用于压实轨道的道碴床的机器和方法与流程

1.本发明涉及一种用于压实轨道的道碴床的机器，该机器具有支撑在轨道转向架上的机架和连接到机架上的高度可调节的稳定单元，该稳定单元包括振动驱动器和轮轴，该轮轴带有能够在轨道的钢轨上移动的轮缘滚轮，轮缘滚轮的相对于彼此的、垂直于机器的纵向方向延伸的距离可以通过扩张驱动器改变，并且该稳定单元还包括可以通过夹紧驱动器压紧在钢轨上的滚轮夹具。本发明还涉及一种用于操作前述机器的方法。


背景技术：

2.为了产生或恢复预先确定的轨道几何形状，具有道碴床的轨道通过捣固机进行作业。具体来说，对铺设在道碴床中的轨排的位置进行校正。该轨排由轨枕和通过钢轨紧固件固定到轨枕上的钢轨组成。在此校正过程中，捣固机沿着轨道行进，并通过起拨单元将轨排提升到过度校正的目标位置。新的轨道位置通过捣固单元捣固轨道来固定。最重要的是，道碴床足够的且均匀的承载能力是铁路运营中轨道位置稳定的必要前提。
3.因此，通常在捣固过程之后使用机器来稳定轨道。轨道承载有静态负载，并使用所谓的动态轨道稳定机(dgs)设定局部振动。振动使粒状结构中的颗粒变得可移动，从而使它们能够以更高的致密性移位和重新排列。由此产生的道碴压实增加了轨道的承载能力，并复制了运行期间造成的轨道沉降。横向轨道阻力的增强也意味着压实。
4.ep 0 616 077 a1公开了一种相应的机器，该机器具有设置在两个轨道转向架之间的稳定单元。稳定单元包括轮缘滚轮，轮缘滚轮能够在轨道上移动并将通过振动驱动器产生的振动传递到轨道。在稳定过程中，布置在共用轮轴上的轮缘滚轮通过扩张驱动器压紧在轨头的内侧上，以避免轨距间隙。


技术实现要素：

5.本发明的目的是改进上述类型的机器，使得在稳定过程中检测轨道的薄弱点。本发明的另一个目的是提供一种相应的方法。
6.根据本发明，这些目的通过权利要求1和8的特征来实现。从属权利要求示出本发明的有利实施例。
7.扩张驱动器和/或夹紧驱动器被设置为向钢轨施加预先确定的可变水平负载力，其中测量装置被设置为检测由可变负载力引起的轨头偏转和/或轨距变化。当激活该装置时，具有预定进程的机械扩张力横向于机器的纵向方向被施加到钢轨上，并且测量由此产生的轨头偏转和/或轨距变化。通过这种方式，可以通过稳定单元确定轨排是否本质上是稳定的。该检查不需要单独的轨道占用，这是因为测量是在维护措施过程中通过稳定单元进行的。
8.在根据本发明的布置中，相应的钢轨在轮缘滚轮和滚轮夹具之间在轨头处被夹紧。通过滚轮夹具作用在钢轨上的夹紧力与扩张力协作。除了振动驱动器的动态冲击力之外，扩张力和夹紧力加起来作为作用在相应钢轨上的变化的负载力。具体而言，通过改变扩
张力和/或夹紧力来实现对该负载力的改变。由负载力变化引起的轨距变化随后提供了有关相应钢轨紧固件的状况的信息。
9.与完好的轨排相比，损坏的或未充分固定的钢轨紧固件在水平负载力变化时会导致更大的轨距变化。因此，所检测的轨距变化可以用作钢轨紧固件的状况的参数。例如，由于不正确的维护导致过载或损坏，会发生钢轨紧固件松动。由于细菌感染和与天气有关的影响，木制轨枕会老化，这会导致钢轨紧固件松动。在这里，目视检查通常是不够的。
10.此外，由于尚未超过与安全相关的限制，因此传统的轨道检查车辆通常无法检测到钢轨紧固件有缺陷的轨道区段。本发明提供了稳定单元的动态冲击力使得可以这样检测到先前损坏的钢轨紧固件。特别是，钢轨紧固件的部件中已经存在的材料裂缝变得更加极端，从而可以立即检测到。这种协同效应直接源于使用根据本发明的稳定单元来检查轨排的稳定性。已知的系统(轨距约束测量系统，grms)仅测量由于在静态横向力下沿轨道引导的扩张轮轴引起的变化的轨距。不存在可以检测到先前损坏的钢轨紧固件的动态部件。
11.在本发明的有利实施例中，引起周期性变化的负载力的控制信号被存储在控制设备中，用于控制扩张驱动器和夹紧驱动器。负载力的周期性变化以明显低于振动驱动器的振动频率的频率发生。稳定单元通常在30hz和35hz之间的振动频率下运行。相比之下，可变负载力的周期约为1秒，使得1赫兹的频率明显低于振动频率。这样，就避免了振动对由负载力引起的轨头偏转的干扰影响。测得的偏转值或轨距变化可以清楚地分配给负载力的周期性低频进程。
12.有利地，测量装置耦合到轮缘滚轮的轮轴。因此直接在作用在钢轨上的扩张力的力轴线上测量轨距，由此确定扩张力和轨距之间的直接相关性。
13.在本发明的另一实施例中，测量装置被耦合到评估装置，其中评估装置被设置为基于检测到的轨头偏转和/或轨距变化来评估钢轨紧固件。评估装置能够自动评估相应钢轨紧固件的状况。
14.在这种情况下，如果评估装置被设置为用于根据变化的负载值的进程评估在测量点处检测到的轨头偏转和/或轨距值，以评估位于测量点的区域中的钢轨紧固件的状况，则是有利的。以这种方式，负载-位移曲线的数值对被记录和比较，以便推导出相应钢轨紧固件的状态变量。
15.进一步的改进提出，布置位置确定单元被以用于对轨头偏转和/或轨距变化进行位置相关的检测。以这种方式获得的位置参考有助于在测量结果与使用中的轨道的相应钢轨紧固件的位置之间进行比较。基于位置的检测也有利于文档记录的目的。
16.在机器的进一步改进中，两个稳定单元被前后布置，每个稳定单元包括测量装置，所述测量装置用于检测由相应的水平负载力引起的轨头偏转和/或轨距变化。通过这种布置，可以在机器的连续向前行驶期间在同一点处以不同的负载力进行测量。首先，前稳定单元以第一负载力进行测量。一旦后稳定单元到达相同的测量点，就会以第二负载力进行第二次测量。
17.在根据本发明的方法中，将稳定单元首先通过轮缘滚轮下降到轨道的钢轨上。在下一步骤中，钢轨通过扩张驱动器和/或夹紧驱动器承受预先确定的可变的水平负载力，其中通过测量装置检测由负载力引起的轨头偏转和/或轨距变化，以推断钢轨紧固件的状况。稳定单元的这种额外使用几乎不需要费力。在任何情况下要进行的压实过程都与钢轨紧固
件的状况检查相关联。
18.在该方法的有利实施例中，通过控制设备，水平负载力以低于振动驱动器的振动频率的频率周期性地改变。在这种情况下，在某种程度上，扩张驱动器和/或夹紧驱动器的周期性控制信号以低频率(例如1hz)被调制到振动驱动器的振动进程上。周期性变化的负载力是由轮缘滚轮的扩张力和从外部靠在钢轨上的滚轮夹具的夹紧力产生的。这种变化的负载力叠加了由振动驱动器引起的作用在钢轨上的冲击力。这在操作单个稳定单元时特别有用。
19.在进一步的方法变型中，钢轨通过上述稳定单元受到第一水平负载力，而钢轨通过另一稳定单元额外地受到第二水平负载力。在这种方法中，两个稳定单元都用于根据相应负载力来测量轨距。通过指定不同的水平负载力，可以检测轨距变化，这提供了有关钢轨紧固件的状况的信息。
20.在该方法的进一步改进中，机器沿着轨道连续地移动。当通过时，不同的扩张力被施加到相应钢轨紧固件的区域中的钢轨上，并测量对轨距的影响。
21.对于自动评估，如果所述轨距变化被检测并且通过评估装置根据变化的负载力来评估轨距变化，则其是有用的。例如，在评估设备中设置了算法，该算法将轨距变化与预先确定的极限值进行比较。
22.在该方法的进一步改进中，根据不同负载力值通过所述评估装置一起评估在测量点处检测到的轨头偏转值和/或轨距值。在此，负载-位移曲线的数值对被彼此相关地设置，以便推断出相应的钢轨紧固件的状况。
23.进一步的改进提出，通过位置确定单元来执行测量装置的位置确定，以便利用位置相关的方式对轨头偏转和/或轨距变化进行检测。以这种方式实现的位置相关性结果使得之后可以简单地评估相应的钢轨紧固件。
24.如果以位置相关的方式存储用于评估相应钢轨紧固件的状况的评估数据，这将是有用的。存储的数据随后用于记录已执行的轨道检查。
附图说明
25.在下文中，参照附图通过示例的方式解释本发明。以下附图以示意图形式示出了：
26.图1为在轨道上的带有两个稳定单元的机器的侧视图；
27.图2为稳定单元和轨道的剖视图；
28.图3为冲击力和负载力随时间的进程；
29.图4为钢轨轮廓；
30.图5为图4的图表；
31.图6为图2的详细视图；
32.图7为力随时间的进程；
33.图8为负载-位移曲线；
34.图9为稳定单元的俯视图。
具体实施方式
35.图1中所示的机器1是所谓的动态轨道稳定机(dgs)，该机器1具有机架2，机架2能
够在位于轨道4上的轨道转向架3上移动。轨道4包括轨排5，轨排5由钢轨6、钢轨紧固件7和铺设在道碴床9中的轨枕8组成。机器1通常在捣固过程之后用于复制(vorwegzunehmen)轨排5的沉降。本发明还涉及未示出的组合式捣固稳定机器或涉及配备有稳定单元10的另一种轨道维护机器。
36.两个稳定单元10在机器的纵向方向11上被前后附接至所示机器1的机架2。此外，机器1包括牵引驱动器12和用于检测轨道位置的测量系统13以及用于操作人员的驾驶室14。相应的稳定单元10可以通过高度调节驱动器15从非操作位置被下降到钢轨6上。
37.每个稳定单元10具有振动驱动器16。振动通常是由不均匀的质量块旋转产生的。此外，每个稳定单元10包括横向于机器的纵向方向11对齐的轮轴17。轮轴17具有轮缘滚轮18。在操作位置中，稳定单元10能够通过这些轮缘滚轮18在钢轨6上移动。在轮轴17中布置有扩张驱动器19，可以通过扩张驱动器19改变轮缘滚轮18之间的距离。图2示出了具有左右轮缘滚轮18和扩张驱动器19的轮轴17。
38.根据本发明，扩张驱动器19被设置为向钢轨6施加预先确定的扩张力fs。因此，扩张驱动器19不仅用于将轮缘滚轮18没有间隙地压紧在相应的轨头的内侧上。而且，扩张力fs是以特定值预先确定的，该特定值随后根据所测量的轨距s或轨距差δs进行设置。扩张力fs从内侧施加到相应的钢轨6上。
39.轨距s或轨距差δs是通过测量装置20测量的。测量装置20包括例如耦合到轮轴17的机电距离传感器。在这种情况下，传感器的第一部件连接到轴部分，该轴部分可移位地安装在轮轴方向上并且连接到左轮缘滚轮18。传感器的第二部件连接到右轮缘滚轮18的可移位安装的轴部分。如果通过扩张驱动器19使这些轴部分相对于彼此移动，则传感器的各个部件也朝向彼此移动，由此测量移动路径。当轮缘滚轮18与轨头接触时，该移动路径对应于轨距差δs。
40.图2中所示的稳定单元10包括滚轮夹具21，滚轮夹具21具有可以从外侧压紧在相应的轨头上的夹紧滚轮22。左夹紧滚轮22处于夹紧位置。右夹紧滚轮22示出为处于自由位置。在稳定单元10的操作过程中也使用该自由位置来避开障碍物(例如鱼尾板钢轨接头)。
41.在夹紧位置处，夹紧驱动器23通过夹紧滚轮22在钢轨6上施加预先确定的夹紧力fk，夹紧力fk抵消扩张力fs。在这种情况下，夹紧驱动器23和扩张驱动器19通过控制设备24相互协作，使得期望的水平负载力fb作用在每个钢轨6上。
42.在本发明的有利实施例中，负载力fb通过控制设备24周期性地改变，如图3所示。例如，负载力fb的改变遵循循环函数。随负载的进程来评估轨距变化的进程。在此，在某种程度上，扩张驱动器19和/或夹紧驱动器23的周期性控制信号以低频率(例如1hz)被调制到振动驱动器的振动进程上。在稳定单元10的前进速度约为在2至2.5km/h和通常的轨枕间距的条件下，负载力fb在每个钢轨紧固件7处发生期望的变化。
43.变化的负载力fb的频率明显低于通常在30hz至35hz的范围内的振动频率。在这个频率值下，质量块惯性可以忽略不计。交替向外和向内作用的负载力fb也代表一种有用的变量。在这种情况下，在钢轨的外侧和内侧上的钢轨紧固件7受到同样的压力。
44.图4示出了作用在钢轨6上的力和力矩。示出了钢轨6的剖视图(钢轨轮廓)，该钢轨的轨底支撑在中间层25上。横向力y和竖直力q通过稳定单元10施加在轨头上。负载施加高度h由钢轨轮廓的尺寸而被预先确定，并且是从轨底的下边缘到轨距面(fahrkante)(钢轨
的顶部下方14mm)测量的。横向力y在钢轨中产生弯曲力矩(相对于轨底平面)，该弯曲力矩在纵向方向上形成扭转力矩。
45.扭转力矩必须通过几个钢轨支撑点来吸收。在钢轨支撑点中，由于钢轨6的扭转，而在轨底上产生了反作用力矩。轨头偏转到这样的程度：直到施加的力矩m
t
和反作用力矩mr大小相等。施加的力矩m
t
取决于横向力y：
46.m
t
＝y
×
h。
47.反作用力矩mr(恢复力矩)由垂直力q和钢轨紧固件7的压紧力f
skl
产生，其中在轨底中心和压力分布重心之间的距离b产生在轨底平面中：
48.mr＝(q+2
×fskl
)
×
b。
49.力或力矩导致轨头偏转δs
l/r
和轨底边缘凹陷a。在轨底边缘处，边缘压应力σr出现在中间层25中。图5示出了对于不同压紧力f
skl1
、f
skl2
、f
skl3
，这些变量之间的关系。在右下角的图表中，尤其可以看出，在施加力矩m
t1
恒定的情况下，轨头偏转δs
l/r1
、δs
l/r2
、δs
l/r3
随着压紧力f
skl3
、f
skl2
、f
skl1
的减小而增加。在不变的钢轨轮廓的情况下，施加的力矩m
t1
恒定是因为横向力y的恒定。因此该图示出了横向力y、轨头偏转δs
l/r
和/或轨距变化与压紧力f
skl
之间的关系，压紧力代表钢轨紧固件7的状况。
50.参考图6和图7详细解释作用在稳定单元10和钢轨6上的力。在轨道稳定期间，振动驱动器16的负载力fb和冲击力fv彼此叠加。所产生的水平横向力y
l
、yr作用在相应的钢轨6上。预先确定的力fk、fs和检测到的轨头偏转δs
l
和/或轨距差被反馈到评估装置26。用于评估相应钢轨紧固件7的状况的算法被设置在评估装置26中。评估装置26包括例如用于传输结果的无线电模块27。
51.有利地，水平横向力y
l
、yr的当前负载施加高度h也被馈送到评估装置26(图4)。为了确定负载施加高度h，如果机器1包括用于在使用中自动检测轨道4的钢轨轮廓的传感器则是有用的。或者，通过输入装置输入负载施加高度h。
52.自动检测轨枕位置(钢轨6的支撑点)以确定轨枕间距也是有用的。因此，水平负载力fb(图3)的进程的频率与所确定的轨枕间距和稳定单元10的前进速度相适应。以相同的负载力fb作用在每个钢轨紧固件7上的方式实现这种适应。
53.有利地，作用在相应钢轨6上的竖直力q以周期性进程被预先确定。在这种情况下，高度调节驱动器15以周期性控制信号控制，以便以可变的力将稳定单元10支撑在机架2上。水平负载力fb的进程的频率由此与竖直力q的进程相适应。以这种方式，在将中间层25压在一起时将不同预应力水平考虑在内。然后可以监测相应钢轨紧固件7的倾斜弹簧效应(中间层25的弹簧刚性系数)。
54.在图6所示的测量中，施加到相应钢轨6上的扩张力fs大于从外侧作用的夹紧力fk。因此，所产生的负载力fb是向外的。这导致轨距s的增加。在此，轨距变化超过了允许的水平，这是因为位于测量点处的钢轨紧固件7有缺陷。在特定示例中，位于轨底处的支架的右螺纹连接没有被拧紧。这导致钢轨6在负载区域中向外扭转。
55.图7示出了各个力f随时间t的示例性进程。为便于说明，假设在三个时间阶段i、ii、iii中存在不同且恒定的负载力f
b0
、f
b1
、f
b2
。当冲击力fv同步地作用在两个钢轨6上时，负载力fb将钢轨推开或推向彼此。冲击力fv导致被加载的轨排区段在轨道的横向方向上振动。负载力fb作用在轨排5内。这导致轨头偏转δs
l/r
和/或轨距变化，其程度取决于钢轨6的
弹性性能和钢轨紧固件7的状况。
56.在第一阶段i中，负载力fb等于零。扩张力fs和夹紧力fk相等，使得相应的钢轨6仅被夹紧而没有横向力作用在其上。冲击力fv的进程用细实线表示。在第一阶段i中，冲击力fv的影响均匀地分布在两个钢轨6上。因此，一半的冲击力fv作为所产生的横向力y
l
、yr作用在每个钢轨6上。
57.在第二阶段ii中，预先确定变化的扩张力fs，这导致第一负载力f
b1l
、f
b1r
作用在相应的钢轨6上。与预先确定变化的扩张力fs一样，也可以预先确定变化的夹紧力fk。以相同的方式预先确定所产生的第一负载力f
b1l
、f
b1r
也是有用的。例如，扩张力fs和/或夹紧力fk在控制回路中被改变，直到实现预先确定的第一负载力f
b1l
、f
b1r
。
58.在图7中，相应的第一负载力f
b1l
、f
b1r
向外作用，这是因为第一扩张力f
s1
大于夹紧力fk。具体而言，左侧的第一负载力f
b1l
与右侧的第一负载力f
b1r
指向相反。在图中，指向左侧的力显示为正，指向右侧的力显示为负。此外，作用在左钢轨6上的力f
b1l
、y
1l
用点划线表示，作用在右钢轨6上的力f
b1r
、y
1r
用虚线表示。
59.在第三阶段iii中，控制设备24预先确定高于第一扩张力f
s1
的第二扩张力f
s2
。相应的夹紧力fk保持不变，使得作用在相应钢轨6上的第二负载力f
b2l
、f
b2r
也向外指向。也可以通过改变所分配的夹紧力fk来预先确定变化的负载力f
b2l
、f
b2r
。可以利用不同大小的负载力f
b1l
、fb1r、f
b2l
、f
b2r
检测到两种不同负载条件下的轨距变化s。
60.作用在左钢轨6上的横向力y
1l
、y
2l
是冲击力fv的一半与左负载力f
b1l
、f
b2l
的力之和。作用在右钢轨6上的横向力y
1r
、y
2r
是冲击力fv的一半与反作用的右负载力f
b1r
、f
b2r
的力之和。在外部，两个横向力y
1l
、y
1r
或y
2l
、y
2r
继而相加，形成为总冲击力fv，其中负载力f
b1l
、f
b1r
或f
b2l
、f
b2r
在轨排5中相互抵消并产生轨距变化。
61.图8以示例的方式示出了轨距s与扩张力fs或所产生的负载力fb的相关性。根据图7，所测量的轨距s0在第一阶段i中保持不变，这是因为扩张力fs和夹紧力fk相互抵消。在第二阶段ii中，预先确定第一增加的扩张力f
s1
，导致第一负载力f
b1l
、f
b1r
作用在相应的钢轨6上。通过测量装置20测量所产生的新轨距s1或第一轨距差δs1。在第三阶段iii中，预先确定逐渐增加的第二扩张力f
s2
。由于所产生的负载力f
b2l
、f
b2r
增加，轨距s增加到更高的值s2，并产生第二轨距差δs2。
62.可以从第一轨距差δs1得出关于位于测量点处的钢轨紧固件7的质量的结论。特别地，两个轨距值s1、s2在不同负载条件下的差δs2形成了用于评估相应钢轨紧固件7的参数。所推导的参数(例如根据负载变化的轨距进程的斜率)也是有意义的。
63.为了对轨距变化进行位置相关的检测，机器1有效地包括位置确定单元28。例如，gnss模块布置在机器1的顶部。为了确定当前测量点的位置，还评估稳定单元10或测量装置20相对于gnss模块的相对位置。位置确定单元28也可以直接布置在稳定单元10上或布置在轨道转向架3上。
64.在本发明的一个简单实施例中，测量装置20的测量结果被实时显示给驾驶室14中的操作员。操作员可以立即做出反应并记录有缺陷的钢轨紧固件7。可以使用位置确定单元28存储位置相关的测量数据或评估数据。以这种方式，自动地记录机器1正在其上行驶的轨道4的整个区段上的钢轨紧固件7的状况。如有必要，无线电模块27将结果传输到中央控制器，以便组织修复有缺陷的钢轨紧固件7。
65.为了对钢轨紧固件7进行有效和精确的状况检查，机器1包括前后布置的两个稳定单元10，如图1和图9所示。相应的稳定单元10以预先确定的扩张力fs操作并且具有单独的测量装置20。为此，相应前轮轴17的扩张驱动器19由分配的控制设备24致动。例如，为前稳定单元10预先确定第一扩张力f
s1
，其产生恒定的第一负载力f
b1l
、f
b1r
。后稳定单元10的预先确定的第二扩张力f
s2
产生恒定的第二负载力f
b2l
、f
b2r
。
66.借助两个测量装置20对相应的轨距s1、s2进行与位置相关的测量。检测到的轨距值s1、s2被馈送到评估装置26，以便确定与位置相关的参数。由于负载力f
b1l
、f
b1r
、f
b2l
、f
b2r
不同，轨距s1、s2的差是衡量钢轨紧固件的状况的重要指标。
67.图8用虚线示出了完好的钢轨紧固件7的测量结果。所测量的轨距s1、s2和轨距差δs1、δs2是由轨排5的正常弹性行为引起的。在钢轨紧固件7有缺陷状况的情况下，轨距s1'、s2'和轨距差δs1'、δs2'的测量值(图8中的点划线)将从现有的轨距s0开始发生改变。测量值s1'、s2'、δs1'、δs2'彼此之间的比值也与完好的钢轨紧固件7的结果不同。例如，在紧固件7松动的情况下，轨距s甚至会随着扩张力fs的小幅增加而增加。
68.因此，测量结果为推导用于评估相应的钢轨紧固件7的状况的参数提供了有效的数据基础。在最简单的情况下，在相同的扩张力fs增加的情况下，评估与正常轨距s0相比的轨距差δs1。如果钢轨紧固件7有缺陷，则可以确定更高的轨距差δs1。
69.通过本发明的动态测量，可以使用任何适当调整的动态轨道稳定机直接在现场检查钢轨紧固件7的状况。该方法非常准确，以至于可以检测单个松动的紧固件7。由于涉及钢轨6的钢轨紧固件的状况的附加信息，在维修后打开轨道4进行通行时，安全性得以提高。特别是在新铺设的轨道的稳定过程中，经常会出现钢轨紧固件7还没有被牢固地紧固的情况。因此，本发明在维护新铺设的轨道时特别有利。