Stopfaggregat zum Unterstopfen eines Gleises

Technisches Gebiet

[01] Die Erfindung betrifft ein Stopfaggregat zum Unterstopfen eines Gleises, mit paarweise angeordneten Stopfwerkzeugen, die mittels eines jeweiligen Beistellzylinders zueinander beistellbar sind, wobei im jeweiligen Beistellzylinder ein mit einem Hydraulikdruck eines ersten Hydraulikkreises beaufschlagbarer Beistellkolben angeordnet ist, und wobei jedem Beistellzylinder ein Vibrationskolben zugeordnet ist, um einer Beistellbewegung eine Vibration zu überlagern.

Stand der Technik

[02] Aus der EP 1 653 003 A1 ist ein Stopfaggregat bekannt, wobei zum Unterstopfen eines Gleises Stopfpickel paarweise zueinander bewegt werden. Diese Beistellbewegung zur Schotterverdichtung wird mit Hilfe eines hydraulisch beaufschlagbaren Beistellzylinders durchgeführt. Der linearen Beistellbewegung wird hydraulisch eine Vibration überlagert, um damit ein einfacheres Eindringen in den Schotter sowie eine verbesserte Verdichtung zu erzielen.

[03] Eine verbesserte hydraulische Vibrationserzeugung ist in der AT 517843 A4 offenbart. Dabei ist in jedem Beistellzylinder zusätzlich zu einem Beistellkolben ein Vibrationskolben zur Überlagerung einer Beistellbewegung mit einer einstellbaren Vibration angeordnet. Auf diese Weise wird unabhängig von der Beistellbewegung eine Optimierung der für die Vibrationserzeugung erforderlichen Parameter ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stopfaggregat der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine hydraulische Vibration mit hoher Energieeffizienz ermöglicht wird. [05] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[06] Dabei ist der jeweilige Vibrationskolben in einem Druckverstärker (andere Bezeichnungen sind Druckübersetzer oder Druckumsetzer) mit einem Primärzylinder und einem Sekundärzylinder angeordnet. Auf diese Weise ist die Vibrationserzeugung mit einem niedrigeren Druckniveau durchführbar. Hohe Drücke herrschen nur im Sekundärzylinder des Druckverstärkers. Im Primärzylinder, wo die Vibration erzeugt wird, herrschen niedrigere Drücke, wodurch es bei Schaltvorgängen zu geringen Energieverlusten kommt. Die Anordnung des vibrationserzeugenden Kolbens in einem vom Beistellzylinder separierten Druckverstärker verbessert die Ansteuerbarkeit. Beispielsweise wird die Vibration nur während eines Eindringvorgangs der Stopfwerkzeuge in den Schotter und während des Beistellvorgangs aktiviert.

[07] In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Druckverstärker über ein Steuerventil an einen zweiten Hydraulikkreis angeschlossen. Beispielsweise wird ein bereits in einer Stopfmaschine vorhandener Hydraulikkreis mit einem niedrigeren Druckniveau als im ersten Hydraulikkreis verwendet. Das vereinfacht den Aufbau und die Instandhaltung des gesamten Hydrauliksystems.

[08] Dabei ist vorteilhafterweise das Steuerventil an eine Steuerungseinrichtung angeschlossen, die zur Ansteuerung des Steuerventils mit variablen Vibrationsparametern eingerichtet ist. Mit dieser modifizierten Steuerungsvariante ist jede Phase eine Stopfzyklus mit eigenen Vibrationsparametern verknüpfbar. Beispielsweise wird während eines Eindringvorgangs der Stopfwerkzeuge in den Schotter eine Vibrationsfrequenz von 40-50 Hz vorgegeben. Beim Beistellen wird die Frequenz auf 35 Hz gesenkt und beim Hochfahren der Stopfwerkzeuge stoppt die Vibration. Neben der höheren Energieeffizienz bewirkt diese Maßnahme auch geringere Lärmemissionen während des Betriebs. Zudem können die Vibrationsamplituden auf die vorliegenden Eigenschaften eines zu stopfenden Schotterbetts angepasst werden. Eine Vorgabe verschiedener Vibrationsamplituden beim Eindringvorgang und beim Beistellvorgang kann auch sinnvoll sein.

[09] In einer verbesserten Variante ist das Steuerventil als Proportional- oder Servoventil ausgebildet, wobei ein Wegmesssensor zur Erfassung eines Kolbenwegs und/oder einer Kolbenstellung angeordnet ist. Insbesondere wird damit die Lage des Vibrationskolbens im Sekundärzylinder oder Primärzylinders des Druckverstärkers gemessen. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Steuerventils über einen Regelkreis, um die Vibrationsfrequenz und/oder die Vibrationsamplitude zu regeln. Auch eine von der aktuellen Stellung des zugeordneten Beistellkolbens abhängige Regelung kann sinnvoll sein. Damit kann beispielsweise eine vom Beistellweg abhängige Vibrationsfrequenz vorgegeben werden, wobei der Beistellweg mittels eines weiteren Wegmesssensors oder mittels eines an einem Schwenkarm angeordneten Winkelsensors gemessen wird. Bei der Verwendung von zwei Hydraulikkreisläufen sind die Amplitude und die Frequenz der Vibration besonders genau und effizient kontrollierbar.

[10] Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Druckverstärker, insbesondere der Sekundärzylinder des Druckverstärkers direkt am zugeordneten Beistellzylinder angeordnet ist. Auf diese Weise wird die während eines Vibrationszyklus bewegte Hydraulikölmenge auf ein Minimum reduziert. Dementsprechend gering sind auftretende Wärmeverluste im Hydraulikkreis. Zudem ist sichergestellt, dass die Vibrationsparameter während eines Beistellvorgangs stabil bleiben, weil im Hochdruckbereich keine flexiblen Verbindungsschläuche vorhanden sind.

[11] In einer vorteilhaften Variante sind jedem Beistellzylinder ein erster und ein zweiter Druckverstärker zugeordnet, wobei eine erste Druckkammer des jeweiligen Beistellzylinders mit einer Druckkammer des zugeordneten ersten Druckverstärkers verbunden ist und wobei eine zweite Druckkammer des jeweiligen Beistellzylinders mit einer Druckkammer des zugeordneten zweiten Druckverstärkers verbunden ist. Auf diese Weise ist jedem Beistellzylinder ein eigener Vibrationskreislauf zugeordnet. Somit kann jedes Stopfwerkzeug mit einer eigenen Vibration beaufschlagt werden. Das ist beispielsweise bei Weichenstopfaggregaten mit Schwenkpickeln sinnvoll, damit hochgeschwenkte Stopfpickel nicht in Vibration versetzt werden.

[12] In einer anderen vorteilhaften Variante sind den beiden Beistellzylinder eines Stopfwerkzeugpaares zwei Druckverstärker zugeordnet, wobei der eine Druckverstärker mit einer ersten Druckkammer des einen Beistellzylinders verbunden ist und wobei der andere Druckverstärker mit einer ersten Druckkammer des anderen Beistellzylinders verbunden ist. Das vereinfacht den Aufbau des vibrationserzeugenden Hydrauliksystems.

[13] Bei dieser Variante sind sinnvollerweise die zweiten Druckkammern der beiden Beistellzylinder mit einem Druckspeicher verbunden. Während eines Vibrationszyklus wird in diesem Druckspeicher Energie zwischengespeichert, woraus sich eine hohe Energieeffizienz des Gesamtsystems ergibt.

[14] Zwischenkammern der beiden Druckverstärker sind bei beiden Varianten vorteilhafterweise mit einem Ausgleichsspeicher oder mit einer mit Druck beaufschlagten Füllleitung verbunden. Ein entsprechender Vorspanndruck in den Zwischenkammern stellt eine störungsfreie Funktion der Druckverstärker sicher.

[15] Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz wird dadurch erreicht, dass Durchlassöffnungen zwischen den Beistellzylindern und den Druckverstärkern größer sind als Anschlussöffnungen der Beistellzylinder an den ersten Hydraulikkreis. Damit wird bei aktiver Vibration eine Rückwirkung auf den ersten Hydraulikkreis vermieden. Zur Vibrationserzeugung wird lediglich Hydrauliköl zwischen den Druckverstärkern und den zugeordneten Druckkammern der Beistellzylinder hin und her gepumpt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 Stopfmaschine auf einem Gleis

Fig. 2 Stopfaggregat

Fig. 3 Variante mit zwei Druckverstärkern an einem Beistellzylinder

Fig. 4 Variante mit zwei Druckverstärkern an einem Beistellzylinderpaar Beschreibung der Ausführungsformen

[17] 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 Steuerungseinrichtung 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.

[18] Die Sollposition wird fixiert, indem das Stopfaggregat 4 mit vibrierenden Stopfpickeln 11 zwischen den Schwellen 8 in das Schotterbett 10 eindringt und mit einem Beistellvorgang Schotter unter den Schwellen 8 verdichtet. Ein Stopfwerkzeug 12 umfasst in der Regel zwei nebeneinander in Pickelaufnahmen eines Schwenkhebels 13 befestigte Stopfpickel 11. Die Schwenkarme 13 gegenüberliegender Stopfwerkzeuge 12 sind zangenförmig an einem gemeinsamen Werkzeugträger 14 gelagert. Der Werkzeugträger 14 ist höhenverstellbar in einem Aggregatrahmen 15 geführt. Obere Enden der Stopfwerkzeuge 12 sind über jeweilige Beistellzylinder 16 am Werkzeugträger 14 angelenkt.

[19] Jeder Beistellzylinder 16 ist als Hydraulikzylinder ausgebildet, in dem ein Beistellkolben 17 über eine Kolbenstange 18 mit dem zugeordneten Stopfwerkzeug 12 gekoppelt ist. Eine erste Druckkammer (Kolbenkammer) 19 und eine zweite Druckkammer (Ringkammer) 20 sind über eine erste Anschlussöffnung 21 und eine zweite Anschlussöffnung 22 mit einem jeweiligen Hydraulikdruck eines ersten Hydraulikkreises 23 beaufschlagbar. Über nicht dargestellte Schaltventile wird der Hydraulikdruck in der ersten Druckkammer 19 erhöht, um eine Beistellbewegung 24 der Stopfpickel 11 hervorzurufen. Somit liegt während eines Beistellvorgangs in der jeweiligen ersten Druckkammer 19 ein im ersten Hydraulikkreis 23 bereitgestellter Beistelldruck an.

[20] Eine Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Druckkammer 19, 20 und das Verhältnis einer an die erste Druckkammer 19 grenzenden Kolbenfläche 25 zu einer an die zweite Druckkammer 20 grenzenden Ringfläche 26 bestimmt dabei eine gewünschte Beistellkraft. Zum Rückstellen der Stopfwerkzeuge 12 wird die zweite Druckkammer 20 gegenüber der ersten Druckkammer 19 unter Berücksichtigung des Flächenverhältnisses mit einem Öffnungsdruck beaufschlagt. Während eines Eindringvorgangs der Stopfwerkzeuge 12 in das Schotterbett 10 sind die zwei Druckkammern 19 gegenüber dem ersten Hydraulikkreis 23 gesperrt. Das geschieht über nicht dargestellte Schaltventile, die über Leitungen mit den zwei Anschlussöffnungen 21, 22 verbunden sind.

[21] Erfindungsgemäß ist jedem Beistellzylinder 16 zumindest ein Druckverstärker I zugeordnet. In der Variante gemäß Fig. 2 und Fig. 3 sind jedem Beistellzylinder 16 zwei Druckverstärker ZI zugeordnet. Jeder Druckverstärker ZI umfasst einen Primärzylinder 28 und einen Sekundärzylinder 29. Im jeweiligen Druckverstärker ZI ist ein Vibrationskolben 30 angeordnet. Für die weitere Erläuterung wird der Kolben (Sekundärkolben) im Sekundärzylinder 28 als Vibrationskolben 30 definiert. Durch die starre Kopplung mittels einer Verbindungsstange 31 kann jedoch auch der Kolben (Primärkolben) 32 im Primärzylinder 28 als Vibrationskolben angesehen werden.

[22] Der größere Durchmesser des Primärkolbens 32 im Verhältnis zum Durchmesser des Sekundärkolbens 30 bestimmt eine Druckübersetzung des Druckverstärkers ZI. Im vorliegenden Fall wird über den jeweiligen Druckverstärker ZI ein niedriger Systemdruck eines zweiten Hydraulikkreises 33 auf den jeweils in der ersten und in der zweiten Druckkammer 19, 20 herrschenden Hydraulikdruck übersetzt. Der zweite Hydraulikkreis 33 kann mittels entsprechender Druckminderer aus dem ersten Hydraulikkreis 23 versorgt sein. Vorzugsweise wird ein bereits vorhandener Hydraulikkreis mit entsprechend niedrigem Druckniveau genutzt.

[23] Bei der Dimensionierung der Druckverstärker ZI ist das Verhältnis zwischen großer Kolbenfläche 25 und Ringfläche 26 des zugeordneten Beistellkolbens 17 zu berücksichtigen. Insbesondere werden die Durchmesser der Sekundärkolben 30 durch die bei aktiver Vibration auftretenden Volumenänderungen in den Druckkammern 19, 20 des zugeordneten Beistellzylinders 16 vorgegeben. Die Primärkolben 32 der Druckverstärker ZI müssen so dimensioniert sein, dass sich in angrenzenden primären Druckkammern 34 immer derselbe Druck einstellt, nämlich der Systemdruck des zweiten Hydraulikkreises 33. Auf diese Weise wirkt bei Druckbeaufschlagung auf jeden Primärkolben 32 dieselbe Kraft. Die Länge des jeweiligen Primär- und Sekundärzylinders 28, 29 resultiert aus dem maximalen Kolbenweg zur Erzeugung der gewünschten Vibration.

[24] Über eine erste Durchlassöffnung 35 ist die erste Druckkammer 19 des zugeordneten Beistellzylinders 16 mit einer sekundären Druckkammer 36 des ersten Druckverstärkers I verbunden. Über eine zweite Durchlassöffnung 37 ist die zweite Druckkammer 20 des zugeordneten Beistellzylinders 16 mit der sekundären Druckkammer 36 des zweiten Druckverstärkers ZI verbunden. Die primären Druckkammern 34 sind über ein Schaltventil 38 an den zweiten Hydraulikkreis 33 angeschaltet.

[25] Im einfachsten Fall ist das Schaltventil 38 ein 4/2-Wegeventil, das die beiden Druckverstärker ZI alternierend an den Systemdruck des zweiten Hydraulikkreises 33 schaltet. Dazu wird das Schaltventil 38 mit der Steuerungseinrichtung 7 angesteuert, wobei ein Rechtecksignal 39 die Schaltzeitpunkte bestimmt. Auf diese Weise wird der Beistellkolben 17 im Beistellzylinder 16 mit einer Vibration beaufschlagt, woraus eine Vibrationsbewegung 40 der Stopfpickel 11 resultiert. Dabei sind über den Systemdruck des zweiten Hydraulikkreises 33 und das Rechtecksignal 39 eine Frequenz und eine Amplitude der Vibration einstellbar.

[26] Die Durchlassöffnungen 35, 37 zwischen den Sekundärzylindern 29 der Druckverstärker ZI und den Druckkammern 19, 20 des zugeordneten Beistellzylinders 17 sind deutlich größer dimensioniert als die Anschlussöffnungen 21, 22 an den ersten Hydraulikdruckkreis 23. Während eines Eindringvorgangs ist ein Ölzufluss bzw. Ölabfluss durch die Anschlussöffnungen 21, 22 mittels nicht eingezeichneter Schaltventile gesperrt. Dabei wird durch die entsprechende Dimensionierung der Druckverstärker das Hydrauliköl zwischen der jeweiligen Druckkammer 19, 20 des Beistellzylinders 16 und der zugeordneten sekundären Druckkammer 35 des jeweiligen Druckverstärkers ZI hin und her geschoben. Infolgedessen vibriert der Beistellkolben 17 im Beistellzylinder 16. Über die Kolbenstange 18 wird diese Vibration auf das zugeordnete Stopfwerkzeug 12 übertragen. [27] Während eines Beistellvorgang wird die Vibration aufrechterhalten, weil sich durch die großen Durchlassöffnungen 35, 37 zwischen dem Beistellzylinder 16 und den Druckverstärkern I die sekundären Druckkammern 36 füllen, bevor eine Reaktionszeit von eingebaute Überdruckventilen erreicht wird. Auch ein direkter Anbau der Druckverstärker ZI am zugeordneten Beistellzylinder 16 stellt die Aufrechterhaltung der Vibration sicher, indem Dämpfungseffekte vermieden werden.

[28] Zu Beginn eines Arbeitseinsatzes wird die erste Druckkammer (Kolbenkammer) 19 gefüllt und danach gesperrt. Mit dem Hydraulikdruck in der gesperrten ersten Kammer 19 und einem Gegendruck auf der kleineren Ringfläche 26 werden die Druckverstärker ZI gefüllt. Danach kann das Schaltventil 38 jederzeit zu arbeiten beginnen.

[29] Zwischenkammern 41 der beiden Druckverstärker ZI sind über eine Ausgleichsleitung 42 miteinander verbunden. An die Ausgleichsleitung 42 ist ein Ausgleichsspeicher 43 angeschlossen, damit die Zwischenkammern 41 mit einem Vorspanndruck (z.B. 5 bar) beaufschlagt werden. Bei aktivierter Vibration werden die geringfügigen Volumenschwankungen der Zwischenkammern 41 mit dieser Anordnung ausgeglichen. Alternativ dazu kann eine Füllleitung mit demselben Vorspanndruckniveau zum Einsatz kommen.

[30] In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Schaltventil 38 als Servoventil oder Proportionalventil ausgebildet. Mittels eines Wegmesssensors 44 wird zumindest ein Kolbenweg innerhalb eines Zylinders 16, 28, 29 erfasst. Das kann durch direkte Messung innerhalb des entsprechenden Zylinders 16, 28, 29 oder indirekt über die Stellung der Stopfwerkzeuge 12 geschehen. Ein dem Kolbenweg entsprechendes Messsignal ist der Steuerungseinrichtung 7 zugeführt. In weiterer Folge wird mittels der Steuerungseinrichtung 7 die Vibration in Abhängigkeit des Messsignals geregelt. Auf diese Weise ergibt sich ein Regelkreis für eine gewünschte Vibrationsamplitude.

[31] Ein vereinfachter Aufbau ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist jedem Beistellzylinder 16 von gegenüberliegenden Stopfwerkzeugen 12 nur ein Druckverstärker ZI zugeordnet. Konkret ist jede erste Druckkammer (Kolbenkammer) 19 mit der sekundären Druckkammer 36 des zugeordneten Druckverstärkers ZI verbunden. Die Beaufschlagung der primären Druckkammern 34 mit dem Systemdruck des zweiten Druckkreises 33 erfolgt wie im Beispiel gemäß Fig. 3. Auch eine Ausgleichsleitung 42 mit Ausgleichsspeicher 43 oder eine Füllleitung sind vorhanden. Hinzu kommt ein Druckspeicher (hydraulischer Akku) 45, der an eine Verbindungsleitung 46 der zweiten Druckkammern (Ringkammern) 20 angeschlossen ist.

[32] Während eines Eindringvorgangs wird der Druck in dieser Verbindungsleitung 46 und in den zweiten Druckkammern 20 gegenüber der restlichen Hydraulikschaltung mittels nicht dargestellter Ventile abgesperrt. Die bei aktiver Vibration entstehenden Druckspitzen werden mittels des Druckspeichers 45 zwischengespeichert. Dabei wird Hydrauliköl bei steigender Flanke des Rechtecksignals 39 im Druckspeicher 45 gespeichert und bei fallender Flanke wieder abgegeben.

[33] Mit Beginn eines Beistellvorgangs wird die Sperre der Verbindungsleitung 46 und der zweiten Druckkammern 20 aufgehoben und Hydrauliköl kann zurück in den ersten Hydraulikkreis 23 fließen. Dabei wird die Vibration aufrechterhalten, wobei Hydrauliköl weiterhin mit jeder steigenden Flanke des Rechtecksignals 39 im Druckspeicher 45 gespeichert und bei fallender Flanke wieder abgegeben wird. Auf diese Weise wird eine Erwärmung des Hydrauliköls infolge der beaufschlagten Vibration vermieden.