VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER STOPFMASCHINE UND STOPFMASCHINE ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS

Technisches Gebiet

[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Stopfmaschine auf einem Gleis, umfassend ein Stopfaggregat, ein Hebe-/Richtaggregat, ein Messsystem mit einem Messwertgeber und eine Steuer-/Regeleinrichtung, wobei das Hebe-/Richtaggregat in Abhängigkeit einer mittels des Messsystems erfassten Gleislage mit der Steuer-/Regeleinrichtung in der Weise angesteuert wird, dass ein bearbeiteter Gleisabschnitt während einer Hebezeit auf ein Sollniveau gehoben wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Stopfmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

[02] Stopfmaschinen sind seit langem bekannt und dienen zur Herstellung oder Instandsetzung einer vorgegebenen Gleislage eines in einem Schotterbett gelagerten Gleises. Im Betrieb wird das Gleis mit der Stopfmaschine befahren, wobei ein Hebe-/Richtaggregat einen zwischen zwei Schienenfahrwerken befindlichen Gleisabschnitt anhebt. Dabei wird die vollzogene Hebung mittels eines maschineneigenen Messsystems erfasst. Die Ansteuerung von Hebeantrieben des Hebe-/Richtaggregat erfolgt mit einer Steuer- /Regeleinrichtung, wobei in einem Regelkreis das Gleis auf ein vorgegebenes Sollniveau gehoben wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der AT 369455 B bekannt.

[03] Bei einem solchen Regelkreis für die Gleishebung nach dem Stand der Technik ist zu beachten, dass bei der Lagekorrektur von Weichen aufgrund des höheren Gewichts eine längere Hebedauer auftritt, um ein vorgegebenes Sollniveau zu erreichen. Somit dauert in einer Weiche ein Stopfzyklus entsprechend länger, weil die gewünschte Gleislage erst nach erfolgter Hebung mittels eines Stopfaggregats fixiert werden kann. Darstellung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch in einer Weiche ein effizienter Hebevorgang durchführbar ist. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Stopfmaschine anzugeben.

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

[06] Dabei wird in der Weise zwischen zumindest zwei in der Steuer- /Regeleinrichtung eingerichteten Reglern ausgewählt, dass der erste Regler in einem ersten Hebemodus für einen Standardbetrieb aktiviert wird und dass der zweite Regler in einem zweiten Hebemodus für Weichen aktiviert wird. Der jeweilige Regler ist für die zugeordnete Regelstrecke optimiert. Auf einem einfachen Gleis, wo der aus Schwellen und zwei Schienen bestehende Gleisrost gehoben wird, kommt der erste Regler zum Einsatz. In einer Weiche, wo die Regelstrecke eine andere Charakteristik aufweist, kommt der zweite Regler zum Einsatz. Damit wird für beide Regelstrecken eine annähernd gleiche Hebedauer und Regelqualität erreicht. Zudem sind die Regler so einstellbar, dass es in beiden Hebemodi zu keinen Überbeanspruchungen der Maschine und des Gleises bzw. der Weiche kommt. Beispielsweise treten beim zweiten Hebemodus höhere Hebekräfte auf, die im einfachen Gleis zu Überbeanspruchungen oder zu einem starken Überschwingen führen könnten.

[07] In einer Weiterbildung des Verfahrens wird als erster Regler insbesondere ein P-Regler aktiviert und als zweiter Regler wird ein PD-, PI- oder ein PID-Regler aktiviert. Der P-Regler (Proportionalregler) kommt auf einer Gleisstrecke zwischen Weichen zum Einsatz. Er ist einfach einzustellen und bringt für den Standardbetrieb ausreichend gute Ergebnisse. In einer Weiche führt dieser erste Regler jedoch zu störenden Verlängerungen der Hebedauer. Deshalb wird im zweiten Hebemodus der PD-, PI- oder PID-Regler (Regler mit proportionalem Anteil und integrierenden Anteil oder mit integrierenden und differenzierenden Anteil) verwendet. Ein solcher Regler ist genauer auf die in einer Weiche herrschenden Verhältnisse einstellbar, sodass bei gleichbleibender Qualität eine kürzere Hebedauer bei hohen Hebekräften erzielt wird. In einer weiteren Ausprägung kann auch die Ausbildung des ersten Reglers als PD-, PI- oder PID-Regler sinnvoll sein. Damit lässt sich gegebenenfalls auch im Streckenbereich eine genauere Ansteuerung des Hebe-/Richtaggregats sicherstellen.

[08] Bei einer weiteren Verbesserung wird eine mit dem Messwertgeber erfasste Hebung des Gleises mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen, wobei eine elektronische Freigabe für ein Absenken des Stopfaggregats in ein Schotterbett des Gleises generiert wird, sobald die Hebung den Schwellenwert erreicht. Damit wird eine Schonung des Stopfaggregats und des Schotterbetts erreicht, weil der eigentliche Stopfvorgang mit dem Eintauchen und Beistellen der Stopfwerkzeuge erst dann beginnt, wenn die Hebung des Gleises ausreichend fortgeschritten ist. Beispielsweise erfolgt eine Freigabe, wenn 95% der gewünschten Hebung erreicht sind.

[09] In einer einfachen Ausprägung dieser Verbesserung wird die Freigabe zum Absenken des Stopfaggregats einem Bediener mittels eines Freigabesignals gemeldet, woraufhin ein Höhenantrieb des Stopfaggregats durch den Bediener aktiviert wird. Zum Beispiel wird der Bediener akustisch und/oder optisch darauf hingewiesen, dass die gewünschte Hebung erfolgt ist oder dass eine vorgegebene Schwelle abhängig von der gewünschten Hebung (z.B. 90%) erreicht wurde.

[10] Bei einer alternativen Verfahrensvariante wird ein Höhenantrieb des Stopfaggregats automatisch aktiviert, sobald die Freigabe zum Absenken des Stopfaggregats erfolgt. Diese Variante ist sinnvoll, wenn das Verfahren im Rahmen eines automatisierten Stopfprozesses oder unter Nutzung eines Assistenzsystems zum Einsatz kommt.

[11] Jedenfalls ist es von Vorteil, wenn kurz vor dem Absenken des Stopfaggregats ein Warnsignal erzeugt wird. Auf diese Weise wird das gesamte Maschinenpersonal akustisch und/oder optisch vor einer Aktivierung des Stopfaggregats gewarnt.

[12] Vorteilhafterweise wird der erste Hebemodus oder der zweite Hebemodus mittels eines Bedienelements aktiviert. Auf diese Weise kann von einem Bediener jederzeit zwischen den beiden Hebemodi hin und her geschaltet werden. Dabei wird dem Bediener vorzugsweise angezeigt, welcher Hebemodus für die vorliegende Situation besser geeignet ist.

[13] Zusätzlich oder alternativ dazu wird günstigerweise eine vom Hebe- /Richtaggregat und gegebenenfalls von einem Zusatzhebeaggregat auf das Gleis wirkende Hebekraft und/oder eine Hebedauer erfasst, wobei beim Erreichen eines Schwellenwerts automatisch von dem einen Hebemodus in den anderen Hebemodus geschaltet wird. Das entlastet den Bediener und führt zu einer raschen und sicheren Auswahl des richtigen Hebemodus.

[14] Dabei wird sinnvollerweise die erfasste Hebekraft mittels eines Komparators mit einem Hebekraft-Grenzwert verglichen, wobei bei Erreichung einer vorgegebenen Hebung der Ausgang des Komparators in der Weise ein Auswahlsignal ergibt, dass bei einem Hebekraft-Messwert kleiner oder gleich dem Hebekraft-Grenzwert der erste Hebemodus und bei überschrittenem Hebekraft-Grenzwert der zweite Hebemodus aktiviert wird. Die Hebekraft dient hierbei als verlässliche Größe für die Auswahl des Hebemodus. Sobald die Maschine in einen Weichenbereich einfährt, steigen die notwendigen Hebekräfte, sodass bei Grenzwertüberschreitung die Umschaltung in den zweiten Hebemodus erfolgt. Umgekehrt wird bei Verlassen eines Weichenbereichs der Grenzwert von oben her erreicht und in den ersten Hebemodus zurückgeschaltet.

[15] Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens werden der Steuer- /Regeleinrichtung Positionsdaten des Gleises für eine Umschaltung von dem einen Hebemodus in den anderen Hebemodus vorgegeben. Mit den in einem elektronischen Speicher hinterlegten Positionsdaten und einem Vergleich mit einer erfassten Ist-Position ist die Umschaltung zwischen den beiden Hebemodi verlässlich durchführbar.

[16] Vorzugsweise wird mittels eines an der Stopfmaschine angeordneten Sensors ein Beginn oder ein Ende einer Weiche erkannt, wobei ein entsprechendes Signal an die Steuer-/Regeleinrichtung weitergeleitet wird. Damit wird ein Automatisierungsgrad erreicht, der einen Benutzer weitgehend entlastet. Die automatisiert ablaufenden Vorgänge werden dem Benutzer zur Überwachung angezeigt, wobei gegebenenfalls in einen Ablauf eingegriffen werden kann. [17] Bei der erfindungsgemäßen Stopfmaschine zur Durchführung eines der beschriebenen Verfahren sind in der Steuer-/Regeleinrichtung zumindest zwei Regler eingerichtet, wobei der erste Regler einem ersten Hebemodus für einen Standardbetrieb zugeordnet ist und wobei der zweite Regler einem zweiten Hebemodus für Weichen zugeordnet ist. Mit einer solchen Stopfmaschine ist bei einer Gleislagekorrektur für alle Abschnitte einer Gleisanlage ein optimaler Hebevorgang durchführbar.

[18] Vorteilhafterweise ist in der Steuer-/Regeleinrichtung als erster Regler insbesondere ein P-Regler eingerichtet und als zweiter Regler ist ein PD-, Pl- oder ein PID-Regler eingerichtet. Beide Regler sind so eingerichtet, dass für die jeweilige Regelstrecke eine hohe Regelungsqualität mit einer kurzen Hebedauer erreicht wird. Das führt insgesamt zu kurzen Stopfzykluszeiten und kurzen Durcharbeitungszeiten sowohl auf einer Gleisstrecke als auch in einer Weiche.

[19] Dabei umfasst der zweite Regler vorzugsweise eine Parallelschaltung eines P- Glieds, eines I-Glieds und eines D-Glieds. Damit ist eine flexible Anpassung des zweiten Reglers an zu bearbeitende Weichen möglich. Die einzelnen Glieder des Reglers sind separat veränderbar, um die Charakteristik des Reglers zu optimieren.

[20] Zur weitere Verbesserung der Stopfmaschine ist in einer Arbeitsrichtung vor dem Hebe-/Richtaggregat ein Sensor, insbesondere eine Kamera, ein 2D- Laserscanner und/oder ein 3D-Laserscanner zur Erkennung von Weichen angeordnet. Mit diesen Zusatzeinrichtungen ist eine weitgehende Automatisierung des Stopfprozesses realisierbar. Insbesondere wird ein Beginn und ein Ende einer Weiche erkannt, damit automatisiert eine Umschaltung zwischen den beiden Hebemodi erfolgt.

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 auf einem Gleis

Fig. 2 Proportionalregler

Fig. 3 Reglerstruktur mit einem ersten Regler und einem zweiten Regler Fig. 4 Blockschaltbild für automatische Auswahl des Hebemodus

Beschreibung der Ausführungsformen

[22] Die in Fig. 1 dargestellte Stopfmaschine 1 umfasst einen Maschinenrahmen 2, der auf Schienenfahrwerken 3 abgestützt auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Das Gleis 4 weist einen aus Schwellen 5 und darauf befestigten Schienen 6 gebildeten Gleisrost auf, der in einem Schotterbett 7 gelagert ist. Abschnitte des Gleises 4 teilen sich in einfache Gleisstrecken, Weichen und Kreuzungen auf. Bei einer Lagekorrektur einer solchen Gleisanlage muss die Stopfmaschine 1 verschiedene Streckenabschnitte bearbeiten, insbesondere einfache Gleisstrecken und Weichen.

[23] Am Maschinenrahmen 2 der Stopfmaschine 1 sind ein Hebe-/Richtaggregat 8 und ein Stopfaggregat 9 angeordnet. Ein Zusatzhebeaggregat 10 dient zum Heben eines abzweigenden Strangs in einer Weiche. Die Hebung eines Gleisabschnitts bzw. einer Weiche durch das Hebe-/Richtaggregat 8 und gegebenenfalls durch das Zusatzhebeaggregat 10 erfolgt in Bezug zu einem maschineneignen Messsystem 11. Im einfachsten Fall umfasst dieses Messsystem 11 Drahtsehnen 12, die über jeder Schiene 6 zwischen am Gleis 4 geführten Messradachsen 13 gespannt sind. Für das vorliegende Verfahren sind auch andere Messsysteme 11 einsetzbar, insbesondere optische Messsysteme, die optische Messsehnen sowie Kamerasysteme mit Mustererkennung aufweisen.

[24] Jedenfalls umfasst das Messsystem 11 einen Messwertgeber 14, der die Höhenlage des Gleises 4 im Bereich des Hebe-/Richtaggregats 8 erfasst. Beispielsweise ist eine weitere Messradachse 13 angeordnet, mit der über Gestänge Abstandsänderungen der Schienen 6 relativ zu den als Bezugselemente dienenden Drahtsehnen 12 bestimmt werden. Dazu umfasst der Messwertgeber 14 ein Drehpotentiometer, das über gabelförmige Fühler formschlüssig mit der jeweiligen Drahtsehne 12 in Eingriff steht. Bei einem optischen Messsystem ist der Messwertgeber 14 beispielsweise ein Bildsensor zur Auswertung von optischen Signalen.

[25] Zur Ansteuerung des Hebe-/Richtaggregats 8 ist eine Steuer- /Regeleinrichtung 15 vorgesehen. Damit werden beispielsweise Proportionalventile angesteuert, die hydraulischen Hebeantrieben 16 des Hebe-/Richtaggregats 8 zugeordnet sind. Zur Hebung eines Gleisabschnitts bzw. einer Weiche ist ein Regelkreis eingerichtet. Dabei bildet das System aus Gleis bzw. Weiche und der Hebeanordnung eine Regelstrecke, auf die verschiedene Störgrößen einwirken können.

[26] Als Regelgröße dient insbesondere eine Hebung, die mittels des Messwertgebers 14 erfasst wird. Ein einsprechender Messwert 17 der Hebung wird rückgeführt und mit einem Soll-Hebewert 18 als Führungsgröße verglichen. Der Soll-Hebewert 18 ergibt sich aus einer gewünschten Gleislage und wird der Steuer-/Regeleinrichtung 15 beispielsweise mittels eines Leitcomputers vorgegeben. Die sich aus Messwert 17 und Soll-Hebewert 18 ergebende Regelabweichung dient als Eingang für einen Regler 19, der z.B. als P-Regler ausgebildet ist (Fig. 2). Am Ausgang des Reglers 19 liegt ein Stellsignal 20 an, beispielsweise eine Ansteuerspannung für ein Hydraulikventil des Hebeantriebs 16. Auf diese Weise wird der aktuell bearbeitete Gleisabschnitt in einem geregelten Hebevorgang auf ein Sollniveau gehoben.

[27] Erfindungsgemäß sind in der Steuer-/Regeleinrichtung 15 zumindest zwei Regler 19, 21 eingerichtet. Ein entsprechendes Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Wie in Fig. 1 ist das Eingangssignal für die Regler 19, 21 eine aus dem Messwert 17 und dem Soll-Hebewert 18 gebildete Regelabweichung. Der erste Regler 19 ist beispielsweise ein P-Regler (P-Glied 22), der am Ausgang ein Stellsignal 20 für den ersten Hebemodus zur Standardbearbeitung von Gleisabschnitten erzeugt.

[28] Der zweite Regler 21 ist beispielsweise ein PID-Regler, mit einer Parallelschaltung eines P-Glieds 22, eines I-Glieds 23 und eines D-Glieds 24. Diese Glieder 22, 23, 24 des zweiten Reglers 21 sind aufeinander abgestimmt, um eine optimale Hebung einer Weiche zu erzielen. Die Summe der Ausgangssignale bildet die mittels des zweiten Reglers 21 erzeugte Stellgröße 20.

[29] Mittels eines Auswahlsignals 25 und eines Schaltelements 26 wird einer der Ausgänge der beiden Regler 19, 21 freigeschaltet, damit entweder der erste Hebemodus für den Standardbetrieb oder der zweite Hebemodus für Weichen aktiviert wird. Im einfachsten Fall wird das Auswahlsignal 25 mittels eines Bedienelements bestimmt. Dazu hat ein Bediener I freie Sicht auf die zu bearbeitende Strecke.

[30] Vorteilhafterweise sind zur Unterstützung des Bedieners ZI oder zur Automatisierung des Auswahlvorgangs an der Stopfmaschine 1 technische Einrichtungen vorgesehen. Beispielsweise ist in einer Arbeitsrichtung 28 vor dem Hebe-Richtaggregat 8 eine Kamera 29 zur Erfassung des Gleises 4 angeordnet. In Echtzeit erfolgt eine Übertragung der Aufnahmen auf einen Computer 30, in dem eine Analysesoftware eingerichtet ist. Mittels Mustererkennung wird automatisiert erkannt, wo ein Weichenbereich beginnt und wo ein solcher endet. Über eine Wegmesseinrichtung 31 sind die aktuellen Positionen des Hebe-/Richtaggregats 8 und des Zusatzhebeaggregats 10 bezüglich einer erkannten Weiche bekannt.

[31] Als Sensoren zur Erkennung einer Weiche dienen zum Beispiel auch 2D- Laserscanner 32, die über den Schienen 6 positioniert sind. Damit werden Weichenzungen, abzweigende Schienen oder Weichenherzen erkannt. Ein an der Stirnseite der Stopfmaschine 1 angeordneter 3D-Laserscanner (Rotationscanner) 33 erfasst ein dreidimensionales Bild des befahrenen Gleisbereiches, aus dem ebenfalls der Beginn und das Ende einer Weiche ermittelbar ist.

[32] Ein weiteres Hilfsmittel ist ein GNSS-Empfänger 34, mit dem über ein Navigationssatellitensystem die genaue Position der Stopfmaschine 1 ermittelt wird. In der Steuer-/Regeleinrichtung 15 sind Positionsdaten von Weichen hinterlegt, sodass durch einen Vergleich mit der aktuellen Position erkannt wird, wenn die Maschine 1 in eine Weiche einfährt oder diese verlässt.

[33] Zur automatischen Umschaltung der Hebemodi ist es sinnvoll, die vom Hebe- /Richtaggregat 8 und gegebenenfalls vom Zusatzhebeaggregat 10 auf das Gleis bzw. die Weiche wirkende Hebekraft und/oder eine Hebedauer zu erfassen. Bei Erreichung eines vorgegebenen Grenzwertes erfolgt automatisch eine Umschaltung von einem Hebemodus zum anderen. Zur Messung der Hebekraft ist beispielsweise eine Kraftmesszelle angeordnet. Als Sensor zur Erfassung der Hebekraft ist auch ein Drucksensor 35 geeignet, der den Hydraulikdruck in hydraulischen Hebeantrieben des Hebe-/Richtaggregats 8 misst. Beispielsweise wird im Standardbetrieb eine Hebekraft von ca. 100 kN erreicht. Das entspricht einem Hydraulikdruck von ca. 100 bar. Auf einer einfachen Gleisstrecke ergibt sich damit eine Hebedauer von 0,5-1 Sekunden. In einer Weiche wird ungefähr die doppelte Hebekraft erreicht, wobei sich eine Hebedauer von 1-4 Sekunden ergibt.

[34] Mit Bezug auf Fig. 4 wird die automatisierte Umschaltung näher erläutert. Ein Komparator 36 vergleicht einen Hebekraft-Messwert 37 mit einem Hebekraft- Grenzwert 38. Ein Meldesignal 39 zeigt an, dass ein vorgegebener Soll- Hebewert 18 erreicht wurde. Sobald eine entsprechende Meldung erfolgt, wird der Hebemodus festgelegt. Ist zu diesem Zeitpunkt der Hebekraft- Messwert 37 kleiner oder gleich dem Hebekraft-Grenzwert 38, ergibt der Komparator 36 ein Auswahlsignal 25 zur Aktivierung des ersten Hebemodus für den Standard betrieb. Ist jedoch zu diesem Zeitpunkt der Hebekraft- Messwert 37 größer als der Hebekraft-Grenzwert 38, liegt am Ausgang des Komparators 36 ein Auswahlsignal 25 zur Aktivierung des zweiten Hebemodus für Weichen an. Der vorgegebene Hebekraft-Grenzwert 38 liegt beispielsweise in einem Bereich von 100 kN bis 130 kN, vorzugsweise bei 110 kN.

[35] Zusätzlich ist in einer Bedienerkabine 40 eine Anzeige 41 angeordnet, in der die Ergebnisse der Sensoren 29, 32, 33, 35 und die automatisierte Auswahl der Hebemodi angezeigt werden. Der Bediener I kann auch mittels Akustikmeldungen auf bestimmte Vorgänge aufmerksam gemacht werden.

[36] Des Weiteren wird dem Bediener ZI angezeigt, wenn eine Hebung einen vorgegebenen Schwellenwert (z.B. 95%) erreicht hat und eine Freigabe des Stopfaggregats 9 erfolgt. Dabei wird eine Höhenantrieb 42 des Stopfaggregats 9 entweder durch den Bediener ZI oder automatisiert aktiviert. Das Stopfaggregat 9 taucht somit erst dann in das Schotterbett 7 ein, wenn die Hebung ausreichend fortgeschritten ist. Das stellt einen kontinuierlichen Stopfvorgang sicher, bei dem auf den Eintauchvorgang unmittelbar ein Beistellvorgang der Stopfwerkzeuge 43 folgt. Auf diese Weise werden sowohl das Stopfaggregat 9 als auch das Schotterbett 7 geschont.

[37] Um weiteres Betriebspersonal vor einer Aktivierung des Stopfaggregats 9 zu warnen, ist an der Stopfmaschine 1 eine akustische Warneinrichtung 44 angeordnet. Zusätzlich kann eine optische Warneinrichtung 45 angebracht sein. Damit wird sichergestellt, dass ein automatisierter Ablauf des Stopfvorgangs keine am Gleis 4 befindlichen Personen gefährdet.