EP4314410A1 - Vorrichtung und verfahren zum verdichten eines gleisbettes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum verdichten eines gleisbettes

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Publication number
EP4314410A1
EP4314410A1 EP22708114.8A EP22708114A EP4314410A1 EP 4314410 A1 EP4314410 A1 EP 4314410A1 EP 22708114 A EP22708114 A EP 22708114A EP 4314410 A1 EP4314410 A1 EP 4314410A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
track
compaction
support frame
compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22708114.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Auer
Bernhard ANTONY
Patrick HÖTZENDORFER
Dietmar Adam
Fritz Kopf
Johannes Pistrol
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Original Assignee
Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH filed Critical Plasser und Theurer Export Von Bahnbaumaschinen GmbH
Publication of EP4314410A1 publication Critical patent/EP4314410A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B27/00—Placing, renewing, working, cleaning, or taking-up the ballast, with or without concurrent work on the track; Devices therefor; Packing sleepers
    • E01B27/06—Renewing or cleaning the ballast in situ, 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
    • E01B27/00—Placing, renewing, working, cleaning, or taking-up the ballast, with or without concurrent work on the track; Devices therefor; Packing sleepers
    • E01B27/06—Renewing or cleaning the ballast in situ, with or without concurrent work on the track
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
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    • E01B27/06—Renewing or cleaning the ballast in situ, with or without concurrent work on the track
    • E01B27/10—Renewing or cleaning the ballast in situ, with or without concurrent work on the track without taking-up track
    • E01B27/105—Renewing or cleaning the ballast in situ, with or without concurrent work on the track without taking-up track the track having been lifted
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C19/00—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving
    • E01C19/22—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving for consolidating or finishing laid-down unset materials
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02—Improving by compacting
    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil

Definitions

  • the invention relates to a device for compacting subgrade and/or other substructure layers or base layers of a track, mountable on a movable track construction machine, comprising a compaction unit, with a vibrating plate, at least one imbalance exciter and an associated drive unit being assigned to it, the Device comprises a support frame and the compression unit can be variably positioned in the work area of the track by the compression unit being coupled to the support frame via an adjustment actuator.
  • the invention relates to a method for operating the device.
  • a high-quality compaction of fill layers, base layers or frost protection layers and the like that meets the requirements has a significant influence on the usability and service life of the track system to be built on it in railway and civil engineering.
  • Trailed compactors, vibratory rollers or vibratory plates are suitable tools for soil compaction.
  • vibratory plates also known as vibratory plate compactors, are mainly used for track construction machines.
  • direct test methods include pressure or dynamic probing, leveling and load pressure plate tests. The latter are also referred to as plate pressure tests or load plate tests and represent non-destructive measurement methods.
  • the static load plate test as a test according to ⁇ NORM B 4417 and DIN 18134 is used, among other things, to determine the deformation modulus E vi and E V 2 as well as the compression ratio E V 2/E V 1 in the entire earthwork, foundation and road construction for the initial test, Suitability test and conformity test or control test.
  • the dynamic load plate test provides the dynamic deformation modulus Evd. RVS 08.03.04 (March 2008) serves as a guideline. Due to the simpler, more practical handling and the test results obtained immediately, the latter method is often used.
  • the Proctor test is carried out in accordance with ⁇ NORM B 4418 or DIN 18127.
  • the degree of compaction D pr provides information about the quality of the compaction and can therefore be used as a control value.
  • the degree of compaction is calculated from the ratio of the dry density of the tested soil to the Proctor density.
  • measuring methods are known which can be used, with the appropriate effort, to record soil parameters such as load-bearing capacity or elasticity properties. These measurement methods can be used independently of compaction machines.
  • EP 1172481 B1 discloses a machine for renewing a track consisting of rails and sleepers.
  • a clearing device for receiving ballast and a conveyor belt unit for transporting ballast devices for processing and compacting the ballast are also used.
  • FIG. 3 describes a gravel leveling device (27) that can be adjusted in height by drives (26) and a gravel compactor (28) that can be vibrated. There is no integrated compaction control. Presentation of the invention
  • the invention is based on the object of specifying an improvement over the prior art for a track-laying machine of the type mentioned at the outset, in order to increase the performance and thus the completed track length per unit of time of the track-laying machine when processing and compacting subgrade and/or other To increase substructure layers or base layers of a track. Furthermore, an increase in the compaction quality, the compaction success and their parallel, complete documentation as a proof of compaction is achieved. In addition, a method for processing a track that is carried out using the device is to be specified.
  • the device comprises at least two acceleration sensors, a position measuring unit of the imbalance exciter and a force measuring unit.
  • the mechanical device for compaction is characterized by an integrated acquisition of physical variables. Prevailing states relevant to the compression process are recorded directly in the area of the compression unit or the adjustment mechanism. These include the acceleration at the edge areas of the vibrating plate, the position or angular position of the imbalance mass of the imbalance exciter and the force or load on the compaction unit.
  • the device comprises at least one pressure transducer. In this way, the hydraulic oil pressures present in the adjustment actuators can be recorded. This achieves precise adjustment and regulation of the load on the compaction unit.
  • a development provides that the acceleration sensors are arranged both on the vibrating plate of the compaction unit and on the support frame.
  • the additional detection of the acceleration on the support frame of the device allows a more precise evaluation and Interpretation of the measurement data through the evaluation logarithms.
  • the relationship between the acceleration values of the vibrating plate and the acceleration values of the supporting frame allows specific conclusions to be drawn about the operating and movement behavior of the vibrating plate. Possible operating states of the vibrating plate are outlined in FIGS. 7-10 and set out in the description of the embodiments.
  • a longitudinal axis of the adjustment actuator arranged between the support frame and the compression unit extends in an approximately horizontal direction. In addition to force application points that are well placed in terms of strength, this also results in a compact, space-saving design of the mechanical adjustment mechanism.
  • control and regulation unit is set up for all sensors and actuators. This enables a targeted control or regulation of the actuators and ensures a stable, continuous compaction process.
  • the device comprises a GNSS position unit.
  • the recorded, physical measured variables are also supplemented with the respective current geographical position.
  • the track operator receives measurement data that can be assigned geographically in his route network.
  • the device for working with an on-board hydraulic system and power and data line network of the track construction machine can be connected.
  • a simple connection or subsequent installation of the device to the track construction machine is given.
  • several compression units are arranged over the support frame to form a common group and parallel working operation is provided.
  • Such a grouping of the compression units offers a space-saving, cost-effective arrangement on just one support frame. The compaction process is carried out in just one pass "on a line".
  • the position measuring unit of the imbalance exciter comprises at least two Hall sensors.
  • the measuring principle works contact-free, and its application is correspondingly wear-free.
  • the long service life is considered a major advantage.
  • the acceleration sensors of the device are read in by a computing unit, subsequently evaluated using evaluation logarithms and parameters for controlled, regulated operation of the device are determined therefrom.
  • the adjustment actuator for positioning and/or applying force to the compaction unit and in particular at least one further adjustment actuator for positioning the compaction unit is controlled fully or semi-automatically as a function of parameter specifications.
  • Reading in and evaluating the measurement data enables a broad, comprehensive analysis of the compaction process and the behavior of the compaction unit. This allows conclusions to be drawn about the nature of the soil and thus the soil/subsoil rigidity, the deformation modulus and the degree of compaction.
  • the aim is to achieve a homogeneous compaction that meets the requirements and specifications in just one continuous work process. This is achieved by appropriately influencing the parameters and adjusting as well as controlling the actuators.
  • the adjustment actuators are controlled fully automatically, although semi-automatic operation is also possible, which sometimes requires input and/or acknowledgments by a machine operator.
  • Undesirable operating or movement states are recognized by the control and regulation unit and subsequently counteracted by targeted control and regulation of the adjustment actuators. In this way, a uniform compaction quality is achieved in accordance with the specifications.
  • the measurement data obtained from all or even individual sensors or measuring units are determined via evaluation logarithms of the computing unit, relevant soil properties or characteristic parameters in order to draw conclusions about the local condition and the composition of the layer to be compacted draw. For example, it is possible to draw conclusions about the soil stiffness via the relationship between the force applied and the compaction energy introduced, as well as to detect, record and reproduce the compaction status and thus the compaction success.
  • the long-term basis for a system for compaction control and optimization of ballast compaction is to be created through suitable analysis of measurement data.
  • An extension provides that both the acquisition and the recording of the measured values determined, the GNSS position data or coordinates and also the parameter specifications take place continuously. With the measured variables supplemented by the respective current geographical position, locally different soil conditions and soil parameters can be displayed or extensively visualized on a country/route network map. This can also be mentioned as a significant simplification in the planning of new construction and renovation projects. Depending on the existing soil properties, a targeted material procurement can be carried out in coordination with the specifications and requirements for the protective layer(s), the substructure or the base layer.
  • FIG. 1 Side view of a track construction machine with a device for compacting and an upstream conveyor or Clearing chain arrangement for removing and picking up track construction material
  • FIG. 2 Top view of the working devices of the track-laying machine from Fig. 1 Fig. 3 Cross-section of a track body with a layered structure Fig. 4 Side view of a device for compacting with an adjustment actuator for applying a variable load Fig. 5 Side view of a device for compacting with ballast via a clamped spring (spring shown only by guide mandrel)
  • FIG. 6 isometric view of the device from FIG. 5 (compaction unit 12 not shown for a better overview)
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated track construction machine 1 with a conveyor or clearing chain arrangement 10 mounted on a machine frame 2 and a device 11 for compacting a protective layer 8, which can be moved on a track 4 by rail chassis 3.
  • the conveyor or clearing chain arrangement 10 and the device 11 can be positioned below the track 4 .
  • This embodiment of the device 11 shows a plurality of compression units 12 which are arranged in groups on a common support frame 16 .
  • a GNSS position unit 27 is attached to the lateral support profile of the support frame 16 in order to record a geographic position of the device 11 .
  • a control and regulation unit 31 and a computing unit 32 are installed in a protected area on the machine frame 2 or in a cabin 30 .
  • FIG. 2 shows a plan view, with the focus of the display being on the working devices and their grouping.
  • the track construction machine 1 itself and the machine frame 2 are not shown therein for a better overview.
  • four compaction units 12 form a common group 26 for compacting the central main driving area below the track 4, while further adjustably arranged compaction units 12 are used for the edge areas of the track structure.
  • a variably rotatable and height-positionable compaction unit 12 is used for smoothing and compaction for the edge regions adjoining the middle main driving region on the left and right in the viewing direction of the longitudinal track axis 40 . These can be swiveled using their own drives via movable side arms and their vertical height can also be adjusted.
  • the device 11 is also preceded by a clearing/leveling blade 39 in order to smooth the removal of accumulations of material from the upstream material input or heap and subsequently to prevent uneven leveling/compacting results that do not correspond to the quality.
  • the support frame 16 is rotatably mounted on several axes relative to the machine frame 2 in order to adapt the location and position of the devices 11 to the respective prevailing work area in the area of the track 4.
  • the support frame 16 is designed to be divisible, which means that a space-saving and safe transfer or transport position can be adopted and there is a high degree of flexibility in work use.
  • FIG. 3 The cross-section of a track body with a layer structure is shown in Fig. 3.
  • a rail vehicle or the track construction machine 1 with the rail bogies 3 on the rails 5 is indicated at the top level.
  • the two rail tracks of the rails 5 are mounted on sleepers 6, while the sleepers 6 themselves are embedded in the ballast 7 of the superstructure.
  • Beneath the ballast 7 is the protective layer 8, also referred to as the unbound base layer. This is constructed in one or more layers and is usually designed with a gradient for water drainage.
  • the protective layer 8 serves as formation protection layer "PSS" and/or frost protection layer "FSS”.
  • the substructure/underground 9 represents the lowest level in cross section.
  • the track construction machine 1 from FIG 11 can also be used for the superstructure and thus gravel 7 as well as the substructure/subsoil 9 .
  • FIG. 4 shows the device 11 as a side view, which comprises an adjustment mechanism and a compression unit 12 .
  • the adjustment mechanism is attached to the support frame 16 . This connection (not shown) is screwed or welded.
  • the adjustment mechanism thus functions as a coupling device for the movable mounting and position adjustability of the compression unit
  • this mechanism includes a first adjustment actuator 17, a force measuring unit 20, and a second adjustment actuator 25 as essential components
  • Support frame 16 as well as the height relative to the layer of material to be compacted can be adjusted according to the respective work process.
  • a variable, controlled load is applied to the compression unit 12 via the first adjustment actuator 17 via the coupling elements of the adjustment mechanism and the force measuring unit 20 .
  • the load is transferred directly from a vibrating plate 13 to the protective layer 8 or substructure 9 to be compacted.
  • the force measuring unit 20 also serves as an articulation element for force transmission.
  • the vibrating plate 13 is in direct contact with the layer of material to be processed.
  • the force-measuring unit 20 continuously records the surcharge and transmits this to the computing unit 32.
  • the computing unit 32 coupled to the control and regulation unit 31 regulates the surcharge in accordance with the parameter specifications.
  • the force-measuring unit 20 can also be combined directly with the adjustment actuator 17 or integrated directly.
  • the compaction unit 12 comprises the vibrating plate 13, an imbalance exciter 14, a drive unit 15, acceleration sensors 18 and a position measuring unit 19.
  • the acceleration sensors 18 are arranged on the vibrating plate 13 in the front and rear area, viewed in the direction of movement. In these areas, the vibrating plate 13 is light curved upwards. As a result, good sliding and movement behavior of the compression unit 12 is possible.
  • the imbalance exciter 14 is joined to the vibrating plate 13 and includes a rotating mass 22 which is acted upon by the drive unit 15.
  • the drive unit 15 is designed as a hydraulic motor. This sets the rotating mass 22 in motion about an axis of rotation 23 .
  • An eccentricity of the center of mass of the mass 22 to the axis of rotation 23 ensures a centrifugal force and a resulting working torque during rotary motion.
  • a position measuring unit 19 is installed in the housing of the imbalance exciter 14 to determine the position or angular position of the rotating mass 22 .
  • This includes two Hall sensors, but in other versions it can also have several sensors.
  • the adjustment actuator 17 is arranged in the adjustment mechanism between the support frame 16 and the compression unit 12 in such a way that a longitudinal axis 24 assigned to it extends approximately in the horizontal direction. Both adjusting actuators 17, 25 are designed as hydraulic linear actuators. The supply of this, as well as the drive unit 15 is provided by an on-board hydraulic system 28. A power and data line network 29 installed on the track construction machine 1 connects all sensors to the control and regulation unit 31 or the computing unit 32. Furthermore, there is a pressure transducer 21 on the device 11 for detecting the hydraulic oil pressures in the vicinity of the adjustment actuators 17, 25 appropriate.
  • FIG. 5 shows the side view of a further device for compaction, the loading of the compaction unit 12 taking place via a clamped spring 38 .
  • the adjustment actuator 17 of the embodiment in FIG. 4 for variable adjustment and regulation of the load is omitted.
  • the spring 38 is shown here only by a guide mandrel and the outer threaded rods for tensioning.
  • the further structure and the mode of operation correspond to the embodiment in FIG. 4.
  • An isometric view with the adjustment mechanism of the device from FIG. 5 is shown in FIG.
  • the compression unit 12 is not shown for a better overview.
  • FIGS. 7-10 show time sequences 32, 33, 34, 35 of possible movement patterns of the vibrating plate 13 of the compression unit 12.
  • the Classification is made in four operating states. The categorization is based on simulations on a mechanical model and the evaluation of the investigations.
  • the selected mechanical model corresponds to a one-dimensional view of the motion sequences in the vertical direction. According to this boundary condition, the vibratory plate can only move parallel to the subsoil and only one compaction state is described.
  • the vertical displacements s of the identified operating states contact 32, lift-off 33, jump 34 and chaos 35 are summarized below in FIGS. 7-10.
  • Fig. 7 shows the movement behavior of the operating state contact, there is constant contact between the vibrating plate and the subsoil or soil to be compacted.
  • the displacement graph of vibrating plate 36 coincides with the displacement graph of soil 37.
  • the jumping operating state is characterized by an alternating strong and weak impact on the material to be compacted.
  • the weak punch disappears entirely and an air punch occurs instead.
  • several punches can also be made in the air.
  • the impact on the ground following the air strikes then takes place with a significantly greater ground contact force.
  • Jumping represents a very favorable operating condition with regard to compaction success.
  • the compaction device is subjected to significantly greater stress than in the Operational state Lift off.
  • the displacement graphs of the vibrating plate 36 and the floor 37 only partially coincide.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (11) zum Verdichten von Planums- und/oder anderen Unterbauschichten bzw. Tragschichten (7, 8, 9) eines Gleises (4), auf einer verfahrbaren Gleisbaumaschine (1) montierbar, umfassend eine Verdichtungseinheit (12), wobei dieser eine Rüttelplatte (13), wenigstens ein Unwuchterreger (14) sowie eine zugehörige Antriebseinheit (15) zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung (11) einen Tragrahmen (16) umfasst und die Verdichtungseinheit (12) variabel im Arbeitsbereich des Gleises (4) positionierbar ist, indem die Verdichtungseinheit (12) über einen Verstellaktor (17) mit dem Tragrahmen (16) gekoppelt ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung (11) wenigstens zwei Beschleunigungssensoren (18), eine Lagemesseinheit (19) des Unwuchterregers (14) und eine Kraftmesseinheit (20) umfasst. Damit werden die Leistungsfähigkeit sowie die Verdichtungsqualität der Gleisbaumaschine erhöht.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Verdichten eines Gleisbettes
Technisches Gebiet
[01] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten von Planums und/oder anderen Unterbauschichten bzw. Tragschichten eines Gleises, auf einer verfahrbaren Gleisbaumaschine montierbar, umfassend eine Verdichtungseinheit, wobei dieser eine Rüttelplatte, wenigstens ein Unwuchterreger sowie eine zugehörige Antriebseinheit zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung einen Tragrahmen umfasst und die Verdichtungseinheit variabel im Arbeitsbereich des Gleises positionierbar ist, indem die Verdichtungseinheit über einen Verstellaktor mit dem Tragrahmen gekoppelt ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
Stand der Technik
[02] Eine den Anforderungen entsprechende und qualitativ hochwertig ausgeführte Verdichtung von Schüttlagen, Tragschichten oder Frostschutzschichten und dergleichen hat im Bahn- und Tiefbau einen maßgeblichen Einfluss auf die Gebrauchstauglichkeit und die Lebensdauer der darauf zu errichtenden Gleisanlage. Als Werkzeuge zur Bodenverdichtung eignen sich gezogene Verdichter, Vibrationswalzen, oder Vibrationsplatten. Im Bahnbau kommen bei Gleisbaumaschinen vorwiegend Vibrationsplatten, auch als Rüttelplattenverdichter bezeichnet, zum Einsatz.
[03] Bei der Verdichtung des Untergrundes besteht grundsätzlich der Wunsch, eine Aussage über den jeweils vorliegenden Verdichtungsgrad zu erhalten, um einerseits die geforderten Verdichtungswerte garantieren zu können und andererseits einen möglichst effizienten Einsatz der Verdichtungsgeräte zu erreichen.
[04] Bei der punktuellen Verdichtungskontrolle wird zwischen direkten und indirekten Prüfverfahren differenziert. Eine Bestimmung der Dichte mitsamt Ermittlung des Verdichtungsgrades entspricht einer direkten Verdichtungskontrolle. Als indirekte Prüfverfahren zählen hingegen die Druck- oder Rammsondierung, die Nivellierung und die Lastdruckplattenversuche. Letztere werden auch als Plattendruckversuche oder Lastplattenversuche bezeichnet und stellen zerstörungsfreie Messverfahren dar.
[05] Der statische Lastplattenversuch als Versuch gemäß ÖNORM B 4417 sowie DIN 18134 dient unter anderem zur Ermittlung des Verformungsmoduls Evi und EV2 sowie des Verdichtungsverhältnisses EV2/EV1 im gesamten Erd-, Grund- und Straßenbau zur Erstprüfung, Eignungsprüfung und Konformitätsprüfung bzw. Kontrollprüfung. Hingegen liefert der dynamische Lastplattenversuch den dynamischen Verformungsmodul Evd. Als Richtlinie dient hier die RVS 08.03.04 (März 2008). Aufgrund der einfacheren, praktikablen Handhabung und der sofort gewonnenen Versuchsergebnisse kommt letztere Methode häufig zu Anwendung.
[06] Bislang wird im Bahnbau die Qualität der Verdichtung beim Neubau von
Gleisanlagen und Unterbausanierungsarbeiten über den Verformungsmodul Evd und den Verdichtungsgrad Dpr ermittelt. Bei Bestimmung des Verformungsmoduls ist zu beachten, dass dieser auch von den Eigenschaften des Untergrunds unter der zu verdichtenden Schicht abhängt. Dieser Einfluss folgt aus der Tiefenwirkung der Versuchsmethode.
[07] Den Verdichtungsgrad Dpr erhält man aus den Dichteverhältnissen im
Proctorversuch. Der Proctorversuch wird gemäß ÖNORM B 4418 oder auch DIN 18127 ausgeführt. Der Verdichtungsgrad Dpr gibt Auskunft über die Qualität der Verdichtung und kann aus diesem Grund als Kontrollwert herangezogen werden. Der Verdichtungsgrad errechnet sich aus dem Verhältnis der Trockendichte des geprüften Bodens gegenüber der Proctordichte.
[08] Nach aktuellem Stand erfolgt eine Verdichtungskontrolle bedingt durch die aufwendigen und zeitintensiven Messverfahren nur punktuell. Für die Ausführung ist entsprechend geschultes Fachpersonal erforderlich. Da diese Messungen unterhalb der Gleisbaumaschine durchgeführt werden, ist der gesamte Arbeits- bzw. Verdichtungsprozess zu unterbrechen. Die Gleisbaumaschine muss aus Sicherheitsgründen angehalten und die Gerätschaften zur Ausführung der Versuche installiert werden. Bei dieser konventionellen, punktuellen Prüfmethode erfolgt an ausgewählten Stellen eine Verdichtungskontrolle. Der Nachweis der Verdichtungskontrolle und deren Protokollierung ist auch seitens der Infrastrukturbetreiber und Behörden vorgeschrieben. Ein kontinuierlicher, unterbrechungsfreier und damit lückenloser Verdichtungsnachweis ist mit Rüttelplattenverdichtern bislang nicht möglich.
[09] Mit den oben beschriebenen Versuchen und Methoden sind Messverfahren bekannt, mit deren Hilfe bei entsprechendem Aufwand Bodenkennwerte, wie beispielsweise die Tragfähigkeit oder Elastizitätseigenschaften, erfasst werden können. Diese Messverfahren sind unabhängig von Verdichtungsmaschinen einsetzbar.
[10] Auch weitere, unmittelbar in Zusammenhang mit Verdichtungsmaschinen eingesetzte oder gar auf Verdichtungsmaschinen realisierte Verfahren und Vorrichtungen für die Anwendung im Grund- und Straßenbau sind bekannt. Ein System zur Verdichtungskontrolle bei Vibrationsplatten ist z.B. in der EP 1164223 A2 beschrieben.
[11] In der EP 1172481 B1 ist eine Maschine zur Erneuerung eines aus Schienen und Schwellen bestehenden Gleises offenbart. Neben einer Aufnahmevorrichtung und einer Ablagevorrichtung für Schwellen, einer Räumvorrichtung zur Aufnahme von Schotter und einer Förderbandeinheit zum Schottertransport werden auch Vorrichtungen zur Bearbeitung und Verdichtung des Schotters eingesetzt. Etwa ist in Fig. 3 eine durch Antriebe (26) höhenverstellbare Schotterplaniereinrichtung (27) und ein in Vibration versetzbarer Schotterverdichter (28) beschrieben. Eine integrierte Verdichtungskontrolle erfolgt dabei nicht. Darstellung der Erfindung
[12] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Gleisbaumaschine der eingangs genannten Art eine dahingehende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben, um die Leistungsfähigkeit und damit die fertiggestellte Gleislänge je Zeiteinheit der Gleisbaumaschine beim Bearbeiten und Verdichten von Planums- und/oder anderen Unterbauschichten bzw. Tragschichten eines Gleises zu erhöhen. Weiters wird eine Steigerung der Verdichtungsqualität, des Verdichtungserfolges und deren parallele, lückenlose Dokumentation als Verdichtungsnachweis erzielt. Zudem soll ein mittels der Vorrichtung durchgeführtes Verfahren zum Bearbeiten eines Gleises angegeben werden.
[13] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung an.
[14] Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Beschleunigungssensoren, eine Lagemesseinheit des Unwuchterregers und eine Kraftm esse in heit umfasst. Die mechanische Vorrichtung zur Verdichtung zeichnet sich durch eine integrierte Erfassung von physikalischen Größen aus. Für den Verdichtungsprozess relevante, vorherrschende Zustände werden direkt im Bereich der Verdichtungseinheit bzw. des Verstellmechanismus erfasst. Dazu zählen die Beschleunigung an den Randbereichen der Rüttelplatte, die Position bzw. Winkellage der Unwuchtmasse des Unwuchterregers sowie die Kraft bzw. Auflast auf die Verdichtungseinheit.
[15] Vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung wenigstens einen Druck-Messumformer umfasst. So können die anliegenden hydraulischen Öldrücke in den Verstellaktoren erfasst werden. Dadurch wird ein präzises Verstellen und Regeln der Auflast auf die Verdichtungseinheit erreicht.
[16] Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Beschleunigungssensoren sowohl auf der Rüttelplatte der Verdichtungseinheit wie auch auf dem Tragrahmen angeordnet sind. Die zusätzliche Erfassung der Beschleunigung am Tragrahmen der Vorrichtung lässt eine genauere Bewertung und Interpretation der Messdaten durch die Auswertelogarithmen zu. Dabei lassen sich durch das Verhältnis der Beschleunigungswerte von Rüttelplatte zu den Beschleunigungswerten des Tragrahmens konkrete Rückschlüsse auf das Betriebs- und Bewegungsverhalten der Rüttelplatte ableiten. Mögliche Betriebszustände der Rüttelplatte sind in den Figuren 7-10 skizziert und der Beschreibung der Ausführungsformen dargelegt.
[17] Sinnvoll ist, wenn der Unwuchterreger als rotierende Masse mit einer Exzentrizität des Massenschwerpunktes zur Drehachse ausgeführt ist. Diese Bauform des Unwuchterregers zeichnet sich in Kombination mit einer gut ausgelegten Lagerung als robust und langlebig aus. Auch ist bei dieser Bauart im Bedarfsfall eine relativ einfache Durchführung von Instandhaltungs- wie auch Reparaturarbeiten möglich.
[18] Zudem ist es von Vorteil, dass sich eine Längsachse des zwischen dem Tragrahmen und der Verdichtungseinheit angeordneten Verstellaktors in annähernd horizontaler Richtung erstreckt. Damit ist neben festigkeitstechnisch gut platzierten Krafteinleitungspunkten eine kompakte, platzsparende Ausführung des mechanischen Verstellmechanismus gegeben.
[19] Des Weiteren ist vorgesehen, dass für sämtliche Sensorik und Aktorik eine Steuer- und Regeleinheit eingerichtet ist. Diese ermöglicht eine gezielte Ansteuerung bzw. Regelung der Aktoren und sorgt für einen stabilen, kontinuierlichen Verdichtungsprozess.
[20] In einer Ausprägung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine GNSS- Positionseinheit umfasst. Dadurch werden die erfassten, physikalischen Messgrößen auch mit der jeweils aktuellen, geographischen Position ergänzt. Damit erhält der Gleisstreckenbetreiber in seinem Streckennetz geographisch zuordenbare Messdaten.
[21] Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung für den Arbeitsbetrieb mit einem bordeigenen Hydrauliksystem sowie Strom- und Datenleitungsnetz der Gleisbaumaschine verbindbar ist. Somit ist eine einfache Anbindung oder auch nachträgliche Installation der Vorrichtung an die Gleisbaumaschine gegeben. [22] Dabei ist in einer Variante vorgesehen, dass mehrere Verdichtungseinheiten über den Tragrahmen zu einer gemeinsamen Gruppe angeordnet sind und ein paralleler Arbeitsbetrieb vorgesehen ist. Eine solche Gruppierung der Verdichtungseinheiten bietet eine platzsparende, kostengünstige Anordnung auf nur einem Tragrahmen. Der Verdichtungsprozess wird so annähernd in nur einem Durchgang „auf einer Linie“ ausgeführt.
[23] Eine Verbesserung sieht vor, dass die Lagemesseinheit des Unwuchterregers wenigstens zwei Hall-Sensoren umfasst. Das Messprinzip funktioniert berührungslos, entsprechend verschleißfrei erfolgt deren Anwendung. Die hohe Lebensdauer gilt dabei als großer Vorteil.
[24] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung werden die Beschleunigungssensoren der Vorrichtung von einer Recheneinheit eingelesen, in weiterer Folge mittels Auswertelogarithmen bewertet und daraus Parameter für einen kontrollierten, geregelten Betrieb der Vorrichtung ermittelt. In Abhängigkeit von Parametervorgaben erfolgt eine voll- oder auch halbautomatische Ansteuerung des Verstellaktors zur Positionierung und/oder Kraftbeaufschlagung der Verdichtungseinheit und insbesondere wenigstens eines weiteren Verstellaktors zur Positionierung der Verdichtungseinheit.
Das Einlesen und Auswerten der Messdaten ermöglicht eine breite, umfangreiche Analyse des Verdichtungsvorganges wie auch des Verhaltens der Verdichtungseinheit. Damit können Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Bodens und damit die Boden-/Untergrundsteifigkeit, den Verformungsmodul und den Verdichtungsgrad gezogen werden. Ziel ist dabei eine den Anforderungen und Vorgaben entsprechende, homogene Verdichtung in nur einem fortlaufenden Arbeitsdurchgang zu erreichen. Dies wird durch entsprechende Beeinflussung der Parameter und Anpassung wie auch Ansteuerung der Aktoren erreicht.
[25] Die bisher konventionelle Verdichtung des Bodens von der Oberfläche aus findet normalerweise in mehreren Übergängen statt. So wird üblicherweise das lockere Planum mit großer Amplitude und geringer Frequenz verdichtet um tiefere Bereiche zu erreichen. In einer nächsten Überfahrt erfolgt die dynamische Verdichtung mit großer Amplitude. Nach diesem Verdichten der tieferen Regionen werden mit kleiner Amplitude und hoher Frequenz die oberflächennahen Bereiche durch mehrmalige Verdichtungsfahrten endverdichtet. Im Gegensatz dazu bewerkstelligt das neue Verfahren der Anmelderin die komplette Verdichtung des Planums in einer einzigen Überfahrt bei geringer Geschwindigkeit. Dabei werden die beschriebenen Verdichtungsvorgänge zur Verdichtung von Tiefenlagen und Oberflächenbereichen durch ein periodisches Ändern der Parameter bewirkt. Damit wird ein Durchfahren unterschiedlicher Betriebszustände bei nur einer Überfahrt erreicht. Die möglichen Betriebszustände sind in den Figuren 7-10 dargestellt und beschrieben.
[26] Entsprechend den Verdichtungsvorgaben des Betreibers erfolgt die Ansteuerung der Verstellaktoren vollautomatisch wobei auch ein halbautomatischer Betrieb möglich ist, der teilweise Eingaben und/oder Quittierungen durch einen Maschinenbediener erfordert. Unerwünschte Betriebs- bzw. Bewegungszustände werden von der Steuer- und Regeleinheit erkannt und in weiterer Folge durch gezielte Ansteuerung und Regelung der Verstellaktoren entgegenwirkt. So wird eine gleichmäßige Verdichtungsqualität entsprechend den Vorgaben erreicht.
[27] Sinnvoll ist dabei, dass aus den ermittelten Parametern für den Betrieb die über den Verstellaktor ausgeübte Auflast auf die zu bearbeitende Schicht des Gleises stetig über die Steuer- und Regeleinheit entsprechend den eingestellten bzw. hinterlegten Parametervorgaben geregelt wird. Dadurch wird eine für den jeweiligen Verdichtungsvorgang bzw. den Betriebszustand der Rüttelplatte erforderliche Auflast geregelt und eine entsprechende, konstante Verdichtungsqualität erreicht. Dabei ist auch ein sogenannter Schwellbetrieb vorgesehen, bei dem ein periodischer Wechsel der Auflast erfolgt. Alternativ dazu zeigen die Figuren 5 und 6 für Anwendungen mit geringeren Ansprüchen an die Verdichtungsqualität eine kostengünstigere Abwandlung, in der der Verstellaktor durch eine Feder ersetzt ist.
[28] Weiters ist es von Vorteil, wenn mittels der Lagemesseinheit die Winkellage der Exzentrizität des Unwuchterregers ermittelt und von der Recheneinheit erfasst wird. Diese Information ermöglicht der Recheneinheit und den Auswertelogarithmen eine umfangreiche Bewertung der vorherrschenden Bewegungszustände und damit präzisere Bestimmung der Parameter.
[29] Auch ist es möglich, dass die aus allen oder auch einzelnen Sensoren bzw. Messeinheiten gewonnen Messdaten über Auswertelogarithmen der Recheneinheit eine Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften bzw. charakteristischer Kennwerte erfolgt, um Rückschlüsse auf den lokalen Zustand und die Beschaffenheit der jeweils zu verdichtenden Schicht zu ziehen. Etwa ist es über das Verhältnis zwischen aufgebrachter Kraft und eingebrachter Verdichtungsenergie möglich auf die Bodensteifigkeit rückzuschließen, sowie den Verdichtungszustand und damit den Verdichtungserfolg zu detektieren, aufzuzeichnen und wiederzugeben. Darüber hinaus soll durch geeignete Analyse von Messdaten langfristig die Grundlage für ein System zur Verdichtungskontrolle und zur Optimierung der Schotterverdichtung geschaffen werden.
[30] Eine Erweiterung sieht vor, dass sowohl die Erfassung als auch die Aufzeichnung der ermittelten Messwerte, der GNSS-Positionsdaten bzw. Koordinaten und auch der Parametervorgaben kontinuierlich erfolgt. Mit den um die jeweils aktuelle, geographische Position ergänzten Messgrößen lassen sich beispielsweise lokal unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten und Bodenparameter auf einer Land-/Streckennetzkarte darstellen oder umfangreich visualisieren. Dies ist auch als bedeutende Erleichterung in der Planung von Neubau- wie auch Sanierungsvorhaben zu nennen. Entsprechend den vorliegenden Bodeneigenschaften kann eine gezielte Materialbeschaffung in Abstimmung an die Vorgaben und Anforderungen an die Schutzschicht(en), den Unterbau, oder die Tragschicht erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[31] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Seitenansicht einer Gleisbaumaschine mit einer Vorrichtung zum Verdichten und einer vorgelagerten Förder- bzw. Räumkettenanordnung zum Abtrag und zur Aufnahme von Gleisbaumaterial
Fig. 2 Draufsicht der Arbeitsvorrichtungen der Gleisbaumaschine aus Fig. 1 Fig. 3 Querschnitt eines Gleiskörpers mit Schichtaufbau Fig. 4 Seitenansicht einer Vorrichtung zum Verdichten mit Verstellaktor zum Aufbringen einer variablen Last Fig. 5 Seitenansicht einer Vorrichtung zum Verdichten mit Auflast über eingespannte Feder (Feder nur durch Führungsdorn dargestellt)
Fig. 6 Isometrie der Vorrichtung aus Fig. 5 (Verdichtungseinheit 12 zur besseren Übersicht nicht dargestellt)
Fig. 7 Bewegungsverhalten des Betriebszustandes „Kontakt“
Fig. 8 Bewegungsverhalten des Betriebszustandes „Abheben“
Fig. 9 Bewegungsverhalten des Betriebszustandes „Springen“
Fig. 10 Bewegungsverhalten des Betriebszustandes „Chaos“
Beschreibung der Ausführungsformen
[32] Fig. 1 zeigt eine schematisch dargestellte Gleisbaumaschine 1 mit einer auf einem Maschinenrahmen 2 angebrachten Förder- bzw. Räumketten anordnung 10 sowie eine Vorrichtung 11 zum Verdichten einer Schutzschicht 8, die durch Schienenfahrwerke 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Die Förder- bzw. Räumkettenanordnung 10 und die Vorrichtung 11 sind unterhalb des Gleises 4 positionierbar. Diese Ausführung der Vorrichtung 11 zeigt mehrere Verdichtungseinheiten 12, die auf einem gemeinsamen Tragrahmen 16 in Gruppen angeordnet sind. Zum Erfassen einer geographischen Position der Vorrichtung 11 ist eine GNSS-Positionseinheit 27 auf dem seitlichen Tragprofil des Tragrahmens 16 angebracht. Weiters sind eine Steuer- und Regeleinheit 31 sowie eine Recheneinheit 32 in einem geschützten Bereich am Maschinenrahmen 2 oder in einer Kabine 30 verbaut.
[33] Ergänzend zu Fig. 1 ist in Fig. 2 eine Draufsicht dargestellt, wobei der Darstellungsfokus auf die Arbeitseinrichtungen und deren Gruppierung gerichtet ist. Die Gleisbaumaschine 1 selbst sowie der Maschinenrahmen 2 sind einer besseren Übersicht zufolge darin nicht abgebildet. In dieser Ausführung der Konstruktion bilden vier Verdichtungseinheiten 12 eine gemeinsame Gruppe 26 zur Verdichtung des mittleren Hauptfahrbereiches unterhalb des Gleises 4, während für die Randbereiche des Gleisaufbaus weitere verstellbar angeordnete Verdichtungseinheiten 12 zum Einsatz kommen. So dienen für die in Blickrichtung der Gleislängsachse 40 links und rechts an den mittleren Hauptfahrbereich angrenzenden Randbereiche je eine variabel dreh- und höhenpositionierbare Verdichtungseinheit 12 der Glättung und Verdichtung. Diese sind mittels eigener Antriebe über bewegliche Seitenarme schwenkbar und auch in ihrer vertikalen Höhenlage einstellbar. Der Vorrichtung 11 ist weiters ein Räum-/Planierschild 39 vorgeordnet, um eine Beseitigung von Materialanhäufungen der vorgelagerten Materialeinbringung bzw. Aufschüttung zu glätten und in weiterer Folge unebene, qualitativ nicht entsprechende Planier- L/erdichtungsergebnisse zu verhindern.
[34] Der Tragrahmen 16 ist gegenüber dem Maschinenrahmen 2 mehrachsig drehbar gelagert, um Lage und Position der Vorrichtungen 11 an den jeweils vorherrschenden Arbeitsbereich im Bereich des Gleises 4 anzupassen. Darüber hinaus ist der Tragrahmen 16 teilbar ausgeführt, dadurch ist eine platzsparende sowie sichere Überstellungs- bzw. Transportstellung einnehmbar und hohe Flexibilität im Arbeitseinsatz gegeben.
[35] Der Querschnitt eines Gleiskörpers mit Schichtaufbau ist in Fig. 3 dargestellt. In oberster Ebene ist ein Schienenfahrzeug bzw. die Gleisbaumaschine 1 mit den Schienenfahrwerken 3 auf den Schienen 5 angedeutet. Die beiden Schienenstränge der Schienen 5 werden auf Schwellen 6 gelagert, während die Schwellen 6 selbst im Schotter 7 des Oberbaus gebettet sind. Unterhalb des Schotters 7 schließt die Schutzschicht 8, auch ungebundene Tragschicht bezeichnet, an. Diese ist ein- oder mehrschichtig aufgebaut und in der Regel mit Gefälle zur Wasserableitung angelegt. Die Schutzschicht 8 dient dabei als Planumsschutzschicht „PSS“ und/oder Frostschutzschicht „FSS“. Der Unterbau/Untergrund 9 stellt die unterste Ebene im Querschnitt dar. In einer nicht dargestellten Anwendung ist die Gleisbaumaschine 1 aus Fig. 1 neben der oben beschriebenen Bearbeitung bzw. Glättung und Verdichtung der Schutzschicht 8 bei entsprechender Lage-/Höhenverstellung der Vorrichtung 11 auch für den Oberbau und damit Schotter 7 wie auch den Unterbau/Untergrund 9 einsetzbar.
[36] Fig. 4 zeigt als Seitenansicht die Vorrichtung 11 , die einen Verstellmechanismus und eine Verdichtungseinheit 12 umfasst. Der Verstellmechanismus ist an den Tragrahmen 16 gefügt. Diese Verbindung (nicht dargestellt) ist in geschraubter oder geschweißter Form ausgeführt.
Der Verstellmechanismus fungiert damit als Koppeleinrichtung zur beweglichen Lagerung und Positionsverstellbarkeit der Verdichtungseinheit
12 gegenüber dem Tragrahmen 16. Dieser Mechanismus umfasst neben nicht näher bezeichneten Koppel- und Verbindungselementen als wesentliche Komponenten einen ersten Verstellaktor 17, eine Kraftmesseinheit 20, sowie einen zweiten Verstellaktor 25. Mittels letzterem Verstellaktor 25 ist die Verdichtungseinheit 12 in ihrer Lage/Position gegenüber dem Tragrahmen 16 wie auch die Höhenlage gegenüber der zu verdichtenden Materialschicht entsprechend dem jeweiligen Arbeitsprozess einstellbar. Über den ersten Verstellaktor 17 wird eine variable, geregelte Auflast über die Koppelelemente des Verstellmechanismus und die Kraftmesseinheit 20 auf die Verdichtungseinheit 12 eingeleitet.
[37] Die Auflast wird im Verdichtungsprozess direkt von einer Rüttelplatte 13 auf die zu verdichtenden Schutzschicht 8 bzw. den Unterbau 9 übertragen. Die Kraftmesseinheit 20 dient hier neben der Krafterfassung zugleich als Anlenkelement zur Kraftübertragung. Die Rüttelplatte 13 steht direkt in Kontakt mit der zu bearbeitenden Materialschicht. Die Kraftmesseinheit 20 erfasst kontinuierlich die Auflast und übermittelt diese an die Recheneinheit 32. Die mit der Steuer- u. Regeleinheit 31 gekoppelte Recheneinheit 32 regelt die Auflast entsprechend den Parametervorgaben. In einer nicht dargestellten Ausführung ist die Kraftmesseinheit 20 auch direkt mit dem Verstellaktor 17 kombinierbar oder direkt integrierbar.
[38] Die Verdichtungseinheit 12 umfasst dabei die Rüttelplatte 13, einen Unwuchterreger 14, eine Antriebseinheit 15, Beschleunigungssensoren 18 sowie eine Lagemesseinheit 19. Die Beschleunigungssensoren 18 sind auf der Rüttelplatte 13 in Bewegungsrichtung gesehen im vorderen wie auch im hinteren Bereich angeordnet. In diesen Bereichen ist die Rüttelplatte 13 leicht nach oben gebogen ausgeführt. Dadurch ist ein gutes Gleit- und Bewegungsverhalten der Verdichtungseinheit 12 möglich.
[39] Der Unwuchterreger 14 ist an die Rüttelplatte 13 gefügt und umfasst eine rotierende Masse 22, welche mittels der Antriebseinheit 15 beaufschlagt ist. Die Antriebseinheit 15 ist als Hydraulikmotor ausgeführt. Diese versetzt die rotierende Masse 22 um eine Drehachse 23 rotatorisch in Bewegung. Eine Exzentrizität des Massenmittelpunktes der Masse 22 zur Drehachse 23 sorgt bei Drehbewegung für eine Fliehkraft und ein resultierendes Arbeitsmoment.
[40] Zur Ermittlung der Position bzw. Winkellage der rotierenden Masse 22 ist im Gehäuse des Unwuchterregers 14 eine Lagemesseinheit 19 installiert. Diese umfasst zwei Hall-Sensoren, kann in anderen Ausführungen auch über mehrere Sensoren verfügen.
[41] Der Verstellaktor 17 ist im Verstellmechanismus zwischen Tragrahmen 16 und der Verdichtungseinheit 12 derart angeordnet, dass eine ihm zugordnete Längsachse 24 sich annähernd in horizontaler Richtung erstreckt. Ausgeführt sind beide Verstellaktoren 17, 25 als hydraulische Linearaktoren. Die Versorgung dieser, wie auch der Antriebseinheit 15 ist über ein bordeigenes Hydrauliksystem 28 gegeben. Ein auf der Gleisbaumaschine 1 installiertes Strom- und Datenleitungsnetz 29 verbindet sämtliche Sensoren mit der Steuer- u. Regeleinheit 31 bzw. der Recheneinheit 32. Weiters ist auf der Vorrichtung 11 zum Erfassen der hydraulischen Öldrücke ein Druckmessumformer 21 in Nähe zu den Verstellaktoren 17, 25 angebracht.
[42] Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer weiteren Vorrichtung zum Verdichten, wobei die Auflast der Verdichtungseinheit 12 über eine eingespannte Feder 38 erfolgt. Der Verstellaktor 17 der Ausführung in Fig. 4 zu variablen Anpassung und Regelung der Auflast entfällt dabei. Die Feder 38 ist hier nur durch einen Führungsdorn und die äußeren Gewindestangen zum Spannen dargestellt. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise entsprechen der Ausführung in Fig. 4. Dazu ist in Fig. 6 eine Isometrie mit dem Verstellmechanismus der Vorrichtung aus Fig. 5 abgebildet. Die Verdichtungseinheit 12 ist zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
[43] Die Figuren 7-10 zeigen zeitliche Abläufe 32, 33, 34, 35 von möglichen Bewegungsmustern der Rüttelplatte 13 der Verdichtungseinheit 12. Die Einteilung ist dabei in vier Betriebszustände vorgenommen. Dabei basiert die Kategorisierung auf Simulationen an einem mechanischen Modell und der Auswertung der Untersuchungen. Das gewählte mechanische Modell entspricht einer eindimensionalen Betrachtung der Bewegungsabläufe in vertikaler Richtung. Dieser Randbedingung zufolge kann sich die Rüttelplatte ausschließlich parallel zum Untergrund verschieben und es ist lediglich ein Verdichtungszustand beschrieben. Es sind die vertikalen Verschiebungen s der identifizierten Betriebszustände Kontakt 32, Abheben 33, Springen 34 und Chaos 35 nachfolgend in den Figuren 7-10 zusammengefasst.
[44] Fig. 7 zeigt das Bewegungsverhalten des Betriebszustandes Kontakt, dabei ist eine ständige Berührung zwischen der Rüttelplatte und dem zu verdichtenden Untergrund bzw. Boden gegeben. Der Verschiebungsgraph der Rüttelplatte 36 deckt sich mit dem Verschiebungsgraph des Bodens 37.
[45] Bei zunehmender Steifigkeit erfolgt der Übergang in den Betriebszustand Abheben, der in Fig. 8 dargestellt ist. Wenn der Verdichter regelmäßig die Betriebsphasen Belastung, Entlastung und Abheben durchläuft, spricht man vom Betriebszustand Abheben. Ausgehend von diesem Betriebszustand führt eine Gewichtserhöhung zu einer Verlängerung der Kontaktzeit zwischen Rüttelplatte und Untergrund und es kann in weiterer Folge wieder ein Übergang in den Betriebszustand Kontakt erfolgen. Das Abheben stellt mit dem periodischen Aufschlagen der Rüttelplatte auf dem Untergrund eine sehr effiziente Verdichtung dar.
[46] Mit einer Verringerung der Auflast oder einer Zunahme der Untergrundsteifigkeit erfolgt der Übergang vom Abheben zum Springen. Wie in Fig. 9 skizziert ist der Betriebszustand Springen durch einen abwechselnd starken und einen schwachen Schlag auf das zu verdichtende Material gekennzeichnet. Beim vollen Springen verschwindet der schwache Schlag zur Gänze und stattdessen tritt ein Luftschlag auf. Zwischen den Aufschlägen auf dem Boden können auch mehrere Schläge in der Luft erfolgen. Das auf die Luftschläge folgende Auftreffen auf den Untergrund erfolgt dann mit einer wesentlich größeren Bodenkontaktkraft. Das Springen stellt im Hinblick auf den Verdichtungserfolg einen sehr günstigen Betriebszustand dar. Allerdings wird das Verdichtungsgerät deutlich stärker beansprucht als im Betriebszustand Abheben. Die Verschiebungsgraphen der Rüttelplatte 36 und des Bodens 37 decken sich nur mehr teilweise.
[47] Eine weitere Zunahme der Untergrundsteifigkeit führt zu einem chaotischen, nicht periodischen Bewegungsverhalten des Verdichters. Dieser ungewollte Betriebszustand Chaos ist in Fig. 10 dargestellt. Eine ausreichende Verdichtungswirkung kann in diesem Fall nicht mehr gewährleistet werden, weshalb dieser Betriebszustand zu vermeiden ist. Zudem vermindert sich im Betriebszustand Chaos die Oberflächenqualität und die gesamte Verdichtungseinheit wird stark belastet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (11 ) zum Verdichten von Planums- und/oder anderen Unterbauschichten bzw. Tragschichten (7, 8, 9) eines Gleises (4), auf einer verfahrbaren Gleisbaumaschine (1) montierbar, umfassend eine Verdichtungseinheit (12), wobei dieser eine Rüttelplatte (13), wenigstens ein Unwuchterreger (14) sowie eine zugehörige Antriebseinheit (15) zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung (11 ) einen Tragrahmen (16) umfasst und die Verdichtungseinheit (12) variabel im Arbeitsbereich des Gleises (4) positionierbar ist, indem die Verdichtungseinheit (12) über einen Verstellaktor (17) mit dem Tragrahmen (16) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11 ) wenigstens zwei Beschleunigungssensoren (18), eine Lagemesseinheit (19) des Unwuchterregers (14) und eine Kraftm esse in heit (20) umfasst.
2. Vorrichtung (11 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) wenigstens einen Druck-Messumformer (21) umfasst.
3. Vorrichtung (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (18) sowohl auf der Rüttelplatte (13) der Verdichtungseinheit (12) wie auch auf dem Tragrahmen (16) angeordnet sind.
4. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unwuchterreger (14) als rotierende Masse (22) mit einer Exzentrizität des Massenschwerpunktes zur Drehachse (23) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Längsachse (24) des zwischen dem Tragrahmen (16) und der Verdichtungseinheit (12) angeordneten Verstellaktors (17) in annähernd horizontaler Richtung erstreckt.
6. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für sämtliche Sensorik und Aktorik eine Steuer- und Regeleinheit (31) eingerichtet ist.
7. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) eine GNSS-Positionseinheit (27) umfasst.
8. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11 ) für den Arbeitsbetrieb mit einem bordeigenen Hydrauliksystem (28) sowie Strom- und Datenleitungsnetz (29) der Gleisbaumaschine (1) verbindbar ist.
9. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verdichtungseinheiten (12) über den Tragrahmen (16) zu einer gemeinsamen Gruppe (26) angeordnet sind und ein paralleler Arbeitsbetrieb vorgesehen ist.
10. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagemesseinheit (19) des Unwuchterregers (14) wenigstens zwei Hall- Sensoren umfasst.
11. Verfahren zum Verdichten von Planums- und/oder anderen Unterbauschichten bzw. Tragschichten (7, 8, 9) eines Gleises (4) mit einer Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (18) der Vorrichtung (11) von einer Recheneinheit (32) eingelesen, in weiterer Folge mittels Auswertelogarithmen bewertet und daraus Parameter für einen kontrollierten, geregelten Betrieb der Vorrichtung (11) ermittelt werden und dass in Abhängigkeit von Parametervorgaben eine voll- oder auch halbautomatische Ansteuerung des Verstellaktors (17) zur Positionierung und/oder Kraftbeaufschlagung der Verdichtungseinheit (12) und insbesondere wenigstens eines weiteren Verstellaktors (25) zur Positionierung der Verdichtungseinheit (12) erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Parametern für den Betrieb die über den Verstellaktor (17) ausgeübte Auflast auf die zu bearbeitende Schicht des Gleises (4) stetig über die Steuer- und Regeleinheit (31) entsprechend den eingestellten bzw. hinterlegten Parametervorgaben geregelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Lagemesseinheit (19) die Winkellage der Exzentrizität des Unwuchterregers (14) ermittelt und von der Recheneinheit (32) erfasst wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aus allen oder auch einzelnen Sensoren bzw. Messeinheiten (18, 19, 20, 21) gewonnen Messdaten über Auswertelogarithmen der Recheneinheit (32) eine Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften bzw. charakteristischer Kennwerte erfolgt, um Rückschlüsse auf den lokalen Zustand und die Beschaffenheit der jeweils zu verdichtenden Schicht (7, 8, 9) zu ziehen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Erfassung als auch die Aufzeichnung der ermittelten Messwerte, der GNSS-Positionsdaten bzw. Koordinaten und auch der Parametervorgaben kontinuierlich erfolgt.
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