Verfahren und System zur Belastungsüberwachung eines Stopfaggregates

Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belastungsüberwachung eines

Stopfaggregates einer Gleisbaumaschine, wobei zumindest ein Sensor zur Erfassung einer Belastung des Stopfaggregates angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

[02] Aus der EP 2 154 497 A2 ist eine Vorrichtung zur Lagerdiagnose an einer Exzenterwelle eines Stopfaggregats mittels eines

Schwingungsaufnehmers bekannt. Dabei ist der Schwingungsaufnehmer an einem Gehäuse eines Exzenterantriebs angeordnet. Erfasst werden lediglich freie Schwingungen des Exzenterantriebs in einer Phase, während der sich das Stopfaggregat außerhalb eines Schotterbetts befindet. Anhand von Änderungen der in Zeitabständen erfassten Daten wird auf den Verschleißzustand der Lagerung der Exzenterwelle

geschlossen.

Zusammenfassung der Erfindung

[03] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren und ein

System der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

[04] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch ein Verfahren

gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen

Ansprüchen.

[05] Dabei werden mittels des Sensors erfasste Messdaten über eine

Zeitspanne hinweg in einer Auswerteeinrichtung abgespeichert, wobei aus den abgespeicherten Messdaten zumindest ein Belastungs-Zeit- Verlauf für zyklische Eindringvorgänge des Stopfaggregats in ein Schotterbett abgeleitet wird. Äußere oder innere auf das Stopfaggregat bzw. auf Stopfaggregatteile wirkende Kräfte werden auf diese Weise im zeitlichen Verlauf einer Belastungsgröße berücksichtigt. Damit ergeben sich einerseits Rückschlüsse auf die Belastungssituation des

Stopfaggregats, um Instandhaltungsmaßnahmen bzw.

Instandhaltungsintervalle vorzugeben. Andererseits sind Bewertungen eines mittels des Stopfaggregats bearbeiteten Schotterbetts möglich, weil aus dem Verlauf der erfassten Belastungsgröße auf die vom Schotterbett auf das Stopfaggregat wirkenden Kräfte geschlossen werden kann.

[06] In einer Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem

Belastungs-Zeit-Verlauf ein Lastkollektiv errechnet wird. Das

Lastkollektiv gibt unmittelbar an, welchen Belastungen das Stopfaggregat über die erfasste Zeitspanne hinweg ausgesetzt war. Durch einen

Abgleich mit Zeitfestigkeitsvorgaben ergibt sich daraus eine

prognostizierbare Lebensdauer des Stopfaggregats bzw. von

Stopfaggregatteilen.

[07] Für eine aktuelle Beurteilung der Belastungssituation durch eine

Bedienperson ist es günstig, wenn mittels einer Ausgabeeinrichtung ein aus dem Belastungs-Zeit-Verlauf abgeleiteter Belastungszustand angezeigt wird. Auf diese Weise kann unmittelbar auf Überschreitungen von vorgegebenen Belastungsgrenzen reagiert werden.

[08] Bei einem vorteilhaften Verfahren wird ein in einer Hebe- und

Senkvorrichtung des Stopfaggregats angeordneter Hydraulikzylinder überwacht, wobei als Messdaten ein Kolbenweg und im Hydraulikzylinder wirkende Hydraulikdrücke erfasst werden. Basierend auf diesen

Messdaten erfolgt mittels der Auswerteeinrichtung für jeden

Eindringvorgang eine Berechnung einer Eindringkraft. Der entsprechende Belastungs-Zeit-Verlauf bildet eine Bewertungsgrundlage für die

Stopfaggregatbelastung bzw. die Schotterbettbeschaffenheit.

[09] Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine beim Eindringen des Stopfaggregats in das Schotterbett eingebrachte Eindringenergie errechnet wird. Als entsprechender Belastungs-Zeit-Verlauf wird ein Verlauf der Eindringenergie über mehrere Stopfzyklen hinweg abgebildet. Dabei kann eine Mittelwertbildung sinnvoll sein, um gegebenenfalls auftretende Anomalien bei der Messdatenerfassung abzumildern. Die für das Eindringen in ein Schotterbett aufzubringende Eindringenergie ist eine aussagekräftige Bewertungsgröße für die

Schotterbettbeschaffenheit.

[10] Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine beim Eindringen des

Stopfaggregats in das Schotterbett wirkende Eindringleistung errechnet wird. Aus dem Verlauf der Eindringleistung über eine zusammenhängende Arbeitszeitspanne hinweg können Rückschlüsse auf die Beschaffenheit eines bearbeiteten Gleises gezogen werden. Zudem ist die

aufzubringende Eindringleistung eine aussagekräftige Bewertungsgröße für die Stopfaggregatbelastung.

[11] In einer alternativen Erfindungsausprägung oder als Erweiterung der vorgenannten Verfahren ist vorgesehen, dass ein Exzenterantrieb des Stopfaggregats überwacht wird, indem über die Arbeitszeitspanne hinweg eine Leistung des Exzenterantriebs erfasst wird. Mit dem Verlauf der aufgebrachten Exzenterleistung als Belastungs-Zeit-Verlauf wird auf die Belastungssituation des Stopfaggregats bzw. die

Schotter bettbeschaffen heit rückgeschlossen.

[12] Dabei ist es vorteilhaft, wenn bei einem hydraulischen Exzenterantrieb des Stopfaggregats als Messdaten ein Druck bzw. eine Druckdifferenz und eine Durchflussmenge erfasst werden und wenn daraus eine hydraulische Leistung des Exzenterantriebs abgeleitet wird. Alternativ dazu kann die Leistung des Exzenterantriebs aus einem gemessenen Drehmoment und einer Drehzahl abgeleitet werden.

[13] Dasselbe gilt für eine Ausprägung mit einem elektrischen Exzenterantrieb des Stopfaggregats. Dieser wird vorteilhafterweise überwacht, indem als Messdaten eine anliegende Spannung und ein Strom erfasst werden, wobei daraus eine elektrische Leistung des Exzenterantriebs abgeleitet wird.

[14] Für eine automatisierte Instandhaltungsplanung für das Stopfaggregat ist es von Vorteil, wenn basierend auf dem Belastungs-Zeit-Verlauf mittels einer Rechnereinheit ein Wartungs- bzw. Inspektionsintervall des

Stopfaggregats vorgegeben wird.

[15] Zudem ist es für eine automatisierte Auswertung der

Schotterbettbeschaffenheit vorteilhaft, wenn basierend auf dem

Belastungs-Zeit-Verlauf mittels einer Rechnereinheit eine Klassifizierung des gestopften Schotterbetts durchgeführt wird.

[16] Dabei sieht eine Verbesserung des Verfahrens vor, dass in einer

Ausgabeeinrichtung die Klassifizierung des Schotterbetts verknüpft mit einer Durchführungszeit und/oder einem Durchführungsort angezeigt wird. Auf diese Weise wird unmittelbar ersichtlich, in welchen

Arbeitsabschnitten welche Schotterbettbeschaffenheit vorlag.

[17] Beim erfindungsgemäßen System zur Durchführung eines der

vorgenannten Verfahren weist das Stopfaggregat zumindest einen Sensor zur Erfassung einer Belastung auf, wobei der Sensor an die

Auswerteeinrichtung angeschlossen ist und wobei die

Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Belastungs-Zeit-Verlaufs aus den abgespeicherten Messdaten eingerichtet ist. Die Auswerteeinrichtung befindet sich dabei entweder auf der Stopfmaschine oder in einer entfernt angeordneten Systemzentrale. Je nachdem werden die Messdaten über Signalleitungen bzw. über ein internes Fahrzeugbussystem oder eine drahtlose Kommunikationseinrichtung an die Auswerteeinrichtung übertragen.

[18] In einer vorteilhaften Ausprägung des Systems umfasst die

Auswerteeinrichtung eine Datenerfassungseinheit, einen Mikroprozessor und ein Kommunikationsmittel zur Übertragung von Daten an entfernte Rechnersysteme bzw. Ausgabeeinrichtungen. Die Datenerfassungseinheit (Data Acquisition, DAQ) digitalisiert analoge Sensorsignale, um aus den digitalisierten Messdaten mittels des Mikroprozessors den Belastungs- Zeit-Verlauf zu ermitteln. Insbesondere werden mittels des

Mikroprozessors charakteristische Signalbereiche identifiziert und relevante Kenngrößen errechnet.

[19] Eine Weiterbildung des Systems sieht vor, dass eine Maschinensteuerung mit Antrieben bzw. Steuerungskomponenten des Stopfaggregats verbunden ist und dass der Maschinensteuerung die Messdaten zugeführt sind, um Steuerungsdaten anzupassen. Damit ist eine effiziente

Regelschleife realisiert, um Überlastungen des Stopfaggregats zu vermeiden.

Sinnvollerweise ist dabei die Maschinensteuerung auch mit der

Auswerteeinrichtung verbunden, um mittels der Auswerteeinrichtung errechnete Kenngrößen als Steuerungsparameter für die

Maschinensteuerung vorzugeben. Auf diese Weise kann beispielsweise automatisch auf eine Änderung der Schotterbettbeschaffenheit reagiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[20] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter

Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in

schematischer Darstellung:

Fig. 1 Stopfmaschine mit Stopfaggregat

Fig. 2 Stopfaggregat

Fig. 3 Signalverläufe während zweier Stopfzyklen

Fig. 4 Systemaufbau

Fig. 5 Leistungsverläufe über der Zeit

Fig. 6 Anzeige in einer Ausgabeeinrichtung

Beschreibung der Ausführungsformen

[21] Das beispielhafte System umfasst eine Stopfmaschine 1 mit einem

Stopfaggregat 2, an dem mehrere Sensoren 3 zur Erfassung von

Belastungen des Stopfaggregats 2 angeordnet sind. Über Signalleitungen 4 werden Sensorsignale an eine Auswerteeinrichtung 5 übermittelt. In der Auswerteinrichtung 5 werden mittels der Sensoren 3 erfasste Messdaten über eine Zeitspanne T hinweg abgespeichert und ausgewertet. Die Stopfmaschine 1 ist auf einem Gleis 6 verfahrbar. Das Gleis 6 umfasst einen aus Schienen 7, Schwellen 8 und Schienenbefestigungen gebildeten Schienenrost 9, welcher auf einem Schotterbett 10 gelagert ist (Fig. 1). [22] Beim Unterstopfen des Gleises 6 wird der Schienenrost 10 mittels eines Hebe-Richt-Aggregats 11 in eine gewünschte Position gebracht. Zur Stabilisierung dieser Position dringen Stopfwerkzeuge 12 des

Stopfaggregats 2 zwischen den Schwellen 8 in das Schotterbett 10 ein. Dabei sind die Stopfwerkezeuge 12 mit einer Vibrationsbewegung 13 beaufschlagt. Erzeugt wird diese Vibrationsbewegung 13 mittels eines Exzenterantriebs 14. An diesen sind Beistellzylinder 15 angeschlossen, um die Stopfwerkzeuge 12 im abgesenkten Zustand beizustellen, das heißt aufeinander zubewegen (Fig. 2). Dieser Bestellbewegung 16 bleibt weiterhin die Vibrationsbewegung 13 überlagert, wobei die

Vibrationsfrequenz während eines Eindringvorgangs 17 (z.B. 45 Hz) meist höher gewählt wird als während eines Beistellvorgangs 18 (z.B. 35 Hz).

Auf diese Weise wird das Eindringen in den Schotter erleichtert, weil bei einer erhöhten Frequenz der in Vibration versetzte Schotter einem fließenden Medium gleicht.

[23] Der Exzenterantrieb 14 ist auf einem Werkzeugträger 19 angeordnet. Am Werkzeugträger 19 sind zudem Schwenkarme 20 gelagert. Diese weisen an unteren Enden die Stopfwerkzeuge 12 auf. An oberen Enden sind die Schwenkarme 20 über die Beistellzylinder 15 mit einer mittels des

Exzenterantriebs 14 angetriebenen Exzenterwelle gekoppelt. Der

Werkzeugträger 19 ist in einem Aggregatrahmen 21 geführt und mittels einer Hebe- und Senkvorrichtung 22 vertikal bewegbar. Dabei umfasst die Hebe-und Senkvorrichtung 22 einen Hydraulikzylinder 23. Der

Hydraulikzylinder 23 ist gegen einen Maschinenrahmen 24 der

Stopfmaschine 1 abgestützt und bewirkt im Betrieb eine Hebe- und Senkkraft F _z auf den Werkzeugträger 19. Die vom Hydraulikzylinder 23 während eines Eindringvorgangs 17 aufgebrachte Senkkraft F _z ist dabei ein Anteil einer Eindringkraft F _E , die auf das Schotterbett 10 einwirkt.

[24] Durch Messen der im Hydraulikzylinder 23 wirkenden Hydraulikdrücke lässt sich in einfacher Weise die Senkkraft F _z ermitteln. Zur Erfassung der Eindringkraft F _E werden zusätzlich die Masse und die Beschleunigung des Werkzeugträgers 19 samt der daran angeordneten Teile berücksichtigt.

Die Beschleunigung lässt sich dabei durch zweifache Differentiation aus einem gemessen Kolbenweg x des Hydraulikzylinders 23 berechnen. Zur Bestimmung der Eindringkraft F _E wird somit bei bekannter Masse der bewegten Teile lediglich eine Druck- und Wegmessung am

Hydraulikzylinder 23 durchgeführt.

[25] Durch die Erfassung der Messdaten über eine Zeitspanne T hinweg ergibt sich ein Verlauf der Eindringkraft F _E über der Zeit t. Auf diese Weise erhält man zunächst einen einfachen Belastungs-Zeit-Verlauf. Für weiterführende Auswertungen werden insbesondere mehrere Stopfzyklen überwacht und jeweils die höchste Eindringkraft während des jeweiligen Eindringvorgangs 17 abgespeichert, sodass der Belastungs-Zeit-Verlauf die Maximaleindringkraft über der Zeit t, das heißt über einer Vielzahl aufeinanderfolgender Stopfzyklen hinweg angibt. Aus dem Belastungs- Zeit-Verlauf bzw. einer Belastungs-Zeit-Funktion kann in einfacher Weise ein Lastkollektiv ermittelt werden. Damit ist unmittelbar ersichtlich, welchen Belastungen über die betrachtete Zeitspanne T hinweg

aufgetreten sind.

[26] Zur Weiterbildung des Belastungs-Zeit-Verlaufs wird für jeden

Eindringvorgang 17 die Eindringenergie E _E berechnet:

oder (1)

mit (2)

x ₀ ··· Anfang eines Eindringwegs

x _x ··· Ende eines Eindringwegs

t ₀ ··· Beginn eines Eindringvorgangs 17

t _x ··· Ende eines Eindringvorgangs 17

Damit erhält man durch Überwachung mehrerer Eindringvorgänge 17 über die Zeitspanne T hinweg den Verlauf der Eindringenergie E _E über der Zeit t. Eine Mittelwertbildung über mehrere Eindringvorgänge 17 hinweg führt dabei zu einer Abmilderung von gegebenenfalls auftretenden Anomalien bei der Messdatenerfassung.

[27] In Weiterer Folge kann es sinnvoll sein, die während der jeweiligen

Eindringvorgänge aufgebrachte Eindringleistung P _E zu bestimmen:

Aus einem Verlauf der Eindringleistung P _E über eine zusammenhängende Arbeitszeitspanne T hinweg lassen sich sowohl Rückschlüsse auf die Belastungssituation des Stopfaggregats 2 als auch auf die Beschaffenheit des während der Arbeitszeitspanne T bearbeiteten Schotterbetts 10 ziehen. Auch hier ist eine Mittelwertbildung sinnvoll.

[28] Bei Mehrfachstopfungen erfolgen mehrere Stopfvorgänge (Unterzyklen) an einer Stelle des Gleises 6, um einen vorgegebenen Verdichtungsgrad des Schotterbetts 10 zu erreichen. In diesem Fall werden mehrere

Belastungs-Zeit-Verläufe gebildet, nämlich entsprechend der Reihung der Unterzyklen. Bei einer Zweifachstopfung wird beispielsweise der Verlauf der Eindringkraft F _E , der Eindringenergie E _E oder der Eindringleistung P _E für alle ersten Unterzyklen und separat für alle zweiten Unterzyklen ermittelt.

[29] Als Exzenterantrieb 14 zur Vibrationserzeugung ist beispielsweise ein Hydraulikmotor vorgesehen. Dabei werden eine Druckdifferenz Dr zwischen Eintritt und Ausritt des Hydrauliköls und eine Durchflussmenge Q des Hydrauliköls gemessen, um eine hydraulische Leistung P _H des Exzenterantriebs 14 zu bestimmen:

P _H = Dr Q (4)

Über den jeweiligen Stopfzyklus wird die Exzenterleistung P _H gemittelt.

Für eine zusammenhängende Arbeitszeitspanne T mit zahlreichen Stopfzyklen ergibt sich daraus als Vibrationsbelastungs-Zeit-Verlauf der Verlauf der Exzenterleistung P _H über der Zeit t.

[30] Die einzelnen Verläufe sind vereinfacht in Fig. 3 dargestellt. Das oberste Diagramm zeigt einen Verlauf des Eindringwegs x (Eindringtiefe) über der Zeit t. Dieser entspricht dem erfassten Kolbenweg x des

Hydraulikzylinders 23. Am Anfang des Eindringwegs x ₀ berühren die Spitzen der Stopfwerkzeuge 12 die Oberfläche des Schotterbetts 10 und am Ende des Eindringwegs x _x haben die Stopfwerkzeuge 12 die

vorgesehene maximale Eindringtiefe erreicht. In den Diagrammen darunter sind mit übereinstimmender Zeitachse die Verläufe der

Durchflussmenge Q, der Druckdifferenz Dr, der resultierenden Exzenterleistung P _H und ganz unten der Verlauf der Eindringkraft F _E dargestellt.

[31] Wie in Fig. 4 ersichtlich umfasst die Auswerteeinrichtung 5 eine

Datenerfassungseinheit 25, einen Mikroprozessor 26 und ein

Kommunikationsmittel 27 (z.B. Modem) zur Übertragung von Daten an entfernte Rechnersysteme 28 bzw. Ausgabeeinrichtungen 29. Zur

Zwischenspeicherung von Daten ist der Mikroprozessor 26

günstigerweise mit einer Speichereinrichtung 30 verbunden. Das entfernte Rechnersystem 28 umfasst zudem eine Datenbankeinrichtung 31, um historische Daten abzuspeichern.

[32] Einer Maschinensteuerung 32 sind Ausgangssignale der Sensoren 3 zur Bildung eines Regelkreislaufs zugeführt. Auf diese Weise erfolgt eine effiziente Anpassung von Steuerungssignalen an sich verändernde

Systembedingungen. Durch Digitalisierung mittels der

Datenerfassungseinheit 25 werden aus den Ausgangssignalen der

Sensoren 3 digitale Messdaten gebildet und dem Mikroprozessor 26 bereitgestellt. Dabei erfolgt eine Abspeicherung der Messdaten über die vorgesehene Zeitspanne T hinweg. Mittels des Mikroprozessors 26 wird aus den Messdaten ein Belastungs-Zeit-Verlauf erstellt und ausgewertet. Dabei werden charakteristische Signalbereiche identifiziert und relevante Kenngrößen berechnet, beispielsweise Lastkollektive der Hebe- und Senkvorrichtung 22 und des Exzenterantriebs 14 oder Klassifizierungen des Schotterbetts 10. Zur etwaigen Anpassung von

Steuerungsparametern werden die Kenngrößen an die

Maschinensteuerung 32 übertragen. Auf diese Weise erfolgt zum Beispiel eine Anpassung der Stopfparameter an eine ermittelte Härte des

Schotterbetts 10.

[33] Das entfernte Rechnersystem 28 ist vorteilhafterweise in einer

Systemzentrale 33 angeordnet, um aktuell erfasste sowie historische Daten zu analysieren und daraus abgeleitete Wartungs- bzw.

Inspektionsintervalle für das Stopfaggregat 2 vorzugeben. Als Kriterium dafür kann beispielsweise ein Abgleich eines gebildeten Lastkollektivs mit vorgegeben Zeitfestigkeitsbereichen herangezogen werden. [34] Beispielhafte Verläufe der Exzenterleistung P _H und der Eindringleistung P _E über eine zusammenhängende Arbeitszeitspanne T hinweg sind in Fig. 5 dargestellt. Dabei ist eine Ähnlichkeit zwischen beiden Verläufen erkennbar, weil sich die Beschaffenheit des Schotterbetts 10 auf beide Größen P _H , P _E auswirkt. Ein härteres Schotterbett 10 mit bereits fortgeschrittener Liegedauer erfordert sowohl eine höhere

Exzenterleistung P _H als auch eine höher Eindringleistung P _E . Bei einer Neulage mit neuem Schotter sind die aufzubringenden Leistungen P _H , P _E hingegen niedriger.

[35] Um einem jeweiligen Bearbeitungsabschnitt eines Schotterbetts 10 eine vorgegeben Zustandsklasse (weich-Neulage, mittel, hart-alt) zuzuordnen, sind für zumindest eine der beiden Leistungsgrößen P _H , P _E

entsprechende Wertebereiche vorgegeben. Durch einen Abgleich der ermittelten Leistungsverläufe mit diesen vorgegeben Wertebereichen erfolgt eine automatisierte Klassifizierung der bearbeiteten

Schotterbettabschnitte.

[36] Vorteilhafterweise wird die ermittelte Zustandsklasse verknüpft mit einer Durchführungszeit und einem Durchführungsort in einer

Ausgabeeinrichtung 29 (Computerbildschirm, Tablet etc.) angezeigt. Im einfachsten Fall geschieht dies in tabellarischer Form mit Datum,

Baustellenbezeichnung, Zustandsklasse sowie mittlerer Exzenterleistung P _H und mittlerer Eindringleistung P _E .

[37] Eine Anzeige 34 mit hohem Informationsgehalt ist in Fig. 6 dargestellt.

Dabei ist eine Baustelle 35 in einer elektronischen Landkarte 36

eingezeichnet, wobei einzelnen Baustellenabschnitten unterschiedlich gekennzeichnete Zustandsklassen zugeordnet sind. Basis dafür bildet eine vorgegebene Härteskala 37 für das Schotterbett 10. Zudem werden an markanten Stellen der Baustelle Datums- und Uhrzeitangaben 38 angezeigt.