EP3870757B1 - Gleisbaumaschine und verfahren zum unterstopfen von schwellen eines gleises - Google Patents

Gleisbaumaschine und verfahren zum unterstopfen von schwellen eines gleises Download PDF

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EP3870757B1
EP3870757B1 EP19778908.4A EP19778908A EP3870757B1 EP 3870757 B1 EP3870757 B1 EP 3870757B1 EP 19778908 A EP19778908 A EP 19778908A EP 3870757 B1 EP3870757 B1 EP 3870757B1
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EP
European Patent Office
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control
tamping
variable
track
lowering
Prior art date
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EP3870757C0 (de
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Thomas Philipp
Reinhard BÖCK
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Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
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Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
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    • E01B27/12—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track; Compacting track-carrying ballast
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    • E01B27/13—Packing sleepers, with or without concurrent work on the track
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    • E01B27/02—Placing the ballast; Making ballastway; Redistributing ballasting material; Machines or devices therefor; Levelling means

Definitions

  • the invention relates to a track construction machine with a tamping unit for tamping under sleepers of a track lying in a ballast bed, comprising a tool carrier mounted in a height-adjustable manner on an aggregate frame, on which tamping tools are arranged so that they can be placed in relation to one another, the tool carrier being coupled to a height adjustment drive controlled by a control device and wherein To regulate a lowering movement of the tool carrier, a control circuit with a controller, an adjusting device for the height adjustment drive and a measuring device for detecting the lowering movement is set up.
  • the invention also relates to a method for operating a corresponding track-laying machine.
  • a track construction machine equipped with a tamping unit is used to create or stabilize a desired track position.
  • the track-laying machine drives along the track and raises the track grate made up of sleepers and rails to a target level using a lifting/leveling unit.
  • the new track position is fixed by tamping the sleepers using the tamping unit.
  • tamping tools tamping picks
  • tamping picks are set in vibration, lowered into the ballast bed on both sides of a sleeper and placed next to each other in order to compact the ballast under the sleeper.
  • the tamping tools are then lifted out of the ballast bed and moved apart.
  • the tamping unit is positioned over the next threshold and a new tamping cycle begins.
  • EP 1 233 108 A1 a lifting and lowering mechanism for a tamping unit, in which a hydraulic cylinder and a lever assembly coupled to a power unit frame.
  • a tamping unit with several tool carriers is out EP 0 698 687 A1 known. Each tool carrier is assigned its own height adjustment drive for separate lowering and lifting.
  • an operator When specifying the lowering movement, an operator usually has up to three speed levels to choose from in order to take the condition of the ballast bed into account.
  • the lowering When new tracks are laid, the lowering usually occurs at a slower speed than with a ballast bed that has hardened due to wear and environmental influences.
  • the aim is to quickly reach a specified immersion depth while keeping the lowering time as constant as possible.
  • a corresponding specification is made manually and is based on the experience of the operator.
  • AT 519 195 A1 discloses a tamping unit in which a vertical vibration is superimposed on the lowering movement of the tamping tools in order to facilitate penetration of the tamping tools into a hardened ballast bed.
  • a vertical vibration is superimposed on the lowering movement of the tamping tools in order to facilitate penetration of the tamping tools into a hardened ballast bed.
  • an additional load on the track construction machine is also accepted because the vertical vibration is also transmitted to a machine frame to which the tamping unit is attached.
  • the invention is based on the object of developing a track construction machine of the type mentioned so that the tamping tools of the tamping unit can be lowered into a ballast bed in an optimized manner.
  • a correspondingly optimized method for operating the track construction machine should be specified.
  • the invention provides that a control circuit with a controller, an adjusting device for the height adjustment drive and a measuring device for detecting the lowering movement is set up to regulate a lowering movement of the tool carrier. This makes it possible to provide an optimal sequence for the lowering movement. This applies to acceleration as well as penetration speed when the tamping picks hit the ballast bed and braking when the immersion depth is reached. With the control, individual phases of the lowering movement can be coordinated with one another, so that overall there is a minimum lowering time while at the same time protecting the track construction machine and the ballast bed.
  • the measuring device advantageously comprises a position sensor for detecting a height position of the tool carrier.
  • a corresponding controlled variable of the control loop can be easily specified and leads to stable control.
  • a speed or an acceleration of the tool carrier or the stuffing tools can be recorded.
  • the controller is preceded by a precontrol or a prefilter, by means of which a reference variable of the control loop can be adjusted by setting up an iterative learning algorithm in a computing unit.
  • the pre-control or pre-filter uses a mathematical model with setting parameters for optimized control of the actuating device in order to follow a predetermined sequence of the lowering movement with minimized deviations.
  • the height adjustment drive comprises a hydraulic cylinder with a hydraulic valve as an adjusting device. Hydraulic cylinders and hydraulic valves allow optimal control of the lowering and lifting movements with short cycle times and the provision of high forces.
  • the hydraulic valve is advantageously designed as a pilot-controlled control valve.
  • a highly dynamic and highly precise drive of a pilot control valve enables optimal control of the main stage sufficiently high flow capacity.
  • a servo valve or a proportional valve can be used.
  • the tamping unit is positioned above a tamping point on the track and the tool carrier is lowered via the height adjustment drive with tamping tools penetrating into the ballast bed, the lowering movement being carried out with a regulated movement size .
  • a reference variable is modified by means of a pilot control connected upstream of the controller or by means of a pre-filter connected upstream of the controller, with a control difference occurring during a stuffing cycle being fed to a computing unit and starting from the control difference in the computing unit by means of an iterative Learning control algorithm at least one parameter of the pre-control or the pre-filter is adjusted. This automatically responds to changes in the condition of the ballast bed, minimizing control interventions for subsequent tamping cycles.
  • the lowering movement of the tool carrier is advantageously detected by means of a position sensor. This is either arranged on the tamping unit or at another location on the track construction machine from which contactless detection of the lowering movement is possible.
  • control loop is given a reference variable that is dependent on a reduction time.
  • a function can then be generated over time as a predetermined sequence of a lowering movement.
  • control circuit is given a lowering path over the lowering time as a reference variable.
  • a desired braking curve and the intended immersion depth can be specified directly in a corresponding time-distance curve.
  • a setpoint curve is specified using a setpoint generator. This is an automated specification
  • a feedback variable of the control loop is supplied to the setpoint generator designed as a setpoint generator, with the predetermined lowering movement being adjusted depending on the feedback variable.
  • the feedback variable is the measured controlled variable and allows conclusions to be drawn about the condition of the ballast bed. For example, a heavily compacted gravel bed can mean that a specified immersion depth can no longer be achieved despite control.
  • the setpoint generator then gives the control circuit a lowering movement with a higher immersion speed. In this way, the available adjustment range of the adjusting device is always used optimally.
  • An improved method also provides that at least one of the variables processed in the control loop is fed to an evaluation device and that a parameter for the ballast bed is derived from the at least one variable by means of the evaluation device.
  • the manipulated variable, the feedback variable or the control difference allow conclusions to be drawn about the penetration behavior of the ballast bed, which results in a condition parameter of the ballast bed.
  • the tamping unit 1 shown comprises a unit frame 2 which is attached to a machine frame 3 of a track-laying machine which can be moved on rails 4 of a track 5.
  • the tamping unit 1 is used for tamping a ballast bed 6, on which sleepers 7 with the rails 4 of the track 5 attached thereto are stored.
  • a tool carrier 8 is guided in a height-adjustable manner in the unit frame 2, with a lowering movement 9 or lifting movement taking place by means of an assigned height adjustment drive 10.
  • a vibration drive 11 is arranged on the tool carrier 8, to which two additional drives 12 are connected.
  • Each auxiliary drive 12 is connected to a pivot lever 13. Both pivot levers 13 are mounted on the tool carrier 8 so that they can move relative to each other about a horizontal pivot axis 14 and have tamping tools 15 (tamping picks).
  • the drives 10, 11, 12 are controlled by a control device 16.
  • tamping tools 15 pick plates
  • Fig. 1 shows the tamping unit 1 during such a phase of the tamping process.
  • the tamping tools 15 are then reset and lifted out of the ballast bed 6.
  • the tamping unit 1 is moved to the next threshold 7 and a new tamping cycle begins with a lowering movement 9.
  • the desired immersion depth 17 of the tamping tools 15 is reached as quickly as possible, although the forces that occur do not cause any disruptive loads on the track construction machine.
  • the immersion depth 17 should be reached exactly and not exceeded so as not to damage either the sleepers 7 or a subgrade located under the ballast bed 6.
  • This optimized lowering movement 9 is achieved according to the invention by a control circuit set up in the track construction machine with a controller 18, an adjusting device 19 for the height adjustment drive 10 and a measuring device 20 for detecting the lowering movement 9 ( Fig. 2 ).
  • a setpoint generator 21 supplies an in Fig. 3
  • the setpoint curve shown for a controlled variable x can also be stored in the setpoint generator 21.
  • a selection is made by means of an intelligent control assuming at least one track parameter or by an operator.
  • the output of the setpoint generator 21 serves as a reference variable w of the control loop.
  • a lowering path s of the tool carrier 8 is provided as the controlled variable x.
  • the speed and/or acceleration of the tool carrier 8 can also be used as a controlled variable x.
  • the controller 18 includes a control element 22 and supplies a controller output variable y, which is fed to an actuator 23 to form a manipulated variable u.
  • a pilot-controlled control valve for a hydraulic cylinder of the height adjustment drive 10 serves as the actuating device 19.
  • the actuator 23 is then an actuator of this pilot-controlled control valve and controls an actuating path of the control valve as a manipulated variable u.
  • An existing control system 24 includes, as an actuator 25, the valve body of the control valve and all other components influencing the lowering movement 9. These include the hydraulic cylinder of the height adjustment drive 10 and all lowered components of the tamping unit 1 as well as components of the processed area of the track 5. In particular, the masses of the lowered components and a penetration resistance of the ballast bed 6 come into play here.
  • the controller output variable y output by the control element 22 is based on a control difference e, which results from the reference variable w minus a feedback variable r.
  • the feedback variable r is the controlled variable x recorded with the measuring device 20.
  • the controller 18 determines a numerical control value (numerical value of the controller output variable y) from a difference between a setpoint value (numerical value of the reference variable w) and an actual value (numerical value of the measured controlled variable x), which is specified to the controller 23.
  • Disturbances z act on the controlled system 24. This is, in particular, a change in the penetration resistance as a result of a changing condition of the ballast bed 6.
  • the disturbance of the controlled variable x caused by a changed penetration resistance results in a control difference e.
  • the manipulated variable u then supplied by the controller 18 and actuator 23 causes a changed control of the height adjustment drive 10, which counteracts the malfunction.
  • the tamping tools 15 penetrate too quickly into the ballast bed 6, a force acting from the height adjustment drive 10 on the tool carrier 8 is reduced. If penetration is too slow, the force is increased. In this way, the lowering movement 9 is always readjusted to the specified reference variable w in the event of target deviations.
  • the tamping tools 15 penetrate the ballast bed 6 at optimal speed and reach exactly the desired penetration depth 17. In addition, the penetration time in the individual tamping cycles is kept constant.
  • a pre-control or a pre-filter 26 for the reference variable w ( Fig. 5 ).
  • the aim of this measure is a modified reference variable w', which anticipates the conditions of the controlled system 24. For example, for the lowering path s specified as the controlled variable x, a changed curve course is specified over time t, as in Fig. 4 shown.
  • the system consisting of tamping unit 1 and processed track 5 then follows this modified reference variable specification with almost no control intervention.
  • the course drawn with a solid line is intended for a soft gravel bed 6 with lightly compacted gravel.
  • the further courses correspond to specifications for an increasingly compacted gravel bed 6, up to the dotted course for a very heavily compacted gravel bed 6.
  • a higher speed is required in the starting phase of the penetration.
  • a further improvement provides for a parameter adjustment of the pre-control or pre-filter 26, as in Fig. 6 shown.
  • a computing unit 27 is provided, to which a control difference e k occurring during a stuffing cycle k is supplied.
  • This control difference e k results consists of the unmodified reference variable w k minus the feedback variable r k .
  • a so-called iterative learning control algorithm 28 is set up in the computing unit 27. This is used to derive an optimized modified reference variable w' k+1 for the next stuffing cycle k+1 using the control difference e k and the modified reference variable w' k of the stuffing cycle k under consideration. Several past stuffing cycles with the resulting control differences e can also be used for this calculation.
  • the setting parameters of the precontrol or prefilter 26 are changed in a next step.
  • a corresponding setting algorithm 29 is set up in the computing unit 27.
  • the changed pre-control or the changed pre-filter 26 causes a reduction in the control activity, whereby the control becomes more stable overall.
  • Initial conditions for the iterative learning control algorithm 28 are either specified by an operator or an assumption is made using an intelligent control. The iterative adjustment of the parameters then starts from this specification. In a simple variant, the same initial conditions are always assumed.
  • the setpoint generator 21 is designed as a setpoint generator. Similar to a trajectory generator, this setpoint generator generates a sequence of the lowering movement 9, for example as a course of the lowering path s over time t. In this way, the setpoint generator supplies the controller 18 or the precontrol or the prefilter 26 with the reference variable w. In addition, the setpoint generator is supplied with the feedback variable r in order to detect deviations from the reference variable w.
  • initial conditions are specified either by an operator or by an intelligent controller based on assumed track parameters.
  • the setpoint generator As soon as the deviations reach a level that is no longer negligible, the setpoint generator generates a new specification for the lowering movement 9. For example, a limit value for permissible deviations is specified, so that when the limit value is reached, the setpoint generator generates a new course of the lowering path s over time t. In this way, a changed condition of the ballast bed 6 is automatically responded to without affecting the stability and accuracy of the control.
  • the setpoint generator can also be used at the beginning of a work assignment in order to specify a starting sequence for the lowering movement 9. It is advantageous if several test tampings are carried out in order to adapt the specifications for the control to the prevailing conditions.
  • the electronic components of the control in particular the setpoint generator 21, the controller 18 and possibly the computing unit 27, are set up in a separate electronic circuit or integrated in the control device 16.
  • the measuring device 20 is arranged, for example, directly on the height adjustment drive 10, whereby a hydraulic cylinder with integrated path measurement makes sense.
  • an evaluation device 30 is provided, to which at least one variable u, e, r of the control loop is supplied in order to derive a parameter for the ballast bed 6.
  • a parameter indicates, for example, whether it is new gravel or heavily compacted and contaminated gravel.

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  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)

Description

    Gebiet der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Gleisbaumaschine mit einem Stopfaggregat zum Unterstopfen von in einem Schotterbett liegenden Schwellen eines Gleises, umfassend einen auf einem Aggregatrahmen höhenverstellbar gelagerten Werkzeugträger, auf dem Stopfwerkzeuge zueinander beistellbar angeordnet sind, wobei der Werkzeugträger mit einem mittels einer Steuerungseinrichtung angesteuerten Höhenverstellantrieb gekoppelt ist und wobei zum Regeln einer Absenkbewegung des Werkzeugträgers ein Regelkreis mit einem Regler, einer Stelleinrichtung für den Höhenverstellantrieb und einer Messeinrichtung zur Erfassung der Absenkbewegung eingerichtet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Gleisbaumaschine.
    • Stand der Technik
  • Eine mit einem Stopfaggregat ausgestattete Gleisbaumaschine wird dazu verwendet, eine gewünschte Gleislage herzustellen oder zu stabilisieren. Dabei befährt die Gleisbaumaschine das Gleis und hebt den aus Schwellen und Schienen gebildeten Gleisrost mittels eines Hebe-/Richtaggregats auf ein Sollniveau. Eine Fixierung der neuen Gleislage erfolgt durch Unterstopfen der Schwellen mittels des Stopfaggregats. Dazu werden Stopfwerkzeuge (Stopfpickel) in Vibration versetzt, auf beiden Seiten einer Schwelle in das Schotterbett abgesenkt und zueinander beigestellt, um den Schotter unter der Schwelle zu verdichten. Anschließend werden die Stopfwerkzeuge wieder aus dem Schotterbett gehoben und auseinander bewegt. Das Stopfaggregat wird über der nächsten Schwelle positioniert und ein neuer Stopfzyklus beginnt.
  • Für das Absenken und Heben der Stopfwerkzeuge sind verschiedene Lösungen bekannt. Beispielsweise beschreibt EP 1 233 108 A1 einen Hebe- und Absenkmechanismus für eine Stopfeinheit, bei der ein Hydraulikzylinder und eine Hebelanordnung mit einem Aggregatrahmen gekoppelt sind. Ein Stopfaggregat mit mehreren Werkzeugträgern ist aus EP 0 698 687 A1 bekannt. Dabei ist jedem Werkzeugträger zum separaten Absenken und Heben ein eigener Höhenverstellantrieb zugeordnet.
  • Für eine Vorgabe der Absenkbewegung stehen einer Bedienperson in der Regel bis zu drei Geschwindigkeitsstufen zur Auswahl, um die Beschaffenheit des Schotterbettes zu berücksichtigen. Bei einer Gleisneulage erfolgt das Absenken gewöhnlich mit einer geringeren Geschwindigkeit als bei einem durch Verschleiß und Umwelteinflüsse verhärteten Schotterbett. Ziel ist ein rasches Erreichen einer vorgegebenen Eintauchtiefe bei möglichst konstanter Absenkzeit. Eine entsprechende Vorgabe erfolgt durch manuelle Einstellung und basiert auf den Erfahrungen der Bedienperson.
  • AT 519 195 A1 offenbart ein Stopfaggregat, bei dem der Absenkbewegung der Stopfwerkzeuge eine vertikale Vibration überlagert ist, um ein Eindringen der Stopfwerkzeuge in ein verhärtetes Schotterbett zu erleichtern. Allerdings wird dabei auch eine zusätzliche Belastung der Gleisbaumaschine in Kauf genommen, weil sich die vertikale Vibration auch auf einen Maschinenrahmen überträgt, an dem das Stopfaggregat befestigt ist.
  • Aus der DE 29 46 737 A1 ist eine gattungsgemäße Gleisbaumaschine bekannt, bei der die Absenkbewegung des Werkzeugträgers geregelt erfolgt, wobei eine aktuelle Höhenstellung der Stopfwerkzeuge erfasst wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleisbaumaschine der eingangs genannten Art weiterzubilden, damit die Stopfwerkzeuge des Stopfaggregats in optimierter Weise in ein Schotterbett absenkbar sind. Zudem soll ein entsprechend optimiertes Verfahren zum Betreiben der Gleisbaumaschine angegeben werden.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung sieht vor, dass zum Regeln einer Absenkbewegung des Werkzeugträgers ein Regelkreis mit einem Regler, einer Stelleinrichtung für den Höhenverstellantrieb und einer Messeinrichtung zur Erfassung der Absenkbewegung eingerichtet ist. Damit ist es möglich, für die Absenkbewegung einen optimalen Ablauf vorzusehen. Das betrifft eine Beschleunigung ebenso wie eine Eindringgeschwindigkeit beim Auftreffen der Stopfpickel auf das Schotterbett sowie einen Bremsverlauf beim Erreichen der Eintauchtiefe. Mit der Regelung sind einzelne Phasen der Absenkbewegung aufeinander abstimmbar, sodass insgesamt eine minimale Absenkzeit bei gleichzeitiger Schonung der Gleisbaumaschine und des Schotterbettes gegeben ist.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung einen Positionsgeber zur Erfassung einer Höhenposition des Werkzeugträgers. Eine entsprechende Regelgröße des Regelkreises ist in einfacher Weise vorgebbar und führt zu einer stabilen Regelung. Alternativ oder zusätzlich kann eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Werkzeugträgers bzw. der Stopfwerkzeuge erfasst werden.
  • Erfindungsgemäß ist dem Regler eine Vorsteuerung oder ein Vorfilter vorgeschaltet, mittels derer eine Führungsgröße des Regelkreises anpassbar ist, indem in einer Recheneinheit ein Iterative Learning Algorithmus eingerichtet ist. Die Vorsteuerung oder der Vorfilter nutzt dabei ein mathematisches Modell mit Einstellparametern für eine optimierte Ansteuerung der Stelleinrichtung, um einem vorgegebenen Ablauf der Absenkbewegung mit minimierten Abweichungen zu folgen.
  • In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung umfasst der Höhenverstellantrieb einen Hydraulikzylinder mit einem Hydraulikventil als Stelleinrichtung. Hydraulikzylinder und Hydraulikventil erlauben eine optimale Regelung der Absenkbewegung und der Hebebewegung mit kurzen Zykluszeiten und Bereitstellung hoher Kräfte.
  • Das Hydraulikventil ist dabei günstigerweise als vorgesteuertes Regelventil ausgebildet. Dabei ermöglicht ein hochdynamischer und hochpräziser Antrieb eines Vorsteuerventils eine optimale Regelung der Hauptstufe mit ausreichend hoher Durchflusskapazität. Als Alternative ist ein Servoventil oder ein Proportionalventil einsetzbar.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Unterstopfen von in einem Schotterbett liegenden Schwellen eines Gleises mit einer oben beschriebenen Gleisbaumaschine wird das Stopfaggregat über einer Stopfstelle des Gleises positioniert und der Werkzeugträger über den Höhenverstellantrieb mit in das Schotterbett eindringenden Stopfwerkzeugen abgesenkt, wobei die Absenkbewegung mit einer geregelten Bewegungsgröße durchgeführt wird.
  • Um bei der Regelung der Absenkbewegung Regelabweichungen zu minimieren wird mittels einer dem Regler vorgeschalteten Vorsteuerung oder mittels eines dem Regler vorgeschalteten Vorfilters eine Führungsgröße modifiziert, wobei eine während eines Stopfzyklus auftretende Regeldifferenz einer Recheneinheit zugeführt wird und wobei ausgehend von der Regeldifferenz in der Recheneinheit mittels eines Iterative Learning Control Algorithmus zumindest ein Parameter der Vorsteuerung oder des Vorfilters angepasst wird. Damit wird automatisch auf Zustandsänderungen des Schotterbettes reagiert, wobei die Regeleingriffe für nachfolgende Stopfzyklen minimiert werden.
  • Günstigerweise wird die Absenkbewegung des Werkzeugträgers mittels eines Positionsgebers erfasst. Dieser ist entweder am Stopfaggregat angeordnet oder an einer sonstigen Stelle der Gleisbaumaschine, von der aus eine berührungslose Erfassung der Absenkbewegung möglich ist.
  • Für eine stabile Regelung ist es von Vorteil, wenn dem Regelkreis eine von einer Absenkzeit abhängige Führungsgröße vorgegeben wird. Als vorgegebener Ablauf einer Absenkbewegung ist dann eine Funktion über der Zeit generierbar.
  • Dabei ist es sinnvoll, wenn dem Regelkreis ein Absenkweg über der Absenkzeit als Führungsgröße vorgegeben wird. In einer entsprechenden Zeit-Weg-Kurve kann direkt ein gewünschter Bremsverlauf und die vorgesehene Eintauchtiefe angegebene werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Sollwertverlauf mittels eines Sollwertgebers vorgegeben. Damit ist eine automatisierte Vorgabe der
  • Führungsgröße möglich. Beispielsweise sind im Sollwertgeber unterschiedliche Sollwertverläufe hinterlegt und eine Auswahl erfolgt mittels einer intelligenten Steuerung unter Annahme eines Gleisparameters oder mehrerer Parameter. Dabei kann auch die Vorgabe von Parametern oder eines Sollwertverlaufs durch eine Bedienperson sinnvoll sein.
  • Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn dem als Sollwertgenerator ausgebildeten Sollwertgeber eine Rückführungsgröße des Regelkreises zugeführt wird, wobei die vorgegebene Absenkbewegung in Abhängigkeit der Rückführungsgröße angepasst wird. Die Rückführungsgröße ist dabei die gemessene Regelgröße und erlaubt Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Schotterbettes. Beispielsweise kann ein stark verdichtetes Schotterbett dazu führen, dass eine vorgegebene Eintauchtiefe trotz Regelung nicht mehr erreicht wird. Der Sollwertgenerator gibt dann dem Regelkreis eine Absenkbewegung mit höherer Eintauchgeschwindigkeit vor. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehenden Stellbereich der Stelleinrichtung immer optimal genutzt.
  • Ein verbessertes Verfahren sieht auch vor, dass zumindest eine der im Regelkreis verarbeiteten Größen einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird und dass mittels der Auswerteeinrichtung aus der zumindest einen Größe eine Kenngröße für das Schotterbett abgeleitet wird. Insbesondere die Stellgröße, die Rückführungsgröße oder die Regeldifferenz erlauben Rückschlüsse auf ein Eindringverhalten des Schotterbettes, woraus sich eine Zustandskenngröße des Schotterbettes ergibt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
    • Fig. 1
    Stopfaggregat in Seitenansicht
    Fig. 2
    Regelkreis
    Fig. 3
    Führungsgrößenverlauf
    Fig. 4
    Modifizierte Führungsgrößenverläufe
    Fig. 5
    Regelkreis mit Vorfilter bzw. Vorsteuerung
    Fig. 6
    Regelkreis mit anpassbarem Vorfilter bzw. anpassbarer Vorsteuerung
    Fig. 7
    Regelkreis mit Sollwertgenerator zur Generierung eines geänderten Führungsgrößenverlaufes
    Beschreibung der Ausführungsformen
  • Das in Fig. 1 dargestellte Stopfaggregat 1 umfasst einen Aggregatrahmen 2, der an einem Maschinenrahmen 3 einer auf Schienen 4 eines Gleises 5 fahrbaren Gleisbaumaschine befestigt ist. Das Stopfaggregat 1 dient zum Stopfen eines Schotterbettes 6, auf dem Schwellen 7 mit den darauf befestigten Schienen 4 des Gleises 5 gelagert sind. Im Aggregatrahmen 2 ist ein Werkzeugträger 8 höhenverstellbar geführt, wobei eine Absenkbewegung 9 bzw. Hebebewegung mittels eines zugeordneten Höhenverstellantriebs 10 erfolgt.
  • Am Werkzeugträger 8 ist ein Schwingungsantrieb 11 angeordnet, an den zwei Beistellantriebe 12 angeschlossen sind. Jeder Beistellantrieb 12 ist mit einem Schwenkhebel 13 verbunden. Beide Schwenkhebel 13 sind zueinander um eine jeweils horizontale Schwenkachse 14 bewegbar am Werkzeugträger 8 gelagert und weisen Stopfwerkzeuge 15 (Stopfpickel) auf. Angesteuert werden die Antriebe 10, 11, 12 mittels einer Steuerungseinrichtung 16.
  • Die freien Enden der Stopfwerkzeuge 15 (Pickelplatten) dringen während eines Stopfvorgangs bis unter eine Schwellenunterkante in das Schotterbett 6 ein und verdichten den Schotter unter der betreffenden Schwelle 7. Fig. 1 zeigt das Stopfaggregat 1 während einer solchen Phase des Stopfvorgangs. Im Anschluss daran werden die Stopfwerkzeuge 15 rückgestellt und aus dem Schotterbett 6 gehoben. Das Stopfaggregat 1 wird zur nächsten Schwelle 7 bewegt und ein neuer Stopfzyklus beginnt mit einer Absenkbewegung 9.
  • Bei einer optimierten Absenkbewegung 9 wird die gewünschte Eintauchtiefe 17 der Stopfwerkzeuge 15 schnellstmöglich erreicht, wobei jedoch die auftretenden Kräfte keine störenden Belastungen der Gleisbaumaschine hervorrufen. Zudem soll die Eintauchtiefe 17 genau erreicht und nicht überschritten werden, um weder die Schwellen 7 noch ein unter dem Schotterbett 6 befindliches Planum zu beschädigen.
  • Erreicht wird diese optimierte Absenkbewegung 9 erfindungsgemäß durch einen in der Gleisbaumaschine eingerichteten Regelkreis mit einem Regler 18, einer Stelleinrichtung 19 für den Höhenverstellantrieb 10 und einer Messeinrichtung 20 zur Erfassung der Absenkbewegung 9 (Fig. 2). Um den Ablauf der Absenkbewegung 9 vorzugeben, liefert beispielsweise ein Sollwertgeber 21 einen in Fig. 3 dargestellten Sollwertverlauf für eine Regelgröße x. Dabei können im Sollwertgeber 21 auch mehrere Sollwertverläufe hinterlegt sein. Eine Auswahl erfolgt mittels einer intelligenten Steuerung unter Annahme zumindest eines Gleisparameters oder durch eine Bedienperson. Die Ausgabe des Sollwertgebers 21 dient als Führungsgröße w des Regelkreises. Als Regelgröße x ist beispielsweise ein Absenkweg s des Werkzeugträgers 8 vorgesehen. Auch die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Werkzeugträgers 8 sind als Regelgröße x heranziehbar.
  • Der Regler 18 umfasst ein Regelglied 22 und liefert eine Reglerausgangsgröße y, die einem Steller 23 zur Bildung einer Stellgröße u zugeführt ist. Als Stelleinrichtung 19 dient beispielsweise ein vorgesteuertes Regelventil für einen Hydraulikzylinder des Höhenverstellantriebs 10. Der Steller 23 ist dann ein Stellantrieb dieses vorgesteuerten Regelventils und steuert als Stellgröße u einen Stellweg des Regelventils. Eine vorliegende Regelstrecke 24 umfasst als Stellglied 25 den Ventilkörper des Regelventils und alle sonstigen die Absenkbewegung 9 beeinflussenden Komponenten. Dazu zählen der Hydraulikzylinder des Höhenverstellantriebs 10 und alle abgesenkten Komponenten des Stopfaggregats 1 ebenso wie Komponenten des bearbeiteten Bereichs des Gleises 5. Insbesondere kommen hier die Massen der abgesenkten Komponenten und ein Eindringwiderstand des Schotterbettes 6 zum Tragen.
  • Die vom Regelglied 22 ausgegebene Reglerausgangsgröße y basiert auf einer Regeldifferenz e, die sich aus der Führungsgröße w abzüglich einer Rückführungsgröße r ergibt. Die Rückführungsgröße r ist dabei die mit der Messeinrichtung 20 erfasste Regelgröße x. Konkret bestimmt der Regler 18 aus einer Differenz eines Sollwertes (nummerischer Wert der Führungsgröße w) und eines Istwertes (nummerischer Wert der gemessenen Regelgröße x) einen nummerischen Stellwert (nummerischer Wert der Reglerausgangsgröße y), der dem Steller 23 vorgegeben wird.
  • Auf die Regelstrecke 24 wirken Störgrößen z ein. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Änderung des Eindringwiderstands infolge einer sich ändernden Beschaffenheit des Schotterbettes 6. Die durch einen veränderten Eindringwiderstand verursachte Störung der Regelgröße x ergibt eine Regeldifferenz e. Die daraufhin vom Regler 18 und Steller 23 gelieferte Stellgröße u bewirkt eine veränderte Ansteuerung des Höhenverstellantriebs 10, wodurch der Störung entgegengewirkt wird.
  • Zum Beispiel wird bei einem zu schnellen Eindringen der Stopfwerkzeuge 15 in das Schotterbett 6 eine vom Höhenverstellantrieb 10 auf den Werkzeugträger 8 wirkende Kraft reduziert. Bei zu langsamen Eindringen wird die Kraft erhöht. Auf diese Weise wird die Absenkbewegung 9 bei Sollabweichungen immer der vorgegebenen Führungsgröße w nachgeregelt. Die Stopfwerkzeuge 15 dringen dabei mit optimaler Geschwindigkeit in das Schotterbett 6 ein und erreichen exakt die gewünschte Eindringtiefe 17. Zudem wird die Eindringzeit in den einzelnen Stopfzyklen konstant gehalten.
  • Um die Eingriffe der Regelung zu minimieren ist es sinnvoll, für die Führungsgröße w eine Vorsteuerung bzw. einen Vorfilter 26 vorzusehen (Fig. 5). Ziel dieser Maßnahme ist eine modifizierte Führungsgröße w', welche die Gegebenheiten der Regelstrecke 24 vorwegnimmt. Beispielsweise wird für den als Regelgröße x vorgegebenen Absenkweg s über der Zeit t ein veränderter Kurvenverlauf vorgegeben, wie in Fig. 4 dargestellt. Das System aus Stopfaggregat 1 und bearbeitetem Gleis 5 folgt dann dieser modifizierten Führungsgrößenvorgabe nahezu ohne Regelungseingriffe.
  • Dabei ist der mit durchgezogener Linie gezeichnete Verlauf für ein weiches Schotterbett 6 mit schwach verdichtetem Schotter vorgesehen. Die weiteren Verläufe entsprechen Vorgaben für ein zunehmend verdichtetes Schotterbett 6, bis hin zum punktiert eingezeichneten Verlauf für ein sehr stark verdichtetes Schotterbett 6. Um hier in der vorgesehenen Zeit die gewünschte Eindringtiefe 17 zu erreichen, ist eine höhere Geschwindigkeit in der Startphase des Eindringens erforderlich.
  • Eine weitere Verbesserung sieht eine Parameteranpassung der Vorsteuerung bzw. des Vorfilters 26 vor, wie in Fig. 6 dargestellt. Dazu ist erfindungsgemäß eine Recheneinheit 27 vorgesehen, der eine während eines Stopfzyklus k auftretende Regeldifferenz ek zugeführt wird. Diese Regeldifferenz ek ergibt sich aus der nicht modifizierten Führungsgröße wk abzüglich der Rückführungsgröße rk.
  • In der Recheneinheit 27 ist ein sogenannter Iterative Learning Control Algorithmus 28 eingerichtet. Dieser wird genutzt, um mittels der Regeldifferenz ek und der modifizierten Führungsgröße w'k des betrachteten Stopfzyklus k vorab eine optimierte modifizierte Führungsgröße w'k+1 für den nächsten Stopfzyklus k+1 abzuleiten. Für diese Berechnung können auch mehrere vergangene Stopfzyklen mit den dabei auftretenden Regeldifferenzen e herangezogen werden.
  • Damit die optimierte modifizierte Führungsgröße w'k+1 zur Anwendung kommt, werden in einem nächsten Schritt die Einstellparameter der Vorsteuerung bzw. des Vorfilters 26 geändert. Dazu ist in der Recheneinheit 27 ein entsprechender Einstellalgorithmus 29 eingerichtet. Die geänderte Vorsteuerung bzw. der geänderte Vorfilter 26 bewirkt eine Verringerung der Regelungsaktivität, wodurch die Regelung insgesamt stabiler wird. Anfangsbedingungen für den Iterative Learning Control Algorithmus 28 werden entweder durch eine Bedienperson vorgegeben oder es wird mittels einer intelligenten Steuerung eine Annahme getroffen. Die iterative Anpassung der Parameter startet dann von dieser Vorgabe. In einer einfachen Variante wird immer von gleichen Anfangsbedingungen ausgegangen.
  • Eine weitere Verbesserung wird mit Bezug auf Fig. 7 erläutert. Hier ist der Sollwertgeber 21 als Sollwertgenerator ausgebildet. Ähnlich einem Trajektoriengenerator generiert dieser Sollwertgenerator einen Ablauf der Absenkbewegung 9, beispielsweise als Verlauf des Absenkwegs s über der Zeit t. Der Sollwertgenerator liefert auf diese Weise dem Regler 18 bzw. der Vorsteuerung oder dem Vorfilter 26 die Führungsgröße w. Zudem ist dem Sollwertgenerator die Rückführungsgröße r zugeführt, um Abweichungen von der Führungsgröße w zu erfassen. Auch hier werden Anfangsbedingungen entweder durch eine Bedienperson oder durch eine intelligente Steuerung auf Basis angenommener Gleisparameter vorgegeben.
  • Zunehmende Abweichungen deuten darauf hin, dass die Regelung an ihre Grenzen stößt, weil die generierte Führungsgröße w nicht mehr erreichbar ist. Sobald die Abweichungen ein nicht mehr vernachlässigbares Ausmaß erreichen, generiert der Sollwertgenerator eine neue Vorgabe für die Absenkbewegung 9. Beispielsweise ist ein Grenzwert für zulässige Abweichungen vorgegeben, sodass der Sollwertgenerator beim Erreichen des Grenzwertes einen neuen Verlauf des Absenkweges s über der Zeit t generiert. Auf diese Weise wird automatisiert auf eine geänderte Beschaffenheit des Schotterbettes 6 reagiert, ohne die Stabilität und Genauigkeit der Regelung zu beeinträchtigen.
  • Der Sollwertgenerator kann auch zu Beginn eines Arbeitseinsatzes zur Anwendung kommen, um einen Startablauf der Absenkbewegung 9 vorzugeben. Dabei ist es günstig, wenn mehrere Probestopfungen durchgeführt werden, um die Vorgaben für die Regelung an die herrschenden Bedingungen anzupassen.
  • Die elektronischen Komponenten der Regelung, insbesondere der Sollwertgeber 21, der Regler 18 und gegebenenfalls die Recheneinheit 27, sind in einer separaten elektronischen Schaltung eingerichtet oder in der Steuerungseinrichtung 16 integriert. Die Anordnung der Messeinrichtung 20 erfolgt beispielsweise direkt am Höhenverstellantrieb 10, wobei ein Hydraulikzylinder mit integrierter Wegmessung sinnvoll ist.
  • Zudem ist in einer erweiterten Ausführungsform eine Auswerteeinrichtung 30 vorgesehen, der zumindest eine Größe u, e, r des Regelkreises zugeführt ist, um eine Kenngröße für das Schotterbett 6 abzuleiten. Eine solche Kenngröße gibt beispielsweise an, ob es sich um neuen Schotter oder um stark verdichteten und verschmutzten Schotter handelt.

Claims (11)

  1. Gleisbaumaschine mit einem Stopfaggregat (1) zum Unterstopfen von in einem Schotterbett (6) liegenden Schwellen (7) eines Gleises (5), umfassend einen auf einem Aggregatrahmen (2) höhenverstellbar gelagerten Werkzeugträger (8), auf dem Stopfwerkzeuge (15) zueinander beistellbar angeordnet sind, wobei der Werkzeugträger (8) mit einem mittels einer Steuerungseinrichtung (16) angesteuerten Höhenverstellantrieb (10) gekoppelt ist und wobei zum Regeln einer Absenkbewegung (9) des Werkzeugträgers (8) ein Regelkreis mit einem Regler (18), einer Stelleinrichtung (19) für den Höhenverstellantrieb (10) und einer Messeinrichtung (20) zur Erfassung der Absenkbewegung (9) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis mit einer Recheneinheit (27) vorgesehen ist und dass dem Regler (18) eine Vorsteuerung oder ein Vorfilter (26) vorgeschaltet ist, mittels derer eine Führungsgröße (w) anpassbar ist, indem in der Recheneinheit (27) ein Iterative Learning Control Algorithmus (28) eingerichtet ist.
  2. Gleisbaumaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) einen Positionsgeber zur Erfassung einer Höhenposition des Werkzeugträgers (8) umfasst.
  3. Gleisbaumaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenverstellantrieb (10) einen Hydraulikzylinder mit einem Hydraulikventil als Stelleinrichtung (19) umfasst.
  4. Gleisbaumaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil als vorgesteuertes Regelventil ausgebildet ist.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Gleisbaumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Stopfaggregat (1) über einer Stopfstelle des Gleises (5) positioniert wird und dass der Werkzeugträger (8) über den Höhenverstellantrieb (10) mit in das Schotterbett (6) eindringenden Stopfwerkzeugen (15) abgesenkt und die Absenkbewegung (9) mit einer geregelten Bewegungsgröße (x, s) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer dem Regler (18) vorgeschalteten Vorsteuerung oder mittels eines dem Regler (18) vorgeschalteten Vorfilters (26) eine Führungsgröße (w) in der Weise modifiziert wird, dass eine während eines Stopfzyklus (k) auftretende Regeldifferenz (ek) einer Recheneinheit (27) zugeführt wird und dass ausgehend von der Regeldifferenz (ek) in der Recheneinheit (27) mittels eines Iterative Learning Control Algorithmus (28) zumindest ein Parameter (p) der Vorsteuerung oder des Vorfilters (26) angepasst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkbewegung (9) des Werkzeugträgers (8) mittels eines Positionsgebers erfasst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regelkreis eine von einer Absenkzeit (t) abhängige Führungsgröße (w) vorgegeben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regelkreis ein Absenkweg (s) über der Absenkzeit (t) als Führungsgröße (w) vorgegeben wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertverlauf mittels eines Sollwertgebers (21) vorgegeben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem als Sollwertgenerator ausgebildeten Sollwertgeber (21) eine Rückführungsgröße (r) des Regelkreises zugeführt wird und dass die vorgegebene Absenkbewegung (9) in Abhängigkeit der Rückführungsgröße (r) angepasst wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der im Regelkreis verarbeiteten Größen einer Auswerteeinrichtung (30) zugeführt wird und dass mittels der Auswerteeinrichtung (30) aus der zumindest einen Größe eine Kenngröße für das Schotterbett (6) abgeleitet wird.
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