JP7179851B2 - タンピングユニットの負荷を監視する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、軌道建設機械のタンピングユニットの負荷を監視する方法であって、タンピングユニットの負荷を検出する少なくとも１つのセンサが配置されている、方法に関する。また本発明は、こうした方法を実行するシステムに関する。

欧州特許出願公開第２１５４４９７号明細書から、振動センサにより、タンピングユニットのカム軸の軸受を診断する装置が公知である。ここで、振動センサは、カム駆動部のハウジングに配置されている。タンピングユニットが道床の外に位置するフェーズにおいては、カム駆動部の自由振動のみが検出される。所定の時間間隔で検出されたデータの変化に基づいて、カム軸の軸受の摩耗状態が推論される。

欧州特許出願公開第２１５４４９７号明細書

発明の概要
本発明の基礎とする課題は、冒頭に言及した形式の方法およびシステムにつき、従来技術に比べての改善を提供することである。

本発明によれば、当該課題は、請求項１記載の方法および請求項１２記載のシステムにより解決される。本発明の有利な発展形態は各従属請求項から得られる。

ここでは、センサにより検出された測定データが所定の時間範囲にわたって評価装置内に格納され、格納された測定データから、道床へのタンピングユニットの周期的な突き入れ過程に対する少なくとも１つの負荷時間特性が導出される。このようにすることにより、タンピングユニットもしくはタンピングユニット部材に作用する外力または内力が、負荷量の時間特性において考慮される。したがって、一方ではメンテナンス措置またはメンテナンス間隔を設定するための、タンピングユニットの負荷状況が推論される。他方では、検出された負荷量の特性に基づき、道床からタンピングユニットに作用する力が推論可能となることから、タンピングユニットによって処理される道床の評価が可能となる。

本発明の一構成では、負荷時間特性から集合負荷が計算されるように構成される。集合負荷とは、検出された時間範囲にわたってタンピングユニットがどの程度の負荷にさらされたかを直接に表す。ここから、耐用時間設定を用いた補償により、タンピングユニットもしくはタンピングユニット部材の予測可能な耐用期間が得られる。

操作人員が実際の負荷状況を評価するためには、出力装置により、負荷時間特性から導出された負荷状態が表示されると好都合である。このようにすれば、設定された負荷限界の超過に直ちに対応することができる。

有利な一方法では、タンピングユニットの上下運動装置内に配置された液圧シリンダが監視され、測定データとして、ピストン行程と液圧シリンダ内に生じている液圧とが検出される。これらの測定データに基づいて、評価装置により、突き入れ過程ごとに突き入れ力の計算が行われる。対応する負荷時間特性は、タンピングユニットの負荷または道床の状態に対する評価基準を形成する。

方法の一発展形態では、道床へのタンピングユニットの突き入れの際に投入される突き入れエネルギ(Eindringen)が計算される。対応する負荷時間特性として、複数の突き固めサイクルにわたる突き入れエネルギの特性がマッピングされる。この場合、測定データの検出の際に状況により発生する異常値を低減するには、平均値形成が有意でありうる。道床への突き入れのために投入される突き入れエネルギは、道床の状態に対する有意な評価量である。

さらに、道床へのタンピングユニットの突き入れの際に生じる突き入れ出力（Eindringleistung）を計算することも有利である。連続する作業時間範囲にわたる突き入れ出力の特性から、処理される軌道の状態についての推論を導出することができる。また、調達すべき突き入れ出力は、タンピングユニットの負荷に対する有意な評価量である。

発明の代替的な構成または上述した方法の拡張形態として、タンピングユニットのカム駆動部につき、作業時間範囲にわたって当該カム駆動部の出力を検出することにより、当該カム駆動部が監視されるように構成される。負荷時間特性としての、調達されたカム出力の特性により、タンピングユニットの負荷状況または道床の状態が推論される。

ここで、タンピングユニットの液圧式カム駆動部において測定データとして圧力もしくは差圧および流量を検出し、当該圧力もしくは差圧および当該流量からカム駆動部の液圧出力を導出すると有利である。これに代えて、カム駆動部の出力を、測定されたトルクおよび回転数から導出することもできる。

同様のことが、タンピングユニットの電気式カム駆動部の構成にも当てはまる。当該電気式カム駆動部は、有利には、測定データとして印加電圧および電流を検出し、当該印加電圧および当該電流からカム駆動部の電力を導出することにより監視される。

タンピングユニットの自動メンテナンス計画のためには、負荷時間特性に基づいて、計算ユニットにより、タンピングユニットの保守間隔または点検間隔を設定すると有利である。

また、道床の状態の自動評価のためには、負荷時間特性に基づいて、計算ユニットにより、突き固められた道床のクラス分類を行うと有利である。

ここで、方法の一改善形態によれば、出力装置において、道床のクラス分類が、実行時刻および／または実行場所に関連づけられて表示されるように構成される。このようにすれば、どの作業ステップでどのような道床の状態が生じているかが直接に見て取れる。

上述した方法を実行する本発明のシステムでは、タンピングユニットが負荷を検出する少なくとも１つのセンサを有し、ここで、センサは、評価装置に接続されており、評価装置は、格納されている測定データから負荷時間特性を求めるように構成されている。この場合、評価装置は、突き固め機械にあってもよいし、遠隔に配置されたシステムセンタにあってもよい。いずれにあるかに応じて、測定データは、信号線路を介して、または車両内部バスシステムを介して、または無線通信装置を介して、評価装置へ伝送される。

システムの有利な一構成では、評価装置は、データ検出ユニットと、マイクロプロセッサと、データを遠隔のコンピュータシステムまたは出力装置へ伝送する通信手段とを含む。データ検出ユニット（データ取得部、ＤＡＱ）により、アナログセンサ信号がデジタル化され、デジタル化された測定データから、マイクロプロセッサにより、負荷時間特性が求められる。特に、マイクロプロセッサにより、特徴的な信号領域が識別され、関連する特性量が計算される。

システムの一発展形態として、機械制御部がタンピングユニットの駆動部または制御コンポーネントに接続され、機械制御部に、制御データを適合させるための測定データが供給されるように構成される。これにより、タンピングユニットの過負荷を回避するための有効な閉ループ制御が実現される。

ここで、有意には、機械制御部が評価装置にも接続され、評価装置により計算された特性量が機械制御部のための制御パラメータとして設定される。このようにすれば、道床の状態の変化に対し、例えば自動で対応することができる。

本発明を以下に例示の方式において添付の図面を参照しながら説明する。図には概略図として次のことが示されている。

タンピングユニットを備えた突き固め機械である。 タンピングユニットである。 ２回の突き固めサイクル中の信号特性である。 システム構造である。 時間に関する出力特性である。 出力装置での表示である。

実施形態の説明
例としてのシステムには、タンピングユニット２を備えた突き固め機械１が含まれており、当該タンピングユニット２には、その負荷を検出する複数のセンサ３が配置されている。センサ信号は信号線路４を介して評価装置５へ伝送される。評価装置５では、センサ３により検出された測定データが、所定の時間範囲Ｔにわたって格納され、評価される。突き固め機械１は軌道６上を走行可能である。軌道６は、レール７と枕木８とレール取付部材とから形成されるレールグリッド９を含み、当該レールグリッド９は道床１０上に支持されている（図１）。

軌道６を下方へ突き固める際に、レールグリッド９はリフトディレクショニングユニット１１により所望の位置へ移動される。当該位置での固定のために、タンピングユニット２のタンピングツール１２は、枕木８間で道床１０内へ突き入れられる。ここで、タンピングツール１２には振動運動１３が印加される。当該振動運動１３はカム駆動部１４によって形成される。カム駆動部１４には、沈降状態においてタンピングツール１２にスクイーズさせる、すなわち連続運動を可能にするスクイーズシリンダ１５が接続されている（図２）。当該スクイーズ運動１６にさらに振動運動１３が重畳され、ここで、突き入れ過程１７における振動周波数（例えば４５Ｈｚ）は、押し固め過程１８における振動周波数（例えば３５Ｈｚ）よりもきわめて高く選定される。このようにすれば、高い周波数のもとで振動させられるバラストが流動する媒体と相似するため、バラストへの突き入れが容易となる。

カム駆動部１４は、ツールキャリア１９上に配置されている。また、ツールキャリア１９には旋回アーム２０が支持されている。旋回アーム２０はその下端にタンピングツール１２を有する。上端では、旋回アーム２０は、スクイーズシリンダ１５を介して、カム駆動部１４によって駆動されるカム軸に結合されている。ツールキャリア１９は、ユニットフレーム２１内にガイドされており、上下運動装置２２によって垂直方向に運動可能である。ここで、上下運動装置２２は、液圧シリンダ２３を含む。液圧シリンダ２３は、突き固め機械１のマシンフレーム２４に支持されており、動作中、ツールキャリア１９に対して上下運動力Ｆ_Ｚが生じる。液圧シリンダ２３によって突き入れ過程１７中に調達される下降力Ｆ_Ｚは、ここでは、突き入れ力Ｆ_Ｅのうち道床１０に作用する成分である。

液圧シリンダ２３内で生じる液圧を測定することにより、下降力Ｆ_Ｚを簡単に求めることができる。突き入れ力Ｆ_Ｅを検出するために、付加的に、ツールキャリア１９および当該ツールキャリア１９に配置されている部材の全体の重量および加速度が考慮される。この場合、加速度は、液圧シリンダ２３で測定されたピストン行程ｘを２重に微分することによって計算可能である。したがって、突き入れ力Ｆ_Ｅを求めるには、運動部材の重量が既知であれば、液圧シリンダ２３での圧力測定および距離測定を行うのみでよい。

所定の時間範囲Ｔにわたって測定データを検出することにより、時間ｔに関する突き入れ力Ｆ_Ｅの特性が得られる。このようにして、まず、単純な負荷時間特性が取得される。続く評価のために、特には複数の突き固めサイクルが監視され、各突き入れ過程１７中の最大突き入れ力がそれぞれ格納され、これにより、負荷時間特性から、時間ｔに関する最大突き入れ力、すなわち連続する複数の突き固めサイクルにわたる最大突き入れ力が示される。負荷時間特性または負荷時間関数から、集合負荷を簡単に求めることができる。これにより、観察している時間範囲Ｔにわたってどの程度の負荷が生じたかを直接に見取ることができる。

負荷時間特性を形成するためには、突き入れ過程１７のたびに、突き入れエネルギＥ_Ｅが計算される。すなわち、

または

であり、ここで、
ｘ_０は、突き入れ距離の始端、
ｘ_１は、突き入れ距離の終端、
ｔ_０は、突き入れ過程１７の開始時点、
ｔ_１は、突き入れ過程１７の終了時点
である。これにより、時間範囲Ｔにわたる複数回の突き入れ過程１７を監視することで、時間ｔに関する突き入れエネルギＥ_Ｅの特性が取得される。ここで、複数回の突き入れ過程１７にわたる平均値形成により、測定データの検出の際に状況により生じる異常値が低減される。

さらに続いて、各突き入れ過程中に調達される突き入れ出力Ｐ_Ｅを求めることが有意となりうる。すなわち、
Ｐ_Ｅ＝Ｅ_Ｅ／ｔ （３）
である。連続する作業時間範囲Ｔにわたる突き入れ出力Ｐ_Ｅの特性から、タンピングユニット２の負荷状況と作業時間範囲Ｔ中に処理される道床１０の状態との双方の推論を導出することができる。この場合も平均値形成が有意である。

多重突き固めでは、道床１０の設定された圧縮度を達成するため、軌道６の１か所において複数回の突き固め過程（部分サイクル）が行われる。この場合、複数の負荷時間特性、すなわち一連の部分サイクルに対応する負荷時間特性が形成される。２重突き固めでは、例えば、突き入れ力Ｆ_Ｅ、突き入れエネルギＥ_Ｅまたは突き入れ出力Ｐ_Ｅが、全ての第１の部分サイクルに対して求められ、さらにこれと別個に全ての第２の部分サイクルに対しても求められる。

振動形成のためのカム駆動部１４として、例えば、液圧モータが設けられる。ここでは、液圧オイルの流入と流出との間の差圧Δｐと、液圧オイルの流量Ｑとが測定され、カム駆動部１４の液圧出力Ｐ_Ｈが求められる。すなわち、
Ｐ_Ｈ＝Δｐ・Ｑ （４）
である。各突き固めサイクルにわたって、カム出力Ｐ_Ｈが平均される。多数の突き固めサイクルを含む、連続する作業時間範囲Ｔにわたって、当該カム出力Ｐ_Ｈから、振動負荷時間特性として、時間ｔに関するカム出力Ｐ_Ｈの特性が得られる。

個々の特性が、図３に概略的に示されている。最上方のグラフには、時間ｔに関する突き入れ距離ｘ（突き入れ深さ）の特性が示されている。当該特性に対応するのは、液圧シリンダ２３で検出されたピストン行程ｘである。突き入れ距離の始端ｘ_０で、タンピングツール１２の頂部が道床１０の表面に接触し、突き入れ距離の終端ｘ_１で、タンピングツール１２が設定された最大突き入れ深さに達する。下方のグラフには、対応する時間軸で、流量Ｑ、差圧Δｐ、合成カム出力Ｐ_Ｈが示されており、最下方には突き入れ力Ｆ_Ｅの特性が示されている。

図４から見て取れるように、評価装置５は、データ検出ユニット２５と、マイクロプロセッサ２６と、データを遠隔のコンピュータシステム２８または出力装置２９に伝送する通信手段２７（例えばモデム）とを含む。データの一時記憶のため、マイクロプロセッサ２６がメモリ装置３０に接続されていると好都合である。また、遠隔のコンピュータシステム２８は、履歴データを格納するデータベース装置３１を含む。

機械制御部３２には、閉ループ制御回路を形成するため、センサ３の出力信号が供給される。このようにすれば、制御信号を変化するシステム条件に効率的に適合させることができる。データ検出ユニット２５を用いたデジタル化により、センサ３の出力信号からデジタル測定データが形成され、マイクロプロセッサ２６に供給される。ここで、設定された時間範囲Ｔにわたって測定データの格納が行われる。マイクロプロセッサ２６により、当該測定データから負荷時間特性が作成され、評価される。この場合、特徴的な信号領域が識別され、関連する特性量、例えば上下運動装置２２およびカム駆動部１４の集合負荷、または道床１０のクラス分類が計算される。制御パラメータを状況に応じて適合させるために、当該特性量は機械制御部３２に伝送される。このようにすることで、例えば、突き固めパラメータが求められた道床１０の硬度に適合される。

遠隔のコンピュータシステム２８は、有利には、その時点で検出されたデータおよび履歴データを分析して、そこから導出されるタンピングユニット２の保守間隔または点検間隔を設定するため、システムセンタ３３内に配置されている。その基準として、例えば、設定された耐用時間領域による、形成された集合負荷の補償を利用することができる。

連続する作業時間範囲Ｔにわたるカム出力Ｐ_Ｈおよび突き入れ出力Ｐ_Ｅの例としての特性が、図５に示されている。ここでは、道床１０の状態が２つの量Ｐ_Ｈ，Ｐ_Ｅの双方に作用しているため、２つの特性の間に類似性が認められる。既に敷設期間を経過して硬くなった道床１０には、より大きなカム出力Ｐ_Ｈとより大きな突き入れ出力Ｐ_Ｅとが必要である。これに対して、新しいバラストを新規に敷設する際には、調達すべき出力Ｐ_Ｈ，Ｐ_Ｅはより小さくてよい。

設定された状態クラス（軟性‐新規の敷設、中程度、硬性‐経年）を道床１０の各処理区間に割り当てるために、２つの出力量Ｐ_Ｈ，Ｐ_Ｅの少なくとも一方に対して、対応する値領域が設定される。求められた出力特性を当該設定された値領域によって補償することで、処理された道床区間につき自動でのクラス分類が行われる。

有利には、求められた状態クラスが、実行時刻および実行場所に関連づけられ、出力装置２９（コンピュータスクリーン、タブレット等）に表示される。最も簡単なケースでは、こうした表示は、日付、現場呼称、状態クラスならびに中程度のカム出力Ｐ_Ｈおよび中程度の突き入れ出力Ｐ_Ｅを含む表の形態で行われる。

高度な情報内容を含むディスプレイ３４が図６に示されている。ここでは、現場３５は電子地図３６として表示されており、個々の現場区間にはそれぞれ異なる特徴的な状態クラスが対応づけられている。その基礎となるのは、道床１０に対して設定された硬度スケール３７である。また、現場の特定の位置に、日付および時刻データ３８も表示される。

Claims (14)

1. 軌道建設機械（１）のタンピングユニット（２）の負荷を監視する方法であって、
   前記タンピングユニット（２）の負荷を検出する少なくとも１つのセンサ（３）が配置されている、方法において、
   前記センサ（３）により検出された測定データを所定の時間範囲（Ｔ）にわたって評価装置（５）内に格納し、
   格納された測定データから、道床（１０）への前記タンピングユニット（２）の周期的な突き入れ過程（１７）に対する少なくとも１つの負荷時間特性を導出し、
   前記負荷時間特性に基づいて、計算ユニット（２８）により、前記タンピングユニット（２）の保守間隔もしくは点検間隔を設定する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記負荷時間特性から集合負荷を計算する、請求項１記載の方法。
3. 前記タンピングユニット（２）の上下運動装置（２２）内に配置された液圧シリンダ（２３）を監視し、測定データとして、ピストン行程（ｘ）と前記液圧シリンダ（２３）内に生じる液圧とを検出する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記道床（１０）への前記タンピングユニット（２）の突き入れの際に投入される突き入れエネルギ（Ｅ_Ｅ）を計算する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記道床（１０）への前記タンピングユニット（２）の突き入れの際に生じる突き入れ出力（Ｐ_Ｅ）を計算する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記タンピングユニット（２）のカム駆動部（１４）を監視し、前記所定の時間範囲（Ｔ）にわたって前記カム駆動部（１４）の出力を検出する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記タンピングユニット（２）の液圧式カム駆動部（１４）を監視し、
   測定データとして圧力（Δｐ）および流量（Ｑ）を検出し、該圧力（Δｐ）および流量（Ｑ）から前記カム駆動部（１４）の液圧出力（Ｐ_Ｈ）を導出する、
   請求項５記載の方法。
8. 前記タンピングユニット（２）の電気式カム駆動部（１４）を監視し、
   測定データとして電圧および電流を検出し、該電圧および電流から前記カム駆動部（１４）の電力を導出する、
   請求項５記載の方法。
9. 前記負荷時間特性に基づいて、計算ユニット（２８）により、突き固められた前記道床（１０）のクラス分類を行う、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 出力装置（２９）において、前記道床（１０）のクラス分類を、実行時刻および／または実行場所に関連づけて表示する、請求項９記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法を実行するシステムであって、
    タンピングユニット（２）が負荷を検出する少なくとも１つのセンサ（３）を有する、
    システムにおいて、
    前記センサ（３）は、評価装置（５）に接続されており、
    前記評価装置（５）は、格納されている測定データから負荷時間特性を求めるように構成されている、
    ことを特徴とするシステム。
12. 前記評価装置（５）は、データ検出ユニット（２５）と、マイクロプロセッサ（２６）と、データを遠隔のコンピュータシステム（２８）または出力装置（２９）へ伝送する通信手段（２７）とを含む、請求項１１記載のシステム。
13. 機械制御部（３２）が前記タンピングユニット（２）の駆動部または制御コンポーネントに接続されており、
    制御データを適合させるために、前記機械制御部（３２）に測定データが供給される、
    請求項１１または１２記載のシステム。
14. 前記機械制御部（３２）が前記評価装置（５）に接続されており、前記評価装置（５）により計算された特性量が制御パラメータとして設定される、請求項１３記載のシステム。

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