel 3 is known at this point.
- the magnitude of the compression force which is an indication of the compression quality produced depends on the accelerations on the compression tool 7 .
- a substitute model of the corresponding working device in the case of a tamping machine of the compacting tool 7, is necessary:
- F hydr (s. 2 ) can either be measured online (by equipping the two chambers of the auxiliary drive 9 with pressure sensors) or calculated using the drive power of the eccentric drive 10. The acceleration a p is recorded by measurement.
- the speed covered and the path of the compaction tool 7 are necessary for the next calculation step.
- the acceleration signal is integrated once for the speed and twice for the distance.
- the energy determined in this way describes the energy absorption of the ballast 3 during the compaction process and indicates a measure of the respective degree of compaction. If the energy input converges towards a specific value, the ballast 3 can no longer be compacted any further.
- the energy applied to the tamping pick surface and the compaction tools 7 in use is normalized as follows.
- E pimpleLnorm t 1 A pimple ⁇ n ⁇ ⁇ f gravel ⁇ v pimple t ⁇ German
- ballast 3 no longer absorbs any more energy and the physical behavior is the same as in the case of rigidity and is used as the E modulus of the ballast.
- the stiffness which corresponds to the gradient in a force-displacement diagram, indicates the elastic behavior of the ballast 3 .
- the determination of the modulus of elasticity for the ballast 3 is calculated using a linear regression line with minimization of the square mean.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung der Schotterbettung eines Gleises durch ein in Schwingungen versetztes Verdichtwerkzeug, wobei die während des Verdichtvorgangs in den Schotter eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert werden.
- Gemäß
AT 513 973 B1 - Durch
AT 515 801 B1 - Aus
CH 501 776 A CH 585 314 A -
GB 2 451 310 A - Ein Großteil der Energie wird jedoch für das Beschleunigen und Abbremsen des Verdichtwerkzeuges verwendet. Dadurch entsteht eine Abhängigkeit von der zum Quadrat eingehenden Massenträgheit und Frequenz des schwingenden Verdichtwerkzeuges. Folglich ist die genannte Kennziffer in erster Linie abhängig von der konstruktiven Ausführung des Verdichtwerkzeuges. Eine Vergleichbarkeit mit anderen Verdichtwerkzeugen ist damit nicht möglich. Wesentlicher Nachteil ist, dass die Kennziffer keine Aussage in bezug auf den Verdichtungsgrad des Schotters zulässt. Genaugenommen erlangt man nur eine Kennzahl für ein bestimmtes Verdichtwerkzeug.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem eine verbesserte Erkennbarkeit der durch die Verdichtwerkzeuge erzielbaren Schotterverdichtung möglich ist.
- Ausführbar soll das Verfahren sein mit einem in Schwingungen versetzbare Verdichtwerkzeuge aufweisenden Stopfaggregates, das eine gleichmäßige Schotterverdichtung ermöglicht.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus einem Druckverlauf eines Exzenterantriebes oder eines Beistellantriebes messtechnisch eine Antriebsleistung des Verdichtwerkzeuges erfasst und diese um die Scheinleistung der Beistellantriebe reduziert wird, wonach eine am Verdichtwerkzeug zur Verdichtung des Schotters zur Verfügung stehende Wirkleistung errechnet wird.
- Durch die Erfindungsmerkmale ist - unter vorteilhaftem Ausschluss von konstruktiven Energieverlusten - eine Registrierung der direkt in den Schotter übertragenen Energie und damit eine aussagekräftige Kennzahl für das Erzielen einer optimalen Schotterverdichtung möglich. Damit kann die maximal mögliche dynamische Beistellkraft knapp unterhalb eines Grenzwertes gefunden werden. Folglich wird der Schotter nicht durch übermäßiges Verdichten zerstört und ein sehr nachteiliges seitliches Abfließen in Schwellenlängsrichtung zuverlässig ausgeschlossen. Durch die Erfassung geeigneter Prozessdaten kann die für die angestrebte Verdichtung notwendige Beistellzeit und Beistellkraft gezielt dosiert werden.
- Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmalen können generell für die Schotterverdichtung geeignete Arbeitsgeräte dahingehend verbessert werden, dass jeweils eine genaue Aussage (bzw. Kennziffer) hinsichtlich des erreichbaren Verdichtungsgrades möglich ist. Damit ist auch bei unterschiedlichen gleisgebundenen Verdichtungs-, Stopf- und Gleisstabilisationsmaschinen ein optimaler Verdichtungszustand erzielbar.
- Ausführbar ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines Stopfaggregats, bei dem am Stopfhebel und/oder am Verdichtwerkzeug ein mit einer Steuereinheit verbundener Beschleunigungssensor angeordnet ist.
- Mit einer derartigen konstruktiv sehr einfach zu verwirklichenden Optimierung eines Stopfaggregates wird der für den Stopfvorgang erforderliche Energieeinsatz auf den angestrebten Verdichtungsgrad des Schotters abgestimmt und damit dessen Verschleiß gesenkt. Mit dieser Erfindung ist eine Automatisierung des Stopfprozesses unter Erzielung einer homogenen Verdichtungsqualität und homogener Schwellenauflager möglich.
- Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Zeichnungsbeschreibung.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines zwei zueinander beistellbare Verdichtwerkzeuge aufweisenden Stopfaggregates,Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verdichtwerkzeuges undFig. 3 Beschleunigungssignale. - Ein in
Fig. 1 vereinfacht dargestelltes Stopfaggregat 1 zum Unterstopfen von unterhalb eines Gleises 2 befindlichem Schotter 3 einer Schotterbettung besteht im Wesentlichen aus zwei je um eine Schwenkachse 4 verschwenkbaren Stopfhebeln 5. Diese sind an einem unteren Ende 6 jeweils mit einem zum Eindringen in den Schotter 3 vorgesehenen Verdichtwerkzeug bzw. Stopfpickel 7 und an einem oberen Ende 8 mit einem hydraulischen Beistellantrieb 9 verbunden. - Jeder Beistellantrieb 9 ist auf einer durch einen Exzenterantrieb 10 rotierbaren Exzenterwelle 11 gelagert. Damit werden Vibrationsschwingungen erzeugt, die über den Beistellantrieb 9, den Stopfhebei 5 und das Verdichtwerkzeug 7 auf den zu verdichtenden Schotter 3 übertragen werden. Am unteren Ende 6 jedes Stopfhebels 5 ist ein mit einer Steuereinheit 12 verbundener Beschleunigungssensor 13 angeordnet. Dieser könnte alternativ aber auch direkt am Verdichtwerkzeug 7 befestigt sein.
- In einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausgestaltungsvariante der Erfindung könnte der Beschleunigungssensor auch auf einem als Gleisstabilisator ausgebildeten, das Gleis in Vibrationen versetzenden Verdichtwerkzeug angeordnet sein.
- Mit Hilfe des Beschleunigungssensors 13 werden die während des Verdichtvorganges durch die Verdichtwerkzeuge 7 in den Schotter 3 eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert. Dazu werden die direkt am Verdichtwerkzeug 7 wirkenden Beschleunigungskräfte gemessen und als Beschleunigungssignal der Steuereinheit 12 zugeführt.
- Als Eingangsgröße in das System zur Ermittlung der Verdichtungsqualität dient die Beschleunigung des schwingenden Verdichtwerkzeuges bzw. Stopfpickels 7. Im Normalfall führt dieser keine harmonische Bewegung aus sondern arbeitet in einem nichtlinearen Betrieb. Es werden die Kräfte auf den Schotter 3 nur in eine Richtung übertragen, es kann zu einem Abheben der Schotterkörner von den Pickelflächen kommen. Dadurch entstehen im Kraftverlauf Sprünge, die das harmonische Beschleunigungssignal verzerren.
- Während einer Beistellbewegung kann mit dem Beschleunigungssensor 13 innerhalb eines Zeitintervalls ein maximal möglicher Verdichtungsgrad errechnet werden. Es kann somit die Information gewonnen werden, dass der zwischen den Verdichtwerkzeugen 7 befindliche Schotter 3 noch nicht bis zu einem maximalen, einem bestimmten Wert des Beschleunigungssignals entsprechenden Grad verdichtet wurde. Bedarfsweise kann auch ein weiterer Stopfvorgang eingeleitet werden. In vorteilhafter Weise kann auch dokumentiert werden, dass der Verdichtungsgrad insbesondere während einer längeren Stopfstrecke homogen hergestellt wurde.
- Die als Erreger wirksamen Verdichtwerkzeuge 7 bilden mit dem Schotter 3 als Resonator ein schwingungsfähiges System. Die Resonanz des dynamischen Systems wird durch die Verdichtung verändert, da sich die Ersatzsteifigkeit des Systems ändert. Unter Zuhilfenahme des Frequenzganges des dynamischen Systems kann die Resonanzfrequenz ausgewertet werden. Es wäre auch vorteilhaft die Frequenz dieser Resonanzfrequenz nachzuführen.
- Als Grundlage für einen Oberschwingungsgehalt (OSG) und einer Leistung einer Grundschwingung (LGS) dient ein an die Steuereinheit 12 abgegebenes Beschleunigungssignal des Beschleunigungssensors 13. Ein Leistungsdichtespektrum bzw. die spektrale Leistungsdichte gibt die Leistung eines Signals bezogen auf die Frequenz in einem infinitesimalen (Grenzwert gegen Null) breiten Frequenzband an.
- Die Beschleunigungssignale werden deformiert, sobald eine Last auftritt. Dies wird durch die Berechnung des Leistungsdichtespektrum sichtbar gemacht und im Bereich unter 50Hz für die Leistung der Grundschwingung aufsummiert und über 50 Hz für die Leistung der Oberschwingungen.
- Als Maß für die Schotterverdichtung wird der Oberschwingungsgehalt (OSG) verwendet. Der OSG eines harmonischen sinusförmigen Grundsignals der Beschleunigung wird durch das nichtlineare Verhalten der Rückwirkung (Reflexion) des Schotters beeinflusst. Der Oberschwingungsgehalt wird als dimensionslose Größe bezeichnet und gibt an, in welchem Maße die Leistung der Oberschwingungen die Leistung der sinusförmigen Grundschwingung überlagert.
- In
Fig. 3 sind die Ergebnisse einer Auswertung der spektralen Leistungsdichte (bzw. PSD, abgeleitet von Power Spectral Density) dargestellt. Die inFig. 3a ersichtliche Kurve zeigt das Beschleunigungssignal bei unbelastetem Verdichtwerkzeug 7,Fig. 3b und 3c bei mittlerer bzw. hoher Verdichtung (auf der x-Achse ist jeweils die Zeit t, auf der y-Achse die Beschleunigung angegeben). Ein Vergleich zeigt eine deutliche Veränderung der Form der Sinusfunktion. Es nehmen die spektralen Anteile des Beschleunigungssignals im Oberschwingungsbereich zu. - Der Verlauf der spektralen Leistungsdichte der drei vorgestellten Beschleunigungssignale ist in
Fig. 3d (x-Achse entspricht der Frequenz Hz, die y-Achse dem Leistungsdichtespektrum W/Hz) dargestellt. Bei der in voller Linie dargestellten Kurve sind die Hauptfrequenzanteile bei 35 Hz. Bei der strichliert gekennzeichneten Kurve kommen mehrere höhere Frequenzanteile und bei der strich-punktiert dargestellten Kurve noch mehr höhere Frequenzanteile dazu. Diese höheren Frequenzanteile sind für die Verformung des ursprünglich sinusförmigen Beschleunigungssignals verantwortlich. - Für die Ermittlung der spektralen Leistungsdichte werden zeitlich begrenzte Anteile des Beschleunigungssignals ausgewählt und einer Berechnungsroutine für das Leistungsdichtespektrum zugeführt. Dadurch wird das Leistungsdichtespektrum im Frequenzband von 5 bis 300 Hz berechnet.
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- Durch Division der Leistung der Oberschwingung durch die Leistung der Grundschwingung (LGS) wird der Oberschwingungsgehalt (OSG), der mit der vorhandenen Verdichtung im Schotter 3 korreliert, ermittelt. Diese Kennzahl (OSG) gibt an, wie groß der Leistungsanteil der Oberschwingungen im gesamten Beschleunigungssignal ist.
- Eine zwischen Grundschwingung (LGS) und Oberschwingung gelegene Grenzfrequenz f1 ist abhängig von der Resonanzfrequenz der mechanischen Konstruktion des Stopfaggregates 1 und wird durch den Verlauf der Leistungsdichtespektrum (PSD) ermittelt.
- Im Folgenden wird die Auswertung eines Beschleunigungssignals beschrieben. Die einzelnen Messgrößen für den Beistellweg der Verdichtwerkzeuge 7 und deren Beistellzeit werden in mehrere zeitliche Abschnitte aufgeteilt. Für die einzelnen Abschnitte werden die Kennwerte für LGS und OSG für das bezüglich einer Arbeitsrichtung einer Stopfmaschine vordere und hintere Verdichtwerkzeug 7 ermittelt. Der Verdichtvorgang bzw. die Beistellbewegung der Verdichtwerkzeuge 7 kann in vorteilhafter Weise sofort beendet werden, sobald der Kennwert OSG eine voreingestellte Größe erreicht hat.
- Zur Ermittlung einer Scheinleistung dient eine Antriebsleistung des Exzenterantriebes 10. Diese wird durch dessen Druckverlauf messtechnisch erfasst und die Blindleistung der Beistellantriebe 9 abgezogen, da die Leistung an dieser Stelle verlorengeht.
- Eine Wirkleistung ist für die Berechnung von Beistellkräften der Verdichtwerkzeuge 7 notwendig. Des Weiteren wird mittels der gemessenen Beschleunigung des Verdichtungswerkzeuges 7 die Schotterkraft ermittelt. Diese ist ein Indiz für die Schotterverdichtung. Grundsätzlich kann der Arbeitsprozess Schotterverdichten in folgende Abschnitte unterteilt werden: Eintauchen, Beistellen und Hochfahren des Verdichtwerkzeuges 7. Der eigentliche Verdichtungsvorgang erfolgt während des Beistellens.
- Während der Beistellbewegung der Verdichtwerkzeuge 7 wird das Korngerüst des Schotters 3 umgelagert. Damit wird Verdichtungsenergie vom Verdichtwerkzeug 7 auf den Schotter 3 übertragen. Durch die im Schotter 3 aufgenommene Energie erfolgt die Umlagerung des Korngerüstes und dies führt in weiterer Folge zu einer Verringerung des Porenvolumens. Ist die Schotterbewegung unterhalb der Schwelle abgeschlossen, wird die Energieaufnahme des Schotters 3 reduziert. Daraufhin werden die eingebrachten Kräfte des Verdichtwerkzeuges 7 mehr reflektiert bzw. wird das gegenüberliegende Verdichtwerkzeug 7 stärker abgebremst. Die Steifigkeit des Schotters 3 steigt mit zunehmender Verdichtung und die Anteile, in denen Energie im Schotter 3 aufgenommen wird (Dämpfung), sinken. Daraus resultiert eine größere Reaktionskraft auf eine einwirkende Kraft der Verdichtwerkzeuge 7. Ist somit eine gute Verdichtung des Schotters erreicht, kann eine erhöhte Leistungsaufnahme des Verdichtwerkzeuges 7 beobachtet werden.
- Der für die Wirkleistung (die Leistung, die vom Schotter aufgenommen wird) repräsentative Messwert kann in verschiedener Weise gewonnen werden. Beispielsweise kann die Antriebsleistung über das Drehmoment und die Drehzahl des Exzenterantriebes 10 gemessen und hiervon die im System selbst verbrauchte Blindleistung abgezogen werden.
- Blindleistung entsteht einerseits durch interne Reibungsverluste und Strömungsverluste im Hydrauliksystem sowie auch innerhalb der Beistellantriebe 9, die auch als kraftbegrenzende Überlastsicherung im System dient. Ist die Kraftbegrenzung aktiv, wird mehr Blindleistung verbraucht. Die Blindleistung kann durch eine Messung der Leistung im Beistellantrieb 9 erfolgen. Dazu werden die resultierende Zylinderkraft sowie die Geschwindigkeit, die die Kolbenstange gegenüber dem Beistellantrieb 9 zurücklegt, benötigt. Die resultierende Zylinderkraft kann durch zwei Drucksensoren im Beistellantrieb 9 erfolgen. Ein Wegaufnehmer im Hydraulikzylinder kann für die Ermittlung der Geschwindigkeit durch einmaliges Differenzieren des Weges herangezogen werden.
-
- Die Blindleistung des Beistellantriebes 9 ist auch vom gewählten Beistelldruck abhängig. Die gesamte Blindleistung kann während der Inbetriebnahme in Abhängigkeit von Drehzahl, Beistelldruck und der Scheinleistung ermittelt werden und in einer mehrdimensionalen Tabelle in dem Rechner hinterlegt werden. Dadurch ist für die Ermittlung einer Schlagkraft des Systems nur die Ermittlung des Drehmomentes und der Drehzahl notwendig. Die in den Schotter 3 eingebrachte Leistung kann somit wie folgt berechnet werden:
- Bei hydraulisch angetriebenen Verdichtungsgeräten kann es zweckmäßig sein, den Hydraulikdruck des Exzenterantriebes 10 für die Berechnung des Drehmomentes bzw. als Messgröße zu verwenden.
- Während der Erstinbetriebnahme eines Verdichtwerkzeuges 7 kann über spezielle Testszenarien das Bremsmoment bzw. Verlustmoment ermittelt werden. Die Leistung, die auf den Schotter 3 übertragen wird, ist an dieser Stelle bekannt. Die Größe der Verdichtungskraft, die ein Indiz für die erzeugte Verdichtungsgüte ist, hängt von den Beschleunigungen am Verdichtwerkzeug 7 ab. Für die Berechnung der Schotterkraft ist ein Ersatzmodell des entsprechenden Arbeitsgerätes, im Falle einer Stopfmaschine des Verdichtwerkzeuges 7, notwendig:
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- Fhydr (s.
Fig. 2 ) kann entweder online gemessen (indem die beiden Kammern des Beistellantriebes 9 mit Drucksensoren bestückt werden), oder auch über die Antriebsleistung des Exzenterantriebes 10 errechnet werden. Die Beschleunigung ap wird messtechnisch erfasst. - Für den nächsten Berechnungsschritt ist die zurückgelegte Geschwindigkeit und der Weg des Verdichtwerkzeuges 7 notwendig. Für die Geschwindigkeit wird das Beschleunigungssignal einmal und für den Weg zweimal integriert.
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- Die auf diese Weise ermittelte Energie beschreibt die Energieaufnahme des Schotters 3 während des Verdichtungsprozesses und gibt ein Maß für den jeweiligen Verdichtungsgrad an. Konvergiert der Energieeintrag gegen einen bestimmten Wert, kann der Schotter 3 nicht mehr weiter verdichtet werden. Um den Verdichtungsgrad bei verschiedenen Typen von Verdichtwerkzeugen 7 untereinander vergleichbar zu machen, wird die eingeprägte Energie auf die Stopfpickelfläche und der sich im Einsatz befindlichen Verdichtwerkzeuge 7 folgendermaßen normiert.
- Konvergiert der Energieeintrag beim Verdichten gegen Null, so folgt einer Verdichtungskraft eine Verformung nach einer linearen Federkennlinie. Der Schotter 3 nimmt keine Energie mehr auf und das physikalische Verhalten ist wie bei einer Steifigkeit und wird als Gleisschotter E-modul verwendet.
- Die Steifigkeit, dies entspricht der Steigung in einem Kraft-Weg-Diagramm, gibt das elastische Verhalten des Schotters 3 an. Die Ermittlung des E-Moduls für den Schotter 3 wird mittels linearer Regressionsgerade mit Minimierung der quadratischen Mittel berechnet.
Claims (10)
- Verfahren zur Verdichtung der Schotterbettung eines Gleises durch ein in Schwingungen versetztes Verdichtwerkzeug (7), wobei
die während des Verdichtvorganges in den Schotter eingeleiteten Schwingungen als Maß für die Schotterverdichtung registriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Druckverlauf eines Exzenterantriebes (10) oder eines Beistellantriebes (9) messtechnisch eine Antriebsleistung des Verdichtwerkzeuges (7) erfasst und diese um die Scheinleistung der Beistellantriebe (9) reduziert wird, wonach eine am Verdichtwerkzeug (7) zur Verdichtung des Schotters (3) zur Verfügung stehende Wirkleistung errechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verdichtwerkzeug (7) wirkende Beschleunigungskräfte gemessen und als Beschleunigungssignal einer Steuereinheit (12) zugeführt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einer optimalen Schotterverdichtung entsprechende Beschleunigungssignal durch Berechnung der spektralen Leistungsdichte (PSD) als Verdichtsollwert ermittelt und der Verdichtvorgang mit Erreichen des Verdichtsollwertes automatisch beendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der spektralen Leistungsdichte (PSD) zeitlich begrenzte Abschnitte des Beschleunigungssignals ausgewählt und einer Berechnungsroutine für ein Leistungsdichtespektrum zugeführt werden.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsdichtespektrum im Frequenzband von etwa 5 bis etwa 300 Hz berechnet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer mechanischen Konstruktion des Verdichtwerkzeuges (7) abhängige Grenzfrequenz f1 zwischen einer Grundschwingung (GS) und einer Oberschwingung (OS) des Beschleunigungssignals ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung der Grundschwingung (LGS) und der Oberschwingung (LOS) durch Integration der spektralen Leistungsdichte (PSD) über einen gewünschten Frequenzbereich berechnet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Division der Leistung der Oberschwingung (LOS) durch die Leistung der Grundschwingung (LGS) ein mit der Verdichtung des Schotters korrelierender Oberschwingungsgehalt (OSG) ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Multiplikation der Leistung der Grundschwingung (LGS) mit einem in Abhängigkeit einer Leerlaufamplitude festgelegten Faktor f eine - einen Rückschluss auf einen Schotterzustand ermöglichende - Aggregatauslastung (SL) ermittelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Wirkleistung resultierende Verdichtkraft des Verdichtwerkzeuges, also die Stopfpickelkraft, einer aus der Schotterverdichtung resultierenden Schotter-Reaktionskraft gegenübergestellt und die Beistellbewegung der Verdichtwerkzeuge (7) nach Erreichen eines Grenzwertes automatisch beendet wird.
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