Stopfpickel und Verfahren zum Stopfen eines Gleises

Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft einen Stopfpickel für eine Stopfmaschine zum

Unterstopfen eines Gleises, mit einem Pickelschaft, der an seinem oberen Ende einen Halteabschnitt zum Befestigen in einer Pickelaufnahme aufweist und der an seinem unteren Ende in eine Pickelplatte übergeht. Zudem betrifft die Erfindung eine Stopfmaschine zum Unterstopfen eines Gleises, wobei gegenüberliegende Stopfwerkzeuge mit Vibration beaufschlagbar und zueinander beistellbar an einem höhenverstellbaren Werkzeugträger gelagert sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Stopfmaschine mit Stopfpickeln.

Stand der Technik

[02] Beispielsweise offenbart die WO 2011/003427 A1 einen Stopfpickel für eine Stopfmaschine zum Unterstopfen eines Gleises. Dabei umfasst die

Stopfmaschine Stopfwerkzeuge mit Pickelaufnahmen zum Festklemmen eines jeweiligen Stopfpickels.

[03] Aus der WO 2018/219570 A1 ist ein Verfahren zum Verdichten eines

Gleisschotterbettes mittels einer Stopfmaschine bekannt. Dabei sind an Pickelaufnahmen eines Stopfaggregats Kraftmesssensoren angeordnet, um während eines Schwingungszyklus einen Verlauf einer auf das Stopfwerkzeug wirkenden Kraft über einem vom Stopfwerkzeug zurückgelegten Weg zu erfassen. Alternativ dazu können an einer Außenfläche des jeweiligen

Stopfpickels Dehnmessstreifen geklebt sein. Nachteilig sind hierbei die unzureichende Haltbarkeit und die komplizierte und kostenintensive

Applizierung.

Darstellung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stopfpickel der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem ein verbesserter Stopfvorgang durchführbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Stopfmaschine zur verbesserten Durchführung eines Stopfvorgangs. Zudem soll ein entsprechend verbessertes Verfahren zum Betreiben der Stopfmaschine angegeben werden.

[05] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 10 und 12. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[06] Dabei ist in einer Ausnehmung des Pickelschaftes ein sensitives Element eines Sensors angeordnet und der Stopfpickel umfasst ein Koppelelement zur Übertragung eines Sensorsignals. Auf diese Weise erfüllt der Stopfpickel selbst eine Sensorfunktion zum Erfassen einer im Stopfpickel auftretenden

Messgröße. Dabei ist eine optimale Anordnung des sensitiven Elements gegeben, weil die Ausnehmung des Pickelschafts an die Eigenschaften des Sensors angepasst ist. Die gewünschten Messgrößen sind mit hoher

Genauigkeit erfassbar, wobei die Integration des sensitiven Elements in den Pickelschaft eine Beeinflussung durch Störgrößen verhindert. Zudem schützt die Anordnung das sensitive Element vor Beschädigungen.

[07] In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stopfpickel eine Elektronik des Sensors. Damit ist beispielsweise vor einer Auslieferung des Stopfpickels ein Kalibrieren des Sensors oder des sensitiven Elements durchführbar, wobei Kalibierdaten in der Elektronik speicherbar sind. Vorteilhafterweise umfasst die Elektronik einen Speicherchip, dessen Anschluss über ein Kabel nach außen geführt ist.

[08] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass das sensitive Element zur Erfassung von mehreren im Stopfpickel auftretenden Messgrößen ausgebildet ist.

Beispielweise wird zusätzlich zu einer mechanischen Beanspruchung die Temperatur des Stopfpickels erfasst. Auf diese Weise eignet sich der Sensor zur Überwachung von Einsatzbedingungen während eines Stopfvorgangs, um daraus Wartungserfordernisse abzuleiten.

[09] Für einen einfachen Austausch eines Stopfpickels ist es von Vorteil, wenn das Koppelelement ein Element einer lösbaren Steckverbindung ist. Bei einem Stopfpickelwechsel wird die Steckverbindung gelöst und der Stopfpickel durch einen neuen Stopfpickel ersetzt. Der neue Stopfpickel weist den gleichen Steckanschluss auf, um die Steckverbindung wiederherzustellen.

[10] Zur Sicherstellung der Kompatibilität umfasst der Stopfpickels sinnvollerweise ein elektronisches Bauteil zur Kennzeichnung des Stopfpickels. Dabei handelt es günstigerweise um ein sogenanntes Trustet Platform Modul, das eine Manipulation der Kennzeichnung verhindert.

[11] In einer vorteilhaften Ausprägung des Stopfpickels ist das sensitive Element ein in die Ausnehmung eingeklebtes Dehnungselement. Auf diese Weise sind auf den Stopfpickel wirkende Kräfte und Beschleunigungen einfach erfassbar.

[12] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass das sensitive Element ein

Lichtwellenleiter mit einem Faser-Bragg-Gitter ist. Mittels eines solchen Faser- Bragg-Gitters können an vorgegebenen Stellen des Lichtwellenleiters

Dehnungen, Stauchungen und Biegungen gemessen werden. Daraus sind Kräfte, Beschleunigungen und Temperaturänderungen ableitbar.

[13] Dabei ist es günstig, wenn der Lichtwellenleiter aus der Ausnehmung des

Pickelschafts herausragt und dass der herausragende Abschnitt des

Lichtwellenleiters mit einer flexiblen Schutzhülle ummantelt ist. Auf diese Weise ist der Lichtwellenleiter mit der schützenden Ummantelung bis an eine Stelle geführt, an der eine Auswerteelektronik angeordnet ist.

[14] Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung als Längsbohrung in einem

Kernbereich des Pickelschaftes ausgebildet. Dann ist das sensitive

Sensorelement optimal vor Beschädigungen geschützt, ohne die Festigkeit des Pickelschafts ungünstig zu beeinflussen. An einer Austrittsstelle ist gegebenenfalls ein mechanischer Schutz gegen Knicken angeordnet.

[15] Bei der erfindungsgemäßen Stopfmaschine zum Unterstopfen eines Gleises sind gegenüberliegende Stopfwerkzeuge mit Vibration beaufschlagbar und zueinander beistellbar an einem höhenverstellbaren Werkzeugträger gelagert, wobei das jeweilige Stopfwerkzeug eine Pickelaufnahme umfasst, in der ein oben beschriebener Stopfpickels befestigt ist und wobei eine

Auswerteeinrichtung mit dem Sensor des jeweiligen Stopfpickels gekoppelt ist. Damit sind während eines Stopfvorgangs in den Stopfpickeln auftretende Messgrößen erfassbar, um damit den Stopfvorgang zu optimieren. [16] Dabei ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinrichtung mittels einer

Steckverbindung mit dem jeweiligen Sensor verbunden ist und wenn die jeweilige Steckverbindung insbesondere am Werkzeugträger angeordnet ist. Das vereinfacht den Austausch eines Stopfpickels, ohne die

Messgrößenerfassung zu beeinträchtigen.

[17] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der beschriebenen

Stopfmaschine mit den beschriebenen Stopfpickeln sieht vor, dass während eines Stopfvorgangs eine im jeweiligen Stopfpickel auftretende Messgröße mittels des zugeordneten Sensors erfasst und mittels der Auswerteeinrichtung registriert wird. Damit sind die während eines Stopfvorgangs erfassten

Messgrößen für die Optimierung nachfolgender Stopfvorgänge nutzbar.

Zudem sind die Stopfqualität und die auftretenden Belastungen

dokumentierbar.

[18] In einem verbesserten Verfahren wird vor einem Stopfvorgang für jeden

Sensor ein Kalibiervorgang durchgeführt, um Kalibrierwerte zu ermitteln. Mit dieser wiederkehrenden Erneuerung der Kalibierwerte ist sichergestellt, dass jeder Sensor zu jeder Zeit mit der größtmöglichen Genauigkeit arbeitet.

[19] Eine weitere Verbesserung des Verfahrens sieht vor, dass vor einem

Stopfvorgang für jeden Stopfpickel ein Ausleseprozess gestartet wird und dass bei fehlendem oder falschem elektronischen Bauteil zur Kennzeichnung des jeweiligen Stopfpickels der Stopfvorgang blockiert wird. Damit wird verhindert, dass die Stopfmaschine mit falschen Stopfpickel betrieben wird. Die

Verwendung falscher Stopfpickel kann Qualitätseinbußen beim Stopfen oder starken Verscheiß nach sich ziehen. Zudem können falsche Stopfpickel nicht zur erfindungsgemäßen Messwerterfassung genutzt werden.

[20] Um jederzeit den aktuellen Status der Stopfmaschine abfragen zu können ist es günstig, wenn ein Wechsel eines Stopfpickels mittels der

Auswerteeinrichtung registriert wird. Entsprechende Statusdaten können auch in eine Cloud übertragen werden, um jeden Wechselvorgang zu

protokollieren. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[21] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Stopfmaschine

Fig. 2 Stopfaggregat

Fig. 3 Stopfpickel mit Längsbohrung

Fig. 4 Stopfpickel mit sensitivem Element und Koppelelement

Fig. 5 Stopfpickel in einer Pickelaufnahme

Beschreibung der Ausführungsformen

[22] Die in Fig. 1 dargestellte Stopfmaschine 1 ist mit Schienenfahrwerken 2 auf einem zu unterstopfenden Gleis 3 verfahrbar und umfasst ein Stopfaggregat 4, ein Hebe-/Richtaggregat 5 _; ein Messsystem 6 und eine

Maschinensteuerung 7. Das Gleis 3 ist ein Schottergleis, bei dem ein aus Schwellen 8 und Schienen 9 gebildeter Gleisrost in einem Schotterbett 10 gelagert ist. Während eines Stopfvorgangs wird mittels des Hebe- /Richtaggregats 5 der Gleisrost in eine Sollposition gehoben und

gegebenenfalls seitlich verschoben. Ein Abgleich der aktuellen Position des Gleisrosts mit der Sollposition erfolgt mittels des Messsystems 6.

[23] Die Sollposition wird fixiert, indem das Stopfaggregat 2 mit vibrierenden

Stopfpickeln 11 zwischen den Schwellen 8 in das Schotterbett 10 eindringt und mit einer Beistellbewegung Schotter unter den Schwellen 8 verdichtet. Die Ansteuerung des Hebe-/Richtaggregats 5 und des Stopfaggregats 4 erfolgt mittels der Maschinensteuerung 7 unter Nutzung des Messsystems 6.

[24] Jeder Stopfpickel 11 ist in einer Pickelaufnahme 12 eines Stopfwerkzeugs 13 befestigt. Dazu weist ein Pickelschaft 14 des jeweiligen Stopfpickels 11 an seinem oberen Ende einen Halteabschnitt 15 auf, der in der Pickelaufnahme 12 steckt. Beispielsweise ist der Halteabschnitt 15 zylindrisch ausgeführt und bildet mit einer zylindrischen Innenfläche der Pickelaufnahme 12 eine Passung. Mittels Verschraubungen ist der Halteabschnitt 15 in der Pickelaufnahme 12 festgeklemmt. An seinem unteren Ende geht der Pickelschaft 14 in eine Pickelplatte 16 über. [25] Gegenüberliegende Stopfwerkzeuge 13 sind zangenförmig an einem

gemeinsamen Werkzeugträger 17 gelagert. Der Werkzeugträger 17 ist höhenverstellbar in einem Aggregatrahmen 18 geführt. Obere Enden der Stopfwerkzeuge 13 sind über jeweilige Beistellantriebe 19 mit einem

Vibrationserzeuger 20 verbunden. Beispielsweise sind die Beistellantriebe 19 an einer rotierenden Exzenterwelle gelagert. In einer alternativen Ausführung ist die Vibrationserzeugung im jeweiligen Beistellantrieb 19 integriert. Dabei sind in einem Hydraulikzylinder einem Beistellhub zyklische Vibrationshübe überlagert.

[26] Um die Qualität eines Stopfvorgangs zu überwachen und gegebenenfalls zu beeinflussen wird zumindest eine in einem Stopfpickel 11 auftretende

Messgröße erfasst. Dazu ist in einer Ausnehmung 21 des Pickelschaftes 14 ein sensitives Element 22 eines Sensors 23 angeordnet. Über ein mit dem sensitiven Element 22 verbundenes Koppelelement 24 ist die Messgröße einer Auswerteeinrichtung 25 zugeführt. In der in Fig. 2 dargestellten Variante ist die Auswerteeinrichtung 25 mittels einer Steckverbindung 26 mit dem jeweiligen Sensor 23 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 25 ist beispielsweise in der Maschinensteuerung 7 eingerichtet.

[27] Vorteilhafterweise ist das sensitive Element 22 ein Lichtwellenleiter mit einem Faser-Bragg-Gitter. Dabei ist der Abschnitt mit dem Faser-Bragg-Gitter in die Ausnehmung 21 des Pickelschaftes 14 eingeklebt. Auf diese Weise werden Dehnungen, Stauchungen oder Biegungen im Pickelschaft 14 auf den

Lichtwellenleiter übertragen. An einer Ausnehmungsöffnung 27 ist der

Lichtwellenleiter aus dem Pickelschaft 14 herausgeführt. Günstigerweise ist hier ein mechanischer Schutz angeordnet, um eine Beschädigung des

Lichtwellenleiters zu vermeiden. Im Bespiel gemäß Fig. 2 bildet der

herausragende Abschnitt des Lichtwellenleiters mit dem Anschluss an eine Sensorelektronik 28 das Koppelelement 24. Dieser Abschnitt ist mit einer flexiblen Schutzhülle ummantelt (z.B. Panzerschlauch).

[28] Die mittels des Faseroptik-Sensors 23 erfassten Dehnungen, Stauchungen und Biegungen des Pickelschafts 14 werden in weiterer Folge ausgewertet.

Beispielsweise werden in der Auswerteeinrichtung 25 daraus Kräfte,

Beschleunigungen und Temperaturänderungen rechnerisch ermittelt. Auch mittels der Sensorelektronik 28 sind aus den Messsignalen weitere

Messgrößen ableitbar. Basis dafür ist ein vorangehender Kalibrierprozess.

[29] Die Kalibrierung des Sensors 23 erfolgt beispielsweise beim Hersteller vor der Auslieferung. Dabei werden die Kalibrierdaten im Sensor 23 oder in einem eigenen Speicherelement abgespeichert. Günstigerweise ist im Stopfpickel 11 ein Speicherchip 29 eingeklebt dessen Anschluss über ein Kabel nach außen geführt ist. Bei einem alternativen Drahtlossensor 23 erfolgt ein Auslesen der Speicherchipdaten mittels eines Lesegeräts, das stationär oder mobil ausgeführt sein kann. Die Daten werden über eine Funkschnittstelle an die Maschinensteuerung 7 übermittelt.

[30] Alternativ oder ergänzend zur initialen Kalibrierung wird vor jedem

Maschineneinsatz ein automatisches Kalibrierprogramm ausgeführt. Dabei werden für jeden Stopfpickel Kalibrierwerte ermittelt. Eine Abspeicherung der aktualisierten Werte erfolgt im Speicherchip 29.

[31] Der Stopfpickel 11 umfasst sinnvollerweise ein weiteres elektronisches Bauteil 30, das eine elektronische Kennzeichnung des Stopfpickels 11 ermöglicht. Zum Beispiel ist ein sogenanntes Trustet Platform Modul implementiert, welches eine fälschungssichere Identifikation des Stopfpickels 11 sicherstellt.

Günstigerweise sind der Speicherchip 29 und das elektronische Bauteil 30 in der Sensorelektronik 28 integriertet.

[32] Die Maschinensteuerung 7 ist dabei so eingerichtet, dass nach

Inbetriebnahme der Maschine 1 und vor Ausführung eines ersten

Stopfvorgangs ein Ausleseprozess gestartet wird. Falls das jeweilige elektronische Bauteil 30 fehlt oder keine Identifizierung des jeweiligen Stopfpickels 11 möglich ist, wird der Stopfvorgang blockiert. Damit wird verhindert, dass ein Stopfvorgang mit falschen Stopfpickeln durchgeführt wird. Der Ausleseprozess ist auch zur Protokollierung eines

Stopfpickeltausches nutzbar.

[33] In Fig. 3 ist als Ausnehmung 21 eine Längsbohrung in einem Kernbereich des Pickelschaftes 14 dargestellt. Dadurch wird der Pickelschaft 14 nicht geschwächt, weil das Flächenträgheitsmoment des Schaftquerschnitts nur geringfügig beeinflusst wird. Die Längsbohrung reicht annähernd bis zur Pickelplatte 16. Somit sind auf die Pickelplatte 16 wirkende Gegenkräfte des Schotterbettes 10 mit einem Faser-Bragg-Gitter am Ende eines eingeklebten Lichtwellenleiters unmittelbar erfassbar. In einer einfacheren Variante ist die Ausnehmung 21 als Nut entlang des Pickelschaftes 14 ausgeführt, wobei die Nut nach Einbringung des sensitiven Elements 22 versiegelt wird.

[34] Im Bereich der Ausnehmungsöffnung 27 ist eine Einsenkung für die

Sensorelektronik 28 vorgesehen. Dabei sind in einem eingeklebten

Elektronikgehäuse auch der Speicherchip 29 und das elektronische Bauteil 30 sowie Steckkontakte 31 untergebracht (Fig. 4). In dieser Ausführungsvariante umfasst der Stopfpickel 11 den gesamten Sensor 23.

[35] Im eingebauten Zustand des Stopfpickels 11 sind die Steckkontakte 31 mit Kontakten der Pickelaufnahme 12 verbunden (Fig. 5). Diese Steckverbindung 26 ist in der Pickelaufnahme 12 geschützt angeordnet und verbindet den Sensor 23 mit der am Stopfwerkzeug 13 befestigten Auswerteeinrichtung 25. Eine Verbindung mit der Maschinensteuerung 7 erfolgt über ein Kabel oder über eine Funkschnittstelle.

[36] Die direkte Erfassung von mechanischen Kräften, von Vibrationen und

gegebenenfalls der Temperatur in den Stopfpickeln 11 ermöglicht eine laufende Zustandsüberwachung. Das betrifft zunächst den Zustand des bearbeiteten Schotterbettes 10. Daraus lassen sich angepasste

Steuerungsparameter ableiten, um den Stopfprozess an den jeweiligen Schotterbettzustand anzupassen. Das geschieht automatisiert in der

Maschinensteuerung 7 auf Basis aller Sensordaten und führt zu einer optimierten Ansteuerung der Aggregatantriebe.

[37] Neben der Zustandserfassung des Schotterbettes 10 dienen die Sensoren 23 zur Protokollierung der einzelnen Stopfvorgänge. Dabei ist es sinnvoll, wenn für einzelne Messgrößen Bereiche vorgegeben werden, um unerwünschte Abweichungen frühzeitig zu erkennen. Auf diese Weise sind Fehlbedienungen und fortschreitende Abnützungserscheinungen feststellbar (Condition

Monitoring). Eine Auswertung der Protokolldaten ermöglicht eine

vorausschauende Wartung der Verschleißteile, insbesondere der Stopfpickel 11 (Predictive Maintenance).