KR20230037033A - 트랙의 밸러스트 베드를 압축하기 위한 기계 및 방법 - Google Patents

트랙의 밸러스트 베드를 압축하기 위한 기계 및 방법 Download PDF

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KR20230037033A
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플로리안 아우어
베른하르트 안토니
다비드 부흐바우어
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플라세 & 토이러, 엑스포트 본 바흔바우마쉬넨, 게젤샤프트 엠. 베. 하.
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Abstract

본 발명은 레일-기반 주행 기어(3) 상에 지지되는 기계 프레임(2)과 이에 연결된 높이-조절가능한 안정화 유닛(10)을 구비한 트랙(4)의 밸러스트 베드(9)를 압축하기 위한 기계(1)에 관한 것으로, 안정화 유닛은 진동 드라이브(16) 및 트랙(4)의 레일(6) 상에서 이동할 수 있는 휠 플랜지 롤러들(18)을 구비한 차축(17,axle)을 포함하며, 기계(1)의 길이방향에 직교하게 연장되는 휠 플랜지 롤러들의 서로에 대한 거리는 스프레딩 드라이브(19) 뿐 아니라, 클램핑 드라이브(23)에 의해 레일(6)에 대해 압박할 수(누를 수)있는 롤러 클램프(21)에 의해 변경될 수 있다. 스프레딩 드라이브(19) 및/또는 클램핑 드라이브(23)는 사전 정의된 가변 수평 하중력(FB)을 레일(6)에 적용하도록 설정되는데, 이에의해 측정장치(20)가 가변 하중력(FB)에 의해 야기된 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)를 검출하도록 배치된다. 이러한 방식으로, 트랙 패널(5)이 본질적으로 안정적인지 여부가 안정화 유닛(10)에 의해 결정된다.

Description

트랙의 밸러스트 베드를 압축하기 위한 기계 및 방법
본 발명은 레일-기반 주행 기어 상에 지지되는 기계 프레임과 이에 연결된 높이-조절가능한 안정화 유닛을 구비한 트랙의 밸러스트 베드를 압축하기 위한 기계에 관한 것으로, 안정화 유닛은 진동 드라이브 및 트랙의 레일 상에서 이동할 수 있는 휠 플랜지 롤러들을 구비한 차축(axle)을 포함하며, 기계의 길이방향에 직교하게 연장되는 휠 플랜지 롤러들의 서로에 대한 거리는 스프레딩 드라이브 뿐 아니라, 클램핑 드라이브에 의해 레일에 대해 압박할 수(누를 수)있는 롤러 클램프에 의해 변경될 수 있다. 본 발명은 또한 기계를 작동시키 위한 방법에 관한 것이다.
사전 정의된 트랙 형상을 생성하거나 복원하기 위해 밸러스트 베드가 있는 있는 트랙이 탬핑 기계에 의해 작업된다. 특히, 슬리퍼와 레일 패스닝에 의해 슬리퍼에 고정된 레일로 구성된, 밸러스트 베드에 깔린 트랙 패널(track pannel)의 포지션이 교정된다(corrected). 이 교정 과정 동안, 탬핑 기계는 트랙을 따라 이동하고 리프팅 및 라이닝 유닛(lining unit)을 통해 트랙 패널을 과도하게 교정된 목표 포지션(target position)으로 들어올린다. 새로운 트랙 포지션은 트랙을 탬핑하는 탬핑 기계에 의해 고정된다. 충분하고, 무엇보다는 균일한 밸러스트 베드의 하중-지지력(load-bearing capacity)은 철도운영에서 트랙 포지션의 안정성을 위한 필수 전제 조건이다.
따라서 일반적으로 탬핑 과정 후에 트랙을 안정화 하기 위해 기계가 사용된다. 트랙에는 정적 하중이 부하되고, 소위 동적 트랙 스테빌라이저(Dynamic Track Stabiliser, DGS)로 국부적으로 진동이 설정된다. 진동은 입상 구조(granular structure)의 입자가 이동가능하게 하여 더 높은 압축(higher compactness)으로 이동하여 재배열될 수 있게 한다. 결과적인 밸러스트 압축은 트랙의 하중-지지력 (load-bearing capacity)을 증가시키고 운영 중에 발생하는 트랙 침하를 복제한다. 측면 트랙 저항 증가는 또한 압축(압밀)을 의미한다.
EP 0 616 077 A1 는 2개의 레일-기반 주행 기어들 사이에 배치되는 안정화 유닛을 지닌 상응하는 기계를 개시한다. 안정화 유닛은 트랙 상에서 이동가능하고 진동 드라이브에 의해 생성된 진동을 트랙에 전달하는 휠 플랜지 롤러들을 포함한다. 안정화 과정 동안, 공유 차축에 배치된 휠 플랜지 롤러들은 트랙 게이지 유격(track gauge play)을 방지하기 위해 스프레딩 드라이브에 의해 레일 헤드의 내부 측면에 대해 가압된다.
본 발명의 목적은 안정화 과정 동안 트랙의 취약 지점이 검출되도록 위에 언급된 종류의 기계를 향상시키는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 상응하는 방법을 명시하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1항 및 8항에의 특징에 의해 달성된다. 종속항들은 본 발명의 유리한 실시예를 나타낸다.
스프레딩 드라이브 및/또는 클램핑 드라이브는 사전 정의된 가변 수평 하중력을 적용하도록 설정되며, 이로인해 측정장치는 가변 하중력에 의해 야기되는 레일 헤드 편향(deflection) 및/또는 트랙 게이지 변화를 검출하도록 배치된다. 이 장치를 활성화하면, 사전 정의된 진행을 지닌 기계적인 확산력(spreading force)이 기계의 길이방향에 대해 십자형(crosswise)으로 레일에 적용되며 그 결과 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지에 대한 변화가 측정된다. 이런 방식으로, 트랙 패널이 본질적으로 안정적인지 여부가 안정화 유닛에 의해 결정될 수 있다. 측정은 안정화 유닛에 의해 유지보수 조치 과정 중에 수행되기 때문에 이 검사(inspection)에는 별도의 트랙 점유가 필요하지 않다.
본 발명에 따른 배치에 의하면, 각각의 레일은 휠 플랜지 롤러와 롤러 클램프 사이의 레일 헤드에서 클램핑된다, 롤러 클램프를 통해 레일 상에 작용하는 클램핑력(clamping force)은 확산력(spreading force)과 조화를 이룬다. 확산력과 클램핑력은 진동 드라이브의 동적 충격력 이외도 각각의 레일에 작용하는 다양한 하중력을 합산한다. 특히, 이 하중력의 변화는 확산력 및/또는 클램핑력을 변경시킴으로써 달성된다. 하중력의 변화로 인한 트랙 게이지(궤간) 변화는 이후에 각각의 레일 패스닝(rail fastening) 상태에 대한 정보를 제공한다.
온전한 트랙 패널과 비교하여, 손상되거나 불충분하게 고정된 레일 패스닝은 수평 하중력이 변화될 때 더 큰 트랙 게이지(track gauge)의 변화를 야기한다. 검출된 트랙 게이지 변화는 레일 패스닝의 상태에 대한 매개변수로써 역할을 할 수 있다. 예컨대, 잘못된 유지보수의 결과로서 과부하 또는 파손으로 인해 느슨한 레일 패스닝이 발생한다. 목재 슬리퍼는 세균 감염 및 날씨 관련 영향으로 인해 노화되며, 이는 레일 패스닝을 느슨하게 할수 있다. 일반적으로 여기에서 육안 검사(visual inspection)는 불충분하다.
또한 안전-관련 한계가 아직 초과되지 않았기 때문에 기존의 트랙 검사 차량으로는 결함이 있는 레일 패스닝을 지닌 트랙 섹션이 검출되지 않는 경우가 많다. 본 발명은 안정화 유닛의 동적 충격력이 이전에 손상된 레일 패스닝을 그대로 검출하는 것을 제공한다. 특히 레일 패스닝 구성요소들의 기존의 재료 균열이 더 극단적으로 되어, 즉각적인 검출이 가능하다. 이러한 시너지 효과는 트랙 패널의 안정성을 검사하기 위한 본 발명에 따른 안정화 유닛의 사용으로부터 직접적으로 기인한다. 공지된 시스템(게이지 제한 측정 시스템, GRMS)은 정적인 횡력(static transverse forces)으로 트랙을 따라 안내되는 스프레딩 차축의 결과로서 변화된 트랙 게이지에서만 측정한다. 이전에 손상된 레일 패스닝이 검출되게 하는 동적 구성요소(component)가 없다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 주기적을 변화되는 하중력을 야기하는 제어 신호는 확산 드라이브 및 클램핑 드라이브를 가동시키기 위한 제어장비에 저장된다. 하중력에 대한 주기적 변화는 진동 드라이브의 진동 주파수보다 현저히 낮은 주파수에서 발생한다. 안정화 유닛은 일반적으로 30 Hz 및 35 Hz 사이의 진동 주파수에서 작동한다. 대조적으로 가변 하중력의 주기는 비슷하다. 1초, 그래서 1 Hz 의 주파수는 진동 주파수 보다 분명하게 아래에 있다. 이러한 방식으로, 하중력에 의해 야기되는 레일 헤드 편향에 대한 진동 교란 영향이 회피된다. 측정된 편향값 또는 트랙 게이지 변화는 하중력의 주기적이고 낮은-주파수 진행(low-frequency progression)에 분명하게 할당된다.
유리하게는, 측정장치는 휠 플랜지 롤러들의 차축에 결합된다. 따라서 트랙 게이지는 레일 상에 작용하는 확산력의 힘 축(force axis) 에서 직접적으로 측정되며, 이에의해 확산력과 트랙 게이지 사이의 직접적인 상관 관계가 확인된다.
본 발명의 추가 실시예에서, 측정장치(measuring device)는 평가장치(evaluation device)에 결합되며, 평가장치는 검출된 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 변화에 기초하여 레일 패스닝을 평가하도록 설정된다. 평가장치는 각각의 레일 패스닝 상태의 자동화된 평가를 가능하게 한다.
이 맥락에서, 평가 장치가 측정 지점의 영역에 포지션된 레일 패스닝의 상태를 평가하기 위해 변화된 하중값의 진행의 함수로서 측정 지점에서 검출된 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 값을 평가하도록 설정되는 경우에 유리하다. 이러한 방식으로, 각각의 레일 패스닝의 상태변수(state variable)를 도출하기 위해 하중-변위 곡선의 값들의 쌍들(pairs of values)이 기록되고 비교된다.
추가적인 개선은 포지션 결정유닛이 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 변화의 위치-특정 검출을 위해 배치되는 것을 제공한다. 이러한 방식으로 획득된 위치 기준(location reference)은 측정 결과와 사용 중인 트랙의 각각의 레일 패스닝의 포지션 사이의 비교를 용이하게한다. 위치-특정 검출은 문서화 목적을 위해서도 유리하다.
기계의 추가적인 개발에 있어서, 2개의 안정화 유닛은 하나가 다른 하나의 뒤에 배치되며, 각 안정화 유닛은 각각의 수평 하중력에 의해 야기되는 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 변화를 검출하기 위한 측정장치를 포함한다. 이 배치는 기계의 연속적인 전진 이동 중에 동일한 지점에서 다른 하중력으로 측정 가능하게 한다. 먼저 전방 안정화 유닛은 첫번째 하중력으로 측정한다. 후방 안정화 유닛이 동일한 측정 지점에 도달하자마자, 두번째 하중력으로 두번째 측정이 이루어진다.
본 발명에 따른 방법에서, 휠 플랜지 롤러들을 지닌 안정화 유닛은 먼저 트랙의 레일 상으로 하강한다. 다음 단계에서, 레일은 스프레딩 드라이브 및/또는 클램핑 드라이브에 의해 사전 정의된 가변 수평 하중력을 받으며, 하중력에 의해 야기되는 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 변화는, 레일 패스닝의 상태를 나타내기 위해 측정장치에 의해 검출된다. 안정화 유닛의 이러한 추가적인 사용은 약간의 노력만이 필요하다. 어떤 경우에도 수행되어야 하는 압축 과정은 레일 패스닝의 상태 검사와 연결된다.
본 방법의 유리한 실시예에서, 수평 하중력은 진동 드라이브의 진동 주파수 보다 낮은 주파수를 지닌 제어장비에 의해 주지적으로 변화된다. 여기에서 스프레딩 드라이브 및/또는 클램핑 드라이브의 주기적인 제어신호는, 이를테면 진동 드라이브의 진동 진행에서 낮은 주파수(예컨대, 1 Hz)로 변조된다. 주기적으로 변화되는 하중력은 휠 플랜지 롤러들의 확산력과 외측에서 레일에 대해 배치된 롤러 클램프의 클렘핑력으로부터 기인한다. 이 가변적인 하중력은, 진동 드라이브에 의해 야기되는 레일 상에 작용하는 충격력과 중첩된다. 이는 단일 안정화 유닛을 작동시킬 때 특히 유용하다.
추가적인 방법의 변형에서, 레일은 안정화 유닛에 의해 제1 수평 하중력을 받으며, 레일은 추가 안정화 유닛에 의해 제2 수평 하중력을 제2 수평 하중력을 추가적으로 받는다. 이 방법에서는, 두 안정화 유닛은, 각각의 하중력의 함수로써 트랙 게이지를 측정하는데 사용된다. 다른 수평 하중력을 지정함으로써, 레일 패스닝의 상태에 대한 정보를 제공하는 트랙 게이지의 변화를 검출할 수 있다.
방법의 추가적인 개발에서, 기계는 트랙을 따라 연속적으로 이동한다. 통과할 때, 각각의 레일 패스닝 영역의 레일에 다른 확산력이 적용되고, 트랙 게이지에 미치는 영향이 측정된다.
자동화된 평가를 위해, 트랙 게이지의 변화(track gauge change)가 평가장치에 의해 가변 하중력의 함수로써 검출되고 평가되면 유용하다. 예컨대, 트랙 게이지 변화를 사전 정의된 제한값과 비교하는 알고리즘이 평가장치에 설정된다.
이 방법의 추가적인 개발에서, 평가장치에 의해 측정지점에서 검출된 레일 헤드 편향 값 및/또는 트랙 게이지 값은 다른 하중력 값의 함수로써 공동으로 평가된다. 여기서, 하중-변위 곡선의 값들의 쌍들은, 각각의 레일 패스닝 상태를 나타내기 위해 서로에 대해 설정된다.
또 다른 개선은 포지션 결정유닛이 레일 헤드 편향 및/또는 트랙 게이지 변화의 위치-특정 검출을 위해 측정장치의 포지션을 결정하는 데 사용되는 것을 제공한다. 이런 방식으로 획득된 결과적인 위치 특정성은 이후에 각각의 레일 패스닝에 쉽게 할당할 수 있게 한다.
각각의 레일 패스닝의 평가 데이타는 레일 패스닝의 상태를 평가하기 위해 그 위치를 참조하여 저장되는 경우 유용하다. 저장된 데이타는 이 후에 수행되는 트랙 검사를 문서화하는데 사용된다.
본 발명에 따른 트랙의 밸러스트 베드를 압축하기 위한 기계 및 방법은 트랙의 밸러스트 베드를 효과적으로 압축할 수 있으며, 안정화 과정 동안 트랙의 취약 지점을 검출할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실례가 설명된다. 다음의 도면들은 개략적인 예시를 보여준다.
도1은 측면에서 볼 때 트랙 상에 2개의 안정화 유닛을 지닌 기계를 도시한다.
도2는 안정화 유닛 및 트랙의 단면도이다.
도3은 시간에 걸친 충격력과 하중력의 진행을 보여준다.
도4는 레일의 프로파일이다.
도5는 도4의 다이어그램이다.
도6은 도2의 상세도이다.
도7은 시간에 걸친 힘 진행이다.
도8은 하중-변위 곡선(Load-displacement curve)이다.
도9는 안정화 유닛의 평면도이다.
도 1에 도시된 기계(1)는 트랙(4) 상에서 레일-기반 주행 기어(3,rail-based running gears)로 이동할 수 있는 기계프레임(2)을 갖는 소위 동적 트랙 안정기(DGS,Dynamic Track Stabiliser)이다. 트랙(4)은 레일(6), 레일 패스닝(7,rail fastenings), 및 밸러스트 베드(9)에 깔린 슬리퍼(8,sleeper)로 구성되는 트랙 패널(5,track panel)을 포함한다. 기계(1)는 일반적으로 트랙 패널(5)의 침하를 복제하기위해 탬핑 과정 후에 사용된다. 본 발명은 또한 도시되지 않은 결합된 탬핑 및 안정화 기계 또는 안정화 유닛(10)이 갖추어진 다른 트랙 유지보수 기계에 관한 것이다.
2개의 안정화 유닛(10,stabilising units)은 도시된 기계(1)의 기계 프레임(2)에 기계(1)의 길이방향으로 하나가 다른 하나 뒤에 부착된다. 또한 기계(1)는 트랙션 드라이브(12,traction drive ) 및 트랙 포지션을 검출하기 위한 측정시스템(13) 뿐 아니라 운영 직원을 위한 운전실(14)을 포함한다. 비작동 포지션으로부터, 각각의 안정화 유닛(10)은 높이-조정 드라이브(15,height-adjustment drives)에 의해 레일(6) 상으로 하강될 수 있다.
각 안정화 유닛(10)은 진동 드라이브(16,vibration drive)를 갖는다. 진동은 일반적으로 불균형한 덩어리(masses)를 회전시킴에 의해 생성된다. 또한, 각 안정화 유닛(10)은, 휠 플랜지 롤러들(18,wheel flange rollers)을 구비한, 기계(1)의 길이방향에 대해 십자형으로 정렬되는 차축(17,axle)을 포함한다. 작동 포지션에서, 안정화 유닛(10,stabilising unit)은 이러한 휠 플랜지 롤러들(18)에 의해 레일(6) 상에서 이동할 수 있다. 스프레딩 드라이브(19,preading drive)는 차축(17)에 배치되며, 스프레딩 드라이브를 통해 휠 플랜지 롤러들(18) 사이의 거리가 변화될 수 있다. 도 2는 좌측 및 우측 휠 플랜지 롤러들(18)과 스프레딩 드라이브(19)를 갖는 차축(17)을 보여준다.
본 발명에 따르면, 스프레딩 드라이브(19)는 사전 정의된 확산력(spreading force,Fs)을 레일(6)에 적용하도록 설정된다. 따라서 스프레딩 드라이브(19)는, 유격없이 각각의 레일 헤드의 내측에 대해 휠 플랜지 롤러들이 가압하게끔 의도된 것만은 아니다. 실제로 확산력(Fs)은 특정값으로 사전 정의되며, 이는 측정된 트랙 게이지(track gauge,s) 또는 트랙 게이지 차이(Δs)와 관련하여 후속적으로 설정된다. 확산력(Fs)은 내측으로부터 각각의 레일(6)에 적용된다.
트랙 게이지(s) 또는 트랙 게이지 차이(Δs)는 측정장치(20)에 의해 측정된다. 이는 예컨대 차축(17)에 결합된 전기기계 거리 센서를 포함한다. 이 경우, 센서의 제1 구성요소는 차축 방향으로 변위가능하게 장착되며 좌측 휠 플랜지 롤러(18)에 연결되는 샤프트 부분에 연결된다. 센서의 제2 구성요소는 우측 휠 플랜지 롤러(18)의 변위가능하게 장착된 샤프트 부분에 연결된다. 만약 샤프트 부분이 스프레딩 드라이브(19)에 의해 서로에 대해 이동되면, 센서의 구성요소들 또한 서로를 향해 시프트(shift)되고, 이에의해 시프팅 경로가 측정된다. 이 시프팅 경로는 휠 플랜지 롤러(18)가 레일 헤드와 접촉할 때 트랙 게이지 차이(Δs)에 해당한다.
도 2에 도시된 안정화 유닛(10)은 외측으로부터 각각의 레일 헤드에 대해 가압될수 있는 클램핑 롤러(22)를 지닌 롤러 클램프(21,roller clamp)를 포함한다. 좌측 클램핑 롤러(22)는 클램핑 포지션에 있다. 우측 글램핑 롤러(22)는 자유 포지션에 있는 것으로 도시되어 있다. 이 포지션은 또한 장애물(예컨대, 이음 덧판 레일 조인트)을 회피하기 위해 안정화 유닛(10)의 작동 중에 사용된다.
클램핑 포지션에서, 클램핑 드라이브(23)는 클램핑 롤러(22)를 통해서 레일(6) 상에 사전 정의된 클램핑력(clamping force,Fk)을 가하는데, 이는 확산력(Fs)에 대항한다. 이 경우, 클램핑 드라이브(23) 및 스프레딩 드라이브(19)는 원하는 수평 하중력(FB)이 각 레일(6) 상에 작용하도록 제어장비(24)에 의해 서로 조화를 이룬다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 하중력(FB)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어장비(24)에 의해 주기적으로 변화된다. 예컨대, 하중력(FB)의 변화는 원함수(circular function)를 따른다. 하중 진행에 뒤이어 트랙 게이지 변화의 진행이 평가된다. 여기서, 스프레딩 드라이브(19) 및/또는 클램핑 드라이브(23)의 주기적 제어신호는, 이를테면 진동 드라이브의 진동 진행에 대해 낮은 주파수(예컨대, 11 Hz)로 변조된다. 약 2 내지 2.5 km/h 의 안정화 유닛(10)의 전진 속도 및 일반적인 슬리퍼 간격에서, 하중력(FB)에 대한 원하는 변화는 각 레일 패스닝(7)에서 발생된다.
변화된 하중력(FB)의 주파수는, 일반적으로 30 Hz 내지 35 Hz 범위 내의 진동 주하수보다 현저히 낮다. 질량 관성(Mass inertias)은 이 주파수 값에서 무시할 수 있다. 비깥쪽과 안쪽에서 교대로 작용하는 하중력(FB)도 유용한 변형을 나타낸다. 레일의 외측과 내측에 있는 레일 패스닝(7)은 동일한 응력을 받는다(stressed).
도 4는 레일(6) 상에 작용하는 힘과 모멘트를 보여준다. 레일(6)(레일 프로파일)의 단면이 도시되어 있으며, 증간 층(25)에 레일 풋이 지지된다. 횡력(transverse force,Y)과 수직력(vertical force,Q)가 안정화 유닛(10)에 의해 레일 헤드에 가해진다. 하중 적용 높이(h)는 레일 프로파일의 치수로 인해 사전 정의되고, 레일 풋의 하부 에지로부터 게이지 면(gauge face)(레일 상단 14mm 아래)까지 측정된다. 횡력(Y)는 레일(레일 풋 평면에 대해) 에서 굽힘 모멘트(bending moment)로 이어지며, 이는 길이방향으로 비틀림 모멘트(torsional moment)를 형성한다.
비틀림 모멘트는 레일의 여러 레일 지지 지점을 통해 흡수되어야 한다. 레일 지지 지점(rail support points)에서, 레일(6)의 비틀림으로 인해 반응 모멘트(reactive moment)가 레일 풋 상에 발생된다. 레일 헤드는 적용된 모멘트(Mt)와 반응 모멘트(Mr)가 동일한 크기가 될 정도까지 편향된다. 적용된 모멘트(Mt)는 횡력(Y)에 좌우된다:
Mt = Y·h
반응 모멘트(Mt)(복귀 모멘트)는 수직력(Q)로부터 그리고 누름력(hold-down forces)(FSkl) 으로부터 기인하며, 거리(b)는 레일 풋 중심과 압력 분포의 무게 중심 사이의 레일 풋 평면을 초래한다:
Mr = (Q + 2·FSkl) · b
힘 또는 모멘트는 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및 레일 풋 함몰(a)의 원인이 된다. 레일 풋 에지에서, 에지 압축 응력(σR)은 중간 층(25)에서 발생한다. 도 5는 다른 누름력(FSkl1, FSkl2, FSkl3)에 대한 이러한 변수 사이의 관계를 보여준다. 우측 하단의 다이어그램은 특히 일정하게 적용된 모멘트(Mt 1) 인 경우, 레일 헤드 편향( ΔsL/R1, ΔsL/R2, ΔsL/R3)은 누름력(FSkl3, FSkl2, FSkl1) 이 감소함에 따라 증가함을 알 수 있다. 변화되지 않은 레일 프로파일에서, 일정하게 적용되는 모멘트(Mt 1)는 일정한 횡력(Y)으로 인한 것이다. 따라서 다이어그램은 횡력(Y), 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화 및 누름력(FSkl) 사이의 관계를 보여주며, 후자는 레일 패스닝(7)의 상태를 나타낸다.
안정화 유닛(10) 및 레일(6)에 작용하는 힘은 도 6 및 도 7을 참조하여 상세히 설명된다. 트랙 안정화 동안, 진동 드라이브(16)의 하중력(Fb) 과 충격력(Fv)은 서로 중첩된다. 결과적인 수평 횡력(YL, YR)은 각각의 레일(6)에 작용한다. 사전 정의된 힘(Fk,Fs) 및 검출된 레일 헤드 편향(ΔsL ) 및/또는 트랙 게이지 차이는 평가장치(26)에 제공된다. 각각의 레일 패스닝(7)의 상태를 평가하기 위한 알고리즘이 평가장치(26)에 설정된다. 평가장치(26)는, 예컨대 결과를 전송하기 위한 무선모듈(27)을 포함한다.
바람직하게는, 평가장치(26)는 또한 수평 횡력(YL, YR)의 현재 하중 적용 높이(h)를 제공받는다(도 4). 하중 적용 높이(h)를 결정하기 위해, 기계(1)가 사용 중인 트랙(4)의 레일 프로파일을 자동으로 검출하기 위한 센서를 포함하는 경우 유용하다. 대안적으로, 하중 적용 높이(load application height,h)는 입력장치를 통해 입력된다.
슬리퍼 간격을 결정하기 위해, 슬리퍼 포지션(레일(6)의 지지 지점)을 자동으로 검출하는 것이 또한 유용하다. 이로써,수평 하중력(Fb)의 진행 주파수(도 3)는 결정된 슬리퍼 간격 및 안정화 유닛(10)의 전진 속도에 맞춰진다. 동일한 하중력(Fb)이 각 레일 패스닝(7)에 작용하도록 조정이 이루어진다.
각각의 레일(6)에 작용하는 수직력(Q)은 유리하게는 주기적인 진행(periodic progression)으로 사전 정의된다. 이 경우에, 높이-조정 드라이브(15)는, 기계 프레임(2)에 대해 가변적인 힘으로 안정화 유닛(10)을 지지하기 위해 주기적인 제어 신호로 가동된다. 수평 하중력(Fb)의 진행 주파수는 수직력(Q)의 진행에 맞춰진다. 이러한 방식으로, 중간층(25)을 함께 압박할 때 상이한 사전-응력 수준(pre-stress levels)이 고려된다. 각각의 레일 패스닝(7)의 틸팅 스프링 효과(중간층(25)의 스탄성률(spring rate) )가 그때에 모니터링될 수 있다.
도 6에 도시된 측정에서, 각각의 레일(6)에 작용하는 확산력(Fs)은 외측으로부터 작용하는 클램핑력(Fk) 보다 크다. 따라서, 결과적인 하중력(Fb)는 바깥쪽으로 향한다. 이는 트랙 게이지(s)의 증가를 초래한다. 여기서, 측정 지점에 위치된 레일 패스닝(7)이 결함이 있기 때문에 트랙 게이지 변화는 허용 수준을 초과한다. 특정 실례에서, 레일 풋에 대해 놓여진 브라켓의 우측 나사 연결이 단단히 조여지지 않는다. 이는 레일(6)이 적재된 영역(loaded area)에서 외측으로 비틀어지게 한다.
도 7은 시간(t)에 따른 개별적인 힘(F)의 예시적인 진행을 보여준다. 예시 목적을 위해, 상이하고 일정한 하중력(FB0, FB1, FB2)이 3개의 시간적인 단계(I, II, III)에서 가정된다. 충격력(FV)이 양쪽 레일(6) 상에 동기적으로 작용하는 동안, 하중력(FB)은 레일을 이격시키거나 서로에 대해 밀어낸다. 충격력((FV)은 트랙의 횡방향으로 적재된 트랙 패널 섹션의 진동을 초래한다. 하중력(FB)는 트랙 패널(5) 내에서 작용한다. 이는 결과적으로 레일 헤드 편향(ΔsL/R ) 및/또는 트랙 게이지 변화를 초래하며, 그 정도(extent)는 레일(6)의 탄성 거동 및 레일 패스닝(7)의 상태에 좌우된다.
제1 단계(I)에서, 하중력(FB)은 0과 같다. 확산력(FS)과 클램핑력(FK)이 동일하므로 각각의 레일(6)에는 횡력이 작용하지 않고 클램핑만 된다. 충격력(FV)의 진향은 가는 실선으로 도시된다. 제1 단계((I)에서, 충격력((FV)의 영향은 양쪽 레일(6)에 균일하게 분포된다. 따라서, 충격력((FV)의 절반은 결과적인 횡력(YL, YR)으로서 각 레일(6)에 작용한다.
제2 단계(II)에서, 수정된 확산력(FS)이 사전 정의되며, 이는 각각의 레일(6)에 작용하는 제1 하중력(FB1L, FB1R)을 초래한다. 수정된 확산력(FS)을 사전 정의하는 것과 동일하게, 수정된 클램핑력(FK)도 사전 정의될 수 있다. 결과적인 제1 하중력(FB1L, FB1R)을 사전 정의함도 동일한 방식으로 유용될 수 있다. 예컨대, 확산력(FS) 및/또는 클램핑력(FK)은 사전 정의된 제1 하중력(FB1L, FB1R)에 도달할 때까지 제어 루프에서 수정된다.
도 7에서, 각각의 제1 하중력(FB1L, FB1R)은 제1 확산력(FB1L)이 클램핑력(FK)보다 크기 때문에 바깥쪽으로 작용한다. 구체적으로, 좌측 제1 하중력(FB1L)은 우측 제1 하중력(FB1R)에 대해 지향된다. 다이어그램에서 좌측으로 향하는 힘은 양수(positive)로 표시되고 우측으로 향하는 힘은 음수로 도시된다. 또한, 좌측 레일(6)에 작용하는 힘(FB1L, Y1L)은 쇄선으로 도시되며, 우측 레일(6)에 작용하는 힘(FB1R, Y1R )은 점선으로 도시된다.
제3 단계(III)에서, 제어장비(24)는 제1 확산력(FS1) 보다 큰 제2 확산력(FS2)을 사전 정의한다, 각각의 클램핑력(Fk)이 변화되지않은 상태이어서 각각의 레일(6)에 작용하는 제2 하중력(FB2L, FB2R)도 바깥쪽으로 향하게된다. 변화된 하중력(FB2L, FB2R)은 또한 할당된 클램핑력(FK)을 변경함으로써 사전 정의될 수 있다. 상이한 크기의 하중력(FB1L, FB1R, FB2L, FB2R)의 사용함으로써, 2가지 상이한 하중 조건으로 인해 트랙 게이지 변화가 검출될 수 있다.
좌측 레일(6)에 작용하는 횡력(Y1L, Y2L)은 충격력(FV)의 절반의 힘과 좌측 하중력(FB1L, FB2L)의 합이다. 충격력(FV)의 절반의 힘과 대항하는 우측 하중력(FB1R, FB2R)의 합은 횡력(Y1R, Y2R)으로서 우측 레일(6)에 작용한다. 외측으로는, 2개의 횡력(Y1L, Y1R 또는 Y2L,Y2R)이 차례로 전체 충격력(FV)에 합산되며, 하중력(FB1L, FB1R 또는 FB2L, FB2R)은 트랙 패널에서 서로 상쇄되어 결과적으로 트랙 게이지(s)가 변화된다.
도 8은 확산력(FS) 또는 결과적인 하중력(FB)에 대한 트랙 게이지(s)의 의존성을 살례로서 보여준다. 도 7에 따르면, 측정된 트렉 게이지(s0)는, 확산력(FS)과 클램핑력(FK)이 서로 상쇄되기 때문에 제1 단계(I)에서는 변화되지 않고 유지된다. 제2 단계(II)에서, 증가된 제1 확산력(FS1)이 사전 정의되고, 그 결과 각각의 레일(6)에 제1 하중력(FB1L, FB1R)이 작용한다. 결과적인 새로운 트랙 게이지(s1) 또는 제1 트랙 게이지 차이(Δs1)는 측정장치(20)에 의해 측정된다. 제3 단계(III)에서, 점점 더 증가되는 제2 확산력(FS2)이 사전 정의된다. 결과적으로 증가된 하중력(FB2L, FB2R)으로 인해, 트랙 게이지(s)는 더 높은 값(s2)으로 증가되고 제2 트랙 게이지 차이(Δs2)가 초래된다.
이는 제1 트랙 게이지 차이(Δs1)로부터 이미 측정 지점에 위치된 레일 패스닝(7)의 품질에 대한 결론을 도출할 수 있다. 특히, 상이한 하중 조건하에서 2개의 트랙 게이지 값(s1, s2)의 차이(Δs2)는 각각의 레일 패스닝(7)을 평가하기 위한 매개변수를 형성한다. 또한 파생된 매개변수는 하중 변화의 함수로서 트랙 게이지 진행의 기울기(slope)와 같은 유용한 정보를 준다.
트랙 게이지 변화의 위치-특정 검출을 위해, 기계(1)는 포지션 결정유닛(28,position determination unit)을 유용하게 포함한다. 예컨대, GNSS 모듈이 기계(1)의 지붕에 배치된다. 현재 측정 지점의 포지션을 결정하기 위해, GNSS 모듈에 대한 안정화 유닛(10) 또는 측정장치(20)의 상대적인 포지션도 평가(측정)된다. 포지션 결정유닛(28)은 안정화 유닛(10) 또는 레일-기반 주행기어(3)에 직접 배치될 수도 있다.
본 발명의 간단한 실시예에서, 측정장치(20)의 측정 결과는 운전실(14,cab)의 운영자에게 실시간으로 디스플레이된다. 운영자는 즉시 대처하고 결함이 있는 레일 패스닝(7)을 문서화(기록)할 수 있다. 포지션 결정유닛(28)에 의해, 포지션과 관련하여 측정 데이타 또는 평가 데이타가 저장될 수 있다. 이러한 방식으로, 기계(1)가 이동되는 트랙(4)의 전체 섹션 상의 래일 패스닝(7)의 상태가 자동적으로 문서화된다. 필요한 경우, 무선모듈(27)이 결함이 있는 레일 패스닝(7)의 수리를 계획하기 위해 결과를 중앙 제어장비로 전송한다.
레일 패스닝(7)의 효율적이고 정밀한 상태 검사를 위해, 기계(1)는, 도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하나가 다른 하나 뒤에 배치되는 2개의 안정화 유닛(10)을 포함한다. 각각의 안정화 유닛(10)은 사전 정의된 확산력(Fs)으로 작동되며 별도의 측정장치(20)를 갖는다. 이를위해, 각각의 전방 차축(17)의 스프레딩 드라이브(19)는 할당된 제어장비(24)에 의해 가동된다. 예컨대, 전방 안정화 유닛(10)에 대해 제1 확산력(FS1)이 사전 정의되는데, 이는 일정한 제1 하중력(FB1L, FB1R)을 야기한다. 후방 안정화 유닛(10)의 사전 정의된 제2 확산력(FS2)은 일정한 제2 하중력(FB2L, FB2R)을 야기한다.
각각의 트랙 게이지(s1, s2)의 포지션-관련 측정은 2개의 측정장치(20)에 의해 수행된다. 검출된 트랙 게이지 값(s1,s2)은 포지션-관련 매개변수를 결정하기 위해 평가장치(26)에 제공된다. 상이한 하중력(FB1L, FB1R, FB2L, FB2R)으로 인해, 트랙 게이지(s1 s2)의 차이는 레일 패스닝(7)의 상태에 대한 의미있는 지표이다.
도 8은 온전한 레일 패스닝(7)에 대한 측정 결과를 점선으로 도시한다. 측정된 트랙 게이지(s1,s2) 및 트랙 게이지 차이(Δs1,Δs2)는 트랙 패널(5)의 정상적인 탄성 거동으로부터 기인한다. 레일 패스닝(7)의 상태가 결함이 있는 경우, 기존 트랙 게이지(s0)로부터 시작하여, 트랙 게이지(s1',s2') 및 트랙 게이지 차이(Δs1', Δs2') 결과(도 8의 일점쇄선)에 대한 측정값이 변화된다. 서로에 대한 측정값(s1', s2', Δs1', Δs2')의 비율도 온전한 레일 패스닝(7)에 대한 결과와 상이하다. 예컨대, 느슨한 패스닝(7)의 경우, 트랙 게이지는 확산력(FS)이 조금만 증가하더라도 증가한다.
따라서 측정 결과는 각각의 레일 패스닝(7)의 상태를 평가하는 역할을 하는 매개변수를 도출하기 위한 유효한 데이타 기반을 제공한다. 가장 간단한 경우, 동일하게 증가된 확산력(FS)으로, 트랙 게이지 차이(Δs1)가 정상적인 트랙 게이지(s0)와 비교되어 평가된다. 레일 패스닝(7)이 결함이 있는 경우, 더 높은 트랙 게이지 차이(Δs1)가 결정될 수 있다.
현재의 동적 측정으로, 임의의 적절하게 조정된 동적 트랙 스테빌라이저가 레일 패스닝(7)의 상태를 직접적으로 현장에서 검사하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법은 매우 정확하여 개별적인 느슨한 패스닝(7)이 검출된다. 레일(6)의 레일 패스닝 상태에 대한 추가 정보로 인해, 수리후 교통을 위해 트랙(4)을 오픈할때 안전성이 증가된다. 특히 새롭게 놓여진 트랙을 안정화하는 동안, 레일 패스닝(7)이 아직 단단하게 조여지지 않는 경우가 자주 발생한다. 따라서 본 발명은 새롭게 놓여진 트랙을 유지할 때 특히 유리하다.

Claims (15)

  1. 레일-기반 주행 기어(3) 상에 지지되는 기계 프레임(2)과 이에 연결된 높이-조절가능한 안정화 유닛(10)을 지닌 트랙(4)의 밸러스트 베드(9)를 압축하기 위한 기계(1)에 있어서, 상기 기계는,
    - 진동 드라이브(16)
    - 트랙(4)의 레일(6) 상에서 이동할 수 있는 휠 플랜지 롤러(18)를 지닌 차축(17) 및 - 기계(1)의 길이방향에 수직으로 연장되는 휠 플랜지 롤러의 서로에 대한 거리는 스프레딩 드라이브(19)에 의해 변경될 수 있음-
    - 클램핑 드라이브(23)에 의해 레일(6)에 대해 가압될 수 있는 롤러 클램프(21)를 포함하며,
    스프레딩 드라이브(19) 및/또는 클램핑 드라이브(23)는 사전 정의된 가변 수평 하중력(FB)을 레일(6)에 적용하도록 설정되고, 측정장치(20)는 가변 하중력(FB)에 의해 야기되는 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)를 검출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    주기적으로 변화되는 하중력(FB)을 야기하는 제어 신호는 스프레딩 드라이브(19) 및 클램핑 드라이브(23)를 가동시키기 위한 제어장비(24)에 저장되는 것을 특징으로 하는 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측정장치(20)는 휠 플랜지 롤러(18)의 차축(17)에 결합되는 것을 특징으로 하는 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
    측정장치(20)는 평가장치(26)에 결합되며, 평가장치(26)는 검출된 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)에 기반하여 레일 패스닝(7)을 평가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 기계.
  5. 제4항에 있어서,
    평가장치(26)는, 측정 지점의 영역에 포지션된 레일 패스닝(7)의 상태를 평가하기 위해 변화된 하중값(FB0, FB1, FB2)의 진행의 함수로서 측정 지점에서 검출된 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 값(s0, s1, s2, s1 ', s2 ') 을 평가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서,
    레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)의 위치-특정 검출을 위해 포지션 결정유닛(28)이 배치되는 것을 특징으로 하는 기계.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한항에 있어서,
    2개의 안정화 유닛(10)은 하나 뒤에 다른 하나가 배치되며, 각 안정화 유닛(10)은 각각의 수평 하중력(FB1, FB2) 에 의해 야기되는 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)를 검출하기 위한 측정장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한항에 따른 기계(1)를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    휠 플랜지 롤러(18)를 지닌 안정화 유닛(10)이 트랙(4)의 레일(6) 상으로 하강되는데, 레일(6)은 스프레딩 드라이브(19) 및/또는 클램핑 드라이브(23)에 의해 사전 정의된 가변 수평 하중력(FB)을 받으며, 레일 패스닝(7)의 상태를 나타내기 위해 수평 하중력(FB)에 의해 야기되는 레일 헤드 편향(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s)가 측정장치(20)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    수평 하중력(FB)은 진동 드라이브(16)의 진동 주파수 보다 낮은 주파수를 갖는 제어장비(24)에 의해 주기적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    레일(6)은 안정화 유닛(10)에 의해 제1 수평 하중력(FB1)을 받고, 그리고 레일(6)은 추가 안정화 유닛(10)에 의해 제2 수평 하중력(FB2)을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한항에 있어서,
    기계(1)가 트랙(4)을 따라 연속적으로 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한항에 있어서,
    트랙 게이지 변화(s)는 평가장치(26)에 의해 가변 하중력(FB)의 함수로서 검출되고 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    평가장치(26)에 의해 측정 지점에서 검출된 레일 헤드 편향 값(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 값(s0, s1, s2, s1 ', s2 ')은 상이한 하중력 값(FB0, FB1, FB2)의 함수로서 공동으로(jointly) 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한항에 있어서,
    포지션 결정유닛(28)은 레일 헤드 편향 값(ΔsL/R) 및/또는 트랙 게이지 변화(s1, s2, Δs1, Δs2)의 위치-특정 검출을 위해 측정장치(20)의 포지션을 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    각각의 레일 패스닝(7)의 평가 데이타는 레일 패스닝 상태를 평가하기 위해 그 위치를 참조하여 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
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