Moderne Vier-Schwellen- Stopftechnologie - Plasser & Theurer

Moderne Vier-Schwellen-
Stopftechnologie
Univ.-Doz. Dr. Bernhard Lichtberger
Forschungs- & Versuchsabteilung
Plasser & Theurer, Linz, Österreich
1 Historischer Abriss der Entwicklung
des Stopfens
Die erste Periode der Mechanisierung des
Gleisbaus und der Gleiserhaltung von
1950 – 1980 wurde durch das Ziel der Verringerung
der Bau- und Instandhaltungskosten
geprägt. Die Mechanisierung der
schwersten Arbeiten, das Stopfen und die
Gleisreinigung, erfolgte in den Jahren von
1950 – 1960. Ab 1960 begann die Entwicklung
von Multifunktionsmaschinen. Eingeleitet
wurde diese Entwicklung durch die
erste Nivellierstopfmaschine VKR 04. Davor
erfolgte das Nivellieren und Heben des
Gleises durch eigene Arbeitsvorgänge sowie
Gleishebe-Heftmaschinen.
Abb. 1: Die beiden Pioniere der Oberbaumaschinenentwicklung
Franz Plasser (links) und Dr. Josef
Theurer (rechts)
Gleisstopfen
Abb. 1 zeigt die bedeutendsten Pioniere
im Bereich der Oberbaumaschinen – Franz
Plasser und Dr. Josef Theurer. Die Fa. Plasser
& Theurer war die entscheidende Triebfeder
für praktisch alle Neuentwicklungen
seit dem Beginn der 50er-Jahre auf diesem
speziellen Sektor. Um nur einige der bedeutendsten
Entwicklungen zu erwähnen:
Erste Integration des Hebens und Richtens
in Stopfmaschinen, erste Zwei-, Drei- und
Vier-Schwellen-Stopfmaschine, erste kontinuierlich
arbeitende Stopfmaschine, erste
Weichenstopfmaschine, erste kombinierte
Strecken-Weichenstopfmaschine etc.
Ab 1965 setzte der Trend zur Steigerung der
Arbeitsgeschwindigkeit voll ein. Eingeleitet
wurde dieser Entwicklungsschub durch die
erste Zwei-Schwellen-Stopfmaschine Duomatic.
Ab 1967 folgte der Einsatz von Maschinensystemen,
wie dem Mechanisierten
Durcharbeitungszug MDZ. 1971 erreichte
man eine weitere Leistungssteigerung durch
die Konstruktion von Großmaschinen in
Regelfahrzeugcharakter. Die Jahre nach
1980 waren geprägt durch die Entwicklung
von kontinuierlich arbeitenden Stopfmaschinen.
Ab 1996 erfolgte der Schritt zur
Drei-Schwellen-Stopfmaschine und 2005
die Entwicklung der ersten Vier-Schwellen-
Stopfmaschine. Die kontinuierlich arbeitenden
Maschinen brachten eine erhebliche
Leistungssteigerung mit sich, weil nicht
mehr die gesamte Maschine beschleunigt
wurde, sondern nur der Satellit mit den
Arbeitsaggregaten. Ergänzt wurde diese Entwicklung
durch die Integration des Dynamischen
Gleisstabilisators in die Stopfmaschinen.
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Bahnanlagen + Instandhaltung
2 Stopftechnologie heute
2.1 Die Notwendigkeit des Stopfens
Die wichtigsten Gründe für das Stopfen
sind:
• Die Beseitigung von Gleisfehlern in Höhe
und Richtung, damit die Betriebssicherheit
und der Fahrkomfort der Züge
gegeben sind.
• Die Beseitigung der Schwellenhohllagen,
damit die Last gleichmäßig auf die
Schwellen verteilt und in den Untergrund
abgeleitet wird.
• Die Herstellung von definierten Auflagern,
um Instabilitäten wie das Schwellenreiten
zu vermeiden und
• die Verbesserung der Gleisqualität bevor
ein nicht mehr umkehrbarer Verfall des
Gleises einsetzt.
2.2 Die Asynchron-Gleichdruckstopfung
Die fachgerecht durchgeführte Asynchron-
Gleichdruckstopfung erzeugt hinsichtlich
der vertikalen Steifigkeit und Lastverteilung
kontinuierliche und homogene Schwellenauflager.
Bei der asynchronen Gleichdruck-
Abb. 2: Schematische Darstellung eines Stopfaggregates
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stopfung wird unter Einwirkung von Vibration
und druckgesteuerter Beistellkraft der
Schotter unter den Schwellen verdichtet,
wobei nicht die Wege der Stopfwerkzeuge
als Kriterium, sondern deren wirksame
Stopfkräfte genommen werden. Das heißt,
dass jeder einzelne Stopfarm mit seinen
Stopfpickeln unabhängig von den anderen
so lange beigestellt wird, bis der eingestellte
optimale Stopfdruck, und damit auch der
entsprechende Verdichtungsgrad, erreicht
ist. Dies ist umso wichtiger, als – in Abhängigkeit
von den Hebungen – die Hohlräume
unter den einzelnen Schwellen verschieden
groß sind und damit auch die erforderlichen
Beistellwege zur Verdichtung variieren.
Abb. 2 zeigt schematisch ein Stopfaggregat.
2.3 Stopfparameter, die die Qualität der
Stopfung beeinflussen
2.3.1 Stopffrequenz, Verdichtamplitude und
Beistellgeschwindigkeit
Bei Frequenzen im Bereich bis etwa 35 Hz
ergibt sich eine Auftriebskraft beim Stopfen
und damit verbunden eine bleibende He-
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ung, während es bei größeren Frequenzen
zu einem „Fließen“ des Schotters und einer
Absenkung der Schwelle kommt. „Fließender“
Schotter kann nicht verdichtet werden.
Neben der Stopfamplitude und der Stopffrequenz
ist auch die Beistellgeschwindigkeit
eine wichtige Einflussgröße. Zur Umlagerung
des Korngerüstes (dem Verdichten)
ist neben einer entsprechenden Kraft eine
Mindestzeitdauer für den Kraftimpuls erforderlich.
Ist diese Impulsdauer zu kurz, geht
die Verdichtwirkung trotz größerer Schlagkräfte
zurück.
Bei 45 Hz ist die übertragbare Verdichtungsenergie
deshalb geringer als bei 35 Hz.
2.3.2 Beistellweg und Beistellzeit
Der Beistellweg hängt von den Schotterverhältnissen
(verkrustet, vorverdichtet) und
der Eintauchposition ab. Übliche Beistellwege
liegen bei 120 mm. Langjährige Erfahrung
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gen, dass zum Erreichen des notwendigen
Beistelldruckes und einer guten Verdichtung
bei einer Durcharbeitung eine Verdichtungszeit
von mindestens 0,8 Sekunden
notwendig ist. Größere Verdichtungszeiten
als 1,5 Sekunden bringen keine weitere entscheidende
Verbesserung.
2.3.3 Beistelldruck
Bei der asynchronen Hochdruck-Vibrationsstopfung
wird der Arbeitsvorgang erst bei
Erreichen des eingestellten Stopfdruckes
beendet. Um eine homogene verdichtete
Bettung zu erzeugen, muss der Stopfeingriff
vom Erreichen des Beistelldruckes aller
Stopfwerkzeuge abhängig sein. Dies ist nur
dann möglich wenn die Stopfwerkzeuge
sich wegunabhängig voneinander einstellen
können. Diese Voraussetzung ist nur bei der
Asynchronstopfung erfüllt. Die Stopfdrücke
für das linke und rechte Aggregat müssen
gleich eingestellt sein. Bei loser Schotter-
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 3: Stopfpickel mit Rundum-Panzerung
bettung (z. B. nach Reinigung und Neulage)
und den normalerweise damit verbundenen
notwendigen hohen Hebungen wird
grundsätzlich mit Doppelstopfung gearbeitet
– der Stopfdruck muss entsprechend
angepasst werden.
2.3.4 Stopftiefe
Die Stopftiefe hat für eine hochwertige Verdichtung
des Schotters unter der Schwelle
ausschlaggebende Bedeutung. Bei zu geringer
Tiefe schlagen die Stopfpickel an den
Schwellen an, bei zu großer Tiefe kommt es
zu einer ungleichmäßigen und unvollständigen
Verdichtung des Schwellenauflagers.
Die Stopftiefensteuerung muss auf beiden
Seiten gleiche Abschaltpunkte aufweisen.
Die Senkgeschwindigkeiten müssen ebenfalls
gleich eingestellt werden.
2.3.5 Mindesthebung
Eine wichtige Voraussetzung für einen
gleichförmigen Verdichtungsaufbau ist die
der Stopfung vorausgehende Hebung des
Gleises. Durch die Hebung werden unter
den Schwellen jene Freiräume geschaffen,
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in denen sich der Schotter zu einer neuen
Verdichtungsstruktur formen lässt. Wird das
Gleis bei der Stopfung nicht angehoben,
dann wird den eindringenden Stopfpickeln
ein hoher Schotterwiderstand entgegengesetzt.
Das Volumen des Schotters, welches
den Stopfwerkzeugen entspricht, muss
dann zwangsweise verdrängt werden (ins
Zwischen- und Vorfach). Die hohen Kräfte
wirken in diesem Fall auf die Stopfmaschine
zurück und erhöhen so den Verschleiß
der Werkzeuge.
Forschungen haben zudem gezeigt, dass
Hebungen mit 15 – 20 mm in gleich großen
Setzungen resultieren. Das heißt, um Gleisfehler
dauerhaft zu berichtigen, sind Hebungen
von mehr als 20 mm erforderlich.
2.3.6 Stopfpickelzustand
Die Stopfpickel selbst sind das Bindeglied
zwischen Stopfaggregat und Schotter, welches
die Verdichtungsenergie überträgt. Ein
einwandfreier Zustand der Stopfpickel ist
daher für optimale Stopfergebnisse von
großer Bedeutung. In Abb. 3 ist ein mit
Hartmetallplatten gepanzerter langlebiger
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Stopfpickel zu sehen. Dieser Stopfpickel
ist durch einen sehr geringen Verschleiß
und hohe Langlebigkeit gekennzeichnet.
Abgenützte Stopfpickel sind nach einem
maximalen Verschleiß von 20 % zu ersetzen.
2.3.7 Bedeutung der Steifigkeit und der Länge
des Maschinenrahmens
Die heutige torsions- und biegesteife Ausführung
der Rahmen moderner Oberbaumaschinen
erlaubt das Heben schwerer
Gleise und Weichen bei vermindertem
Nachschwingen des gesamten Hebe- und
Richtsteuerkreises. Damit erhöht sich die
Bearbeitungsqualität des Gleises. Die Verlängerung
der Maschinenrahmen hat auch
das Ziel, die auftretenden Schienenspannungen
beim Heben und Richten des Gleises
zu verringern.
Wie Abb. 4 zeigt, können größere Hebungen,
wie sie bei Stopfungen nach Um- und Neubauten
erfolgen, nur mit Maschinen mit grö-
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Gleisstopfen
ßeren Längen unter Einhaltung der zulässigen
Schienenspannungen bearbeitet werden.
Optimale Arbeitsparameter für Stopfaggregate
sind:
Betriebsart: Asynchronstopfen
Frequenz f = 35 Hz
Pickel amplitude A0 = 3 – 5 mm
Stopfdruck p = 115 – 125 bar
Beistellzeit t = 0,8 – 1,2 s (0,8 s bei
Neulagen – mehrfach
tauchen, 1,2 s Durcharbeitung
Standard)
Stopftiefe h = 15 – 20 mm Freiraum
Schwellenunterkante
zu Stopfpickelplattenoberkante
3 Kontinuierlich stopfende Streckenstopfmaschinen
der Serie 09-3X/4X
1982 wurde der Prototyp einer kontinuierlichen
Stopfmaschine gebaut und seit
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 4: Maximale Schienenspannungen bei verschiedenen Maschinenlängen
1983 im regulären Baustelleneinsatz in Österreich
betrieben – die 09-32 CSM. Die
Idee der kontinuierlich arbeitenden Stopfmaschinen
besteht in der Trennung des
Aggregatteils vom Hauptmaschinenrahmen.
Dadurch steht während des Arbeitens
nur der Nivellier-Stopf- und Richtteil still,
Abb. 5: Stopfexpress 09-4X
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die Maschine fährt kontinuierlich weiter.
Nach einem beendeten Nivellier-, Richt-
und Stopfzyklus wird der Aggregatrahmen,
der einerseits auf einem Drehgestell ruht
und andererseits über einen Gleitrahmen
im Hauptmaschinenrahmen, innerhalb der
Maschine, nach vorne beschleunigt.
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Die Hauptvorteile kontinuierlich arbeitender
Stopfmaschinen gegenüber konventionellen
zyklisch arbeitenden Zwei-Schwellen-Stopfmaschinen
sind:
• um bis zu 70 % höhere Arbeitsleistung,
• geringere Energiekosten, weil nicht die
gesamte Maschine bei der Vorfahrt von
Schwelle zu Schwelle beschleunigt werden
muss, sondern nur der Stopfsatellit,
• geringere Beanspruchung des Rahmens,
des Fahrantriebes, der Bremsen – dadurch
reduzierter Verschleiß,
• ergonomische Vorteile für das Personal
durch den Wegfall der Beschleunigungen
beim Anfahren und Bremsen,
• geringere Vibrationen und Geräuschentwicklung
auf der Hauptmaschine und
• die Möglichkeit, andere kontinuierliche
Arbeitsgänge, wie Schotterplanieren und
Gleisstabilisation, in die Maschine zu
integrieren.
Den derzeit letzten Stand der Technik auf
dem Sektor der kontinuierlich arbeitenden
Stopfmaschinen stellen der Stopfexpress 09-
3X und 09-4X dar. Der für hohe Hebe- und
Richtkräfte optimierte Maschinenrahmen
und Antrieb der Maschinen sowie die Verwendung
modernster Computertechnologie
und Steuerelektronik sind Standard. Der
Stopfexpress 09-4X ist die erste kontinuierlich
arbeitende Streckenstopfmaschine, die
vier Schwellen in einem Arbeitsgang stopft
(Abb. 5). Die Maschine erreicht eine um
70 % höhere Arbeitsleistung als konventionelle
Zwei-Schwellen-Stopfmaschinen. Die
maximale Arbeitsgeschwindigkeit liegt bei
2,8 km/h.
Die praktischen Einsatzerfahrungen mit
dem Stopfexpress 09-4X zeigen eine besonders
gute und haltbare Gleisqualität. Dies
ist eine Folge der gleichförmigen Arbeitsweise
der Stopfmaschine. Bei der Vorfahrt
um vier Schwellen wird der gerade gestopfte
Bereich durch das nachfolgende Satellitendrehgestell
belastet und fixiert (Abb. 6).
Etwaiges elastisches Rückfedern des Gleises
nach dem Stopf-, Richt- und Hebevorgang
Gleisstopfen
wird verhindert. Der größere Stopfbereich
über vier Schwellen ergibt eine homogenere
und stabilere Gleislage.
4 Dynamic-Maschinen
Alle kontinuierlichen Stopfmaschinen können
mit einem Anhänger mit integriertem,
dynamischem Gleisstabilisator ausgerüstet
werden. Der in die Maschine integrierte Dynamische
Gleisstabilisator (DGS) liefert ein
stabilisiertes, sicheres und dauerhaftes Gleis.
Die Gleisstabilisation sorgt für eine mittlere
Verlängerung der Instandhaltungszyklen
um bis zu 30 %. Die Maschinen werden als
Dynamic Stopfexpress 09-3X, als Dynamic
Stopfexpress 09-4X oder als kombinierte
kontinuierliche Strecken-Weichenstopfmaschine
Unimat 09-16/32 4S Dynamic bezeichnet.
Muss die Maschine arbeitsbedingt
stehen bleiben, dann wird der Gleisstabilisator
abgeschaltet. Beim Weiterstopfen der
Maschine wird der Gleisstabilisator wieder
zugeschaltet. Durch diese Betriebsart
wird beim Abschalten des Stabilisators die
Absenkwelle „eingefroren“, beim Wiederzuschalten
wird diese weiter geschoben.
Dadurch entsteht keine unregelmäßige, sondern
eine gleichmäßig konstante Setzung.
5 Einzelfehlerbehebung
Zur Beurteilung der aktuellen Gleislage werden
regelmäßig Regelinspektionsfahrten
mit Gleismessfahrzeugen durchgeführt. Aus
den Messstreifen ist zu entnehmen, ob die
Grenzwerte der jeweiligen Messparameter
(Längshöhe, gegenseitige Höhenlage, Pfeilhöhe,
Verwindung) punktuell überschritten
werden bzw. wo und wie viele Einzelfehler
vorhanden sind.
Bei einer Überschreitung der Eingriffsschwellen
für Einzelfehler ist die Funktionsfähigkeit
des Gleises beeinträchtigt. Der
Einzelfehler muss umgehend beseitigt werden,
andernfalls ist die zulässige Betriebsgeschwindigkeit
zu reduzieren.
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 6: Fixierter Stopfbereich durch nachfolgende belastete Achse
5.1 Manuelle Einzelfehlerbehebung
Die manuelle Einzelfehlerbehebung findet
im gesperrten Gleis statt. Üblicherweise
erfolgt die Umsetzung des Personals zur
Einsatzstelle mittels Straßenfahrzeug oder,
wenn dies nicht möglich ist, mit Schienenkleinwagen.
Wenn die Einsatzstelle nicht
direkt angefahren werden kann, wird fallweise
ein Rollwagen zum Transport des
Werkzeugs eingesetzt.
Für die Einzelfehlerbeseitigung werden entsprechend
der Fehlerlänge und den betrieblichen
Verhältnissen durchschnittlich acht
bis neun Mann eingesetzt.
Vor Beginn der manuellen Stopfarbeiten
wird die Fehlerart (Verwindungsfehler,
Längshöhenfehler, Richtungsfehler), Feh-
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lergröße und Fehlerlänge des Einzelfehlers
durch Augenschein bzw. mittels Visieren
und somit der Umfang der Arbeiten festgelegt.
Durchschnittlich sechs bis zwölf
Schwellenfächer, die sich innerhalb des
Einzelfehlers befinden, werden von Hand
vom Schotter frei geräumt. Bei jeder 4. bis
5. Schwelle werden je nach Oberbau, z. B.
Holz-/Betonschwellen, im Schwellenfach
Winden angesetzt (bei Längshöhenfehler
beidseitig, bei Verwindungsfehler nur einseitig)
und das Gleis bei gleichzeitigem
Visieren auf Null angehoben. Anschließend
wird von Hand der Regelbettungsquerschnitt
wieder hergestellt. Eine Vorkopfverdichtung
mit Rüttelplatten wird nicht
durchgeführt.
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Nach der manuellen Behebung des Einzelfehlers
muss die berichtigte Gleislage dokumentiert
werden. Bei der Höhenlage erfolgt
dies durch Visieren. Die Richtlage wird mit
der Richtsehne vermessen. Zur Absicherung
der Einsatzstelle gegen Gefahren vom Nachbargleis
müssen je nach den gegebenen
Sichtverhältnissen durchschnittlich zwei bis
drei Sicherungskräfte vorgesehen werden.
5.2 Maschinelle automatisierte
Einzelfehlerbehebung
Die maschinelle Beseitigung der Einzelfehler
in der Gleislage ist wesentlich effizienter
und wirtschaftlicher gegenüber manueller
Technik. Die Spezialmaschinen zur automatisierten
Einzelfehlerbehebung ersetzen
kostengünstig das teilweise nicht mehr vorhandene
Personal.
Positive Auswirkungen der maschinellen
Einzelfehlerbeseitigung ergeben sich durch
DQS-zertifiziert nach
ISO 9001 : 2008
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Gleisstopfen
• Reduktion der Instandsetzungskosten für
Einzelfehlerbeseitigung um bis zu 75 %,
• Verringerung des Zeitaufwandes um
mehr als den Faktor 5 – erhebliche Reduktion
der Sperrzeiten,
• Sicherstellung der Verfügbarkeit der
Fahrbahnanlagen durch Verlängerung
der Durcharbeitungsintervalle in Gleisen
und Weichen und der Reduktion von
Langsamfahrstellen,
• Anhebung des Qualitätsniveaus durch
nachhaltigere und bessere Stopfqualität,
Sicherstellen einer garantierten und kontrollierten
Qualität,
• Behandlung von längeren Einzelfehlern
kosteneffizient ohne erheblichen zeitlichen
Mehraufwand,
• Komplettleistung – Vormessen, Lokalisierung,
Beseitigung, Schotterbehandlung
und Nachmessung mit Dokumentation
in einem Arbeitsgang,
Verkehrsplanung
Eisenbahnbau
Straßenbau
Brückenbau
Bauüberwachung
Bauoberleitung
Bauüberwachung mit Zulassung DB AG
SiGeKo
Projektmanagement
Projektleitung
Projektsteuerung
Umwelt
Erkundungen
Analytik
Gutachten
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 7: Einzelfehlerbehebungsmaschine Unimat Sprinter
• Vermeidung von unwirtschaftlichen
Einsätzen nicht spezialisierter Hochleistungsstopfmaschinen,
• Personalressourcen können anderweitig
sinnvoller eingesetzt werden,
• Einsparung von Straßenfahrzeugen zum
Umsetzen der Rotte und die
• Verringerung der Gefahr aus dem Eisenbahnbetrieb
für das eingesetzte Personal.
Die oben angegebenen Anforderungen an
eine Einzelfehlerbehebungsmaschine ergeben
als Lösung den Unimat Sprinter in der
folgenden Ausführung (Abb. 7):
• Ein schweres Weichenstopfaggregat, damit
die Stopfpickel auch ohne Hebung
(Stopfbeginn – Wegfall der Anfangsrampe)
in die harte Schotterbettung eindringen
können. Außerdem ermöglicht das
Weichenstopfaggregat auch die Unterstopfung
von lose liegenden Schwellen
im Weichenbereich;
• Ein Seitenpflug bietet die Möglichkeit,
(bei Schottermangel), Schotter seitlich
zum Vorkopf heranzuziehen;
• Eine Kehrbürste kehrt allfällig auf den
Schwellen liegenden Schotter ab und
• ein Spezialprogramm – Win-ALC-Sprinter
– welches die Aufmessung und gra-
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fische Darstellung des Einzelfehlers erlaubt.
Das Programm misst sowohl die
linke als auch die rechte Höhenlage, die
Richtung und die Überhöhung auf.
• Mit einer speziellen Elektronik und eigenen
Bedienungselementen werden im
Gegensatz zu herkömmlichen Hochleistungsstopfmaschinen
beide Schienenstränge
höhenmäßig unabhängig geführt.
Bei der Einzelfehlerbehebung gibt
es, um Verwindungsfehler zu vermeiden,
keinen Referenzstrang. Der Einzelfehler
muss dauerhaft beseitigt und unter das
Fehlerniveau des umgebenden Gleisabschnittes
gedrückt werden.
• Nach der Instandhaltungsarbeit wird
eine abschließende Messfahrt durchgeführt.
Über das Win-ALC-Sprinterprogramm
wird ein Abnahmeschrieb mit
genauer Kennzeichnung der gestopften
Arbeitslänge und der Parameter Längshöhe,
Verwindung, gegenseitige Höhenlage
und Richtung ausgedruckt.
• Ein Vorkopfverdichter zum nachhaltigen
Fixieren der Richtlage und der Verdichtung
des Vorkopfes zur Sicherstellung
des seitlichen Querverschiebewiderstandes
ist ebenfalls aufgebaut.
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Arbeitsleistung: 7 – 14 Einzelfehler / Schicht
Typische
10 – 60 m / Einzelfehler
Arbeitslänge:
Typische
1 – 2 Stunden
Sperrzeitenlänge:
Qualität: dauerhafte Hochleistungsstopfung
Gleisabnahme: maschinell – objektive
Messparameter MKS-Schrieb
mit Prüfausschlägen der
Messeinrichtung.
Auf den heutigen Hauptstrecken muss man
mit Einzelfehlern in der Größenordnung
von etwa 0,5-1 Einzelfehlern pro km / Jahr
rechnen. Diese Fehler treten zufällig über
das gesamte Netz verstreut auf. Sie sind außerdem
unabhängig von der Gleisgeometrie
in Geraden und Vollbögen oder in Übergangsbögen
zu finden.
6 Weichenstopfen
Gleisstopfen
6.1 Die synchrone Drei-Punkt-Hebung und die
Vier-Strang-Stopfung
1988 wurde mit dem Unimat 08-275 3S die
erste Universal-Nivellier-, Richt- und Stopfmaschine
mit synchroner Drei-Punkt-Hebung
vorgestellt und im praktischen Einsatz
erprobt. 1990 folgte der Unimat 08-475 4S
mit synchroner Drei-Punkt-Hebung und
Vier-Strang-Stopfung. Bei der Drei-Punkt-
Hebung wird das zu bearbeitende Weichenstück
im Bereich der Langschwellen nicht
mehr wie bisher nur an zwei, sondern an
drei Punkten (zusätzlicher 3. Punkt im abzweigenden
Gleis) gehoben. Die Hebekräfte
sinken dadurch erheblich ab. Die Unterstützung
des abzweigenden Stranges mittels
manueller Hilfseinrichtungen (Handwinden,
Hydraulikheber) entfällt. Die Kräfte in
den Hakenschrauben und in den Schwellen
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Bahnanlagen + Instandhaltung
werden erheblich reduziert. Der Außenstrang
wird über einen Auslegerarm in Teleskopausführung
mit Hebezeug und einer
Zusatzheberollenzange mitgehoben. Die
Heberollenzange ist über eine Anlenkführung
und einen eigenen Zusatzhebezylinder
mit der Maschine verbunden. Durch die
spezielle Hydrauliksteuerung wird gewährleistet,
dass die Zusatzhebung synchron mit
der Haupthebung arbeitet. Die maximale
Hebekraft der Zusatzhebeeinrichtung beträgt
60 kN.
Abb. 8 stellt die Hakenschraubenkräfte einer
konventionellen Zwei-Punkt-Hebung im
Hauptgleis einer modernen Maschine mit
Drei-Punkt-Hebung gegenüber. Wie dem
Bild zu entnehmen ist, kann bei konventionellen
Maschinen eine Überdehnung der
Hakenschrauben auftreten, wie dies auch
durch Versuche nachgewiesen wurde. Die
Kräfte variieren mit dem Weichengewicht
Abb. 8: Vergleich der Hakenschraubenkräfte einer
konventionellen Zwei-Punkt-Hebung mit einer Drei-
Punkt-Hebung
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je Meter. Die Weichen mit engeren Radien
weisen teilweise höhere Laufmetergewichte
als die Hochgeschwindigkeitsweichen mit
größeren Radien auf.
Wesentlichstes Merkmal der Maschine mit
Vier-Strang-Stopfung sind die vier Stopfaggregate
mit Doppelschwenkpickel. Die
außen liegenden Stopfaggregate sind auf
Teleskopauslegern montiert und werden so
weit ausgeschwenkt, dass der abzweigende
Strang mitgestopft werden kann.
6.1.1 Nachweis reduzierter Weichenbeanspruchung
mit Hilfe der Finiten
Elemente-Methode (FEM)
Der FEM-Berechnung wurde die Geometrie
der Unimat 4S zugrunde gelegt. Als Betonschwellenweiche
wurde eine EW 60-750
1 : 14 mit einer mittleren Hebung von
50 mm ausgewählt. Der Gleisrost wurde mit
Hilfe von Balkenelementen nachgebildet.
Um die elastische Gleisbettung in einem
linearen Modell nachbilden zu können,
wurden elastische Federn mit der der Bettung
entsprechenden Steifigkeit definiert.
Zwischen Schiene und Schwelle wurde eine
starre Verbindung angenommen. Die
Schwellen wurden vereinfacht mit durchgehend
konstantem Querschnitt gewählt. Um
einen Fehlbetrag im Eigengewicht auszugleichen,
wurden entlang der Weiche Massenelemente
angeordnet. Um den Verlauf
der Hebekräfte längs der Weiche bestimmen
zu können, wurden sieben Hebestellen ausgewählt.
An den Hebestellen 1 – 6 wurden
Drei-Punkt-Hebungen berechnet, an den
Hebestellen 5 – 7 Zwei-Punkt-Hebungen
(Abb. 9).
Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, arbeitet
bei der konventionellen Zwei-Punkt-
Hebung der innen wirkende Hebezylinder
hebend (rote Linie), während der außen
liegende (feldseitige) Hebezylinder eine abstützende
Kraft nach unten ausüben muss
(orange Linie), damit die Weiche in Balance
gehalten werden kann. Bei der Drei-Punkt-
Hebung wird die notwendige Hebekraft auf
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Abb. 9: Theoretischer Verlauf der Hebe kräfte bei der Zwei-Punkt- und Drei-Punkt-Hebung
alle drei Hebepunkte gleichmäßig aufgeteilt.
Als Resultat verringert sich die maximale
Hebekraft (grüne Linie) um die Hälfte,
damit einhergehend ist eine schonendere
Behandlung der Schienenbefestigungen
und der übrigen Weichenkomponenten
(Schiene, Schwelle etc.)
6.2 Lasergesteuerte Drei-Punkt-Hebung
Bei manchen modernen Weichen (Butzbacher
Weichenwerke) werden die ursprünglichen
Langschwellen als zwei Schwellenteile
ausgeführt, die über ein elastisches Gelenk
verbunden sind. Mit einer „normalen“ Drei-
Punkt-Hebung würde der Schwellenteil im
abzweigenden Strang ungesteuert gehoben
werden.
Beim Arbeiten in „normalen“ Betonschwellenweichen
greift der 3. Hebepunkt nicht
exakt an der gleichen Langschwelle an wie
die Haupthebung. Damit auch der dritte
Gleisstopfen
Hebepunkt im abzweigenden Strang synchron
gehoben werden kann, wird am Hebe-Richtmesswagen
der Hauptmaschine ein
Rundumlaser angebracht (Abb. 10). Dieser
befindet sich genau in der Haupthebeebene.
Mit diesem Rundumlaser wird eine
Laserebene erzeugt, die parallel zur Haupthebeebene
der Weiche im durchgehenden
Strang ist.
Auf der Zusatzhebeeinrichtung am abzweigenden
Strang wird ein Laserempfänger
angebracht (siehe Abb. 11). Dieser gibt
Steuersignale, die auf den Hydraulikzylinder
der Zusatzhebeeinrichtung wirken und
hebt bzw. senkt sich so lange, bis die Zusatzhebezange
das abzweigende Gleis auf
die gleiche Ebene wie vom Laser vorgegeben
gebracht hat. Der abzweigende Strang wird
so, wie jene des durchgehenden Stranges, in
die gleiche Ebene gebracht. Damit wird die
Weiche eben gehalten und gestopft.
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 10: Rundumlaser am Hebe-Richt-Wagen
Der Laser ist in einem Gehäuse mechanisch
geschützt eingebaut. Die Laserklasse 1 des
Lasers ist unbedenklich für das menschliche
Auge.
Abb. 11: Laserempfänger am Teleskop der Drei-Punkt-Hebeeinrichtung
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Der Laserempfänger ist mit einer visuellen
Anzeige versehen, die über Symbole (Pfeile)
anzeigt, ob der Hebepunkt zu hoch, zu
niedrig oder genau im richtigen Bereich ist.
6.3 Weichenstopfmaschine
Unimat 08-475/4S
Ein wesentliches Merkmal dieser Weichenstopfmaschine
sind die vier Stopfaggregate
mit Doppelschwenkpickel. Die außen liegenden
Aggregate sind auf Teleskopauslegern
montiert und können so weit ausgeschwenkt
werden, dass der abzweigende
Strang mitgestopft werden kann. Die innen
liegenden Stopfaggregate sind an quer liegenden
Führungssäulen angebracht, so dass
sie im Bereich innerhalb und außerhalb
der Schienen positioniert werden können.
Sowohl die inneren als auch die äußeren
Aggregate können unabhängig voneinander
gedreht und dadurch der Schräglage der
Langschwellen angepasst werden. Durch
diese Konstruktion wird das Fixieren der
Langschwellen im abzweigenden Strang
während des Durcharbeitens des durchgehenden
Hauptstranges der Weiche möglich.
Der Unimat 08-475/4S war die erste Maschine,
die auch im abzweigenden Strang stopfen
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konnte. Die Vorgängermaschine Unimat 08-
275/3S hatte als erste Maschine die Drei-
Punkt-Hebung, die Langschwellen mussten
in der Weiche aber noch herkömmlich manuell
mittels Kraftstopfer fixiert werden. Die 16
seitlich ausschwenkbaren Stopfpickel haben
in ihrer Grundstellung die gleiche Lage wie
bei den Streckenstopfmaschinen. Dadurch
können auch die Anschlussgleise der Weiche
wie mit einer 08-16 durchgestopft werden.
Die Maschine hat drei Kabinen, wobei die
vordere Kabine alle Bedienungselemente
für die Überstellfahrt sowie Steuerungs-
und Bedienelemente für die Nivellier- und
Richtanlage enthält. Außerdem ist sie mit
dem Steuercomputer Win-ALC ausgestattet.
Die Arbeitskabine vor den Arbeitsaggregaten
ist so angeordnet, dass sie optimale
Sicht auf den Arbeitsbereich gewährleistet.
Die Arbeitskabine ist mit zwei Arbeitsplätzen
ausgestattet. Beim Streckenstopfen erfolgt
die Bedienung von einem Sitz aus.
Gleisstopfen
Die Weichenstopfmaschine Unimat 08-
475/4S ist mit einem kombinierten Hebe-Richtaggregat
ausgestattet. Neben einer
Rollhebezange ist auch ein Hebehaken
vorhanden. Das Aggregat kann in Längsrichtung
um ±200 mm verschoben werden.
Im Weichenbereich kommt häufig
der Hebehaken zum Einsatz, da durch den
engen Raum die Rollenzangen nicht mehr
geschlossen werden können oder nicht
mehr am Schienenkopf zugreifen können.
Der Hebehaken kann wahlweise am Schienenfuß
oder am Schienenkopf angreifen.
Gerichtet wird über zwei Flanschrollen pro
Seite.
Die Kabine hinten bietet Kontroll- und Bedienmöglichkeiten
bei der Überstelleinrichtung.
Mit der Drei-Strang-Hebung, die über
ein Teleskop ausgefahren wird, kann im
Bereich der Langschwellen der abzweigende
Strang durch den dritten Hebepunkt mit
gehoben werden.
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Bahnanlagen + Instandhaltung
6.4 Kombinierte Strecken-Weichenstopfmaschine
Unimat 09-16/32 4S
Diese Maschinen vereinen die Vorteile einer
kontinuierlich arbeitenden Streckenstopfmaschine
mit den Eigenschaften einer
Weichenstopfmaschine. Die Maschine kann
entweder als Einzelschwellen- oder als Zwei-
Schwellen-Stopfmaschine ausgerüstet werden.
Bei der Ausführung als Einzelschwellenstopfmaschine
kommt das Aggregat der
Unimat 08-475/4S zum Einsatz. Bei der
Ausführung als Doppelschwellenstopfmaschine
sind alle äußeren Pickel ausschwenkbar,
bei den inneren Pickeln aber nur die
beiden aggregatäußeren (Schwenkbereich
der Innenpickel 20°). Die Pickel lassen sich
aber 90° hoch schwenken – dies ist etwas
mehr als beim Einzelschwellenstopfaggregat.
Diese Technologie bringt Vorteile beim
Stopfen von Problemstellen, wie z. B. bei
außen liegenden Weichenantriebskästen, da
in diesem Bereich getaucht werden kann,
ohne dass die ausgeschwenkten Pickel an
den Hindernissen anschlagen.
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Natürlich verfügt die Maschine über geteilte
ausschwenkbare Stopfaggregate für die Vier-
Strang-Stopfung und einen Teleskoparm
mit Heberolle für die Drei-Strang-Hebung
(Abb. 12).
7 Zusatzeinrichtungen für
Stopfmaschinen
7.1 Automatischer Leitcomputer Win-ALC
Der Geometrieleitcomputer Win-ALC muss
die Gleisbaumaschinen hinsichtlich der
vorhandenen Gleisgeometrie führen. Daher
ermöglicht das Gerät die Eingabe der
Geometriesolldaten manuell über Tastatur
oder per elektronischem Datenträger. Es
sind geometrieabhängige Korrekturwerte
für die Mess-, Regel- und Steuersysteme der
Maschine zu errechnen. Unbekannte Sollgeometrien
müssen aufgemessen, optimiert
und ins Gleis als neue Soll-Lage umgesetzt
werden. Dabei sind die eingeschränkten
Verschiebungen an Zwangslagen (Brücken,
Wegübergänge) und Zwangspunkten eben-
Abb. 12: Unimat 09-32 4S mit Drei-Punkt-Hebung und ausgeschwenkter Stopfaggregathälfte für die
Vier-Strang-Stopfung im Weichenabzweig
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so wie maximale und minimale vorgegebene
Hebewerte zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse der Messaufzeichnungen
und der durchgeführten Optimierungsberechnungen
müssen speicherbar und ausdruckbar
sein. Das Programm ist auf üblichen
PC lauffähig und für diesen Zweck
lizenzfrei einsetzbar. Damit kann das Personal
auch im Büro geschult werden, so
dass Geometriesolldaten schon im Büro
vorbereitet und per Datenträger an den
Geometrieleitcomputer der Stopfmaschine
übertragen werden können.
7.1.1 Sollgeometrie-Eingabe
In Win-ALC kann die Sollgeometrie (Radien,
Übergangsbogenlänge, Übergangsbogenform,
Rampen, Neigungswechselangaben,
Überhöhungen etc.) in eine Tabelle
eingetragen werden, wobei die Eingabe
sofort grafisch wiedergegeben wird. Die
Gleissollgeometrie kann auch direkt in
der grafischen Darstellung eingegeben
bzw. geändert werden. Die Modifikation
eines Geometrieelementes ist durch einen
Mausklick auf das gewünschte Element
möglich; im daraufhin erscheinenden
Fenster wird der entsprechende Parameter
geändert.
7.1.2 Elektronischer Pfeilhöhenausgleich und
Gleisgeometrieoptimierung
In dieser Betriebsart wird eine bestehende
Gleislage mittels einer Messfahrt der Stopfmaschine
aufgezeichnet. Dabei werden die
Pfeilhöhen für Richtung und Höhe sowie
die Überhöhung (über Inklinometer) gemessen,
grafisch dargestellt und gespeichert.
Diese Aufmessung bildet die Basis für die
Gleisgeometrieoptimierung. Dabei wird der
Pfeilhöhenverlauf für Richtung und Höhe
geglättet. Aus der geglätteten Kurve werden
durch Vergleich mit der gemessenen Ist-
Pfeilhöhenkurve die Korrekturwerte (Verschiebungen
und Hebungen) berechnet.
Die Glättung und Berechnung der Pfeilhöhen
werden in einem automatischen Pro-
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 13: Monitorbild Win-ALC-Arbeiten – elektronis cher Pfeilhöhenausgleich und errechnete Gleiskorrekturwerte
(Faktorenverfahren)
zess durchgeführt. Dabei kann der Bediener
die folgenden Streckenklassen einstellen:
0 (bis 80 km/h)
1 (80 – 120 km/h)
2 (120 – 160 km/h)
3 (160 – 300 km/h)
Zu den Streckenklassen 0 – 3 sind programm -
intern einzuhaltende mittlere Fehler für
35 m Ausgleichslänge und für die Streckenklassen
2 und 3 sowie auch noch für 70 m
Ausgleichslänge definiert. Das Programm
glättet während des Optimierungsprozesses
solange, bis diese vorgegebenen maximal
zulässigen Fehler unterschritten werden.
Neben der Streckenklasse muss der Bedie-
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ner auch die Zwangsbedingungen der Strecke
eingeben. Dabei können an Zwangslagen
und Zwangspunkten Toleranzen für
die Verschiebungen vorgegeben werden, die
einzuhalten sind. Für die Höhe werden die
maximale Hebung und die gewünschte Minimalhebung
an Hochpunkten vorgegeben.
Damit diese Randbedingungen eingehalten
werden, wird der Pfeilhöhenverlauf entsprechend
der Beschränkungen zurückgerechnet
und modifiziert.
Der gesamte Berechnungsablauf wird auf
Knopfdruck gestartet und geschieht vollautomatisch,
eine Interaktion des Bedieners
ist nicht erforderlich. Abb. 13 zeigt das Monitorbild
für den Arbeitsbetrieb der Maschine.
Die Diagrammspalte 1 zeigt grün die
geglättete Soll-Pfeilhöhenkurve und rot die
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w - bewusst, besser, wirtschaftlicher
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Bahnanlagen + Instandhaltung
Abb. 14: Laserwagen mit Empfangskamera auf der Stopfmaschine
gemessene Pfeilhöhe. Die zweite Spalte gibt
den Verlauf der Verschiebung wieder. Die
roten Begrenzungslinien stehen dabei für
die durch den Bediener vorgegebenen maximal
zulässigen Verschiebungen. Die Spalte 5
zeigt die berechneten Hebungen. Die rote
Begrenzungslinie stellt wieder die durch den
Bediener vorgegebene Maximalhebung dar.
Man kann dem Bild entnehmen, dass die
Randbedingungen eingehalten werden.
Das Gleis kann bei der Hinfahrt zur Baustelle
aufgemessen werden, nach durchgeführter
Optimierung wird dann vom Endpunkt
der Messung ausgehend gestopft. Damit
kann die Rückfahrt zum Startpunkt der
Messung eingespart werden.
7.2 Kurvenlaser CAL
Mit dem Kurvenlaser ist es möglich, die
Stopfmaschine durch Geraden, Übergangsbögen
und Vollbögen zu steuern. Zu diesem
Zweck ist die Laserempfangskamera auf der
Stopfmaschine auf einer Verstelleinheit installiert,
die seitlich und vertikal angesteuert
werden kann. Die Position der Kamera und
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die Position des Laserpunktes auf der Kamera
werden elektronisch erfasst. Der Laser befindet
sich auf dem Laserwagen, auf einem
Linearschlitten montiert. Über eine Skala
kann die seitliche Verschiebung abgelesen
werden. Der Laser ist seitlich verschiebbar
angeordnet, weil dadurch ein größerer Pfeilhöhenbereich
messbar wird.
Der Laserwagen wird an einem Festpunkt
aufgestellt und über die Schnellverschlüsse
am Bezugsstrang fixiert. Dann wird der Laser
auf die Empfangskamera einjustiert. Anschließend
gibt der Bediener über Sprechfunk
dem Stopfmaschinenführer die folgenden
Daten bekannt:
• Bogenlänge zwischen Laser und Stopfmaschine
(über ein Wegmessrad gemessen
und elektronisch angezeigt – oder
über ein eigenes Laserdistanzmessgerät),
• aktuelle Überhöhung des Lasermesswagens,
• Gleisfehler am Festpunkt (üblicherweise
zuvor mit Festpunktmessgerät oder ähnlichem
aufgemessen) und
• seitliche Laserverschiebung.
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Abb. 15: Monitorbild des DRP
Diese Daten werden in den Bordcomputer
der Stopfmaschinen – Win-ALC – eingegeben.
Über die nun bekannte räumliche
Position des Laserstrahles und die bekannte
Sollgeometrie kann Win-ALC die Sollposition
des Laserpunktes auf der Laserkamera
errechnen. Diese wird mit der aktuell
gemessenen Position verglichen. Aus der
Differenz zwischen Soll- und Ist-Position
werden die Korrekturwerte für die Höhe
und Richtung bestimmt, die die Stopfmaschine
dann automatisch mit dem vorderen
Sehnenende auf der Soll-Lage führen und
steuern. Abb. 14 zeigt die Laserverstelleinheit
und im Hintergrund die Stopfmaschine
mit der Laserempfangskamera.
Das System wird vor allem bei Umbauten
für die ersten Verdichtungsgänge eingesetzt.
Ein weiterer Anwendungsbereich
sind Nebenstrecken, sofern der Einsatz des
Gleisstopfen
Gleisvormesswagens EM-SAT aus wirtschaftlichen
Gründen nicht sinnvoll ist.
7.3 Gleisabnahmeaufzeichnung mittels DRP
Der DRP ist als Aufzeichnungssystem
von Gleisparametern konzipiert, um die
Gleisqualität des von der Arbeitsmaschine
bearbeiteten Gleises zu dokumentieren.
Die Messaufnehmer sind so angebracht,
dass in Arbeitsrichtung der Maschine das
fertige, bearbeitete Gleis aufgezeichnet wird.
Der DRP erfüllt die Anforderungen der
EN13848-3 Messsysteme – Gleisbau- und
Instandhaltungsmaschinen.
Durch Vergleich der Messwerte mit vorgegebenen
Grenzwerten der einzelnen Parameter
können die Messergebnisse bewertet
und klassifiziert werden.
Die einzelnen Messparameter werden von
Messgebern als Analogsignal geliefert und
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Bahnanlagen + Instandhaltung
vom DRP-System in äquidistanten Abständen
(z. B. 0,25 m) eingelesen und nach einer
hochauflösenden Analog/Digital-Wandlung
in digitaler Form aufgezeichnet und
gespeichert. Die gemessenen Werte werden
online auf einem Touchscreen-Monitor grafisch
dargestellt und können auf einem
handelsüblichen Drucker im DIN A4- bzw.
A3-Format ausgedruckt werden.
Richtungs- und Höhenfehler (Korrekturwerte)
erleichtern die Beurteilung der Gleislage.
Standardabweichungen werden mit Bezug
auf Richtungs- und Höhenwerte auf vorgegebene
Wellenlängen berechnet. Auch sie helfen
bei der Beurteilung der Gleislage; Reports
ermöglichen Auswertungen über Grenzwertüberschreitungen
bzw. liefern Informationen
über den Qualitätszustand des Gleises.
Die gespeicherten Messdaten können über
USB-Stick oder CD auf andere Rechner
übertragen und dort weiter bearbeitet werden.
Eine automatische Überprüfungsfunktion
(Testauslenkung) ermöglicht die Verifikation
des Messsystems vor jeder Messung.
Funktionen des DRP:
• Mit dem DRP werden Messungen durchgeführt
oder bestehende Messungen geöffnet
und am Bildschirm angezeigt bzw.
zum Ausdruck gebracht.
• Die einzelnen Messkanäle werden am
Bildschirm, untereinander liegend, grafisch
dargestellt.
• Die Darstellung der einzelnen Kanäle am
Bildschirm ist frei wählbar.
• Die gemessenen Werte werden in Abhängigkeit
zur Geberposition auf der
Maschine ausgegeben.
• Alle aufgezeichneten Kanäle werden jeweils
zu einer Km-(Längen)-Position abgelesen.
• Fährt die Maschine während der Aufzeichnung
zurück, dann werden bei der
neuerlichen Vorfahrt die alten Messwerte
überschrieben.
• Bei 2-Monitor-Betrieb wird das Programmfenster
vom DRP-Monitor auf
dem ALC-Monitor wiedergegeben.
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• Die Messwerte werden direkt als Pfeil
und Längshöhen ausgegeben, können
aber auch intern unter Berücksichtigung
der Übertragungsfunktion des Messsystems
auf die Wellenlängenbereiche 3 – 25
(D1) und 25 – 70 m (D2) umgerechnet
und dargestellt werden.
• Der DRP errechnet und stellt Gleisqualitätsziffern
entsprechend den Angaben
der Eisenbahngesellschaften dar.
• Der DRP erzeugt druckbare Reports der
erreichten Gleisqualitäten, aber auch einen
Einzelfehlerreport (über die verbliebenen
Überschreitungen der Abnahmetoleranzen).
• In den Messkurvendarstellungen kann
über farbige Balken, in 200 m-Sektionen
unterteilt, die Standardabweichung eingetragen
werden. Die Balken werden
dabei in vier Farben (grün … sehr gut,
gelb … gut, orange … noch ausreichend
und rot … nicht zulässig) dargestellt. Auf
diese Weise wird ein schneller Überblick
über die Qualitätsbereiche des bearbeiteten
Gleises gegeben.
In Abb. 15 ist eine typische Abnahmemessfahrt
wiedergegeben. Unter den einzelnen
Signalverläufen sind die farbigen 200 m-
Qualitätsbalken mit den erreichten Standardabweichungen
wiedergegeben. Um die
Signalverläufe sind außerdem die von den
Eisenbahnen vorgegebenen Abnahmetoleranzen
als begrenzende rote Linien erkennbar.
Mit dem DRP ist ein Abnahmesystem gegeben,
mit dessen Hilfe die Einhaltung der
Abnahmegrenzwerte nach Gleisbauarbeiten
objektiv geprüft wird. Durch die Möglichkeit
der Umrechnung der gemessenen
Pfeil- und Längshöhen in amplituden- und
verstärkungstreue Gleisfehler der Wellenlängenbereiche
D1 und D2 ist die Vergleichbarkeit
mit den Messschrieben gängiger
elektronischer Gleismesswagen gegeben.
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