Gleisbaumaschine und Verfahren zum Unterstopfen von Schwellen eines Gleises

Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft eine Gleisbaumaschine mit einem Stopfaggregat zum Unterstopfen von in einem Schotterbett liegenden Schwellen eines Gleises, umfassend einen auf einem Aggregatrahmen höhenverstellbar gelagerten Werkzeugträger, auf dem Stopfwerkzeuge zueinander beistellbar angeordnet sind, wobei der Werkzeugträger mit einem mittels einer

Steuerungseinrichtung angesteuerten Höhenverstellantrieb gekoppelt ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer

entsprechenden Gleisbaumaschine.

Stand der Technik

[02] Eine mit einem Stopfaggregat ausgestattete Gleisbaumaschine wird dazu verwendet, eine gewünschte Gleislage herzustellen oder zu stabilisieren. Dabei befährt die Gleisbaumaschine das Gleis und hebt den aus Schwellen und Schienen gebildeten Gleisrost mittels eines Hebe-/Richtaggregats auf ein Sollniveau. Eine Fixierung der neuen Gleislage erfolgt durch Unterstopfen der Schwellen mittels des Stopfaggregats. Dazu werden Stopfwerkzeuge (Stopfpickel) in Vibration versetzt, auf beiden Seiten einer Schwelle in das Schotterbett abgesenkt und zueinander beigestellt, um den Schotter unter der Schwelle zu verdichten. Anschließend werden die Stopfwerkzeuge wieder aus dem Schotterbett gehoben und auseinander bewegt. Das

Stopfaggregat wird über der nächsten Schwelle positioniert und ein neuer Stopfzyklus beginnt.

[03] Für das Absenken und Heben der Stopfwerkzeuge sind verschiedene

Lösungen bekannt. Beispielsweise beschreibt EP 1 233 108 A1 einen Hebe- und Absenkmechanismus für eine Stopfeinheit, bei der ein Hydraulikzylinder und eine Hebelanordnung mit einem Aggregatrahmen gekoppelt sind. Ein Stopfaggregat mit mehreren Werkzeugträgern ist aus EP 0 698 687 A1 bekannt. Dabei ist jedem Werkzeugträger zum separaten Absenken und Heben ein eigener Höhenverstellantrieb zugeordnet.

[04] Für eine Vorgabe der Absenkbewegung stehen einer Bedienperson in der Regel bis zu drei Geschwindigkeitsstufen zur Auswahl, um die

Beschaffenheit des Schotterbettes zu berücksichtigen. Bei einer

Gleisneulage erfolgt das Absenken gewöhnlich mit einer geringeren

Geschwindigkeit als bei einem durch Verschleiß und Umwelteinflüsse verhärteten Schotterbett. Ziel ist ein rasches Erreichen einer vorgegebenen Eintauchtiefe bei möglichst konstanter Absenkzeit. Eine entsprechende Vorgabe erfolgt durch manuelle Einstellung und basiert auf den Erfahrungen der Bedienperson.

[05] AT 519 195 A1 offenbart ein Stopfaggregat, bei dem der Absenkbewegung der Stopfwerkzeuge eine vertikale Vibration überlagert ist, um ein Eindringen der Stopfwerkzeuge in ein verhärtetes Schotterbett zu erleichtern. Allerdings wird dabei auch eine zusätzliche Belastung der Gleisbaumaschine in Kauf genommen, weil sich die vertikale Vibration auch auf einen

Maschinenrahmen überträgt, an dem das Stopfaggregat befestigt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

[06] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleisbaumaschine der

eingangs genannten Art weiterzubilden, damit die Stopfwerkzeuge des Stopfaggregats in optimierter Weise in ein Schotterbett absenkbar sind. Zudem soll ein entsprechend optimiertes Verfahren zum Betreiben der Gleisbaumaschine angegeben werden.

[07] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der

Ansprüche 1 und 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[08] Die Erfindung sieht vor, dass zum Regeln einer Absenkbewegung des

Werkzeugträgers ein Regelkreis mit einem Regler, einer Stelleinrichtung für den Höhenverstellantrieb und einer Messeinrichtung zur Erfassung der Absenkbewegung eingerichtet ist. Damit ist es möglich, für die

Absenkbewegung einen optimalen Ablauf vorzusehen. Das betrifft eine Beschleunigung ebenso wie eine Eindringgeschwindigkeit beim Auftreffen der Stopfpickel auf das Schotterbett sowie einen Bremsverlauf beim

Erreichen der Eintauchtiefe. Mit der Regelung sind einzelne Phasen der Absenkbewegung aufeinander abstimmbar, sodass insgesamt eine minimale Absenkzeit bei gleichzeitiger Schonung der Gleisbaumaschine und des Schotterbettes gegeben ist.

[09] Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung einen Positionsgeber zur Erfassung einer Höhenposition des Werkzeugträgers. Eine entsprechende Regelgröße des Regelkreises ist in einfacher Weise vorgebbar und führt zu einer stabilen Regelung. Alternativ oder zusätzlich kann eine

Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Werkzeugträgers bzw. der Stopfwerkzeuge erfasst werden.

[10] Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn dem Regler eine Vorsteuerung oder ein Vorfilter zur Anpassung einer Führungsgröße des Regelkreises vorgeschaltet ist. Die Vorsteuerung oder der Vorfilter nutzt dabei ein mathematisches Modell mit Einstellparametern für eine optimierte

Ansteuerung der Stelleinrichtung, um einem vorgegebenen Ablauf der Absenkbewegung mit minimierten Abweichungen zu folgen.

[11] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung umfasst der

Höhenverstellantrieb einen Hydraulikzylinder mit einem Hydraulikventil als Stelleinrichtung. Hydraulikzylinder und Hydraulikventil erlauben eine optimale Regelung der Absenkbewegung und der Hebebewegung mit kurzen

Zykluszeiten und Bereitstellung hoher Kräfte.

[12] Das Hydraulikventil ist dabei günstigerweise als vorgesteuertes Regelventil ausgebildet. Dabei ermöglicht ein hochdynamischer und hochpräziser Antrieb eines Vorsteuerventils eine optimale Regelung der Hauptstufe mit ausreichend hoher Durchflusskapazität. Als Alternative ist ein Servoventil oder ein Proportionalventil einsetzbar.

[13] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Unterstopfen von in einem

Schotterbett liegenden Schwellen eines Gleises mit einer oben

beschriebenen Gleisbaumaschine wird das Stopfaggregat über einer Stopfstelle des Gleises positioniert und der Werkzeugträger über den Höhenverstellantrieb mit in das Schotterbett eindringenden Stopfwerkzeugen abgesenkt, wobei die Absenkbewegung mit einer geregelten Bewegungsgröße durchgeführt wird.

[14] Um bei der Regelung der Absenkbewegung Regelabweichungen zu

minimieren ist es von Vorteil, wenn mittels einer dem Regler vorgeschalteten Vorsteuerung oder mittels eines dem Regler vorgeschalteten Vorfilters eine Führungsgröße modifiziert wird.

[15] Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass eine

während eines Stopfzyklus auftretende Regeldifferenz einer Recheneinheit zugeführt wird und dass ausgehend von der Regeldifferenz in der

Recheneinheit mittels eines Iterative Learning Control Algorithmus zumindest ein Parameter der Vorsteuerung oder des Vorfilters angepasst wird. Damit wird automatisch auf Zustandsänderungen des Schotterbettes reagiert, wobei die Regeleingriffe für nachfolgende Stopfzyklen minimiert werden.

[16] Günstigerweise wird die Absenkbewegung des Werkzeugträgers mittels

eines Positionsgebers erfasst. Dieser ist entweder am Stopfaggregat angeordnet oder an einer sonstigen Stelle der Gleisbaumaschine, von der aus eine berührungslose Erfassung der Absenkbewegung möglich ist.

[17] Für eine stabile Regelung ist es von Vorteil, wenn dem Regelkreis eine von einer Absenkzeit abhängige Führungsgröße vorgegeben wird. Als

vorgegebener Ablauf einer Absenkbewegung ist dann eine Funktion über der Zeit generierbar.

[18] Dabei ist es sinnvoll, wenn dem Regelkreis ein Absenkweg über der

Absenkzeit als Führungsgröße vorgegeben wird. In einer entsprechenden Zeit-Weg-Kurve kann direkt ein gewünschter Bremsverlauf und die

vorgesehene Eintauchtiefe angegebene werden.

[19] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Sollwertverlauf mittels eines

Sollwertgebers vorgegeben. Damit ist eine automatisierte Vorgabe der Führungsgröße möglich. Beispielsweise sind im Sollwertgeber

unterschiedliche Sollwertverläufe hinterlegt und eine Auswahl erfolgt mittels einer intelligenten Steuerung unter Annahme eines Gleisparameters oder mehrerer Parameter. Dabei kann auch die Vorgabe von Parametern oder eines Sollwertverlaufs durch eine Bedienperson sinnvoll sein. [20] Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn dem als Sollwertgenerator

ausgebildeten Sollwertgeber eine Rückführungsgröße des Regelkreises zugeführt wird, wobei die vorgegebene Absenkbewegung in Abhängigkeit der Rückführungsgröße angepasst wird. Die Rückführungsgröße ist dabei die gemessene Regelgröße und erlaubt Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Schotterbettes. Beispielsweise kann ein stark verdichtetes Schotterbett dazu führen, dass eine vorgegebene Eintauchtiefe trotz Regelung nicht mehr erreicht wird. Der Sollwertgenerator gibt dann dem Regelkreis eine

Absenkbewegung mit höherer Eintauchgeschwindigkeit vor. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehenden Stellbereich der Stelleinrichtung immer optimal genutzt.

[21] Ein verbessertes Verfahren sieht auch vor, dass zumindest eine der im

Regelkreis verarbeiteten Größen einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird und dass mittels der Auswerteeinrichtung aus der zumindest einen Größe eine Kenngröße für das Schotterbett abgeleitet wird. Insbesondere die Stellgröße, die Rückführungsgröße oder die Regeldifferenz erlauben

Rückschlüsse auf ein Eindringverhalten des Schotterbettes, woraus sich eine Zustandskenngröße des Schotterbettes ergibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Darstellung:

Fig. 1 Stopfaggregat in Seitenansicht

Fig. 2 Regelkreis

Fig. 3 Führungsgrößenverlauf

Fig. 4 Modifizierte Führungsgrößenverläufe

Fig. 5 Regelkreis mit Vorfilter bzw. Vorsteuerung

Fig. 6 Regelkreis mit anpassbarem Vorfilter bzw. anpassbarer

Vorsteuerung

Fig. 7 Regelkreis mit Sollwertgenerator zur Generierung eines geänderten

Führungsgrößenverlaufes Beschreibung der Ausführungsformen

[23] Das in Fig. 1 dargestellte Stopfaggregat 1 umfasst einen Aggregatrahmen 2, der an einem Maschinenrahmen 3 einer auf Schienen 4 eines Gleises 5 fahrbaren Gleisbaumaschine befestigt ist. Das Stopfaggregat 1 dient zum Stopfen eines Schotterbettes 6, auf dem Schwellen 7 mit den darauf befestigten Schienen 4 des Gleises 5 gelagert sind. Im Aggregatrahmen 2 ist ein Werkzeugträger 8 höhenverstellbar geführt, wobei eine Absenkbewegung 9 bzw. Hebebewegung mittels eines zugeordneten Höhenverstellantriebs 10 erfolgt.

[24] Am Werkzeugträger 8 ist ein Schwingungsantrieb 11 angeordnet, an den zwei Beistellantriebe 12 angeschlossen sind. Jeder Beistellantrieb 12 ist mit einem Schwenkhebel 13 verbunden. Beide Schwenkhebel 13 sind

zueinander um eine jeweils horizontale Schwenkachse 14 bewegbar am Werkzeugträger 8 gelagert und weisen Stopfwerkzeuge 15 (Stopfpickel) auf. Angesteuert werden die Antriebe 10, 11 , 12 mittels einer

Steuerungseinrichtung 16.

[25] Die freien Enden der Stopfwerkzeuge 15 (Pickelplatten) dringen während eines Stopfvorgangs bis unter eine Schwellenunterkante in das Schotterbett 6 ein und verdichten den Schotter unter der betreffenden Schwelle 7. Fig. 1 zeigt das Stopfaggregat 1 während einer solchen Phase des Stopfvorgangs. Im Anschluss daran werden die Stopfwerkzeuge 15 rückgestellt und aus dem Schotterbett 6 gehoben. Das Stopfaggregat 1 wird zur nächsten Schwelle 7 bewegt und ein neuer Stopfzyklus beginnt mit einer Absenkbewegung 9.

[26] Bei einer optimierten Absenkbewegung 9 wird die gewünschte Eintauchtiefe 17 der Stopfwerkzeuge 15 schnellstmöglich erreicht, wobei jedoch die auftretenden Kräfte keine störenden Belastungen der Gleisbaumaschine hervorrufen. Zudem soll die Eintauchtiefe 17 genau erreicht und nicht überschritten werden, um weder die Schwellen 7 noch ein unter dem

Schotterbett 6 befindliches Planum zu beschädigen.

[27] Erreicht wird diese optimierte Absenkbewegung 9 erfindungsgemäß durch einen in der Gleisbaumaschine eingerichteten Regelkreis mit einem Regler 18, einer Stelleinrichtung 19 für den Höhenverstellantrieb 10 und einer Messeinrichtung 20 zur Erfassung der Absenkbewegung 9 (Fig. 2). Um den Ablauf der Absenkbewegung 9 vorzugeben, liefert beispielsweise ein

Sollwertgeber 21 einen in Fig. 3 dargestellten Sollwertverlauf für eine

Regelgröße x. Dabei können im Sollwertgeber 21 auch mehrere

Sollwertverläufe hinterlegt sein. Eine Auswahl erfolgt mittels einer

intelligenten Steuerung unter Annahme zumindest eines Gleisparameters oder durch eine Bedienperson. Die Ausgabe des Sollwertgebers 21 dient als Führungsgröße w des Regelkreises. Als Regelgröße x ist beispielsweise ein Absenkweg s des Werkzeugträgers 8 vorgesehen. Auch die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Werkzeugträgers 8 sind als Regelgröße x heranziehbar.

[28] Der Regler 18 umfasst ein Regelglied 22 und liefert eine

Reglerausgangsgröße y, die einem Steller 23 zur Bildung einer Stellgröße u zugeführt ist. Als Stelleinrichtung 19 dient beispielsweise ein vorgesteuertes Regelventil für einen Hydraulikzylinder des Flöhenverstellantriebs 10. Der Steller 23 ist dann ein Stellantrieb dieses vorgesteuerten Regelventils und steuert als Stellgröße u einen Stellweg des Regelventils. Eine vorliegende Regelstrecke 24 umfasst als Stellglied 25 den Ventilkörper des Regelventils und alle sonstigen die Absenkbewegung 9 beeinflussenden Komponenten. Dazu zählen der Hyd raulikzylinder des Flöhenverstellantriebs 10 und alle abgesenkten Komponenten des Stopfaggregats 1 ebenso wie Komponenten des bearbeiteten Bereichs des Gleises 5. Insbesondere kommen hier die Massen der abgesenkten Komponenten und ein Eindringwiderstand des Schotterbettes 6 zum Tragen.

[29] Die vom Regelglied 22 ausgegebene Reglerausgangsgröße y basiert auf einer Regeldifferenz e, die sich aus der Führungsgröße w abzüglich einer Rückführungsgröße r ergibt. Die Rückführungsgröße r ist dabei die mit der Messeinrichtung 20 erfasste Regelgröße x. Konkret bestimmt der Regler 18 aus einer Differenz eines Sollwertes (nummerischer Wert der Führungsgröße w) und eines Istwertes (nummerischer Wert der gemessenen Regelgröße x) einen nummerischen Stellwert (nummerischer Wert der

Reglerausgangsgröße y), der dem Steller 23 vorgegeben wird.

[30] Auf die Regelstrecke 24 wirken Störgrößen z ein. Dabei handelt es sich

insbesondere um eine Änderung des Eindringwiderstands infolge einer sich ändernden Beschaffenheit des Schotterbettes 6. Die durch einen

veränderten Eindringwiderstand verursachte Störung der Regelgröße x ergibt eine Regeldifferenz e. Die daraufhin vom Regler 18 und Steller 23 gelieferte Stellgröße u bewirkt eine veränderte Ansteuerung des Höhenverstellantriebs 10, wodurch der Störung entgegengewirkt wird.

[31] Zum Beispiel wird bei einem zu schnellen Eindringen der Stopfwerkzeuge 15 in das Schotterbett 6 eine vom Höhenverstellantrieb 10 auf den

Werkzeugträger 8 wirkende Kraft reduziert. Bei zu langsamen Eindringen wird die Kraft erhöht. Auf diese Weise wird die Absenkbewegung 9 bei Sollabweichungen immer der vorgegebenen Führungsgröße w nachgeregelt. Die Stopfwerkzeuge 15 dringen dabei mit optimaler Geschwindigkeit in das Schotterbett 6 ein und erreichen exakt die gewünschte Eindringtiefe 17.

Zudem wird die Eindringzeit in den einzelnen Stopfzyklen konstant gehalten.

[32] Um die Eingriffe der Regelung zu minimieren ist es sinnvoll, für die

Führungsgröße w eine Vorsteuerung bzw. einen Vorfilter 26 vorzusehen (Fig. 5). Ziel dieser Maßnahme ist eine modifizierte Führungsgröße w‘, welche die Gegebenheiten der Regelstrecke 24 vorwegnimmt. Beispielsweise wird für den als Regelgröße x vorgegebenen Absenkweg s über der Zeit t ein veränderter Kurvenverlauf vorgegeben, wie in Fig. 4 dargestellt. Das System aus Stopfaggregat 1 und bearbeitetem Gleis 5 folgt dann dieser modifizierten Führungsgrößenvorgabe nahezu ohne Regelungseingriffe.

[33] Dabei ist der mit durchgezogener Linie gezeichnete Verlauf für ein weiches Schotterbett 6 mit schwach verdichtetem Schotter vorgesehen. Die weiteren Verläufe entsprechen Vorgaben für ein zunehmend verdichtetes Schotterbett 6, bis hin zum punktiert eingezeichneten Verlauf für ein sehr stark

verdichtetes Schotterbett 6. Um hier in der vorgesehenen Zeit die

gewünschte Eindringtiefe 17 zu erreichen, ist eine höhere Geschwindigkeit in der Startphase des Eindringens erforderlich.

[34] Eine weitere Verbesserung sieht eine Parameteranpassung der

Vorsteuerung bzw. des Vorfilters 26 vor, wie in Fig. 6 dargestellt. Dazu ist eine Recheneinheit 27 vorgesehen, der eine während eines Stopfzyklus k auftretende Regeldifferenz e _k zugeführt ist. Diese Regeldifferenz e _k ergibt sich aus der nicht modifizierten Führungsgröße W _k abzüglich der

Rückführungsgröße r _k .

[35] In der Recheneinheit 27 ist ein sogenannter Iterative Learning Control

Algorithmus 28 eingerichtet. Dieser wird genutzt, um mittels der

Regeldifferenz e _k und der modifizierten Führungsgröße w’ _k des betrachteten Stopfzyklus k vorab eine optimierte modifizierte Führungsgröße w‘ _k+i für den nächsten Stopfzyklus k+1 abzuleiten. Für diese Berechnung können auch mehrere vergangene Stopfzyklen mit den dabei auftretenden

Regeldifferenzen e herangezogen werden.

[36] Damit die optimierte modifizierte Führungsgröße w‘ _k+i zur Anwendung

kommt, werden in einem nächsten Schritt die Einstellparameter der

Vorsteuerung bzw. des Vorfilters 26 geändert. Dazu ist in der Recheneinheit 27 ein entsprechender Einstellalgorithmus 29 eingerichtet. Die geänderte Vorsteuerung bzw. der geänderte Vorfilter 26 bewirkt eine Verringerung der Regelungsaktivität, wodurch die Regelung insgesamt stabiler wird.

Anfangsbedingungen für den Iterative Learning Control Algorithmus 28 werden entweder durch eine Bedienperson vorgegeben oder es wird mittels einer intelligenten Steuerung eine Annahme getroffen. Die iterative

Anpassung der Parameter startet dann von dieser Vorgabe. In einer einfachen Variante wird immer von gleichen Anfangsbedingungen

ausgegangen.

[37] Eine weitere Verbesserung wird mit Bezug auf Fig. 7 erläutert. Hier ist der Sollwertgeber 21 als Sollwertgenerator ausgebildet. Ähnlich einem

Trajektoriengenerator generiert dieser Sollwertgenerator einen Ablauf der Absenkbewegung 9, beispielsweise als Verlauf des Absenkwegs s über der Zeit t. Der Sollwertgenerator liefert auf diese Weise dem Regler 18 bzw. der Vorsteuerung oder dem Vorfilter 26 die Führungsgröße w. Zudem ist dem Sollwertgenerator die Rückführungsgröße r zugeführt, um Abweichungen von der Führungsgröße w zu erfassen. Auch hier werden Anfangsbedingungen entweder durch eine Bedienperson oder durch eine intelligente Steuerung auf Basis angenommener Gleisparameter vorgegeben.

[38] Zunehmende Abweichungen deuten darauf hin, dass die Regelung an ihre Grenzen stößt, weil die generierte Führungsgröße w nicht mehr erreichbar ist. Sobald die Abweichungen ein nicht mehr vernachlässigbares Ausmaß erreichen, generiert der Sollwertgenerator eine neue Vorgabe für die

Absenkbewegung 9. Beispielsweise ist ein Grenzwert für zulässige

Abweichungen vorgegeben, sodass der Sollwertgenerator beim Erreichen des Grenzwertes einen neuen Verlauf des Absenkweges s über der Zeit t generiert. Auf diese Weise wird automatisiert auf eine geänderte

Beschaffenheit des Schotterbettes 6 reagiert, ohne die Stabilität und

Genauigkeit der Regelung zu beeinträchtigen.

[39] Der Sollwertgenerator kann auch zu Beginn eines Arbeitseinsatzes zur

Anwendung kommen, um einen Startablauf der Absenkbewegung 9 vorzugeben. Dabei ist es günstig, wenn mehrere Probestopfungen

durchgeführt werden, um die Vorgaben für die Regelung an die

herrschenden Bedingungen anzupassen.

[40] Die elektronischen Komponenten der Regelung, insbesondere der

Sollwertgeber 21 , der Regler 18 und gegebenenfalls die Recheneinheit 26, sind in einer separaten elektronischen Schaltung eingerichtet oder in der Steuerungseinrichtung 16 integriert. Die Anordnung der Messeinrichtung 20 erfolgt beispielsweise direkt am Höhenverstellantrieb 10, wobei ein

Hydraulikzylinder mit integrierter Wegmessung sinnvoll ist.

[41] Zudem ist in einer erweiterten Ausführungsform eine Auswerteeinrichtung 30 vorgesehen, der zumindest eine Größe u, e, r des Regelkreises zugeführt ist, um eine Kenngröße für das Schotterbett 6 abzuleiten. Eine solche

Kenngröße gibt beispielsweise an, ob es sich um neuen Schotter oder um stark verdichteten und verschmutzten Schotter handelt.