WO2022008151A1 - Maschine und verfahren zum verdichten eines schotterbettes eines gleises - Google Patents

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WO2022008151A1
WO2022008151A1 PCT/EP2021/065378 EP2021065378W WO2022008151A1 WO 2022008151 A1 WO2022008151 A1 WO 2022008151A1 EP 2021065378 W EP2021065378 W EP 2021065378W WO 2022008151 A1 WO2022008151 A1 WO 2022008151A1
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track
rail
machine
force
rails
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PCT/EP2021/065378
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French (fr)
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Florian Auer
Bernhard ANTONY
David BUCHBAUER
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Plasser & Theurer Export Von Bahnbaumaschinen Gesellschaft M.B.H.
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Publication date
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Priority to CN202180048381.9A priority patent/CN115812117A/zh
Priority to EP21732234.6A priority patent/EP4179146B1/de
Priority to BR112023000410A priority patent/BR112023000410A2/pt
Priority to AU2021305364A priority patent/AU2021305364A1/en
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    • 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01B27/13—Packing sleepers, with or without concurrent work on 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
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • E01B35/06—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for measuring irregularities in longitudinal direction

Definitions

  • the invention relates to a machine for compacting a ballast bed of a track with a machine frame supported on rail chassis and a stabilization unit connected to it in a height-adjustable manner, which has a vibration drive and an axle with wheel flange rollers that can be moved on rails of the track, the distance between them running perpendicular to the longitudinal direction of the machine of a spreading drive can be changed, as well as a roller tongs that can be adjusted with clamping drives against the rails.
  • the invention relates to a method for operating the machine.
  • tracks with a ballast bed are processed using a tamping machine. Specifically, the position of the track grid, which is mounted in the ballast bed and consists of the sleepers and the rails fastened to them by means of rail fasteners, is corrected. During the correction process, the tamping machine drives over the track and lifts the track panel to an overcorrected target position using a lifting/aligning unit. The new track position is fixed by tamping the track using a tamping unit. A sufficient and, above all, uniform load-bearing capacity of the ballast bed is an essential prerequisite for the stability of the track geometry in railway operations.
  • a machine is usually used to stabilize the track.
  • DRS dynamic track stabilizer
  • the track is subjected to a static load and caused to vibrate locally.
  • the vibration causes the grains to become mobile in the grain skeleton, allowing them to be shifted and stored more densely.
  • the gravel compaction achieved in this way increases the load capacity of the track and anticipates operational track settlements.
  • the increase in lateral displacement resistance also goes hand in hand with compaction.
  • EP 0616077 A1 discloses a corresponding machine with a stabilization unit arranged between two rail chassis.
  • the stabilization unit includes wheel flange rollers that can be moved on the track and transmit vibrations generated by a vibration drive to the track.
  • the wheel flange rollers which are arranged on a common axle, are pressed against the inside edges of the rail head by means of an expanding drive in order to avoid track play.
  • the invention is based on the object of improving a machine of the type mentioned in that weak points of the track are detected during a stabilization process. Furthermore, it is an object of the invention to specify a corresponding method.
  • the spreading drive and / or the clamping drives are for
  • a measuring device for detecting a rail head deflection and/or track width change caused by the variable loading force being arranged.
  • a mechanical spreading force with a predetermined profile is applied to the rails transversely to the longitudinal direction of the machine, and the resulting changed rail head deflection or track width is measured.
  • the stabilization unit can be used to determine whether the track panel is inherently stable. No separate track closures are necessary for this check, because the measurements are carried out in the course of the Maintenance measures are carried out using the stabilization unit.
  • the respective rail is clamped at the rail head between the wheel flange rollers and the roller tongs.
  • the clamping force acting on the rails through the roller tongs is matched to the spreading force.
  • the sum of the spreading force and clamping force results in the varied load force, which acts on the respective rail in addition to the dynamic impact force of the vibration drive.
  • changes in this loading force are achieved by a varied spreading force and/or a varied clamping force.
  • the change in track gauge caused by a change in load force provides further information about the condition of the respective rail fastening.
  • control signals are stored in a control device for controlling the spreading drive and the clamping drives, which bring about a periodically changing loading force.
  • the periodic change in the loading force takes place at a frequency that is significantly lower than a vibration frequency of the vibration drive.
  • the stabilization unit is usually operated with a vibration frequency between 30 Hz and 35 Hz.
  • the period of the variable load force is around 1 second, so that the frequency of 1 Hz is well below the vibration frequency. In this way, a disturbing influence of the vibration on the deflection of the rail head caused by the loading force is avoided.
  • the measured deflection values or track width changes can be clearly assigned to the periodic, low-frequency curve of the loading force.
  • the measuring device is coupled to the axis of the flanged rollers.
  • the track width is measured directly in the force axis of the spreading force acting on the rails, which means that the direct connection between the spreading force and the track width is recorded.
  • the measuring device is coupled to an evaluation device, the evaluation device being set up to evaluate a rail fastening on the basis of the detected rail head deflection and/or track gauge change.
  • the evaluation device enables an automated evaluation of the condition of the respective rail fastening.
  • the evaluation device is set up to evaluate rail head deflections and/or track gauge values recorded at a measuring point as a function of a course of changed load values in order to evaluate a condition of rail fastenings positioned in the area of the measuring point. In this way, value pairs of a force-displacement diagram are recorded and compared in order to derive a state variable of the respective rail fastening.
  • a further improvement provides that a position determination unit is arranged for the location-related detection of the rail head deflections and/or the change in track width.
  • the local reference achieved in this way facilitates a comparison between the measurement results and the positions of the respective rail fastenings in the track being traveled on.
  • Location-based recording is also advantageous for documentation purposes.
  • each stabilization unit comprises a measuring device for detecting rail head deflections and/or track gauge changes caused by the respective horizontal loading force.
  • the stabilization unit with the flanged rollers is first lowered onto the rails of the track.
  • the rails are subjected to a predetermined variable horizontal loading force by means of the spreading drive and/or the clamping drives, with the measuring device detecting a rail head deflection and/or change in the track gauge caused by the loading force in order to draw conclusions about the state of a rail fastening .
  • This additional use of the stabilization unit is associated with little effort.
  • a compression process that has to be carried out anyway is linked to the condition check of the rail fasteners.
  • the horizontal loading force is changed periodically by means of a control device at a frequency that is lower than a vibration frequency of the vibration drive.
  • the periodically changing loading force results from the spreading force of the wheel flange rollers and the clamping force of the roller tongs placed against the rails from the outside. This varied loading force is superimposed on the impact force acting on the rails, which is caused by the vibration drive. This is particularly useful when operating a single stabilization unit.
  • the rails are subjected to a first horizontal loading force by means of the stabilization unit, with the rails also being subjected to a second horizontal loading force by means of another stabilization unit.
  • both stabilization units are used to measure the track width depending on the respective load force.
  • the machine is moved continuously along the track.
  • the rails in the area of the respective rail fastenings are subjected to different spreading forces when driving past and the effects on the track width are measured.
  • values of the rail head deflection and/or track width values recorded at a measuring point by means of the evaluation device are jointly evaluated as a function of different loading force values. In doing so, value pairs of a force-displacement diagram are related to each other set to infer the status of the respective rail fastening.
  • a further improvement provides that a position determination unit is used to determine the position of the measuring device in order to detect rail head deflections and/or track gauge changes in a location-related manner.
  • the location-relatedness of the results achieved in this way allows easy subsequent assignment to the respective rail fastening.
  • FIG. 5 Diagrams for Fig. 4
  • the machine 1 shown in FIG. 1 is a so-called dynamic track stabilizer (DGS) with a machine frame 2 that can be moved on rail chassis 3 on a track 4 .
  • the track 4 includes a track grid 5, which consists of rails 6, rail fasteners 7 and There is 8 thresholds and is mounted in a gravel bed 9 .
  • the machine 1 is usually used after a tamping operation in order to anticipate any settlement of the track panel 5 .
  • the invention also relates to a combined tamping and stabilization machine (not shown) or other track construction machine equipped with a stabilization unit 10 .
  • the machine 1 includes a travel drive 12 and a measuring system 13 for detecting a track position as well as a cabin 14 for operating personnel.
  • the respective stabilization unit 10 can be lowered onto the rails 6 from an inoperative position by means of height adjustment drives 15 .
  • Each stabilization unit 10 has a vibration drive 16 . Vibrations are usually generated by rotating unbalanced masses.
  • each stabilization unit 10 comprises an axis 17, which is aligned transversely to the longitudinal direction 11 of the machine, with flanged rollers 18.
  • the stabilization unit 10 can be moved on the rails 6 by means of these flanged rollers 18 .
  • a spreading drive 19 Arranged in the axis 17 is a spreading drive 19, by means of which the distance between the flanged rollers 18 can be changed from one another.
  • Fig. 2 shows the axle 17 with a left and a right flanged roller 18 and the spreading drive 19.
  • the spreading drive 19 is set up to act on the rails 6 with a predetermined spreading force Fs. Accordingly, the spreading drive 19 is not only used to press the wheel flange rollers 18 against the inside of the respective rail head without play. Rather, the spreading force Fs is specified with a specific variable, which is subsequently set in relation to a measured track width s or track width difference As. The specified spreading force Fs is applied to the respective rail 6 from the inside.
  • the track width s or the track width difference As is measured by means of a measuring device 20.
  • a measuring device 20 This comprises, for example, an electromechanical displacement sensor which is coupled to the axle 17. Included a first component of the sensor is connected to a shaft section which is mounted so that it can be displaced in the axial direction and is connected to the left-hand flanged roller 18 . A second component of the sensor is connected to a displaceably mounted shaft section of the right-hand flanged roller 18 . If the shaft sections are moved towards one another by means of the spreading drive 19, the components of the sensor also move towards one another, as a result of which a displacement path is measured. In the case of wheel flange rollers 18 resting against the rail heads, this displacement path corresponds to the track width difference As.
  • the stabilization unit 10 shown in FIG. 2 includes a roller clamp 21 with clamping rollers 22, which can be adjusted from the outside against the respective rail head.
  • the left pinch roller 22 is in the pinched position.
  • the right pinch roller 22 is shown in a free position. This position is also used during operation of the stabilization unit 10 in order to avoid flinding (e.g. lashed rail joints).
  • the clamping drives 23 exert a predetermined clamping force FK on the rails 6 via the clamping rollers 22, which counteracts the spreading force Fs.
  • the clamping drives 23 and the spreading drive 19 are matched to one another by means of a control device 24 in such a way that a desired horizontal loading force FB acts on each rail 6 .
  • the loading force FB is changed periodically by means of the control device 24, as shown in FIG.
  • the change in the loading force FB follows a circular function.
  • the track width change following the load profile is evaluated.
  • a periodic control signal from the spreading drive 19 and/or the clamping drives 23 with a low frequency (e.g. 1 Hz) is modulated onto the oscillation curve of the vibration drive.
  • a forward speed of the stabilization unit 10 of approximately 2 to 2.5 km/h and with the usual spacing of the sleepers, a desired change in the loading force FB occurs with each rail fastening 7 .
  • the frequency of the changed force F B is significantly lower than the vibration frequency, which is usually in a range of 30 Hz to 35 Hz located. Mass moments of inertia are negligible at this frequency value.
  • a loading force FB acting alternately outwards and inwards also represents a sensible variant.
  • the rail fasteners 7 on the outside and inside of the rail are equally stressed.
  • Fig. 4 shows the forces and moments that act on the rail 6.
  • a cross section of the rail 6 (rail profile) is shown, the rail foot of which is mounted on an intermediate layer 25 .
  • a transverse force Y and a vertical force Q are exerted on the rail head by means of the stabilization unit 10 .
  • a load application height h is specified by the dimensions of the rail profile and is measured from the bottom edge of the rail foot to the running edge (14mm below the top edge of the rail).
  • the transverse force Y leads to a bending moment in the rail (relative to the level of the rail base), which forms a torsional moment in the longitudinal direction.
  • the torsional moment has to be absorbed by several rail support points.
  • a reactive moment is developed on the rail foot.
  • the rail head deflects until an introduced moment M t and a reactive moment M r are equal.
  • the introduced moment M t depends on the lateral force Y:
  • the reactive moment M r results from the vertical force Q and hold-down forces Fs ki of the rail fasteners 7, with a distance b between the middle of the rail foot and a center of gravity of a pressure distribution resulting in the plane of the rail foot:
  • the evaluation device 26 is also supplied with the current load application height h of the horizontal transverse force Y L , Y R (FIG. 4).
  • the load application height h it makes sense if the machine 1 includes sensors for automatically detecting the rail profile of the track 4 traveled on.
  • the load application height h can be entered using an input device.
  • the automatic detection of the sleeper positions is also useful in order to determine a sleeper division.
  • the frequency of the profile of the horizontal loading force F B (FIG. 3) is adapted to the determined threshold division and to a forward speed of the stabilization unit 10. The adaptation takes place in such a way that the same loading force F B acts on each rail fastening 7 .
  • the vertical force Q acting on the respective rail 6 is advantageously predetermined with a periodic curve.
  • the height actuators 15 are controlled with a periodic control signal to the stabilization unit 10 with variable force against the Support machine frame 2.
  • the frequency of the curve of the horizontal load force FB is adapted to the curve of the vertical force Q. In this way, different prestress levels are taken into account when the intermediate layers 25 are pressed together.
  • the tilting spring effect of the respective rail fastening 7 (spring number of the intermediate layer 25) can then be monitored.
  • the spreading force Fs applied to the respective rail 6 is greater than the clamping force FK acting from the outside. Accordingly, the resulting loading force FB is directed outwards.
  • This increases the track width s.
  • the track width change exceeds a permissible level because the rail attachment 7 located at the measuring point is faulty.
  • the right screw connection of the flattening on the rail foot is not tightened. As a result, the rail 6 twists outwards in the loaded area.
  • FIG. 7 Exemplary curves of the individual forces F over time t are shown in Fig. 7.
  • different, constant loading forces FBO, FBI, FB2 are assumed in three temporal phases I, II, III.
  • the impact force Fv acts synchronously on both rails 6, the loading force FB pushes the rails apart or towards one another.
  • the impact force Fv results in a vibration of the loaded track panel section in the transverse direction of the track.
  • the loading force FB acts within the track panel 5. This results in the rail head deflections ASL/R or the track gauge changes, the extent of which depends on the elasticity behavior of the rails 6 and the condition of the rail fastenings 7.
  • a first phase I the loading force FB is equal to zero.
  • the spreading force Fs and the clamping force FK are the same, so that the respective rail 6 is merely clamped in without a lateral force effect.
  • the course of the impact force Fv is shown with a thin solid line.
  • the effect of the impact force Fv is divided equally between the two rails 6 .
  • half the impact force Fv acts on each rail 6 as the resultant transverse force YL, YR.
  • a modified spreading force Fs is specified, from which a first loading force FBIL, FBIR acting on the respective rail 6 results.
  • a modified clamping force FK can also be specified.
  • Specifying the resulting first loading force FBIL, FBIR can also be useful in an equivalent manner. In this case, for example, the spreading force Fs and/or the clamping force FK are changed in a control loop until the specified first loading force FBIL, FBIR is set.
  • the respective first loading force FBIL, FBIR acts outward because the first spreading force Fsi is greater than the clamping force FK.
  • a left first loading force FBIL is directed against a right first loading force FBIR.
  • forces directed to the left are positive and forces directed to the right are negative.
  • the forces FBIL, YIL acting on the left-hand rail 6 are indicated with dash-dotted lines and the forces FBIR, YIR acting on the right-hand rail 6 are indicated with dashed lines.
  • the control device 24 specifies a second spreading force Fs2, which is higher than the first spreading force Fsi.
  • the respective clamping force FK remains unchanged, so that the second loading force F B 2 L , F B 2 R acting on the respective rail 6 is also directed outwards.
  • the changed loading force F B 2 L , F B 2 R can also be specified by changing the associated clamping force FK.
  • the change in the track width s as a result of two different load conditions can be detected with the differently sized load forces FBIL, FBIR, FB2L, FB2R.
  • the lateral force YIL, Y2L acting on the left rail 6 is the total force of half the impact force Fv and the left loading force FBIL, FB2L.
  • the total force of half the impact force Fv and the counteracting right-hand loading force FBIR, FB2R acts as a transverse force YIR, Y2R on the right-hand rail 6.
  • the two transverse forces YIL, YIR or Y2L, Y2R add up to the entire impact force Fv, with the loading forces FBIL, FBIR or FB2L, FB2R in the track panel 5 canceling each other out and leading to a change in the track gauge s.
  • FIG. 8 shows an example of the dependency of the track width s on the spreading force Fs and the resulting load force FB.
  • the measured track width remains unchanged because spreading force Fs and clamping force FK cancel each other out.
  • a first increased spreading force Fsi is specified, from which the first loading force FBIL, FBIR acting on the respective rail 6 results.
  • the resulting new track width si or a first track width difference Asi is measured by means of the measuring device 20 .
  • an increasingly increased second spreading force Fs2 is specified. Because of the resulting increased loading forces F B 2 L , F B 2 R , the track width s increases to a higher value S2 and a second track width difference As2 results.
  • the machine 1 includes a position determination unit 28.
  • a GNSS module is arranged on the roof of the machine 1.
  • the position determination unit 28 can also be arranged directly on the stabilization unit 10 or on a rail carriage 3 .
  • the measurement results of the measuring device 20 are displayed to an operator in the cabin 14 in real time.
  • the operator can react to this immediately and document a faulty rail fastening 7 .
  • measurement data or evaluation data can be stored in relation to the position. Such are the states of the rail fasteners 7 on the entire section of the track 4 traversed by the machine 1 is automatically documented. If necessary, the results are transmitted to a control center via a radio module 27 in order to organize the repair of faulty rail fastenings 7 .
  • the machine 1 comprises two stabilization units 10 arranged one behind the other, as shown in Fig. 1 and Fig. 9.
  • the respective stabilization unit 10 is operated with a predetermined spreading force Fs and has its own measuring device 20 .
  • the spreading drives 19 of the respective front axle 17 are activated by means of the assigned control device 24 .
  • a first spreading force Fsi is specified for the front stabilization unit 10, which causes a constant first loading force FBIL, FBIR.
  • a predetermined second spreading force Fs2 of the rear stabilization unit 10 brings about a constant second loading force F B 2 L , F B 2 R .
  • the two measuring devices 20 are used to carry out position-related measurements of the respective track width si, S2.
  • the recorded track width values si, S2 are fed to the evaluation device 26 in order to determine a position-related characteristic value.
  • a meaningful indicator for the condition of the rail fastenings is the difference in track gauges si, S2 as a result of the different loading forces FBIL, FBIR, FB2L, FB2R.
  • FIG. 8 the result of a measurement with intact rail fasteners 7 is shown with a dashed line.
  • the measured track widths si, S2 and track width differences Asi, Db2 result from the normal elasticity behavior of the track panel 5.
  • measured values for the track width si', S2 and the track width differences Asi' which have changed from the existing track width, result in this way.
  • As2' (dash-dotted line in Fig. 8).
  • the ratio of the measured values si′, S2, Asi′, As2′ to one another also differs from the result with intact rail fastenings 7. For example, with loose fastenings 7, the track width s increases even with a slight increase in the spreading force Fs.
  • the measurement results thus offer a valid database for the derivation of parameters that are used to assess the condition of the respective rail fastening 7.
  • the track width difference Asi compared to the normal track width is evaluated with the same increased spreading force Fs.
  • a higher track gauge difference Asi can be determined.
  • any correspondingly adapted dynamic track stabilizer can be used directly on site to check the condition of the rail fasteners 7 .
  • the method is so accurate that individual loose fasteners 7 are detected.
  • the additional information about the state of the fastening means of the rails 6 increases safety when the track 4 is released after repair work. Especially when stabilizing new tracks, it often happens that rail fasteners 7 have not yet been tightened.
  • the present invention is therefore particularly advantageous when processing new tracks.

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  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Maschine (1) zum Verdichten eines Schotterbettes (9) eines Gleises (4) mit einem auf Schienenfahrwerken (3) abgestützten Maschinenrahmen (2) und einem höhenverstellbar mit diesem verbundenen Stabilisationsaggregat (10), das einen Vibrationsantrieb (16) und eine Achse (17) mit auf Schienen (6) des Gleises (4) verfahrbaren Spurkranzrollen (18), deren senkrecht zur Maschinenlängsrichtung (11) verlaufender Abstand zueinander mittels eines Spreizantriebes (19) veränderbar ist, sowie eine mit Klemmantrieben (23) gegen die Schienen (6) stellbare Rollzange (21) umfasst, wobei der Spreizantrieb (19) und/oder die Klemmantriebe (23) zur Beaufschlagung der Schienen (6) mit einer vorgegebenen variablen horizontalen Belastungskraft (Fg) eingerichtet sind, wobei eine Messvorrichtung (20) zur Erfassung einer durch die variable Belastungskraft (FB) bewirkten Schienenkopfauslenkung (ΔSL/R) und/ oder Spurweitenveränderung (s1,S2,ΔS1,ΔS2) angeordnet ist. Auf diese Weise ist mittels des Stabilisierungsaggregats (10) feststellbar, ob der Gleisrost (5) in sich stabil ist.

Description

Beschreibung
Maschine und Verfahren zum Verdichten eines Schotterbettes eines Gleises
Technisches Gebiet
[01] Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Verdichten eines Schotterbettes eines Gleises mit einem auf Schienenfahrwerken abgestützten Maschinenrahmen und einem höhenverstellbar mit diesem verbundenen Stabilisationsaggregat, das einen Vibrationsantrieb und eine Achse mit auf Schienen des Gleises verfahrbaren Spurkranzrollen, deren senkrecht zur Maschinenlängsrichtung verlaufender Abstand zueinander mittels eines Spreizantriebes veränderbar ist, sowie eine mit Klemmantrieben gegen die Schienen stellbare Rollzange umfasst. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Maschine.
Stand der Technik
[02] Zur Schaffung bzw. Wiederherstellung einer vorgegebenen Gleislage werden Gleise mit Schotterbettung mittels einer Stopfmaschine bearbeitet. Konkret erfolgt eine Lageberichtigung des im Schotterbett gelagerten Gleisrostes, der aus den Schwellen und den darauf mittels Schienenbefestigungen befestigten Schienen besteht. Beim Berichtigungsvorgang befährt die Stopfmaschine das Gleis und hebt den Gleisrost mittels eines Hebe- /Richtaggregats auf eine überkorrigierte Sollposition. Eine Fixierung der neuen Gleislage erfolgt durch Stopfen des Gleises mittels eines Stopfaggregats. Dabei ist eine ausreichende und vor allem gleichmäßige Tragfähigkeit des Schotterbettes eine essenzielle Grundvoraussetzung für die Stabilität der Gleislage im Bahnbetrieb.
[03] In der Regel kommt deshalb nach einem Stopfvorgang eine Maschine zum Stabilisieren des Gleises zum Einsatz. Mit einem sogenannten Dynamischen Gleisstabilisator (DGS) wird das Gleis mit einer statischen Auflast belastet und lokal in Schwingung versetzt. Die Vibration führt dazu, dass die Körner im Korngerüst mobil werden, sich verschieben lassen und in eine dichtere Lagerung gehen. Die damit erreichte Schotterverdichtung erhöht die Tragfähigkeit des Gleises und nimmt betriebsbedingte Gleissetzungen vorweg. Auch die Erhöhung des Querverschiebewiderstands geht mit der Verdichtung einher.
[04] Die EP 0616077 A1 offenbart eine entsprechende Maschine mit einem zwischen zwei Schienenfahrwerken angeordneten Stabilisationsaggregat.
Das Stabilisationsaggregat umfasst Spurkranzrollen, die am Gleis verfahrbar sind und mittels eines Vibrationsantriebs erzeugte Schwingungen auf das Gleis übertragen. Während eines Stabilisationsvorgangs werden die auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Spurkranzrollen mittels eines Spreizantriebs an die Schienenkopfinnenflanken gepresst, um ein Spurspiel zu vermeiden.
Darstellung der Erfindung
[05] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass während eines Stabilisierungsvorgangs Schwachstellen des Gleises erkannt werden. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
[06] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
[07] Dabei sind der Spreizantrieb und/oder die Klemmantriebe zur
Beaufschlagung der Schienen mit einer vorgegebenen variablen horizontalen Belastungskraft eingerichtet, wobei eine Messvorrichtung zur Erfassung einer durch die variable Belastungskraft bewirkten Schienenkopfauslenkung und/oder Spurweitenveränderung angeordnet ist. Bei Aktivierung dieser Vorrichtung wird quer zur Maschinenlängsrichtung auf die Schienen eine mechanische Spreizkraft mit einem vorgegebenen Verlauf aufgebracht und die sich ergebende veränderte Schienenkopfauslenkung bzw. Spurweite gemessen. Auf diese Weise ist mittels des Stabilisierungsaggregats feststellbar, ob der Gleisrost in sich stabil ist. Für diese Überprüfung sind keine separaten Gleissperren notwendig, weil die Messungen im Zuge der Instandhaltungsmaßnamen mittels des Stabilisationsaggregats durchgeführt werden.
[08] Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die jeweilige Schiene am Schienenkopf zwischen den Spurkranzrollen und der Rollzange eingeklemmt. Die durch die Rollzange auf die Schienen wirkende Klemmkraft ist dabei auf die Spreizkraft abgestimmt. Spreizkraft und Klemmkraft ergeben in Summe die variierte Belastungskraft, die zusätzlich zur dynamischen Schlagkraft des Vibrationsantriebs auf die jeweilige Schiene wirkt. Konkret werden Änderungen dieser Belastungskraft durch eine variierte Spreizkraft und/oder eine variierte Klemmkraft erreicht. Die durch eine Belastungskraftänderung hervorgerufene Spurweitenveränderung gibt in weiterer Folge Aufschluss über den Zustand der jeweiligen Schienenbefestigung.
[09] Gegenüber einem intakten Gleisrost bewirkt eine beschädigte oder unzureichend fixierte Schienenbefestigung bei einer Änderung der horizontalen Belastungskraft eine größere Spurweitenveränderung. Die erfasste Spurweitenveränderung kann somit als Kenngröße für den Zustand der Schienenbefestigungen dienen. Lose Schienenbefestigungen treten beispielsweise durch Überbeanspruchungen oder durch Zerstörung infolge falscher Bearbeitung auf. Holzschwellen altern durch Bakterienbefall und witterungsbedingte Einflüsse, wodurch sich Schienenbefestigungen lockern können. Eine optische Überprüfung ist hier in der Regel unzureichend.
[10] Zudem sind Gleisstellen mit fehlerhaften Schienenbefestigungen mit herkömmlichen Oberbaumessfahrzeugen oftmals nicht zu finden, weil sicherheitsrelevante Grenzen noch nicht überschritten sind. Bei der vorliegenden Erfindung bewirken die dynamischen Schlagkräfte des Stabilisationsaggregats, dass vorgeschädigte Schienenbefestigungen als solche erkannt werden. Insbesondere werden bereits bestehende Materialrisse in Schienenbefestigungskomponenten eskaliert, wodurch eine sofortige Erkennung möglich wird. Dieser Synergieeffekt resultiert unmittelbar aus dem erfindungsgemäßen Einsatz des Stabilisationsaggregats zur Überprüfung der Gleisroststabilität. Bekannte Systeme (Gauge Restraint Measuring System, GRMS) messen lediglich eine veränderte Spurweite infolge einer entlang des Gleises geführten Spreizachse mit statischen Querkräften. Dabei fehlt die dynamische Komponente, die eine Erkennung von vorgeschädigten Schienenbefestigungen bewirkt.
[11] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung sind in einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung des Spreizantriebs und der Klemmantriebe Steuerungssignale hinterlegt, die eine periodisch veränderte Belastungskraft bewirken. Die periodische Veränderung der Belastungskraft erfolgt dabei mit einer Frequenz, die deutlich niedriger ist als eine Vibrationsfrequenz des Vibrationsantriebs. Gewöhnlich wird das Stabilisationsaggregat mit einer Vibrationsfrequenz zwischen 30 Hz und 35 Hz betrieben. Die Periodendauer der variablen Belastungskraft beträgt hingegen ca. 1 Sekunde, sodass die Frequenz von 1 Hz deutlich unter der Vibrationsfrequenz liegt. Auf diese Weise wird eine störende Beeinflussung der Vibration auf die durch die Belastungskraft hervorgerufene Schienenkopfauslenkung vermieden. Die gemessenen Auslenkungswerte bzw. Spurweitenveränderungen sind eindeutig dem periodischen, niederfrequenten Verlauf der Belastungskraft zuordenbar.
[12] Vorteilhafterweise ist die Messvorrichtung mit der Achse der Spurkranzrollen gekoppelt. Die Spurweitenmessung erfolgt dadurch direkt in der Kraftachse der auf die Schienen wirkenden Spreizkraft, wodurch der unmittelbare Zusammenhang zwischen Spreizkraft und Spurweite erfasst wird.
[13] In einer weitergebildeten Ausführung der Erfindung ist die Messvorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt, wobei die Auswerteeinrichtung zur Bewertung einer Schienenbefestigung auf Basis der erfassten Schienenkopfauslenkung und/oder Spurweitenveränderung eingerichtet ist. Die Auswerteeinrichtung ermöglicht eine automatisierte Auswertung des Zustandes der jeweiligen Schienenbefestigung.
[14] Dabei ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinrichtung zur Auswertung von an einer Messstelle erfassten Schienenkopfauslenkungen und/oder Spurweitenwerten in Abhängigkeit eines Verlaufs von veränderten Belastungswerten eingerichtet ist, um einen Zustand von im Bereich der Messstelle positionierten Schienenbefestigungen zu bewerten. Auf diese Weise werden Wertepaare eines Kraft-Weg-Diagramm erfasst und verglichen, um daraus eine Zustandsgröße der jeweiligen Schienenbefestigung abzuleiten.
[15] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass eine Positionsbestimmungseinheit zur ortsbezogenen Erfassung der Schienenkopfauslenkungen und/oder der Spurweitenveränderung angeordnet ist. Der damit erreichte Ortsbezug erleichtert einen Abgleich zwischen den Messergebnissen und den Positionen der jeweiligen Schienenbefestigungen im befahrenen Gleis. Auch für Dokumentationszwecke ist die ortsbezogene Erfassung vorteilhaft.
[16] In einer Weiterbildung der Maschine sind zwei Stabilisationsaggregate hintereinander angeordnet, wobei jedes Stabilisationsaggregat eine Messvorrichtung zur Erfassung einer durch die jeweilige horizontale Belastungskraft bewirkten Schienenkopfauslenkungen und/oder Spurweitenveränderung umfasst. Mit dieser Anordnung können während einer kontinuierlichen Vorfahrt der Maschine an derselben Stelle Messungen mit unterschiedlichen Belastungskräften durchgeführt werden. Zuerst misst das vordere Stabilisationsaggregat mit einer ersten Belastungskraft. Sobald das hintere Stabilisationsaggregat zur selben Messstelle gelangt, erfolgt eine zweite Messung mit einer zweiten Belastungskraft.
[17] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Stabilisationsaggregat mit den Spurkranzrollen zunächst auf die Schienen des Gleises abgesenkt. Im nächsten Schritt werden die Schienen mittels des Spreizantriebes und/oder der Klemmantriebe mit einer vorgegebenen variablen horizontalen Belastungskraft beaufschlagt, wobei mittels der Messvorrichtung eine durch die Belastungskraft bewirkte Schienenkopfauslenkung und/oder Veränderung der Spurweite erfasst wird, um daraus auf einen Zustand einer Schienenbefestigung zu schließen. Diese zusätzliche Nutzung des Stabilisationsaggregats ist mit geringem Aufwand verbunden. Ein ohnedies durchzuführender Verdichtungsvorgang wird mit der Zustandsüberprüfung der Schienenbefestigungen verknüpft.
[18] In einer vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens wird die horizontale Belastungskraft mittels einer Steuerungseinrichtung periodisch verändert mit einer Frequenz, die niedriger ist als eine Vibrationsfrequenz des Vibrationsantriebs. Dabei wird ein periodisches Steuerungssignal des Spreizantriebs und/oder der Klemmantriebe mit niedriger Frequenz (z.B. 1 Hz) gleichsam auf den Schwingungsverlauf des Vibrationsantriebs aufmoduliert. Die periodisch veränderte Belastungskraft resultiert aus der Spreizkraft der Spurkranzrollen und der Klemmkraft der von außen gegen die Schienen gestellten Rollzange. Diese variierte Belastungskraft überlagert die auf die Schienen wirkende Schlagkraft, welche durch den Vibrationsantrieb hervorgerufen wird. Das ist insbesondere beim Betrieb eines einzelnen Stabilisationsaggregats sinnvoll.
[19] Bei einerweiteren Verfahrensvariante werden die Schienen mittels des Stabilisationsaggregats mit einer ersten horizontalen Belastungskraft beaufschlagt, wobei die Schienen zusätzlich mittels eines weiteren Stabilisationsaggregats mit einer zweiten horizontalen Belastungskraft beaufschlagt werden. Bei diesem Verfahren werden beide Stabilisationsaggregate zur Messung der Spurweite in Abhängigkeit der jeweiligen Belastungskraft genutzt. Durch die Vorgabe unterschiedlicher horizontaler Belastungskräfte ist die für den Zustand der Schienenbefestigungen aussagekräftige Spurweitenveränderung erfassbar.
[20] Bei einer Weiterbildung des Verfahren wird die Maschine kontinuierlich entlang des Gleises bewegt. Dabei werden die Schienen im Bereich der jeweiligen Schienenbefestigungen im Vorbeifahren mit unterschiedlichen Spreizkräften beaufschlagt und die Auswirkungen auf die Spurweite gemessen.
[21] Für eine automatisierte Auswertung ist es sinnvoll, wenn die Veränderung der Spurweite in Abhängigkeit der variierten Belastungskraft mittels einer Auswerteeinrichtung erfasst und bewertet wird. Beispielsweise ist in der Auswerteeinrichtung ein Algorithmus eingerichtet, der Spurweitenveränderungen mit vorgegebenen Grenzwerten abgleicht.
[22] In einer Weiterbildung dieses Vorgangs werden mittels der Auswerteeinrichtung an einer Messstelle erfasste Werte der Schienenkopfauslenkung und/oder Spurweitenwerte in Abhängigkeit unterschiedlicher Belastungskraftwerte gemeinsam ausgewertet. Dabei werden Wertepaare eines Kraft-Weg-Diagramms in Beziehung zueinander gesetzt, um auf den Zustand der jeweiligen Schienenbefestigung zu schließen.
[23] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass mittels einer Positionsbestimmungseinheit eine Positionsbestimmung der Messvorrichtung erfolgt, um Schienenkopfauslenkungen und/oder Spurweitenveränderungen ortsbezogen zu erfassen. Die damit erreichte Ortsbezogenheit der Ergebnisse erlaubt eine einfache nachträgliche Zuordnung zur jeweiligen Schienenbefestigung.
[24] Dabei ist es sinnvoll, wenn Auswertedaten zur Zustandsbeurteilung einer jeweiligen Schienenbefestigung ortsbezogen abgespeichert werden. Die abgespeicherten Daten dienen in weiterer Folge zur Dokumentation der durchgeführten Gleisüberprüfung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[25] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Maschine mit zwei Stabilisationsaggregaten am Gleis in Seitenansicht
Fig. 2 Stabilisationsaggregat und Gleis im Querschnitt
Fig. 3 Zeitlicher Verlauf der Schlagkraft und der Belastungskraft
Fig. 4 Schienenprofil
Fig. 5 Diagramme zu Fig. 4
Fig. 6 Detail aus Fig. 2
Fig. 7 Kraftverläufe über der Zeit
Fig. 8 Kraft-Weg-Diagramm
Fig. 9 Stabilisationsaggregate in Draufsicht
Beschreibung der Ausführungsformen
[26] Die in Fig. 1 dargestellte Maschine 1 ist ein sogenannter Dynamischer Gleisstabilisator (DGS) mit einem Maschinenrahmen 2, der auf Schienenfahrwerken 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Das Gleis 4 umfasst einen Gleisrost 5, der aus Schienen 6, Schienenbefestigungen 7 und Schwellen 8 besteht und in einem Schotterbett 9 gelagert ist. Die Maschine 1 kommt in der Regel nach einem Stopfvorgang zum Einsatz, um Setzungen des Gleisrostes 5 vorwegzunehmen. Die Erfindung betrifft auch eine nicht dargestellte kombinierte Stopf- und Stabilisationsmaschine oder eine sonstige mit einem Stabilisationsaggregat 10 ausgestattete Gleisbaumaschinen.
[27] Am Maschinenrahmen 2 der dargestellten Maschine 1 sind in Maschinenlängsrichtung 11 hintereinander zwei Stabilisationsaggregate 10 befestigt. Des Weiteren umfasst die Maschine 1 einen Fahrantrieb 12 und ein Messsystem 13 zur Erfassung einer Gleislage sowie eine Kabine 14 für Bedienpersonal. Mittels Höhenstellantriebe 15 ist das jeweilige Stabilisationsaggregat 10 aus einer Außerbetriebsstellung auf die Schienen 6 absenkbar.
[28] Jedes Stabilisationsaggregat 10 weist einen Vibrationsantrieb 16 auf. Die Vibrationserzeugung erfolgt in der Regel mittels rotierender Unwuchtmassen. Zudem umfasst jedes Stabilisationsaggregat 10 eine quer zur Maschinenlängsrichtung 11 ausgerichtete Achse 17 mit Spurkranzrollen 18.
In Betriebsstellung ist das Stabilisationsaggregat 10 mittels dieser Spurkranzrollen 18 auf den Schienen 6 verfahrbar. In der Achse 17 ist ein Spreizantrieb 19 angeordnet, mittels dem der Abstand der Spurkranzrollen 18 zueinander veränderbar ist. Fig. 2 zeigt die Achse 17 mit einer linken und einer rechten Spurkranzrolle 18 und dem Spreizantrieb 19.
[29] Erfindungsgemäß ist der Spreizantrieb 19 zur Beaufschlagung der Schienen 6 mit einer vorgegeben Spreizkraft Fs eingerichtet. Demnach dient der Spreizantrieb 19 nicht lediglich zum spielfreien Andrücken der Spurkranzrollen 18 gegen die Innenseite des jeweiligen Schienenkopfes. Vielmehr wird die Spreizkraft Fs mit einer konkreten Größe vorgegeben, die in weiterer Folge in Bezug zu einer gemessenen Spurweite s bzw. Spurweitendifferenz As gesetzt wird. Die jeweilige Schiene 6 wird von innen mit der vorgegebenen Spreizkraft Fs beaufschlagt.
[30] Gemessen wird die Spurweite s bzw. die Spurweitendifferenz As mittels einer Messvorrichtung 20. Diese umfasst beispielsweise einen elektromechanischen Wegsensor, der mit der Achse 17 gekoppelt ist. Dabei ist eine erste Komponente des Sensors mit einem Wellenabschnitt verbunden, der in Achsrichtung verschiebbar gelagert und mit der linken Spurkranzrolle 18 verbunden ist. Eine zweite Komponente des Sensors ist mit einem verschiebbar gelagerten Wellenabschnitt der rechten Spurkranzrolle 18 verbunden. Werden die Wellenabschnitte mittels des Spreizantriebs 19 gegeneinander bewegt, verschieben sich auch die Komponenten des Sensors zueinander, wodurch ein Verschiebeweg gemessen wird. Bei an den Schienenköpfen anliegenden Spurkranzrollen 18 entspricht dieser Verschiebeweg der Spurweitendifferenz As.
[31] Das in Fig. 2 dargestellte Stabilisationsaggregat 10 umfasst eine Rollenzange 21 mit Klemmrollen 22, die von außen gegen den jeweiligen Schienenkopf stellbar sind. Die linke Klemmrolle 22 befindet sich in Klemmstellung. Die rechte Klemmrolle 22 ist in einer Freiposition dargestellt. Diese Position wird auch im Betrieb des Stabilisationsaggregats 10 genutzt, um Flindernissen auszuweichen (z.B. gelaschter Schienenstoß).
[32] In Klemmposition üben die Klemmantriebe 23 über die Klemmrollen 22 auf die Schienen 6 eine vorgegebene Klemmkraft FK aus, die der Spreizkraft Fs entgegenwirkt. Dabei sind die Klemmantriebe 23 und der Spreizantrieb 19 mittels einer Steuerungseinrichtung 24 so aufeinander abgestimmt, dass auf jede Schiene 6 eine gewünschte horizontale Belastungskraft FB wirkt.
[33] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung wird die Belastungskraft FB mittels der Steuerungseinrichtung 24 periodisch verändert, wie in Fig. 3 dargestellt. Beispielsweise folgt die Veränderung der Belastungskraft FB einer Kreisfunktion. Ausgewertet wird der dem Belastungsverlauf folgende Verlauf der Spurweitenveränderung. Dabei wird ein periodisches Steuerungssignal des Spreizantriebs 19 und/oder der Klemmantriebe 23 mit niedriger Frequenz (z.B. 1 Hz) gleichsam auf den Schwingungsverlauf des Vibrationsantriebs aufmoduliert. Bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit des Stabilisationsaggregats 10 von ca. 2 bis 2,5 km/h und üblicher Schwellenteilung tritt bei jeder Schienenbefestigung 7 eine gewünschte Änderung der Belastungskraft FB auf.
[34] Die Frequenz der veränderten Belastungskraft FB ist deutlich niedriger als die Vibrationsfrequenz, die gewöhnlich in einem Bereich von 30 Hz bis 35 Hz liegt. Massenträgheiten sind bei diesem Frequenzwert vernachlässigbar.
Auch eine abwechselnd nach außen und nach innen wirkende Belastungskraft FB stellt eine sinnvolle Variante dar. Dabei werden die schienenaußen- und schieneninnenliegenden Schienenbefestigungen 7 gleichermaßen beansprucht.
[35] Fig. 4 zeigt die Kräfte und Momente, die auf die Schiene 6 wirken. Dargestellt ist ein Querschnitt der Schiene 6 (Schienenprofil), deren Schienenfuß auf einer Zwischenlage 25 gelagert ist. Mittels des Stabilisationsaggregats 10 wird auf den Schienenkopf eine Querkraft Y und eine Vertikalkraft Q ausgeübt. Eine Lastangriffshöhe h ist durch die Dimensionen des Schienenprofils vorgegeben und bemisst sich von der Unterkante des Schienenfußes bis zur Fahrkante (14mm unterhalb der Schienenoberkante). Die Querkraft Y führt zu einem Biegemoment in der Schiene (gegenüber der Schienenfußebene), welches in Längsrichtung ein Torsionsmoment ausbildet.
[36] Das Torsionsmoment muss über mehrere Schienenstützpunkte aufgenommen werden. In den Schienenstützpunkten wird bedingt durch die Verdrillung der Schiene 6 ein reaktives Moment auf den Schienenfuß entwickelt. Der Schienenkopf lenkt sich so weit aus, bis ein eingebrachtes Moment Mt und ein reaktives Moment Mr gleich groß sind. Das eingebrachte Moment Mt ist dabei abhängig von der Querkraft Y:
Mt = Y h
[37] Das reaktive Moment Mr (rückstellendes Moment) resultiert aus der Vertikalkraft Q und aus Niederhaltekräften Fski der Schienenbefestigungen 7, wobei sich in der Schienenfußebene eine Distanz b zwischen der Schienenfußmitte und einem Schwerpunkt einer Druckverteilung ergibt:
Mr = (Q + 2-Fski) b
[38] Die Kräfte bzw. Momente bewirken eine Schienenkopfauslenkung ASL/R und eine Schienenfußrandeinsenkung a. Am Schienenfußrand stellt sich in der Zwischenlage 25 eine Randdruckspannung OR ein. Der Zusammenhang dieser Größen ist für unterschiedliche Niederhaltekräfte Fskn, Fski2, Fski3 in Fig. 5 dargestellt. Insbesondere im Diagramm rechts unten ist ersichtlich, dass bei einem konstanten eingebrachten Moment Mt 1 die Schienenkopfauslenkung ASL/RI , ASL/R2, ASL/R3 mit fallender Niederhaltekraft Fski3, Fski2, Fskn zunimmt. Das konstante eingebrachte Moment Mt1 ist bei unverändertem Schienenprofil auf eine konstante Querkraft Y zurückzuführen. Das Diagramm zeigt somit den Zusammenhang zwischen der Querkraft Y, der Schienenkopfauslenkung ASL/R bzw.
Spurweitenänderung und der Niederhaltekraft Fski, wobei letztere den Zustand der Schienenbefestigung 7 repräsentiert.
[39] Im Detail werden die am Stabilisationsaggregat 10 und an den Schienen 6 wirkenden Kräfte mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 erläutert. Während einer Gleisstabilisierung überlagern sich die Belastungskraft FB und die Schlagkraft Fv des Vibrationsantriebs 16. Auf die jeweilige Schiene 6 wirkt die resultierende horizontale Querkraft YL, YR. Die vorgegebenen Kräfte FK, FS und die erfasste Schienenkopfauslenkung ASL bzw. Spurweitendifferenz sind einer Auswerteeinrichtung 26 zugeführt. In der Auswerteeinrichtung 26 ist ein Algorithmus zur Bewertung des Zustandes der jeweiligen Schienenbefestigung 7 eingerichtet. Zur Übertragung der Ergebnisse umfasst die Auswerteeinrichtung 26 beispielsweise ein Funkmodul 27.
[40] Günstigerweise ist der Auswerteeinrichtung 26 auch die aktuelle Lastangriffshöhe h der horizontale Querkraft YL, YR zugeführt (Fig. 4). Zur Bestimmung der Lastangriffshöhe h ist es sinnvoll, wenn die Maschine 1 Sensoren zur automatischen Erkennung des Schienenprofils des befahrenen Gleises 4 umfasst. Alternativ dazu erfolgt eine Eingabe der Lastangriffshöhe h über ein Eingabegerät.
[41] Sinnvoll ist auch die automatische Erfassung der Schwellenpositionen (Stützpunkte der Schienen 6), um eine Schwellenteilung zu ermitteln. Die Frequenz des Verlaufs der horizontalen Belastungskraft FB (Fig. 3) ist dabei an die ermittelte Schwellenteilung und an eine Vorwärtsgeschwindigkeit des Stabilisationsaggregats 10 angepasst. Die Anpassung erfolgt in der Weise, dass auf jede Schienenbefestigung 7 dieselbe Belastungskraft FB wirkt.
[42] Die auf die jeweilige Schiene 6 wirkende Vertikalkraft Q ist vorteilhafterweise mit einem periodischen Verlauf vorgegeben. Dabei werden die Höhenstellantriebe 15 mit einem periodischen Steuerungssignal angesteuert, um das Stabilisationsaggregat 10 mit veränderlicher Kraft gegen den Maschinenrahmen 2 abzustützen. Die Frequenz des Verlaufs der horizontalen Belastungskraft FB ist dabei an den Verlauf der Vertikalkraft Q angepasst. Auf diese Weise werden unterschiedliche Vorspannungsniveaus beim Zusammenpressen der Zwischenlagen 25 berücksichtigt. Überwachbar ist dann die Kippfederwirkung der jeweiligen Schienenbefestigung 7 (Federzahl der Zwischenlage 25).
[43] Bei der in Fig. 6 dargestellten Messung ist die Spreizkraft Fs, mit der die jeweilige Schiene 6 beaufschlagt ist, größer als die von außen wirkende Klemmkraft FK. Demnach ist die resultierende Belastungskraft FB nach außen gerichtet. Dadurch wird eine Vergrößerung der Spurweite s bewirkt. Hier übersteigt die Spurweitenveränderung ein zulässiges Maß, weil die an der Messstelle befindliche Schienenbefestigung 7 fehlerhaft ist. Im konkreten Beispiel ist die rechte Verschraubung der am Schienenfuß anliegenden Flalterung nicht angezogen. Dadurch verdreht sich die Schiene 6 im belasteten Bereich nach außen.
[44] Beispielhafte Verläufe der einzelnen Kräfte F über der Zeit t sind in Fig. 7 dargestellt. Zur Veranschaulichung sind in drei zeitlichen Phasen I, II, III unterschiedliche, jeweils konstanten Belastungskräfte FBO, FBI , FB2 angenommen. Während die Schlagkraft Fv synchron auf beide Schienen 6 wirkt, drückt die Belastungskraft FB die Schienen auseinander bzw. zueinander. Aus der Schlagkraft Fv resultiert eine Schwingung des beaufschlagten Gleisrostabschnittes in Gleisquerrichtung. Die Belastungskraft FB wirkt innerhalb des Gleisrostes 5. Daraus resultieren die Schienenkopfauslenkungen ASL/R bzw. die Spurweitenveränderungen, deren Ausmaß vom Elastizitätsverhalten der Schienen 6 und vom Zustand der Schienenbefestigungen 7 abhängt.
[45] In einer ersten Phase I ist die Belastungskraft FB gleich null. Spreizkraft Fs und Klemmkraft FK sind gleich groß, sodass die jeweilige Schiene 6 ohne Querkraftwirkung lediglich eingespannt ist. Der Verlauf der Schlagkraft Fv ist mit einer dünnen durchgezogenen Linie dargestellt. In der ersten Phase I teilt sich die Wirkung der Schlagkraft Fv gleichmäßig auf beide Schienen 6 auf. Somit wirkt auf jede Schiene 6 als resultierende Querkraft YL, YR die halbe Schlagkraft Fv. [46] In einer zweiten Phase II ist eine geänderte Spreizkraft Fs vorgegeben, aus der eine auf die jeweilige Schiene 6 wirkende erste Belastungskraft FBIL, FBIR resultiert. Äquivalent zur Vorgabe einer geänderten Spreizkraft Fs kann auch eine geänderte Klemmkraft FK vorgegeben werden. Auch die Vorgabe der resultierenden ersten Belastungskraft FBIL, FBIR kann in äquivalenter Weise sinnvoll sein. Dabei werden zum Beispiel Spreizkraft Fs und/oder Klemmkraft FK in einem Regelkreis geändert, bis sich die vorgegebene erste Belastungskraft FBIL, FBIR einstellt.
[47] In Fig. 7 wirkt die jeweilige erste Belastungskraft FBIL, FBIR nach außen, weil die erste Spreizkraft Fsi größer ist als die Klemmkraft FK. Konkret ist eine linke erste Belastungskraft FBIL entgegen einer rechten ersten Belastungskraft FBIR gerichtet. Im Diagramm sind nach links gerichtete Kräfte positiv und nach rechts gerichtete Kräfte negativ dargestellt. Des Weiteren sind die auf die linke Schiene 6 wirkenden Kräfte FBIL, YIL, mit strichpunktierten Linien und die auf die rechte Schiene 6 wirkenden Kräfte FBIR, YIR, mit gestrichelten Linien eingezeichnet.
[48] In einer dritten Phase III gibt die Steuerungseinrichtung 24 eine zweite Spreizkraft Fs2 vor, die höher als die erste Spreizkraft Fsi ist. Die jeweilige Klemmkraft FK bleibt dabei unverändert, sodass die auf die jeweilige Schiene 6 wirkende zweite Belastungskraft FB2L, FB2R ebenfalls nach außen gerichtet ist. Die veränderte Belastungskraft FB2L, FB2R ist auch durch eine Änderung der zugeordneten Klemmkraft FK vorgebbar. Mit den unterschiedlich großen Belastungskräften FBIL, FBIR, FB2L, FB2R ist die Veränderung der Spurweite s infolge zweier unterschiedlicher Belastungszustände erfassbar.
[49] Die auf die linke Schiene 6 wirkende Querkraft YIL, Y2L ist die Summenkraft der halben Schlagkraft Fv und der linken Belastungskraft FBIL, FB2L. Auf die rechte Schiene 6 wirkt als Querkraft YIR, Y2R die Summenkraft der halben Schlagkraft Fv und der entgegenwirkenden rechten Belastungskraft FBIR, FB2R. Nach außen ergeben die beiden Querkräfte YIL, YIR bzw. Y2L, Y2R in Summe wiederum die ganze Schlagkraft Fv, wobei sich die Belastungskräfte FBIL, FBIR bzw. FB2L, FB2R im Gleisrost 5 gegenseitig aufheben und zur Veränderung der Spurweite s führen. [50] Fig. 8 zeigt bespielhaft die Abhängigkeit der Spurweite s von der Spreizkraft Fs bzw. von der resultierenden Belastungskraft FB. In der ersten Phase I gemäß Fig. 7 bleibt die gemessene Spurweite so unverändert, weil sich Spreizkraft Fs und Klemmkraft FK gegenseitig aufheben. In der zweiten Phase II wird eine erste erhöhte Spreizkraft Fsi vorgegeben, woraus sich die auf die jeweilige Schiene 6 wirkende erste Belastungskraft FBIL, FBIR ergibt. Dabei wird mittels der Messvorrichtung 20 die sich ergebende neue Spurweite si bzw. eine erste Spurweitendifferenz Asi gemessen. In der dritten Phase III wird eine zunehmend erhöhte zweite Spreizkraft Fs2 vorgegeben. Aufgrund der resultierenden erhöhten Belastungskräfte FB2L, FB2R steigt die Spurweite s auf einen höheren Wert S2 an und es ergibt sich eine zweite Spurweitendifferenz As2.
[51] Bereits aus der ersten Spurweitendifferenz Asi lassen sich Rückschlüsse auf die Qualität der an der Messstelle befindlichen Schienenbefestigungen 7 ziehen. Insbesondere die Differenz Db2 der beiden Spurweitenwerte si, S2 bei unterschiedlichen Belastungszuständen bildet eine Kenngröße zur Beurteilung der jeweiligen Schienenbefestigung 7. Aussagekräftig sind auch abgeleitete Kenngrößen wie die Steigung des Spurweitenverlaufs in Abhängigkeit der Belastungsänderungen.
[52] Zur ortsbezogenen Erfassung der Spurweitenveränderung umfasst die Maschine 1 sinnvollerweise eine Positionsbestimmungseinheit 28. Zum Beispiel ist ein GNSS-Modul am Dach der Maschine 1 angeordnet. Zur Positionsbestimmung einer aktuellen Messstelle wird die relative Lage des Stabilisationsaggregats 10 bzw. der Messvorrichtung 20 bezüglich des GNSS-Moduls mit ausgewertet. Die Positionsbestimmungseinheit 28 kann auch direkt am Stabilisationsaggregat 10 oder an einem Schienenfahrwerk 3 angeordnet sein.
[53] In einer einfachen Ausbildung der Erfindung werden die Messergebnisse der Messvorrichtung 20 einer Bedienperson in der Kabine 14 in Echtzeit angezeigt. Die Bedienperson kann unmittelbar darauf reagieren und eine fehlerhafte Schienenbefestigung 7 dokumentieren. Mit der Positionsbestimmungseinheit 28 können Messdaten bzw. Auswertedaten positionsbezogen abgespeichert werden. Auf diese Weise sind die Zustände der Schienenbefestigungen 7 am gesamten mit der Maschine 1 befahrenen Abschnitt des Gleises 4 automatisch dokumentiert. Über ein Funkmodul 27 erfolgt bei Bedarf eine Übertragung der Ergebnisse an eine Zentrale, um die Instandsetzung fehlerhafter Schienenbefestigungen 7 zu organisieren.
[54] Für eine effiziente und präzise Zustandsüberprüfung der Schienenbefestigungen 7 umfasst die Maschine 1 zwei hintereinander angeordnete Stabilisationsaggregate 10, wie in Fig. 1 und Fig. 9 dargestellt. Das jeweilige Stabilisationsaggregat 10 wird mit vorgegebener Spreizkraft Fs betrieben und weist eine eigene Messvorrichtung 20 auf. Dazu werden die Spreizantriebe 19 der jeweils vorderen Achse 17 mittels der zugeordneten Steuerungseinrichtung 24 angesteuert. Beispielsweise ist für das vordere Stabilisationsaggregat 10 eine erste Spreizkraft Fsi vorgegeben, die eine konstante erste Belastungskraft FBIL, FBIR bewirkt. Eine vorgegebene zweite Spreizkraft Fs2 des hinteren Stabilisationsaggregats 10 bewirkt eine konstante zweite Belastungskraft FB2L, FB2R.
[55] Mittels der beiden Messvorrichtungen 20 erfolgen positionsbezogene Messungen der jeweiligen Spurweite si, S2. Die erfassten Spurweitenwerte si, S2 sind der Auswerteeinrichtung 26 zugeführt, um einen positionsbezogenen Kennwert zu bestimmen. Ein aussagekräftiger Indikator für den Zustand der Schienenbefestigungen ist die Differenz der Spurweiten si, S2 infolge der unterschiedlichen Belastungskräften FBIL, FBIR, FB2L, FB2R.
[56] In Fig. 8 ist das Ergebnis einer Messung mit intakten Schienenbefestigungen 7 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die gemessenen Spurweiten si, S2 und Spurweitendifferenzen Asi, Db2 resultieren aus dem normalen Elastizitätsverhalten des Gleisrostes 5. Bei einem fehlerhaften Zustand einer Schienenbefestigung 7 ergeben sich ausgehend von der bestehenden Spurweite so veränderte Messwerte für die Spurweite si‘, S2 und die Spurweitendifferenzen Asi‘, As2‘ (strichpunktierte Linie in Fig. 8). Auch das Verhältnis der Messwerte si‘, S2 , Asi‘, As2‘ zueinander unterscheidet sich vom Ergebnis mit intakten Schienenbefestigungen 7. Beispielsweise vergrößert sich bei losen Befestigungen 7 die Spurweite s bereits bei geringer Erhöhung der Spreizkraft Fs. [57] Die Messergebnisse bieten somit eine valide Datenbasis für die Ableitung von Kenngrößen, die zur Beurteilung des Zustandes der jeweiligen Schienenbefestigung 7 dienen. Im einfachsten Fall wird bei gleicher erhöhter Spreizkraft Fs die Spurweitendifferenz Asi gegenüber der normalen Spurweite so ausgewertet. Bei einer fehlerhaften Schienenbefestigung 7 ist eine höhere Spurweitendifferenz Asi feststellbar.
[58] Mit der vorliegenden dynamischen Messung ist jeder entsprechend adaptierte Dynamische Gleisstabilisator zur Zustandsüberprüfung der Schienenbefestigungen 7 direkt vor Ort nutzbar. Das Verfahren ist so genau, dass einzelne lose Befestigungen 7 erkannt werden. Durch die zusätzliche Information über den Zustand der Befestigungsmittel der Schienen 6 erfolgt ein Sicherheitsanstieg bei der Freigabe des Gleises 4 nach einer Instandsetzung. Insbesondere bei der Gleisstabilisierung von Gleisneulagen kommt es immer wieder vor, dass Schienenbefestigungen 7 noch nicht fest angezogen wurden. Die vorliegende Erfindung ist daher bei der Bearbeitung von Gleisneulagen besonders vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Maschine (1) zum Verdichten eines Schotterbettes (9) eines Gleises (4) mit einem auf Schienenfahrwerken (3) abgestützten Maschinenrahmen (2) und einem höhenverstellbar mit diesem verbundenen Stabilisationsaggregat (10), das
- einen Vibrationsantrieb (16),
- eine Achse (17) mit auf Schienen (6) des Gleises (4) verfahrbaren Spurkranzrollen (18), deren senkrecht zur Maschinenlängsrichtung (11) verlaufender Abstand zueinander mittels eines Spreizantriebes (19) veränderbar ist, und
- eine mit Klemmantrieben (23) gegen die Schienen (6) stellbare Rollzange (21) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Spreizantrieb (19) und/oder die Klemmantriebe (23) zur Beaufschlagung der Schienen (6) mit einer vorgegebenen variablen horizontalen Belastungskraft (FB) eingerichtet sind, und dass eine Messvorrichtung (20) zur Erfassung einer durch die variable Belastungskraft (FB) bewirkten Schienenkopfauslenkung (ASL/R) und/oder Spurweitenveränderung (si, S2, Asi, Db2) angeordnet ist.
2. Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuerungseinrichtung (24) zur Ansteuerung des Spreizantriebs (19) und der Klemmantriebe (23) Steuerungssignale hinterlegt sind, die eine periodisch veränderte Belastungskraft (FB) bewirken.
3. Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) mit der Achse (17) der Spurkranzrollen (18) gekoppelt ist.
4. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (2) mit einer Auswerteeinrichtung (26) gekoppelt ist und dass die Auswerteeinrichtung (26) zur Bewertung einer Schienenbefestigung (7) auf Basis der erfassten Schienenkopfauslenkung (ASL/R) und/oder Spurweitenveränderung (si, S2, Asi, Db2) eingerichtet ist.
5. Maschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (26) zur Auswertung von an einer Messstelle erfassten Schienenkopfauslenkungen (ASL/R) und/oder Spurweitenwerten (so, si, S2, si‘, S2 ) in Abhängigkeit eines Verlaufs von veränderten Belastungswerten (FBO, FBI, FB2) eingerichtet ist, um einen Zustand von im Bereich der Messstelle positionierten Schienenbefestigungen (7) zu bewerten.
6. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsbestimmungseinheit (28) zur ortsbezogenen Erfassung der Schienenkopfauslenkungen (ASL/R) und/oder der Spurweitenveränderung (si, S2, Asi, AS2) angeordnet ist.
7. Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stabilisationsaggregate (10) hintereinander angeordnet sind und dass jedes Stabilisationsaggregat (10) eine Messvorrichtung (20) zur Erfassung einer durch die jeweilige horizontale Belastungskraft (FBI, FB2) bewirkten Schienenkopfauslenkungen (ASL/R) und/oder Spurweitenveränderung (si, S2, Asi,
AS2) umfasst.
8. Verfahren zum Betreiben einer Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Stabilisationsaggregat (10) mit den Spurkranzrollen (18) auf die Schienen (6) des Gleises (4) abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (6) mittels des Spreizantriebes (19) und/oder der Klemmantriebe (23) mit einer vorgegebenen variablen horizontalen Belastungskraft (FB) beaufschlagt werden und dass mittels der Messvorrichtung (20) eine durch die horizontale Belastungskraft (FB) bewirkte Schienenkopfauslenkung (ASL/R) und/oder Veränderung der Spurweite (s) erfasst wird, um daraus auf einen Zustand einer Schienenbefestigung (7) zu schließen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Belastungskraft (FB) mittels einer Steuerungseinrichtung (24) periodisch verändert wird mit einer Frequenz, die niedriger ist als eine Vibrationsfrequenz des Vibrationsantriebs (16).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienen (6) mittels des Stabilisationsaggregats (10) mit einer ersten horizontalen Belastungskraft (FBI) beaufschlagt werden und dass die Schienen (6) mittels eines weiteren Stabilisationsaggregats (10) mit einer zweiten horizontalen Belastungskraft (FB2) beaufschlagt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) kontinuierlich entlang des Gleises (4) bewegt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Auswerteeinrichtung (26) die Veränderung der Spurweite (s) in Abhängigkeit der variierten Belastungskraft (FB) erfasst und bewertet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (26) an einer Messstelle erfasste Werte der Schienenkopfauslenkung (ASL/R) und/oder Spurweitenwerte (so, si, S2, sF, S2 ) in Abhängigkeit unterschiedlicher Belastungskraftwerte (FBO, FBI , FB2) gemeinsam ausgewertet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Positionsbestimmungseinheit (28) eine Positionsbestimmung der Messvorrichtung (20) erfolgt, um Schienenkopfauslenkungen (ASL/R) und/oder Spurweitenveränderungen (si, S2, Asi, Db2) ortsbezogen zu erfassen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertedaten zur Zustandsbeurteilung einer jeweiligen Schienenbefestigung (7) ortsbezogen abgespeichert werden.
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