EP3841250A1 - Verfahren zur automatischen lagekorrektur eines gleises - Google Patents

Verfahren zur automatischen lagekorrektur eines gleises

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EP3841250A1
EP3841250A1 EP19756091.5A EP19756091A EP3841250A1 EP 3841250 A1 EP3841250 A1 EP 3841250A1 EP 19756091 A EP19756091 A EP 19756091A EP 3841250 A1 EP3841250 A1 EP 3841250A1
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EP
European Patent Office
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track
tamping
individual
correction
error
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EP19756091.5A
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EP3841250B1 (de
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Bernhard Lichtberger
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HP3 Real GmbH
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HP3 Real GmbH
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Publication date
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Publication of EP3841250A1 publication Critical patent/EP3841250A1/de
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Publication of EP3841250B1 publication Critical patent/EP3841250B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B27/00—Placing, renewing, working, cleaning, or taking-up the ballast, with or without concurrent work on the track; Devices therefor; Packing sleepers
    • E01B27/12—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track; Compacting track-carrying ballast
    • E01B27/13—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track
    • E01B27/16—Sleeper-tamping machines
    • E01B27/17—Sleeper-tamping machines combined with means for lifting, levelling or slewing the track
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B29/00—Laying, rebuilding, or taking-up tracks; Tools or machines therefor
    • E01B29/04—Lifting or levelling of tracks
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting individual errors of a railroad track formed from rails and sleepers. State of the art
  • the ballast has a long service life (long lay times typically more than 10 years), the ballast is usually heavily contaminated and worn. Firstly, the gravel breaks off at the grain tips and the broken parts then lie between the gravel. Rock dust collects in between (gravel abrasion under traffic load).
  • the trigger of an individual error is a singular track discontinuity such as an uneven rail joint or a hollow threshold. Trains running over this bump exert high dynamic forces. As a result, the ballast is exposed to a high load under these areas, breaks at the edges, rounds, the fine particles fill the cavities between the grains. The error not only increases, but also extends in the longitudinal direction due to the wheel-rail interaction. The excited car bodies (caused by the track error to rebound and rebound) result in subsequent individual errors with a typically lower and fading error level.
  • the left and right rails are only plugged along the respective error length of the individual rail side. If these errors are clearly offset from one another in the longitudinal direction, a torsion error is installed.
  • the procedure begins with correcting the position by stuffing the track at the determined starting point (at the floe point) without spotting. It is known from studies that even with a tamping without staining, a tensile load of 5 mm is established. According to the method according to EP1 028 193 B1, this results in up to four successive distortion errors (calculated with the usual torsion base of 3 m) of up to 5 mm each.
  • the intervention threshold that requires a track correction is close to this value. The track geometry left behind would therefore already be borderline in terms of torsion.
  • the start and end of the tamping are placed exactly on the hole point.
  • the floe point of the track is formed by particularly firm sleepers. If these remain in their extremely firm condition, then after the tamping there will be a sudden transition between hard (before the track error) and soft (along the length of the track error). This maintains the high dynamic wheel-rail interaction. The corrected error will recur quickly.
  • EP1 028 193 B1 Another disadvantage of the method according to EP1 028 193 B1 is that prior to the actual work, the determined target geometry is not checked with regard to the torsional errors to be expected and the design is possibly corrected. It is also disadvantageous that the use of the multiple tamping or the selection of the tamping parameters is left to the machine operator and the operator can proceed according to the opinion. The current ballast condition is not recorded and is not included in the planning of the design of the target track geometry. As a check of the quality of the work carried out, the track geometry left behind is recorded according to EP1 028 193 B1 alone. This gives no information about the durability of the track correction and also no information about the ballast conditions in the error area.
  • tamping units with fully hydraulic tamping drive which measure the bed hardness by measuring the compression force and the compression path. These provide information about the ballast hardness and the condition of the ballast by recording the ballast hardness and the level of compaction (compaction force) achieved by the tamping. If, for example, only a low compression force is measured when tamping (typically 10-30 kN compression force, bed hardness ⁇ 150 Nm), the ballast is crushed and rounded off there. Sufficient interlocking of the gravel grains cannot be achieved. The darning will have no durability. The corrected individual error will develop again shortly (typically within 1 -2 million Lto). Depending on the level of the error, multiple tamping is used according to the state of the art. For a track lift of more than 40mm e.g. twice tamping or three times tamping on the same threshold from 60mm.
  • WO2018082798 (A1) a method for correcting vertical position errors of a track by means of a track tamping machine and a dynamic track stabilizer is known, whereby based on a detected actual track position for a processed track location, an excess weight is specified with which the track can be moved into a preliminary position Lifting track position is raised and stuffed and then lowered into a resulting end track position by means of dynamic stabilization.
  • a smoothed actual position curve is formed from a course of the actual track position and an overhevaluation is made for the processed track location depending on the course of the actual track position with respect to the smoothed actual position. Predefined location course.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for correcting track position of extreme longitudinal height individual errors which significantly increases the durability of the track position of the corrected individual errors compared to the previously known methods, and also offers the possibility of predicting the durability by objective measurement.
  • this object is achieved with a method characterized by the following steps: measuring the amplitude and phase-correct undistorted height profile of the left and right rails, the directional error and the elevation by means of an inertial measuring system or a north-based navigation measuring system.
  • the method can be expanded by test tamping to determine the bedding hardness with the tamping unit. For this, e.g. After measuring the track geometry in the now known error range, a test stop without lifting was carried out to determine the ballast bed hardness and the compacting force and thus the ballast condition. Depending on the gravel condition, the track can then be raised to achieve a better durability.
  • the worn ballast can be removed with carried machines and replaced with new one in order to be able to rule out a return of the track fault.
  • the ballast state (bedding hardness, compacting force) is measured and recorded at each threshold during the track position correction.
  • the directional error and the cant are corrected at the same time.
  • the directional error is derived analogously from the IMU measurements and the resulting correction values are given to the machine control system.
  • the increase is included in the calculation of the reference heights of the two rails.
  • the main advantages of the method according to the invention lie in the precise phase and amplitude-accurate detection of the individual errors, a Uniformity of the vertical stiffness, an extension of the durability of the track geometry of the corrected single defect and a proof of quality by means of the bedding hardness and the compressive force at the individual processing thresholds and based on it statements about the expected durability of the track error correction.
  • a low bedding hardness (W ... soft, N ... normal, H ... hard) is an indication of destroyed ballast and greatly reduced durability of the tamping.
  • FIG. 1 schematically shows a single fault tamping machine
  • Fig. 2 schematically shows a measured individual fault of a rail track.
  • Fig. 3 shows schematically illustrated measured individual fault profiles of the left and right rails
  • Fig. 4 is a diagram showing the course of settlement depending on the elevation, as well as the course of the remaining elevation in the track
  • Fig. 6 schematically shows an individual error and the course of the bedding hardness over the length of the individual error
  • Fig. 1 shows a single fault tamping machine 2.
  • the direction of work is given with W is.
  • the track is raised and directed into the desired position by means of lifting drives 3 and directional drives 4 via a lifting-straightening device 13.
  • the track position is corrected with the tamping unit 7 and the tamping tools 8, 15 which plunge into the ballast and compact the ballast under the sleepers 9.
  • the machine 2 is powered by a drive motor 5 while working and driving.
  • the machine 2 is designed so that it can also correct individual errors in switches.
  • the machine is equipped with swiveling tamping axes 8, 15, split-head tamping units 7 and a rotating device 6 for the tamping units 7.
  • the machine 2 can be moved on the track 16 via bogies 12.
  • the rails 16 rest on the cross sleepers 9 which lie in the ballast bed.
  • the machine's own control system consists of the two measuring carriages 10 and the rear IMU measuring carriage 1 1.
  • the machine control and measuring system is usually designed as a chord measuring system. One chord runs in the middle for the correct position and two further chords are guided over the rails 16 for the longitudinal height position.
  • the sensors for detecting the longitudinal heights and the direction are located on the middle measuring carriage 10.
  • the rear measuring carriage 11 is designed such that an inertial unit or a north-based navigation system built on it can record the longitudinal height of both rails, the correct position and the transverse height depending on the path ,
  • the path s during the measurement run is recorded via an odometer.
  • the measured values are recorded, displayed and stored equidistantly on an on-board computer with display 18.
  • the vehicle has two driving cabins 17.
  • Fu m indicates a limit that an error must fall below so that it is treated as an individual error to be corrected.
  • a simple mathematical way to determine the size of the individual errors and the high points is to search for the maxima (MAX) and minima (MIN).
  • the typical length of a pronounced single fault LType is between 12-15 m. If there are others in the vicinity of the first detected individual error that fall below the limit value Fu m (MINi, MIN2, MIN3), then these are only taken into account if they are within a maximum length Smax (eg typically 35-40m). This is to prevent entire sections of the route from being worked through instead of eliminating the dangerous individual errors.
  • the aim of the invention is the automatic computer-aided definition of the defective tamping area and the tamping parameters.
  • Mechanized individual fault correction is only carried out in the event of dangerous individual faults which, if not remedied, would lead to a track lock or a slow driving position. As this as quickly as possible to work through, longer sections would be inefficient.
  • Fu m is set in such a way that individual errors that are almost the same order of magnitude as the actual triggering individual error are eliminated. This is efficient because otherwise these errors would develop into a critical error in the near future.
  • H (n) specifies the bleeding value at the threshold n.
  • the dashed line connecting the maxima (MAXi, MAX2, MAX3) is the reference contour line of the left rail to which the rail is brought by the correction.
  • the tamping N thresholds (typically 6) is started before the high point MAX1 and M thresholds (typical 6) is ended after the last high point MAX3. Since the track error with the minimum MIN 4 is above the error limit Fu m (i.e. smaller), it is not taken into account for the correction and remains in the track without correction.
  • S indicates the start of the tamping and E the end. The precise positioning at the starting point S can be carried out by the machine operator using the graphic representation on the control computer 18.
  • FIG. 3 shows an example of the individual fault profile Fu of the left rail and the individual error profile FRe of the right rail at the bottom.
  • the right rail has an increasing cant u (x).
  • the single error lies in a transition sheet.
  • the reference line REFu results for the left rail
  • the reference line REF-Re for the right elevated rail results from the increase ramp u (s). Since there is a 5mm settlement after tamping even without lifting, the individual errors on the left and right are raised separately in height, but both sides are always tamped at the same time. The settlement then follows evenly on both sides of the rail, so there is no twisting error.
  • the starting point S is the longitudinal height error first detected and corrected in the longitudinal direction and the last detected longitudinal height error to be corrected is taken as end point E.
  • the difference in the cant is calculated over the typical base length B of the twisting of 3 m.
  • FIG. 6 shows an example of the course of the individual error e from the previous diagram (line with circles).
  • the bedding hardness b which is determined with the fully hydraulic tamping unit during tamping.
  • the bedding hardness in the marked area W is low.
  • the cause is smaller, rounded gravel that can no longer be sufficiently compacted (interlocked). If there is no replacement of ballast before working through, this area should definitely be raised so that there is a longer durability of the track position.
  • the area N of the track defect however, there are good normal bedding hardnesses.
  • a durable tamping can be expected here. With the help of the bedding hardness determined during tamping, the expected durability of the individual troubleshooting can be specified.
  • the infrastructure manager should be in the marked area of the thresholds W exchange the ballast for new, usable ones.
  • the bedding hardness or the achievable compressive force can be measured by test tamping (at least one in the areas of the largest lifting operations in the example at threshold 17 and threshold 32).
  • the test threshold is tamped without lifting and the bedding hardness and the compacting force as well as the adjustment path (moving distance of the tamping ax 8.15) are determined. Based on the known conditions, the track can be raised. If there is a machine with which ballast can be exchanged beforehand on site, this is carried out before the tamping. After replacing the ballast, a new measurement run must be carried out to plan the individual troubleshooting.
  • the track position can be artificially stabilized (settlement) using a dynamic track stabilizer.
  • a dynamic track stabilizer By stabilizing with the dynamic track stabilizer, some of the overrated values are reduced and smoothed by the track stabilizer. These settlements would take place without the use of the track stabilizer by the loading trains (the track stabilizer effect corresponds to approx. 150,000 Lto equivalent train traffic).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur automatischen Lagekorrektur von Einzelfehlern (H(n)) eines aus Schienen (16) und Schwellen (9) gebildeten Gleises mit einer Gleisstopfmaschine (2) beschrieben. Nach dem unabhängigen Aufmessen der linken und rechten Schiene mittels einer inertialen Messeinheit (11) wird die Länge und Lage des zu korrigierenden Einzelfehlers (TAMP, S, E) unter Berücksichtigung eines Grenzwertes der Einzelfehler (FLIM) und einer maximalen Ausdehnung (smax) in Längsrichtung des Gleises (s) bestimmt. Die Stopfaggregate (7) der Stopfmaschine (s) werden genau am Starpunkt (S) positioniert und beenden die Stopfung am Endpunkt (E) des ermittelten Gleiskorrekturabschnittes (TAMP). Beide Schienenstränge (FLI, FRE) werden gleichzeitig gestopft und berichtigt.

Description

Verfahren zur automatischen Lagekorrektur eines Gleises
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur von Einzelfehlern eines aus Schienen und Schwellen gebildeten Eisenbahngleises. Stand der Technik
Aus der EP1 028 193 B1 ist ein Verfahren zur Lagekorrektur von Einzelfehlern be kannt. Im„Handbuch Gleis“; Dr. Bernhard Lichtberger, DVV Media Group GmbH/ Eurailpress (ISBN 978-3-7771 -0400-3) in 3. Auflage 2010 erschienen wird auf Sei te 472 mit dem„UNIMAT Sprinter“ eine Einzelfehlerbehebungsmaschine be- schrieben.
Stopfaggregate von Gleisstopfmaschinen penetrieren mit Stopfwerkzeugen den Schotter eines Gleisbettes im Bereich zwischen zwei Schwellen (Zwischenfach) im Bereich des Auflagers der Schwelle im Schotter unter der Schiene und verdichten den Schotter durch eine dynamische Vibration der Stopfpickel zwischen den zuei- nander beistellbaren gegenüberliegenden Stopfpickeln. Je gleichmäßiger ein Gleis von Schwelle zu Schwelle verdichtet wird, um so haltbarer ist die erzielte geomet rische Gleislage nach der Instandhaltungsarbeit. Bei langer Gebrauchsdauer des Schotters (lange Liegezeiten typischerweise mehr als 10 Jahre) ist der Schotter in der Regel stark verunreinigt und abgenutzt. Zum einen brechen die Schotterkörner an den Kornspitzen ab und die abgebrochenen Teile liegen dann zwischen den Schotterkörnern. Dazwischen sammelt sich Gesteinsmehl (Abrieb der Schotter körner unter Verkehrslast). Dies führt dazu, dass von Schwelle zu Schwelle unter schiedliche Schotterverhältnisse und Steifigkeiten vorliegen. Unter den Radlasten kommt es je nach Steifigkeit des Schotters unter der Schwelle zu unterschiedli- chen Einsenkungen. Die Räder reagieren darauf mit Radkraftschwankungen die einerseits das Laufverhalten der Züge negativ beeinflussen und andererseits das Gleis und die Fahrzeuge hoch beanspruchen. Dies erhöht den Verschleiß der Rä der und des Laufwerkes. Es führt auch zu einem schnellen Qualitätsverfall der Gleislage.
Ergebnisse aus der Praxis zeigen, dass mit ca. einem Einzelfehler pro km Gleis auf den betriebenen Eisenbahnstrecken zu rechnen ist. Diese zeigen keine Korre lation zur Gleisgeometrie. Sie treten in Geraden, in Bögen oder in Übergangsbö gen in etwa gleich häufig auf. Die nach dem in EP1 028 193 B1 beschriebenen und mit der Einzelfehlerbehebungsmaschine„UNMAT Sprinter“ durchgeführten Lagekorrekturen zeigen, dass zwischen 50-60% der so korrigierten Einzelfehler nicht haltbar beseitigt werden konnten und sich nach kurzer Betriebsbelastung wieder in vorheriger Größe einstellen. Da kein offensichtlicher Zusammenhang mit Gleisgeometrieelementen vorliegt ist die Ursache für die wiederkehrenden Ein zelfehler in den Schottereigenschaften bzw. dem Untergrund zu suchen. Mit den bisherigen Methoden nach dem bekannten Stand der Technik kann nach der Be hebung eines Einzelfehlers kein Hinweis im Sinne eines objektiven Qualitäts nachweises, sowie hinsichtlich der Haltbarkeit des behobenen Einzelfehlers bzw. des Schotterzustandes gegeben werden.
Häufig ist der Auslöser eines Einzelfehlers eine singuläre Gleisunstetigkeit wie z.B. ein unebener Schienenstoß oder eine hohl liegende Schwelle. Züge die über diese Unebenheit fahren üben hohe dynamische Kräfte aus. Dadurch wird der Schotter unter diesen Bereichen einer hohen Belastung ausgesetzt, bricht an den Kanten, rundet sich, die Feinanteile verfüllen die Hohlräume zwischen den Schot terkörnern. Der Fehler wird nicht nur größer, sondern dehnt sich wegen der Rad- Schienewechselwirkung auch in Längsrichtung aus. Durch die angeregten Wa genkästen (durch den Gleisfehler angeregtes aus- und wieder einfedern) kommt es zur Entstehung von Folgeeinzelfehlern mit typisch geringerer und abklingender Fehlerhöhe.
Das aus der EP1 028 193 B1 bekannte Verfahren zur Einzelfehlerbehebung weist die folgenden Mängel auf: Es wird eine elektronische Glättung durchgeführt, wodurch der tatsächliche im Gleis liegende Fehler nur näherungsweise erfasst wird
Die linke und rechte Schiene wird nur auf der jeweiligen Fehlerlänge der einzelnen Schienenseite unterstopft. Wenn diese Fehler zueinander in Längsrichtung deut- lieh versetzt sind, wird ein Verwindungsfehler eingebaut. Das Verfahren beginnt mit der Lagekorrektur durch Unterstopfen des Gleises beim jeweils ermittelten Startpunkt (am Flochpunkt) ohne Flebung. Aus Untersuchungen ist bekannt, dass bereits bei einer Stopfung ohne Flebung sich unter den Zugsbelastungen eine Setzung von 5mm einstellt. Dies ergibt nach dem Verfahren nach EP1 028 193 B1 bis zu vier aufeinanderfolgende Verwindungsfehler (gerechnet mit der üblichen Verwindungsbasis von 3m) von jeweils bis zu 5 mm. Die Eingriffsschwelle die eine Gleisberichtigung erfordert liegt in der Nähe dieses Wertes. Die hinterlassene Gleisgeometrie wäre also hinsichtlich der Verwindung bereits grenzwertig.
Der Beginn und das Ende der Stopfung wird exakt auf den Flochpunkt gelegt. Der Flochpunkt des Gleises bildet sich durch besonders fest aufliegende Schwellen aus. Bleiben diese in ihrer extrem festen Auflage erhalten, dann bleibt nach dem Stopfen ein sprunghafter Übergang zwischen hart (vor dem Gleisfehler) und weich (auf der Länge des Gleisfehlers) zurück. Dies hält die hohe dynamische Rad- Schiene-Wechselwirkung aufrecht. Der berichtigte Fehler wird schnell wiederkeh- ren.
Nachteilig am Verfahren nach EP1 028 193 B1 ist auch, dass vor der eigentlichen Arbeit keine Überprüfung der ermittelten Sollgeometrie hinsichtlich der zu erwar tenden Verwindungsfehler erfolgt und eventuell eine Korrektur des Entwurfs durchgeführt wird. Nachteilig ist auch, dass der Einsatz des Mehrfachstopfens oder die Wahl der Stopfparameter dem Maschinenbediener überlassen wird und dieser nach Gut dünken verfahren kann. Der aktuelle Schotterzustand wird nicht erfasst und geht in die Planung des Entwurfes der Gleissollgeometrie nicht ein. Als Überprüfung der Qualität der durchgeführten Arbeit wird nach EP1 028 193 B1 alleine die hinterlassene Gleisgeometrie aufgezeichnet. Diese gibt keine Auskunft über die Haltbarkeit der Gleiskorrektur und auch keine Angabe über die Schotter verhältnisse im Fehlerbereich.
Es ist bekannt Leitcomputer für Stopfmaschinen vorzusehen, mit denen Gleisge ometrien aufgezeichnet und abgespeichert werden können. Mit Inertialsystemen oder nordbasierten Navigationssystemen können neben den Höhelagefehlern auch die Richtungsfehler und die Gleisüberhöhung aufgezeichnet werden.
Bekannt sind auch Stopfaggregate mit vollhydraulischem Stopfantrieb die die Bet tungshärte über Messung der Verdichtkraft und des Verdichtweges erfassen. Die se liefern über die Erfassung der Bettungshärte und der erreichten Verdichtung (Verdichtkraft) des Schotters durch die Stopfung eine Aussage über die Verunrei nigung des Schotters und den Schotterzustand. Wird zum Beispiel beim Stopfen nur eine geringe Verdichtkraft gemessen (typisch 10-30 kN Verdichtkraft, Bet tungshärte < 150 Nm) dann ist dort der Schotter zerkleinert und abgerundet. Es kann keine ausreichende Verzahnung der Schotterkörner erreicht werden. Die Stopfung wird keine Haltbarkeit aufweisen. Der korrigierte Einzelfehler wird sich in Kürze (typisch innerhalb 1 -2 Mio Lto) wieder ausbilden. Je nach Höhe des Fehlers wird nach dem Stand der Technik Mehrfachstopfung eingesetzt. Für eine Gleishe bung von mehr als 40mm z.B. zweimal Stopfung oder ab 60mm dreimal Stopfung an derselben Schwelle.
Aus der WO2018082798 (A1 ) ist ein Verfahren zur Korrektur von vertikalen Lage fehlern eines Gleises mittels einer Gleisstopfmaschine und eines dynamischen Gleisstabilisators bekannt, wobei ausgehend von einer erfassten Ist-Gleislage für eine bearbeitete Gleisstelle ein Überhebewert vorgegeben wird, mit dem das Gleis in eine vorläufige Überhebe-Gleislage angehoben und unterstopft wird und nach folgend mittels dynamischer Stabilisierung in eine resultierende End-Gleislage ab gesenkt wird. Aus einem Verlauf der Ist-Gleislage wird ein geglätteter Ist- Lageverlauf gebildet und für die bearbeitete Gleisstelle wird ein Überhebewert in Abhängigkeit des Verlaufs der Ist-Gleislage bezüglich des geglätteten Ist- Lageverlaufs vorgegeben. Ein weiteres Verfahren zur Lagekorrektur eines Glei ses, das aus nebeneinander angeordneten Gleisabschnitten und diese miteinan der verbindenden Abzweiggleisen besteht ist aus der EP 0 930 398 (A1 ) bekannt, wobei die Gleislagekorrektur unter synchroner Anhebung und/oder Seitenver- Schiebung auf der Basis von aus Soll- und Istlage ermittelten Gleiskorrekturwerten erfolgt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gleislagekor rektur von extremen Längshöheneinzelfehlern anzugeben welches die Haltbarkeit der Gleislage der behobenen Einzelfehler im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren wesentlich erhöht, sowie die Möglichkeit der Vorhersage der Haltbarkeit durch objektive Messung bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem durch folgende Schritte gekenn zeichneten Verfahren gelöst: Aufmessen des amplituden- und phasentreuen nichtverzerrten Höhenverlaufes der linken und rechten Schiene, des Richtungsfehlers und der Überhöhung mittels eines Inertialmesssystems oder eines nordbasierten Navigationsmesssystems.
Festlegen der zu berichtigenden Höhenfehlerlänge der linken und rechten Schiene
Festlegen der Referenzhöhenlinie für die linke und die rechte Schiene mit Berech- nung der durchzuführenden Hebungen der linken und rechten Schiene
Wahl des Startpunktes N Schwellen (typisch 6) vor dem Hochpunkt vor dem Ein zelfehler und Wahl des Endpunktes M Schwellen (typisch 6) nach dem Hochpunkt nach dem Einzelfehler.
Prüfen der Einhaltung zulässiger Verwindung der ermittelten und geplanten Soll- geometrie beider Höhenlagen Positionierung des Stopfaggregates genau am ermittelten Startpunkt und Beendi gung der Stopfung genau am ermittelten Endpunkt
Durchführung der Gleislagekorrektur unter gleichzeitiger unabhängiger Regelung und Korrektur der Höhenlagen des linken und rechten Schienenstranges. Erfindungsgemäß kann das Verfahren durch Probestopfungen zur Ermittlung der Bettungshärte mit dem Stopfaggregat erweitert werden. Dazu wird z.B. nach der Gleisgeometrieaufmessung im nunmehr bekannten Fehlerbereich eine Probestop fung ohne Hebung zur Ermittlung der Schotterbetthärte und der Verdichtkraft und damit zum Schotterzustand durchgeführt. Abhängig vom Schotterzustand kann dann das Gleis Überhoben werden, um eine bessere Haltbarkeit zu erzielen.
Erfindungsgemäß kann nach dieser probeweisen Ermittlung des Schotterzustan des im Bereich des Einzelfehlers falls notwendig mit mitgeführten Maschinen der abgenutzte Schotter ausgebaut und durch neuen ersetzt werden um eine Wieder kehr des Gleisfehlers ausschließen zu können. Erfindungsgemäß wird während der Gleislagekorrektur an jeder Schwelle der Schotterzustand (Bettungshärte, Verdichtkraft) gemessen und aufgezeichnet.
Über diese Werte kann eine Vorhersage über die Haltbarkeit der Gleisgeometrie im Bereich des behobenen Einzelfehlers gemacht werden. Diese Messdaten kön nen dann zur Planung des Schottertausches unter Schwellen mit abgenutztem Schotter genutzt werden, damit bei der Behebung des in erwartbarer Kürze der neuerlichen Einzelfehlerbehebung diese dauerhaft erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird neben den dominanten Längshöhenfehlern gleichzeitig der Richtungsfehler und die Überhöhung berichtigt. Der Richtungsfehler wird analog aus dem IMU-Messungen abgeleitet und die sich daraus ergebenden Korrektur- werte werden dem Maschinensteuersystem vorgegeben. Die Überhöhung geht in die Berechnung der Referenzhöhen der beiden Schienen ein.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der präzi sen phasen- und amplitudengetreuen Erfassung der Einzelfehler, einer Ver- gleichmäßigung der vertikalen Steifigkeit, einer Verlängerung der Haltbarkeit der Gleisgeometrie des behobenen Einzelfehlers und einem Qualitätsnachweis mittels der Bettungshärte und der Verdichtkraft bei den einzelnen bearbeitenden Schwel len und darauf fundierten Aussagen über die erwartbare Haltbarkeit der Gleisfeh- lerkorrektur. Eine geringe Bettungshärte (W ... weich, N ... normal, H ... hart) ist dabei ein Hinweis auf zerstörten Schotter und stark reduzierte Haltbarkeit der Stopfung.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In den Zeichnungen ist das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Es zeigen Fig. 1 schematisch eine Einzelfehlerstopfmaschine
Fig. 2 schematisch einen gemessenen Einzelfehler eines Schienenstranges Fig. 3 schematisch dargestellte gemessene Einzelfehlerverläufe der linken und rechten Schiene
Fig. 4 ein Diagramm welches den Verlauf der Setzung abhängig von der Hebung zeigt, sowie den Verlauf der verbleibenden Hebung im Gleis
Fig. 5 schematisch einen Einzelfehler, den Verlauf einer Überhebung des Gleises und die sich einstellende Gleislage nach der Stabilisierung des Gleises (nach voll ständiger Setzung)
Fig. 6 schematisch einen Einzelfehler und den Verlauf der Bettungshärte über die Länge des Einzelfehlers
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Einzelfehlerstopfmaschine 2. Die Arbeitsrichtung ist mit W ange geben. Über eine Hebe-Richteinrichtung 13 wird mittels Hebeantrieben 3 und Richtungsantrieben 4 das Gleis in die Sollposition gehoben und gerichtet. Mit dem Stopfaggregat 7 und den Stopfwerkzeugen 8, 15 die in den Schotter eintauchen und den Schotter unter den Schwellen 9 verdichten wird die Gleislage korrigiert. Die Maschine 2 wird während des Arbeitens und des Fahrens mit einem An triebsmotor 5 mit Energie versorgt. Die Maschine 2 ist so ausgeführt, dass sie auch Einzelfehler in Weichen beheben kann. Dazu ist die Maschine mit schwenk baren Stopfpickeln 8, 15, Splithead-Stopfaggregaten 7 und einer Drehvorrichtung 6 für die Stopfaggregate 7 ausgestattet. Die Maschine 2 ist über Drehgestelle 12 auf dem Gleis 16 verfahrbar. Die Schienen 16 ruhen auf den Querschwellen 9 die im Schotterbett liegen. Das maschineneigene Steuer- und Regelsystem besteht aus den beiden Messwagen 10 und dem hinteren IMU-Messwagen 1 1 . Das Ma schinensteuer- und Messsystem wird in der Regel als Sehnenmesssystem ausge führt. Dabei verläuft eine Sehne mittig für die Richtlage und zwei weitere Sehnen werden für die Längshöhenlage über den Schienen 16 geführt. Die Sensoren zur Erfassung der Längshöhen und der Richtung befinden sich auf dem mittleren Messwagen 10. Der hintere Messwagen 1 1 ist so ausgeführt, dass eine darauf aufgebaute Inertialeinheit bzw. ein nordgestütztes Navigationssystem die Längs höhe beider Schienen, die Richtlage und die Querhöhe wegabhängig aufzeichnen kann. Über ein Odometer wird der Weg s während der Messfahrt aufgezeichnet. Die Messwerte werden äquidistant auf einem Bordrechner mit Display 18 aufge zeichnet, dargestellt und abgespeichert. Das Fahrzeug besitzt zwei Fahrkabinen 17.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Einzelfehlerverlauf Fu der linken Schiene längs der Bogenlänge s des Gleises. Mit Fum ist eine Grenze angegeben die ein Fehler un terschreiten muss, damit er als zu behebender Einzelfehler behandelt wird. Eine einfache mathematische Möglichkeit die Größe der Einzelfehler und die Hoch punkte zu bestimmen ist die Suche der Maxima (MAX) und Minima (MIN). Die ty pische Länge eines ausgeprägten Einzelfehlers LTyp beträgt zwischen 12-15 m. Befinden sich in der Nachbarschaft des ersten detektierten Einzelfehlers weitere die den Grenzwert Fum unterschreiten (MINi , MIN2, MIN3), dann werden diese nur berücksichtigt, wenn sie sich innerhalb einer maximalen Länge Smax (z.B. typisch 35-40m) befinden. Dadurch soll vermieden werden, dass statt der Behebung der gefährlichen Einzelfehler eine Durcharbeitung ganzer Streckenabschnitte erfolgt. Ziel ist erfindungsgemäß die automatische computergestützte Festlegung des feh lerhaften Stopfbereiches und der Stopfparameter. Mechanisierte Einzelfehlerbe hebung erfolgt nur bei gefährlichen Einzelfehlern die bei Nichtbehebung zu einer Gleissperre oder einer Langsamfahrstelle führen würden. Da diese so schnell wie möglich behoben werden sollen, wäre eine Durcharbeitung längerer Abschnitte ineffizient. Fum wird so gesetzt, dass Einzelfehler die fast die gleiche Größenord nung wie der eigentliche auslösende Einzelfehler aufweisen mitbehoben werden. Dies ist effizient, da diese Fehler sonst in naher Zukunft sich zu einem kritischen Fehler entwickeln würden. H(n) gibt den Flebewert an der Schwelle n an. Die strichlierte, die Maxima (MAXi, MAX2, MAX3) verbindende Linie, ist die Referenz höhenlinie der linken Schiene auf die die Schiene durch die Korrektur gebracht wird. Damit ein gleichmäßiger vertikaler Steifigkeitsverlauf in der Längsrichtung erzielt wird (aufweichen der harten Hochpunktbereiche) wird mit der Stopfung N Schwellen (typisch 6) vor dem Hochpunkt MAX1 begonnen und M Schwellen (ty pisch 6) nach dem letzten Hochpunkt MAX3 geendet. Da der Gleisfehler mit dem Minimum MIN4 über dem Fehlerlimit Fum liegt (also kleiner ist) wird er nicht für die Korrektur berücksichtigt und verbleibt unberichtigt im Gleis. S kennzeichnet den Startpunkt der Stopfung und E das Ende. Die genaue Positionierung beim Start punkt S kann der Maschinenbediener an Hand der grafischen Darstellung am Leit rechner 18 vornehmen.
Fig. 3 zeigt oben beispielhaft den Einzelfehlerverlauf Fu der linken Schiene und unten den Einzelfehlerverlauf FRe der rechten Schiene. Die rechte Schiene weist als allgemeinen Fall eine ansteigende Überhöhung u(x) auf. Der Einzelfehler liegt also in einem Übergangsbogen. Wie zuvor beschrieben werden die Einzelfehler hinsichtlich Start- und Endpunkt zuerst für beide Schienen getrennt behandelt. Für die linke Schiene ergibt sich als Referenzlinie REFu und für die rechte überhöhte Schiene die der Überhöhungsrampe u(s) zufolge ansteigende Referenzlinie REF- Re. Da es nach einer Stopfung auch ohne Hebung zu einer Setzung von 5mm kommt werden zwar die Einzelfehler links und rechts getrennt der Höhe nach ge hoben aber es werden immer beide Seiten zugleich unterstopft. Die Setzung er folgt dann auf beiden Schienenseiten gleichmäßig, damit ergibt sich kein Verwin dungsfehler. Als Startpunkt S wird der in Längsrichtung zuerst detektierte und zu berichtigende Längshöhenfehler genommen und als Endpunkt E der letzte detek tierte und zu berichtigende Längshöhenfehler. Um zu prüfen ob etwaige unzuläs sige Verwindungsfehler auftreten wird die Differenz der Überhöhungen über die typische Basislänge B der Verwindung von 3m berechnet. Die Verwindung V errechnet sich zu: V=[u(n) + h( )] - [u(n + B) + h(n + B )] wobei n die betrachtete Schwelle bezeichnet. Die Verwindung wird für alle Positio nen beginnend am Startpunkt (bzw. B=3m vorher) bis zum Endpunkt (bzw. bis B=3m nachher) berechnet und die Einhaltung des Abnahmegrenzwertes für die Verwindung geprüft. Sollte dieser nicht eingehalten werden, dann sind die Refe renzhöhenlinien entsprechend zu modifizieren. Dies ist wie in den nächsten Abbil dungen gezeigt wird vor allem dann nötig, wenn aus Gründen höheren Haltbarkeit der Gleislage das Gleis überhoben wird, damit es sich nach der erwartbaren Set zung während der Stabilisierungsphase des Gleises der optimalen geraden Refe- renzlinie anpasst.
Fig. 4 zeigt schematisch die Setzung S (Linie mit Dreiecken gekennzeichnet) ab hängig von der zuvor durchgeführten Hebung H‘. Daraus kann der Verlauf der verbleibenden Hebung v im Gleis (dauerhafte Berichtigung) angegeben werden (Linie mit Punkten). Derartige Verläufe werden in verschiedenen Publikationen wiedergegeben. Eine davon ist im„Handbuch Gleis“ Autor: Dr. Bernhard Lichtber ger, DVV Media Group GmbH/ Eurailpress (ISBN 978-3-7771 -0400-3), 3. Auflage 2010 im Bild 287 auf Seite 463 zu finden.
Die Setzung S kann abhängig von der Hebung H vereinfachend wie folgt angege ben werden:
Für die verbleibende Hebung H‘ abhängig vom Gleisfehler F gilt:
F < 15 mm H' = (F + 5) 3 Wie den Formeln und dem Diagramm zu entnehmen ist setzt sich das Gleis bei Hebung null H=0 um S=5mm. Der Grund dafür ist, dass die Stopfwerkzeuge 8, 15 Raum einnehmen und einen Teil des Schotters schon nur durch das Eintauchen der Pickel in den Schotter verdrängen. Dies entspricht einem Auflockern des Schotters im Bereich der Schwellen die sich daraufhin unter der Verkehrslast zu setzen beginnen.
Fig. 5 zeigt als Beispiel den Verlauf eines Einzelfehlers g (Linie mit Punkten). Da mit die Gleislage haltbarer wird, beziehungsweise damit die erwartbare Setzung berücksichtigt wird, wird mit der obigen Formel ' = - F + 15 die notwendige He bung H‘ errechnet (Linie mit Kreisen). Die Referenzlinie für die Höhe der Schiene ist nunmehr keine zwischen den Maxima verlaufende Gerade sondern eine ge krümmte Linie (Linie mit Rauten). Unter der Zuglast setzt sich das Gleis und nimmt nach vollständiger Stabilisierung die Referenzhöhenlinie (Linie mit Dreiecken) an. An den Anfangs- und Endbereichen R wird der Hebewert H‘ über eine Rampe (Länge typisch z.B. 3m) aufgebaut. Da die Hebewerte Anfangs Null beziehungs weise sehr klein sind setzt sich das Gleis unter die Null-Referenzlinie. Das ent spricht zu Beginn und Ende einem kleinen Längshöhenrestfehler der nicht zu ver meiden ist, aber in der Praxis vernachlässigt werden kann. Es ist die Überhebung ü, die Setzung s und die Gleislage I nach Stabilisierung dargestellt.
Fig. 6 zeigt als Beispiel den Verlauf des Einzelfehlers e aus dem vorhergehenden Diagramm (Linie mit Kreisen). Im Diagramm eingetragen ist die Bettungshärte b die mit dem vollhydraulischen Stopfaggregat während des Stopfens ermittelt wird. Die Bettungshärte im gekennzeichneten Bereich W ist gering. Die Ursache ist zer kleinerter abgerundeter Schotter der sich nicht mehr ausreichend verdichten (ver zahnen) lässt. Kommt es vor der Durcharbeitung zu keinem Schottertausch, dann sollte dieser Bereich unbedingt überhoben werden, damit sich eine längere Halt barkeit der Gleislage ergibt. Im Bereich N des Gleisfehlers hingegen liegen gute normale Bettungshärten vor. Hier ist mit einer haltbaren Stopfung zu rechnen. Mit Hilfe der während der Stopfung ermittelten Bettungshärten kann somit die erwart bare Haltbarkeit der Einzelfehlerbehebung angegeben werden. Im gezeigten Bei spiel sollte der Infrastrukturbetreiber im gekennzeichneten Bereich der Schwellen W den Schotter gegen neuen gebrauchsfähigen tauschen. Nach der Messfahrt kann durch Probestopfungen (mindestens eine in den Bereichen der größten He bungen also im Beispiel bei Schwelle 17 und bei Schwelle 32) die Bettungshärte bzw. die erreichbare Verdichtkraft gemessen werden. Dazu wird ohne Hebung die Testschwelle gestopft und die Bettungshärte und die Verdichtkraft sowie der Bei stellweg (bewegte Distanz der Stopfpickel 8,15) ermittelt. Ausgehend von den da mit bekannten Verhältnissen kann das Gleis überhoben werden. Befindet sich eine Maschine mit welcher vorab Schottertausch durchgeführt werden kann vor Ort, dann wird dieser vor dem Stopfgang durchgeführt. Nach dem Schottertausch muss eine neuerliche Messfahrt zur Planung der Einzelfehlerbehebung durchge führt werden. Nach der Durcharbeit kann die Gleislage durch einen dynamischen Gleisstabilisator künstlich stabilisiert (Setzung) werden. Durch die Stabilisierung mit dem dynamischen Gleisstabilisator wird ein Teil der überhobenen Werte durch den Gleisstabilisator reduziert und geglättet. Diese Setzungen würden ohne Ein satz des Gleisstabilisators durch die belastenden Züge stattfinden (die Gleisstabi- lisatorwirkung entspricht ca. 150.000 Lto äquivalenten Zugsverkehrs).
Verwendete Bezeichnungen:
1 Stopfaggregat
2 Stopfmaschine
3 Hebezylinder
4 Richtzylinder
5 Dieselmotor
6 Drehvorrichtung Stopfaggregat
7 Stopfwerkzeug
8 Stopfpickel
9 Schwelle
10 Mittlerer Messwagen
1 1 IMU-Messwagen
12 Drehgestell
13 Hebe-Richt-Aggregat
14 Arbeitskabine
15 Stopfpickel
16 Schiene
17 Fahrkabine
18 Leitcomputer w Weiche Bettung, Arbeitsrichtung der Maschine
N Normale Bettung
R Anfangs- Endrampe
B Basislänge Verwindung
S Startpunkt
E Endpunkt
MIN Minima in der Flöhenlage
MAX Maxima in der Flöhenlage
s Bogenlänge
M Nachstopflänge
N Vorstopflänge
H(n) Flebungen
u(n) Überhöhung
Flim Grenzwert kritischer Fehler
TAMP Stopfbereich
REF Referenzlinie für Flebung
Smax Grenzbereich maximal Einzelfehlerlänge

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur automatischen Lagekorrektur eines aus Schienen (16) und Schwellen (9) gebildeten Gleises mit einer Gleisstopfmaschine (2),
gekennzeichnet durch folgende Schritte: · Voneinander unabhängiges Aufmessen der linken und rechten Schiene (16) eines Gleisabschnittes zur Ermittlung und Aufzeichnung der Höhen-Ist- Lage (FLI, FRE), der Gleisrichtung und der Gleisüberhöhung (u(n)) mittels einer inertialen Messeinheit (1 1 ) und einer Rechen- und Steuereinheit (18),
• Bestimmung des Start- (S) und Endpunktes (E) des zu behebenden
Einzelfehlers der linken und rechten Schiene (H(n)) unter Berücksichtigung eines Grenzwertes der Einzelfehler (FLIM) und einer maximalen
Ausdehnung in Längsrichtung des Gleises (Smax),
• Wahl des Startpunktes (S) abhängig vom Verlauf des Einzelfehlers jener Schiene die näher liegt und Wahl des Endpunktes (E) abhängig vom
Verlauf des Einzelfehlers jener Schiene der in Längsrichtung am fernsten liegt,
• Festlegen einer Flöhenreferenzlinie für die linke (REFu) und rechte Schiene (REFRE) unter Berücksichtigung der Überhöhung,
• Positionieren der Stopfaggregate (7) einer Stopfmaschine (2) genau am Startpunkt (S) des Einzelfehlers (H(n)) des ermittelten
Gleiskorrekturabschnittes (TAMP), wobei beide Schienenstränge (FLI, FRE) gleichzeitig berichtigt werden und neben den Längshöheneinzelfehlern auch die Gleisrichtung korrigiert wird und wobei die Stopfung am Endpunkt (E) beendet wird.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass nach der
Messfahrt Probestopfungen im Bereich der maximal auftretenden Fehler zur Bestimmung der Bettungshärte durchgeführt werden und auf Basis der
Bettungshärte (H, W, N) zur besseren Haltbarkeit der Gleislageberichtigung das Geis unter Berücksichtigung der zu erwartenden Setzung (S) überhoben (H‘) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass abhängig von der durch Probestopfungen ermittelten Bettungshärte (H, W, N) und der Hebekorrekturhöhe (H(n)) das Gleis durch die Stopfmaschine (2) in den Betriebsarten: Einfach-, Mehrfachstopfung, automatische optimierte Stopfung oder Hochdruckstopfen angesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass abhängig von der durch Probestopfungen ermittelten Bettungshärte (H, W,
N) mittels einer Schottertauschmaschine verschlissener und abgenutzter Schotter ersetzt und anschließend eine neuerliche Messfahrt mit nachfolgender
Einzelfehlerberichtigung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Startpunkt (S) der Stopfung einen Bereich (N) vor dem eigentlichen Einzelfehler (H(n)) liegt und der Endpunkt einen Bereich (M) nach dem
eigentlichen Ende des Einzelfehlers (H(n)) liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Hebung vom Startpunkt (S) weg über eine Rampe (R) aufgebaut und zum Ende (E) über eine Rampe (R) abgebaut wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass nach der Festlegung der Höhenreferenzlinien (REFLI, REFRE) für die beiden Schienen (16), die zu erwartende Verwindung mit der gewählten Basislänge (B) der beiden Schienen (16) zueinander nach der Formel v=[u(n) + h{n )] - [u(n + B) + h(n + B )] berechnet und auf Einhaltung der maximal zulässigen Verwindung geprüft und die Höhenreferenzlinien (REFLI, REFRE) bei Überschreitung des Grenzwertes so abgeändert werden, dass die maximal zulässige Verwindung nicht überschritten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass unmittelbar nach der Einzelfehlerbehebung das Gleis mit einem
dynamischen Gleisstabilisator bearbeitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass bei jeder Stopfung an jeder Schwelle (9) die Bettungshärte (H, W, N) ermittelt und als Qualitätsnachweis und zur Vorhersage der Haltbarkeit der
Einzelfehlerberichtigung aufgezeichnet und abgespeichert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die jeweilige Position des Stopfaggregates (7, n) relativ zum Gleis (16) auf einem Monitor (18) angezeigt wird.
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