WO2021052684A1 - Maschine und verfahren zum stabilisieren eines gleises - Google Patents

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WO2021052684A1
WO2021052684A1 PCT/EP2020/072626 EP2020072626W WO2021052684A1 WO 2021052684 A1 WO2021052684 A1 WO 2021052684A1 EP 2020072626 W EP2020072626 W EP 2020072626W WO 2021052684 A1 WO2021052684 A1 WO 2021052684A1
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WO
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track
machine
rotation
unbalanced
drive
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PCT/EP2020/072626
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English (en)
French (fr)
Inventor
Josef HOFSTÄTTER
Original Assignee
Plasser & Theurer Export Von Bahnbaumaschinen Gesellschaft M.B.H.
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Publication date
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Priority to US17/637,770 priority patent/US20220316145A1/en
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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
    • E01B27/20—Compacting the material of the track-carrying ballastway, e.g. by vibrating the track, by surface vibrators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
    • B06B1/16—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving rotary unbalanced masses
    • B06B1/161—Adjustable systems, i.e. where amplitude or direction of frequency of vibration can be varied
    • B06B1/162—Making use of masses with adjustable amount of eccentricity
    • B06B1/164—Making use of masses with adjustable amount of eccentricity the amount of eccentricity being automatically variable as a function of the running condition, e.g. speed, direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/18—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency wherein the vibrator is actuated by pressure fluid
    • B06B1/186—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency wherein the vibrator is actuated by pressure fluid operating with rotary unbalanced masses

Definitions

  • the invention relates to a machine for stabilizing a track, with a machine frame supported on rail bogies and a height-adjustable stabilization unit that can be rolled off by unit rollers on rails of the track and that has a vibration exciter with rotating unbalanced masses to generate a dynamically acting in a track plane normal to a track longitudinal direction Includes impact force and a height drive for generating an effective load on the track.
  • the invention also relates to a method for operating such a machine.
  • the compaction effect is determined by several parameters, including
  • Compaction frequency, vibration amplitude, vertical load and dynamic impact force The frequency is limited by the material behavior of the ballast to the range of about 32-38 Hz. In this area the ballast bed shows the optimal behavior.
  • Machines for stabilizing a track are already known several times from the prior art.
  • a so-called dynamic track stabilizer stabilization units located between two rail bogies are lowered onto a track to be stabilized via a height adjustment and a vertical load is applied. Over aggregate rollers and on the outside of the rail heads adjacent pincer rolls, a transverse oscillation of the stabilization units is transmitted to the track with continuous forward movement.
  • the stabilization unit includes adjustable unbalanced masses in order to reduce the impact force quickly to a reduced value or to zero if necessary (e.g. in the case of fixed structures such as bridges or tunnels) and to increase it to the original value immediately after reaching a section of track to be stabilized.
  • the invention is based on the object of providing a significant improvement in the economic efficiency in operation, based on the maintenance effort, compared to the prior art for a machine of the type mentioned above by means of the simplest possible, robust construction of the stabilization unit.
  • a method for compacting the ballast bed of the track superstructure carried out by means of the machine is to be specified.
  • the invention provides that a main unbalance mass and a
  • At least one main unbalanced mass and at least one secondary unbalanced mass are assigned to a rotating shaft, the main unbalanced mass being firmly connected to the shaft.
  • This shaft-hub connection is designed with a positive, non-positive or material fit.
  • the secondary unbalance mass is mounted in such a way that it can be freely rotated in a defined angular range.
  • This defined angular range is determined depending on the direction of rotation of the drive and thus results in two possible phase shifts with different amounts between the main unbalance mass and the associated auxiliary unbalanced mass, with end stops in the respective direction of rotation determining the position of the main unbalanced mass relative to the auxiliary unbalanced mass.
  • a main unbalanced mass and an associated secondary unbalanced mass about the same axis of rotation are referred to as an unbalanced mass pair.
  • the main components of the stabilization unit in its simplest possible construction, are a rotating shaft and an unbalanced mass pair, consisting of a main unbalanced mass and a secondary unbalanced mass.
  • the secondary unbalanced masses are carried along by the main unbalanced masses in a form-fitting manner, thus purely passively by so-called drivers. It is structurally possible to design these drivers as independent components, but the driver function can also be integrated in a single component by appropriately designing the main unbalanced masses. This special shape or geometric arrangement of the drivers results in a predefined angular range in which the secondary unbalanced masses can rotate freely between the end stops.
  • the stabilization unit comprises two counter-rotating, coupled via gearwheels Rotary shafts and the imbalance mass pairs associated with each shaft.
  • the force vectors in the machine housing are added or subtracted. It is usually provided that all centrifugal force components subtract in the vertical direction, thus cancel out, while the centrifugal force components add in the horizontal direction, thus the resulting maximum possible total impact force is achieved in the horizontal effective direction. This results in at least two impact forces of different magnitude in order to be able to change the impact force acting on the track in a targeted manner.
  • the respective unbalanced mass is arranged on the stabilization unit with an axis of rotation aligned in the longitudinal direction of the track.
  • This alignment is particularly suitable for use in a stabilization unit, since the resulting impact force acts on the track to be stabilized normal to the longitudinal direction of the track. In this way, optimal energy input into the track is given.
  • the unbalanced mass pairs each comprising a main unbalanced mass and a secondary unbalanced mass about the same axis of rotation.
  • the unbalanced mass pairs can be arranged in series on a rotating shaft.
  • the respective drives are controlled by means of a common control device.
  • the individual drives can be optimally coordinated with one another and controlled precisely.
  • a phase synchronization of the non-coupled stabilization units can ensure either co-oscillating or counter-oscillating operation. This is particularly advantageous for controlling the 8 different impact forces mentioned above.
  • At least two stabilization units are operated coupled on one machine, for example via a cardan shaft.
  • a common drive enables a very compact structure of the overall arrangement.
  • the drives are designed as hydraulic actuators. This means that the drives can be integrated into an existing hydraulic system of the machine.
  • the respective drives are designed as electrical actuators. Particularly in the case of new machine concepts that provide for a modern and more efficient overall operation with supply via accumulators or overhead lines, a meaningful integration is possible.
  • the method according to the invention for operating a machine provides that at least one stabilization unit is set down on the track via a vertical drive and subjected to a load and that at least one unbalanced mass pair is driven via a rotary shaft with a reversible direction of rotation. This ensures a track stabilization that can be adapted to the local conditions with a variable impact force.
  • an increase in the drive power of a drive of the stabilization unit is regulated via a so-called soft start.
  • a pre-defined, increasing ramp course is stored in a higher-level controller, which enables a targeted start-up within a defined period of time in order to avoid jolts in the end stops of the unbalanced masses.
  • a further development of the method enables a variable adjustment of the impact force in the range between selectable impact force levels by changing the speed of the respective, associated drive. This offers the operator great flexibility and precision in track stabilization.
  • FIG. 1 Side view of a machine for stabilizing a track Fig. 2 Stabilization units independent, with their own drive Fig. 3 Stabilization units coupled, with a common drive Fig. 4 Detailed views of a stabilization unit / sectional views Intermediate area
  • ballast 1 shows a simplified machine 1 for stabilizing a track 3 resting on ballast 2, which includes a machine frame 6 supported on rails 5 by rail bogies 4. Between the two rail bogies 4 positioned at the ends, two stabilization units 7 are arranged one behind the other in the longitudinal direction 8 of the track. These are each connected to the machine frame 6 in a vertically adjustable manner by means of flea drives 9.
  • a measuring system 27 for detecting the rail geometry is attached to the machine frame 6.
  • a control device 26 is set up for processing the data received from the measuring system 27, as well as for determining the setting parameters for operating and controlling the stabilization units 7, the elevation drives 9 and the drives 13.
  • FIG. 1 depicts independent, non-coupled stabilization units 7 with their own drives 13.
  • FIGS. 2 and 3 show possible designs with both coupled and uncoupled stabilization units 7.
  • each stabilizing unit 7 can be brought into engagement with the track 3 in a form-fitting manner in order to set it to vibrate at a desired oscillation frequency.
  • the aggregate rollers 10 comprise two flange rollers for each rail 5, which roll on the inside of the rail 5, and a pincer roll which is pressed against the rail 5 from the outside by means of a pincer mechanism 11 during operation.
  • a vertical static load is applied to the track 3 by the flea drives 9.
  • the drives 13 of the stabilization unit 7 are connected to a common supply device 25.
  • this is, for example, a motor-generator unit with feed from an electrical storage device.
  • An overhead line can also be used to supply electrical drives 13 if the machine 1 has current collectors and corresponding converters. If hydraulic drives 13 are used, then the supply device 25 is expediently integrated into a hydraulic system of the machine 1.
  • FIG. 3 An alternative is shown in FIG. 3 with coupled stabilization units and a common drive.
  • the basic structure of the stabilization units 7 is identical to the embodiment in FIG. 2, the difference here lies in the coupling of the arrangement in the longitudinal direction of the track 8 and the design of the drives 13.
  • the stabilization units 7 are drive-connected together via a connecting shaft 15.
  • the drive 13 and the connecting shaft 14 are only simple.
  • FIG. 4 one of the stabilization units 7 is shown in detail in sectional views.
  • a vibration exciter 17 is arranged within a housing 16 and has a rotary shaft 18 with unbalanced masses arranged thereon on two axes of rotation 21.
  • a main unbalanced mass 19 and a secondary unbalanced mass 20 thereby form a Unbalance mass pair.
  • Each rotary shaft 18 is rotatably supported on both sides in the housing 16 via roller bearings 22.
  • the unbalanced masses 19, 20 are coupled via so-called drivers 24, which are designed here as independent elements.
  • the secondary unbalanced masses 20 are designed to be freely rotatable via sliding bearings on the rotary shaft 18, the main unbalanced masses 19 are firmly connected to the rotary shaft 18 via a feather key connection.
  • FIG. 4 shows two pairs of unbalanced masses axially arranged thereon on each of the rotary shafts 18, that is, two main unbalanced masses 19 each with two secondary unbalanced masses 20.
  • the technically simplest solution is a construction with only one rotary shaft 18 and only one imbalance mass pair arranged on it possible.
  • Fig. 5 shows the direction of rotation-dependent unbalance adjustment via driver 24 schematically.
  • the representations A, B, C, D, E, F, G, H show the angular positions 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° each for both directions of rotation, each representation being composed of an upper and a lower rotary shaft 18.
  • the specified direction of rotation is always related to the upper rotary shaft 18, the lower rotary shaft 18 rotates by mechanical coupling in the opposite direction of rotation.
  • the representations A to D show a clockwise rotation (direction of rotation clockwise) while the representations E to H represent a left-hand rotation (counterclockwise direction of rotation).
  • the structure in illustration A (angular position 0 °) comprises the upper, clockwise rotating shaft 18 with a pair of unbalanced masses arranged on it.
  • the main unbalanced mass 19 with associated drivers 24 (finely hatched) causes a centrifugal force F1 from the pivot point in the vertical direction
  • the secondary unbalanced mass 20 with associated drivers 24 (roughly hatched) also causes a centrifugal force F3 from Pivot point off in the vertical direction.
  • the sum of the two centrifugal forces F1 and F3 gives the total centrifugal force Fgesl.
  • the changed direction of rotation results in a different angular position of the two unbalanced masses 19, 20 with respect to one another.
  • the flaunt unbalance mass 19 with associated drivers 24 (finely hatched) causes a centrifugal force F1 from the pivot point in the vertical direction upwards
  • the secondary unbalance mass 20 with associated drivers 24 (roughly hatched) causes a centrifugal force F3 from the pivot point in the vertical direction downwards.
  • the sum of the two centrifugal forces F1 and F3 results in the total centrifugal force Ftot2.
  • the range between the impact force levels can now be compensated for by changing the speed of the respective associated drive 13 within a very narrow frequency band.
  • a so-called frequency control funnel (dotted lines) is created when all intermediate areas are passed through completely (lines in thick lines) of the impact force levels S1-S7.
  • the impact force F is shown in% over the abscissa with the frequency f in Flz.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschine (1) zum Stabilisieren eines Gleises (3), mit einem auf Schienenfahrwerken (4) abgestützten Maschinenrahmen (6) und wenigstens einem höhenverstellbaren, durch Aggregatrollen (10) auf Schienen (5) des Gleises (3) abrollbaren Stabilisationsaggregat (7), das einen Schwingungserreger (17) mit rotierenden Unwuchtmassen (19, 20) zur Erzeugung einer dynamisch in einer Gleisebene normal zu einer Gleislängsrichtung (8) wirkenden Schlagkraft sowie einen Höhenantrieb (9) zur Erzeugung einer auf das Gleis (3) wirksamen Auflast umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass eine Hauptunwuchtmasse (19) und eine Nebenunwuchtmasse (20) bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehrichtung unterschiedliche Fliehkräfte bewirken, wobei die beiden Unwuchtmassen (19, 20) in der Weise gekoppelt sind, dass bei Rotation in einer Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen und dass bei Rotation in die entgegengesetzte Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine von der ersten Phasenverschiebung abweichende zweite Phasenverschiebung aufweisen. Abhängig von der Anordnung der Unwuchtmassen verändert eine geänderte Phasenverschiebung sowohl die Richtung als auch die Stärke der Schlagkraft.

Description

Beschreibung
Maschine und Verfahren zum Stabilisieren eines Gleises
Gebiet der Technik
[01] Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Stabilisieren eines Gleises, mit einem auf Schienenfahrwerken abgestützten Maschinenrahmen und einem höhenverstellbaren, durch Aggregatrollen auf Schienen des Gleises abrollbaren Stabilisationsaggregat, das einen Schwingungserreger mit rotierenden Unwuchtmassen zur Erzeugung einer dynamisch in einer Gleisebene normal zu einer Gleislängsrichtung wirkenden Schlagkraft sowie einen Höhenantrieb zur Erzeugung einer auf das Gleis wirksamen Auflast umfasst. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.
Stand der Technik
[02] Zu den heute anerkannten Instandhaltungsmaßnahmen im Oberbau gehört die Verdichtung des Schotterbettes mittels dynamischer Gleisstabilisatoren nach Stopfarbeiten. Mit dieser Methode wird nicht nur der Querverschiebe- widerstand des Gleisrostes erhöht, sondern auch eine hohe Gleisqualität über einen längeren Zeitraum erreicht.
[03] Die Verdichtwirkung wird dabei durch mehrere Parameter, darunter
Verdichtfrequenz, Schwingungsamplitude, vertikale Auflast und dynamische Schlagkraft, beeinflusst. Die Frequenz ist durch das Materialverhalten des Schotters auf den Bereich von etwa 32-38 Hz begrenzt. In diesem Bereich zeigt das Schotterbett das optimale Verhalten.
[04] Maschinen zum Stabilisieren eines Gleises sind aus dem Stand der Technik bereits mehrfach bekannt. Bei einem sogenannten dynamischen Gleisstabilisator werden zwischen zwei Schienenfahrwerken befindliche Stabilisationsaggregate über eine Höhenverstellung auf ein zu stabilisierendes Gleis abgesenkt und mit einer vertikalen Auflast beaufschlagt. Über Aggregatrollen und an Außenseiten der Schienenköpfe anliegenden Zangenrollen wird unter kontinuierlicher Vorfahrt eine Querschwingung der Stabilisationsaggregate auf das Gleis übertragen.
[05] Eine solche Maschine ist beispielsweise aus der WO 2008/009314 A1 bekannt. Dabei umfasst das Stabilisationsaggregat verstellbare Unwuchtmassen, um bedarfsweise die Schlagkraft rasch auf einen reduzierten Wert oder auf null zu reduzieren (z.B. bei festen Bauwerken, etwa Brücken oder Tunnels) und sofort nach Erreichen eines zu stabilisierenden Gleisabschnitts auf den ursprünglichen Wert anzuheben.
[06] Da die Frequenz nur innerhalb eines eingeschränkten Bereiches variiert werden kann, ist man dazu übergegangen, die Schlagkraft durch eine Lageverstellung der Exzentermassen zu variieren. Ein Nachteil liegt hier im konstruktiven Aufbau der sich bewegenden Teile, der in seiner Umsetzung sehr aufwendig und komplex ist. Dadurch bedingt ist auch ein entsprechender Kostenaufwand für Wartung und Instandhaltung.
Zusammenfassung der Erfindung
[07] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Maschine der eingangs genannten Art durch einen möglichst einfachen, robusten Aufbau des Stabilisationsaggregates eine signifikante Verbesserung der Wirtschaftlichkeit im Betrieb, bezogen auf den Instandhaltungsaufwand, gegenüber dem Stand der Technik anzugeben. Zudem soll ein mittels der Maschine durchgeführtes Verfahren zur Verdichtung des Schotterbettes des Gleisoberbaus angegeben werden.
[08] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch eine Maschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
[09] Die Erfindung sieht vor, dass eine Hauptunwuchtmasse und eine
Nebenunwuchtmasse bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehrichtung unterschiedliche Fliehkräfte bewirken, wobei die beiden Unwuchtmassen in der Weise gekoppelt sind, dass bei Rotation in einer Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen und dass bei Rotation in die entgegengesetzte Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine von der ersten Phasenverschiebung abweichende zweite Phasenverschiebung aufweisen. Abhängig von der Anordnung der Unwuchtmassen verändert eine geänderte Phasenverschiebung sowohl die Richtung als auch die Stärke der Schlagkraft.
[10] Einer Rotationswelle sind zumindest eine Hauptunwuchtmasse wie auch zumindest eine Nebenunwuchtmasse zugeordnet, wobei die Haupt unwuchtmasse fest mit der Welle verbunden ist. Diese Welle-Nabe- Verbindung wird form-, kraft-, oder stoffschlüssig ausgeführt.
[11] Die Nebenunwuchtmasse ist derart gelagert, dass diese in einem definierten Winkelbereich frei drehbar beweglich ist. Dieser definierte Winkelbereich ist in Abhängigkeit der Antriebsdrehrichtung festgelegt und ergibt somit zwei mögliche, betragsmäßig unterschiedliche Phasenverschiebungen zwischen der Hauptunwuchtmasse und der zugeordneten Nebenunwuchtmasse, wobei Endanschläge in der jeweiligen Drehrichtung die Position der Haupt unwuchtmasse relativ zur Nebenunwuchtmasse bestimmen. Für die weiteren Ausführungen werden je eine Hauptunwuchtmasse und eine zugeordnete Nebenunwuchtmasse um dieselbe Rotationsachse als ein Unwuchtmassepaar bezeichnet.
[12] Dabei umfasst das Stabilisationsaggregat als Hauptkomponenten in seinem konstruktiv einfachst möglichen Aufbau eine Rotationswelle und ein Unwuchtmassepaar, bestehend aus einer Hauptunwuchtmasse sowie einer Nebenunwuchtmasse.
[13] Vorteilhaft ist es, wenn die Mitnahme der Nebenunwuchtmassen durch die Hauptunwuchtmassen formschlüssig, somit rein passiv durch sogenannte Mitnehmer erfolgt. Dabei ist es konstruktiv möglich, diese Mitnehmer als eigenständige Bauteile auszuführen, es kann aber auch durch entsprechende Formgestaltung der Hauptunwuchtmassen eine Integration der Mitnahmefunktion in einem einzigen Bauteil erfolgen. Aus dieser speziellen Formgestaltung bzw. geometrischen Anordnung der Mitnehmer ergibt sich ein vordefinierter Winkelbereich, in dem eine freie Drehbewegung der Nebenunwuchtmassen zwischen den Endanschlägen möglich ist.
[14] In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Stabilisationsaggregat zwei über Zahnräder gekoppelte, gegenläufige Rotationswellen und die je Welle zugehörigen Unwuchtmassepaare. Hier ergibt sich je nach Ausrichtung und Phasenlage der Unwuchtmassepaare zueinander und damit der einzelnen Fliehkräfte und ihren unterschiedlichen Wirkrichtungen eine Addition oder Subtraktion der Kraftvektoren im Maschinengehäuse. Dabei ist gewöhnlich vorgesehen, dass sich sämtliche Fliehkraftkomponenten in vertikaler Richtung subtrahieren, somit aufheben, während sich die Fliehkraftkomponenten in horizontaler Richtung addieren, somit die resultierende, maximal mögliche Gesamtschlagkraft in horizontaler Wirkrichtung erreicht wird. Daraus ergeben sich zumindest zwei betragsmäßig unterschiedliche Schlagkräfte um damit die auf das Gleis einwirkende Schlagkraft gezielt verändern zu können.
[15] Zudem ist es günstig, wenn die jeweilige Unwuchtmasse mit einer in Gleislängsrichtung ausgerichteten Rotationsachse am Stabilisationsaggregat angeordnet ist. Diese Ausrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in einem Stabilisationsaggregat, da die resultierende Schlagkraft normal zur Gleislängsrichtung auf das zu stabilisierende Gleis wirkt. Auf diese Weise ist eine optimale Energieeinbringung in das Gleis gegeben.
[16] Auch kann es vorteilhaft sein, dass einer Rotationswelle wenigstens zwei Unwuchtmassepaare zugeordnet sind, wobei die Unwuchtmassepaare je eine Hauptunwuchtmasse sowie eine Nebenunwuchtmasse um dieselbe Rotationsachse umfassen. Je nach Anforderung an die Gesamtschlagkraft, beziehungsweise deren Betrag, können auf einer Rotationswelle mehrere Unwuchtmassepaare in Serie angeordnet sein.
[17] Der Betrieb von zwei Stabilisationsaggregaten auf einer Maschine ist entweder gekoppelt, mittels eines gemeinsamen Antriebs, oder unabhängig voneinander über eigenständige Antriebe je Stabilisationsaggregat möglich.
[18] Werden in einer vorteilhaften Weiterbildung auf einer Maschine zwei unabhängig voneinander angetriebene Stabilisationsaggregate eingesetzt, so sind bis zu acht betragsmäßig unterschiedliche Schlagkräfte ansteuerbar, dies ergibt sich mathematisch aus 32 - 1 = 8.
[19] In einer Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei unabhängig voneinander angetriebenen Stabilisationsaggregaten die jeweiligen Antriebe mittels einer gemeinsamen Steuerungseinrichtung angesteuert werden. [20] Dadurch sind die einzelnen Antriebe optimal aufeinander abstimmbar und präzise ansteuerbar. Durch eine Phasensynchronisation der nicht gekoppelten Stabilisationsaggregate kann entweder ein gleichschwingender oder gegenschwingender Betrieb sichergestellt werden. Vor allem zur Ansteuerung der oben genannten 8 unterschiedlichen Schlagkräfte ist dies von besonderem Vorteil.
[21] In einer einfachen Ausprägung werden wenigstens zwei Stabilisations aggregate auf einer Maschine gekoppelt betrieben, etwa über eine Gelenkwelle. Hier ermöglicht ein gemeinsamer Antrieb einen sehr kompakten Aufbau der Gesamtanordnung.
[22] Für den Antrieb der Rotationswelle ist vorgesehen, dass die Antriebe als hydraulische Aktuatoren ausgebildet sind. Dadurch können die Antriebe in ein bereits bestehendes Hydrauliksystem der Maschine miteingebunden werden.
[23] In einer anderen Ausprägung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn die jeweiligen Antriebe als elektrische Aktuatoren ausgebildet sind. Gerade bei neuen Maschinenkonzepten, die einen modernen und effizienteren Gesamtbetrieb mit Speisung über Akkumulatoren oder Oberleitung vorsehen, ist eine sinnvolle Einbindung möglich.
[24] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Maschine sieht vor, dass zumindest ein Stabilisationsaggregat über einen Höhenantrieb auf das Gleis abgesetzt und mit einer Auflast beaufschlagt wird und dass zumindest ein Unwuchtmassepaar über eine Rotationswelle mit umschaltbarer Drehrichtung angetrieben wird. Dadurch wird eine an die örtlichen Gegebenheiten anpassbare Gleisstabilisation mit einer veränderbaren Schlagkraft gewährleistet.
[25] In einer günstigen Weiterbildung des Verfahrens wird ein Hochfahren der Antriebsleistung eines Antriebes des Stabilisierungsaggregates über einen sogenannten Soft-Anlauf geregelt. Dabei ist ein vordefinierter, steigender Rampenverlauf in einer übergeordneten Steuerung hinterlegt, der ein gezieltes Hochfahren innerhalb einer definierten Zeitspanne ermöglicht, um Stöße in den Endanschlägen der Unwuchtmassen zu vermeiden. [26] Eine weitere Ausprägung des Verfahrens ermöglicht eine variable Verstellung der Schlagkraft im Bereich zwischen wählbaren Schlagkraftstufen durch Änderung der Drehzahl des jeweiligen, zugehörigen Antriebes. Dies bietet dem Betreiber große Flexibilität und Präzision in der Gleisstabilisierung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[27] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Seitenansicht einer Maschine zum Stabilisieren eines Gleises Fig. 2 Stabilisationsaggregate unabhängig, mit eigenem Antrieb Fig. 3 Stabilisationsaggregate gekoppelt, mit gemeinsamem Antrieb Fig. 4 Detailansichten eines Stabilisationsaggregats / Schnittdarstellungen Fig. 5 Drehrichtungsabhängige Unwuchtverstellung über Mitnehmer Fig. 6 Unwuchtverstellung durch Drehzahlregelung im Zwischenbereich
Beschreibung der Ausführungsformen
[28] Fig. 1 zeigt eine vereinfacht dargestellte Maschine 1 zum Stabilisieren eines auf Schotter 2 ruhenden Gleises 3, welche einen durch Schienenfahrwerke 4 auf Schienen 5 abgestützten Maschinenrahmen 6 umfasst. Zwischen den beiden endseitig positionierten Schienenfahrwerken 4 sind zwei Stabilisations-aggregate 7 in Gleislängsrichtung 8 hintereinander angeordnet. Diese sind jeweils durch Flöhenantriebe 9 vertikal verstellbar mit dem Maschinenrahmen 6 verbunden.
[29] Ein Messsystem 27 zum Erfassen der Schienengeometrie ist am Maschinen rahmen 6 angebracht. Eine Steuerungseinrichtung 26 ist für die Verarbeitung der vom Messsystem 27 erhaltenen Daten, wie auch die Ermittlung der Stellparameter zum Betrieb und zur Ansteuerung der Stabilisationsaggregate 7, der Höhenantriebe 9 und der Antriebe 13, eingerichtet.
[30] Die Ausführung in Fig. 1 bildet unabhängige, nicht gekoppelte Stabilisationsaggregate 7 mit eigenen Antrieben 13 ab. In den folgenden Figuren (Fig. 2 und Fig. 3) werden mögliche Ausführungen mit gekoppelten wie auch nicht gekoppelten Stabilisationsaggregaten 7 gezeigt.
[31] In Fig. 2 sind unabhängige Stabilisationsaggregate mit eigenem Antrieb gezeigt. Mit H ilfe von auf den Schienen 5 abrollbaren Aggregatrollen 10 kann jedes Stabilisationsaggregat 7 formschlüssig mit dem Gleis 3 in Eingriff gebracht werden, um dieses mit einer gewünschten Schwingungsfrequenz in Schwingung zu versetzen. Die Aggregatrollen 10 umfassen für jede Schiene 5 zwei Spurkranzrollen, die an der Innenseite der Schiene 5 abrollen, und eine Zangenrolle, die im Betrieb von außen mittels eines Zangenmechanismus 11 gegen die Schiene 5 gedrückt ist. Durch die Flöhenantriebe 9 wird eine vertikale statische Auflast auf das Gleis 3 aufgebracht.
[32] Die Antriebe 13 des Stabilisationsaggregates 7 sind an eine gemeinsame Versorgungseinrichtung 25 angeschlossen. Bei elektrischen Antrieben 13 ist das beispielsweise eine Motor-Generator-Einheit mit Speisung aus einem elektrischen Speicher. Auch eine Oberleitung ist zur Versorgung elektrischer Antriebe 13 nutzbar, wenn die Maschine 1 über Stromabnehmer und entsprechende Umrichter verfügt. Kommen hydraulische Antriebe 13 zum Einsatz, so ist die Versorgungseinrichtung 25 sinnvollerweise in ein Hydrauliksystem der Maschine 1 integriert.
[33] Eine Alternative zeigt Fig. 3 mit gekoppelten Stabilisationsaggregaten und einem gemeinsamen Antrieb. Der grundsätzliche Aufbau der Stabilisationsaggregate 7 ist mit der Ausführung in Fig. 2 ident, der Unterschied liegt hier in der Koppelung der Anordnung in Gleislängsrichtung 8 und der Gestaltung der Antriebe 13. Über eine Verbindungswelle 15 sind die Stabilisationsaggregate 7 antriebsmäßig mitsammen verbunden. Der Antrieb 13 und die Verbindungswelle 14 sind nur einfach ausgeführt.
[34] In Fig. 4 ist eines der Stabilisationsaggregate 7 im Detail in Schnittansichten dargestellt. Innerhalb eines Gehäuses 16 ist ein Schwingungserreger 17 angeordnet, welcher auf zwei Rotationsachsen 21 jeweils über eine Rotationswelle 18 mit darauf angeordneten Unwuchtmassen verfügt. Dabei bilden eine Hauptunwuchtmasse 19 und eine Nebenunwuchtmasse 20 ein Unwuchtmassepaar. Jede Rotationswelle 18 ist beidseitig im Gehäuse 16 über Wälzlager 22 drehbar gelagert.
[35] Eine Koppelung der Unwuchtmassen 19, 20 erfolgt über sogenannte Mitnehmer 24, welche hier als eigenständige Elemente ausgeführt sind.
Diese sind deckungsgleich direkt an der Hauptunwuchtmasse 19 wie auch an der Nebenunwuchtmasse 20 angebracht.
[36] Die gegenläufigen Rotationswellen 18 sind über Zahnräder 23 mechanisch gekoppelt, wobei die Kraftübertragung auf die Rotationswelle 18 formschlüssig über eine Passfederverbindung erfolgt.
[37] Über Gleitlager auf der Rotationswelle 18 frei drehbar gelagert sind die Nebenunwuchtmassen 20 ausgeführt, die Hauptunwuchtmassen 19 sind fest mit der Rotationswelle 18 über eine Passfederverbindung verbunden.
[38] Die hier in Fig. 4 dargelegte Konstruktion zeigt auf den Rotationswellen 18 je zwei axial darauf angeordnete Unwuchtmassepaare, das heißt je zwei Hauptunwuchtmassen 19 mit je zwei Nebenunwuchtmassen 20. Als technisch einfachste Lösung ist ein Aufbau mit nur einer Rotationswelle 18 und nur einem darauf angeordneten Unwuchtmassepaar möglich.
[39] Fig. 5 stellt die drehrichtungsabhängige Unwuchtverstellung über Mitnehmer 24 schematisch dar. Dabei zeigen die Darstellungen A, B, C, D, E, F, G, H die Winkelstellungen 0°, 90°, 180° und 270° jeweils für beide Drehrichtungen, wobei sich jede Darstellung aus einer oberen und einer unteren Rotationswelle 18 zusammensetzt. Die angegebene Drehrichtung ist immer auf die obere Rotationswelle 18 bezogen, die untere Rotationswelle 18 dreht durch mechanische Koppelung in die gegengesetzte Drehrichtung.
[40] Die Darstellungen A bis D zeigen einen rechtsdrehenden Betrieb (Drehrichtung im Uhrzeigersinn) während die Darstellungen E bis H einen linksdrehenden Betrieb (Drehrichtung gegen Uhrzeigersinn) darstellen.
[41] Der Aufbau in Darstellung A (Winkelstellung 0°) umfasst die obere, rechtsdrehende Rotationswelle 18 mit einem darauf angeordneten Unwuchtmassepaar. Die Hauptunwuchtmasse 19 mit zugehörigen Mitnehmern 24 (fein schraffiert) bewirkt eine Fliehkraft F1 vom Drehpunkt aus in vertikaler Richtung, die Nebenunwuchtmasse 20 mit zugehörigen Mitnehmern 24 (grob schraffiert) bewirkt ebenso eine Fliehkraft F3 vom Drehpunkt aus in vertikaler Richtung. Die Summe der beiden Fliehkräfte F1 und F3 ergibt die Gesamtfliehkraft Fgesl. An der unteren Rotationswelle 18 (linksdrehend) wirkt die Gesamtfliehkraft Fgesl als Summe von F2 und F4 mit gleichem Betrag in entgegengesetzter Richtung, die Kräfte heben sich somit bei Reduktion auf das gesamte Stabilisationsaggregat 7 auf, es wirkt keine Kraft in vertikaler Richtung.
[42] In Darstellung B (Winkelstellung 90°) wirkt die Gesamtfliehkraft Fgesl vom Drehpunkt aus in horizontaler Richtung. Selbe Kraftsituation herrscht an der unteren Rotationswelle 18 (linksdrehend), hier wirkt die Gesamtfliehkraft Fgesl als Summe von F2 und F4 mit gleichem Betrag in selbige Richtung, die Kräfte addieren sich und ergeben mit 2*Fges1 die maximal mögliche Schlagkraft in horizontaler Richtung auf das Gleis 3.
[43] Analog zu den Darstellungen A und B verhalten sich die resultierenden Kräfte in den Darstellungen C (Winkelstellung 180°) und D (Winkelstellung 270°), hier kommt es ebenso zu einer Aufhebung (C) und einer Verdoppelung (D) der Gesamtfliehkräfte Fgesl .
[44] Der Aufbau in Darstellung E (Winkelstellung 0°) zeigt nun eine linksdrehende Rotationswelle 18 mit einem darauf angeordneten Unwuchtmassepaar.
Durch die geänderte Drehrichtung kommt es zu einer anderen Winkelstellung der beiden Unwuchtmassen 19, 20 zueinander. Die Flauptunwuchtmasse 19 mit zugehörigen Mitnehmern 24 (fein schraffiert) bewirkt eine Fliehkraft F1 vom Drehpunkt aus in vertikaler Richtung nach oben, die Nebenunwuchtmasse 20 mit zugehörigen Mitnehmern 24 (grob schraffiert) bewirkt eine Fliehkraft F3 vom Drehpunkt aus in vertikaler Richtung nach unten. Die Summe der beiden Fliehkräfte F1 und F3 ergibt die Gesamtfliehkraft Fges2. An der unteren Rotationswelle 18 (linksdrehend) wirkt die Gesamtfliehkraft Fges2 als Summe von F2 und F4 mit gleichem Betrag in entgegengesetzter Richtung, die Kräfte heben sich somit bei Reduktion auf das gesamte Stabilisationsaggregat 7 auf, es wirkt keine Kraft in vertikaler Richtung.
[45] In Darstellung F (Winkelstellung 90°) wirkt die Gesamtfliehkraft Fges2 vom Drehpunkt aus in horizontaler Richtung. Selbe Kraftsituation herrscht an der unteren Rotationswelle 18 (linksdrehend), hier wirkt die Gesamtfliehkraft Fges2 als Summe von F2 und F4 mit gleichem Betrag in selbige Richtung, die Kräfte addieren sich und ergeben mit 2*Fges2 die minimal mögliche Schlagkraft in horizontaler Richtung auf das Gleis 3.
[46] Analog zu den Darstellungen E und F verhalten sich die resultierenden Kräfte in den Darstellungen G (Winkelstellung 180°) und Fl (Winkelstellung 270°), hier kommt es ebenso zu einer Aufhebung (G) und einer Verdoppelung (Fl) der Gesamtfliehkräfte Fges2.
[47] Fig. 6 zeigt anhand eines Diagramms, wie durch geringe Drehzahlregelung die Schlagkraft variabel einstellbar ist. Werden auf einer Maschine 1 zwei unabhängig voneinander angetriebene Stabilisationsaggregate 7 eingesetzt, so sind bis zu acht betragsmäßig unterschiedliche Schlagkräfte ansteuerbar, dies ergibt sich aus 32 - 1 = 8.
[48] Der Bereich zwischen den Schlagkraftstufen kann nun durch Veränderung der Drehzahl des jeweiligen, zugehörigen Antriebes 13 innerhalb eines sehr schmalen Frequenzbandes ausgeglichen werden. Bei einem vollständigen Durchfahren aller Zwischenbereiche (Linienzug in dicker Strichstärke) der Schlagkraftstufen S1-S7 entsteht ein sogenannter Frequenz-Regeltrichter (Linienzüge punktiert). Auf der Ordinate wird die Schlagkraft F in % über der Abszisse mit der Frequenz f in Flz dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Maschine (1 ) zum Stabilisieren eines Gleises (3), mit einem auf Schienenfahrwerken (4) abgestützten Maschinenrahmen (6) und wenigstens einem höhenverstellbaren, durch Aggregatrollen (10) auf Schienen (5) des Gleises (3) abrollbaren Stabilisationsaggregat (7), das einen Schwingungserreger (17) mit rotierenden Unwuchtmassen (19, 20) zur Erzeugung einer dynamisch in einer Gleisebene normal zu einer Gleislängsrichtung (8) wirkenden Schlagkraft sowie einen Höhenantrieb (9) zur Erzeugung einer auf das Gleis (3) wirksamen Auflast umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptunwuchtmasse (19) und eine Nebenunwuchtmasse (20) bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehrichtung unterschiedliche Fliehkräfte bewirken, wobei die beiden Unwuchtmassen (19, 20) in der Weise gekoppelt sind, dass bei Rotation in einer Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen und dass bei Rotation in die entgegengesetzte Drehrichtung die Unwuchtmassen zueinander eine von der ersten Phasenverschiebung abweichende zweite Phasenverschiebung aufweisen.
2. Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass je zwei drehrichtungsabhängige Unwuchtmassen (19, 20) kraft- oder formschlüssig durch konstruktive Elemente, sogenannte Mitnehmer (24) mechanisch gekoppelt sind, somit ein Unwuchtmassepaar bilden und sich daraus je nach Drehrichtung eine von zwei vorgegebenen Phasenverschiebungen einstellt.
3. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei gegenläufige Rotationswellen (18) über Zahnräder (23) gekoppelt sind.
4. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Unwuchtmasse (19, 20) mit einer in Gleislängsrichtung (8) ausgerichteten Rotationsachse (21) am Stabilisationsaggregat (7) angeordnet ist.
5. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer Rotationswelle (18) wenigstens zwei Unwuchtmassepaare zugeordnet sind, wobei die Unwuchtmassepaare je eine Hauptunwuchtmasse (19) sowie eine Nebenunwuchtmasse (20) um dieselbe Rotationsachse (21) umfassen.
6. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz von wenigstens zwei Stabilisationsaggregaten jedem Stabilisationsaggregat (7) ein eigener Antrieb (13) zugeordnet ist.
7. Maschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Antriebe (13) mittels einer gemeinsamen Steuerungseinrichtung (26) angesteuert werden.
8. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz von wenigstens zwei Stabilisationsaggregaten (7) der Gesamtanordnung der einzelnen Stabilisationsaggregate (7) ein gemeinsamer Antrieb (13) zugeordnet ist.
9. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Antrieb (13) als hydraulischer Aktuator ausgebildet ist.
10. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Antrieb (13) als elektrischer Aktuator ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Stabilisationsaggregat (7) über einen Höhenantrieb (9) auf das Gleis (3) abgesetzt, mit einer Auflast beaufschlagt wird und die zugehörige Rotationswelle (18) durch den zugeordneten Antrieb (13) mit umschaltbarer Drehrichtung angetrieben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfahren der Antriebsleistung eines Antriebes (13) des Stabilisierungsaggregates (7) über einen sogenannten Soft-Anlauf geregelt wird, wobei ein vordefinierter, steigender Rampenverlauf in einer übergeordneten Steuerung hinterlegt ist, der ein gezieltes Hochfahren innerhalb einer definierten Zeitspanne ermöglicht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable Verstellung der Schlagkraft im Bereich zwischen möglichen Schlagkraftstufen durch Änderung der Drehzahl des jeweiligen, zugehörigen Antriebes (13) ermöglicht.
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