特許 6961601 軌道のバラスト道床を締固めるための方法、ならびにタンピングユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6961601

(24)【登録日】2021年10月15日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】軌道のバラスト道床を締固めるための方法、ならびにタンピングユニット

(51)【国際特許分類】

   E01B 27/16 20060101AFI20211025BHJP

   E01B 37/00 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   E01B27/16

   E01B37/00 B

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-538840(P2018-538840)

(86)(22)【出願日】2016年12月29日

(65)【公表番号】特表2019-503441(P2019-503441A)

(43)【公表日】2019年2月7日

(86)【国際出願番号】EP2016002185

(87)【国際公開番号】WO2017129215

(87)【国際公開日】20170803

【審査請求日】2019年12月27日

(31)【優先権主張番号】A34/2016

(32)【優先日】2016年1月26日

(33)【優先権主張国】AT

(73)【特許権者】

【識別番号】514318345

【氏名又は名称】プラッサー ウント トイラー エクスポート フォン バーンバウマシーネン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｐｌａｓｓｅｒ ＆ Ｔｈｅｕｒｅｒ， Ｅｘｐｏｒｔ ｖｏｎ Ｂａｈｎｂａｕｍａｓｃｈｉｎｅｎ， Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｍ．ｂ．Ｈ．

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ヨーゼフ ホーフシュテッター

(72)【発明者】

【氏名】トーマス フィリップ

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 スイス国特許発明第００５０１７７６（ＣＨ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−１４９６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４０１０６９２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第０２４５１３１０（ＧＢ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０１Ｂ ２７／１６

Ｅ０１Ｂ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動させられる締固め工具（７）によって軌道のバラスト道床を締固めるための方法であって、
締固め工程中に前記バラスト内に導入される振動を、バラスト締固めに関する基準として記録し、
最適なバラスト締固めに相当する加速度信号を、電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の算出により締固め目標値として算出し、該締固め目標値の達成により締固め工程を自動的に終了する、方法において、
前記締固め工具（７）の機械的構造に依存した、前記加速度信号の基本波成分（ＧＳ）と高調波成分（ＯＳ）との間の境界周波数ｆ１を算出し、
前記基本波成分の出力（ＬＧＳ）と、前記高調波成分の出力（ＬＯＳ）とを、所望の周波数範囲にわたる電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の積分により計算し、
前記高調波成分の出力（ＬＯＳ）を、前記基本波成分の出力（ＬＧＳ）で除算することにより、前記バラストの締固めと相関する全高調波歪（ＯＳＧ）を算出し、
前記全高調波歪（ＯＳＧ）が所定の量に達したら前記締固め工程を自動的に終了する、
ことを特徴とする、軌道のバラスト道床を締固めるための方法。

【請求項2】

前記締固め工具（７）に作用する加速力を測定し、加速度信号として制御ユニット（１２）に供給する、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の算出のために、前記加速度信号の時間的に区切られた区分を選択し、電力スペクトル密度（ＰＳＤ）のための計算ルーチンに供給する、請求項１または２記載の方法。

【請求項4】

前記電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を約５〜約３００Ｈｚの周波数帯域で計算する、請求項３記載の方法。

【請求項5】

前記基本波成分の出力（ＬＧＳ）に、無負荷振幅に依存して規定される因子ｆと乗算することにより、バラスト状態の推定を可能にするユニット稼働率（ＳＬ）を算出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

【請求項6】

スクイーズ駆動装置（９）の圧力経過から、前記締固め工具（７）の駆動電力を測定技術的に検出し、該駆動電力を、前記スクイーズ駆動装置（９）の皮相電力分だけ減じ、これにより、前記バラスト（３）の締固めのために前記締固め工具（７）に提供される有効電力を算出する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

【請求項7】

前記有効電力により生じる、前記締固め工具の締固め力（タンピングツール力）を、前記バラスト締固めにより生じるバラスト反応力と対比させ、所定の極限値に到達後は前記締固め工具（７）のスクイーズ運動を自動的に終了する、請求項６記載の方法。

【請求項8】

軌道の下方に位置するバラストを締め固めるためのタンピングユニットであって、旋回軸（４）を中心として旋回可能なタンピングアーム（５）を備え、前記タンピングアームは下端部（６）でそれぞれ、前記バラスト（３）内に進入するために設けられた締固め工具（７）に接続されていて、かつ上端部（８）でスクイーズ駆動装置（９）に接続されており、
前記タンピングアーム（５）および／または前記締固め工具（７）に、制御ユニット（１２）に接続された加速度センサ（１３）が配置されており、
前記制御ユニット（１２）は、最適なバラスト締固めに相当する加速度信号を、電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の算出により締固め目標値として算出し、該締固め目標値の達成により締固め工程を自動的に終了する、タンピングユニットにおいて、
前記締固め工具（７）の機械的構造に依存した、前記加速度信号の基本波成分（ＧＳ）と高調波成分（ＯＳ）との間の境界周波数ｆ１を算出し、
前記基本波成分の出力（ＬＧＳ）と、前記高調波成分の出力（ＬＯＳ）とを、所望の周波数範囲にわたる電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の積分により計算し、
前記高調波成分の出力（ＬＯＳ）を、前記基本波成分の出力（ＬＧＳ）で除算することにより、前記バラストの締固めと相関する全高調波歪（ＯＳＧ）を算出し、
前記全高調波歪（ＯＳＧ）が所定の量に達したら前記締固め工程を自動的に終了する、
ことを特徴とする、軌道の下方に位置するバラストを締め固めるためのタンピングユニット。

【請求項9】

前記加速度センサ（１３）は、前記タンピングアーム（５）の前記下端部に配置されている、請求項８記載のタンピングユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動させられる締固め工具により軌道のバラスト道床を締固めるための方法、ならびにバラストを締固めるためのタンピングユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

オーストリア国特許発明第５１３９７３号明細書によれば、軌道のバラストを締固めるためのタンピングユニットが公知である。この場合、締固め工具をスクイーズするスクイーズシリンダの位置が距離変換器により検出される。スクイーズシリンダの駆動制御は距離センサによって行われる。最適なバラスト締固めを得るために、締固め工具の振動振幅と振動周波数とが、スクイーズ位置に応じて変化される。

【0003】

オーストリア国特許発明第５１５８０１号明細書により、バラスト硬度の品質数値が説明されている。この場合、スクイーズシリンダのスクイーズ力がスクイーズ距離に応じて示されて、エネルギ消費に関する特性数値が規定される。したがって、この特性数値により、スクイーズシリンダを介してバラストに供給されるエネルギが観察される。しかしながら、このような方法では、システムで失われるエネルギは考慮されていない。

【0004】

しかしながら、エネルギの大部分は、締固め工具の加速と制動のために使用される。これにより、振動する締固め工具の、二乗される質量慣性と周波数との依存関係が生じる。したがって、上記特性数値は第一に、締固め工具の構造的な構成に依存している。したがって、他の締固め工具との比較は不可能である。重要な欠点は、この特性数値により、バラストの締固め率に関する情報は得られない、ということである。具体的に言うと、特定の締固め工具の特性値しか得られない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の課題は、締固め工具により得られるバラスト締固めの改善された検知を可能にする、冒頭で述べた形式の方法を提供することである。

【0006】

本発明の課題はさらに、均一のバラスト締固めを可能にする、振動させられる締固め工具を有するタンピングユニットを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

方法に関する課題は、本発明によれば、締固め工程中にバラスト内に導入される振動を、バラスト締固めに関する基準として記録することによって解決される。

【0008】

本発明の特徴によれば、構造的なエネルギ損失を好適に除外しながら、バラストに直接伝達されるエネルギの記録が可能であり、ひいては最適なバラスト締固めを得るために有効な特性値が得られる。これにより、極限値をわずかに下回る最大実現可能な動的なスクイーズ力を見つけることができる。したがって、バラストが過剰な締固めにより破壊されることはなく、まくらぎ長手方向で見て極めて不都合な側方へのバラストの流出が確実に排除される。適切なプロセスデータの把握により、求められる締固めに必要なスクイーズ時間とスクイーズ力とを目的に合わせて調整することができる。

【0009】

本発明による方法の特徴により、締固めに適した作業機器全般を、それぞれ達成可能な締固め率に関する正確な情報（または特性値）が得られるように改善することができる。これにより、軌道に関連する様々な締固め機械、タンピングマシン、および軌道安定化機械のもとでも、良好な締固め状態が達成可能である。

【0010】

タンピングユニットに関して上述した別の課題は、タンピングアームおよび／または締固め工具に、制御ユニットに接続された加速度センサが配置されていることによって解決される。

【0011】

構造的に極めて簡単に実現されるこのような形式のタンピングユニットの最適化により、タンピング工程のために必要なエネルギ消費量が、バラストの求められる締固め率に合わせて決定され、ひいてはバラストの摩耗が減少する。このような本発明により、均一な締固め品質と均一なまくらぎ支持材とを得ながらタンピングプロセスの自動化が可能である。

【0012】

本発明のさらなる利点は、従属請求項および図面の説明により明らかである。

【0013】

以下に、本発明を、図示した実施例に基づき詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】互いにスクイーズ可能な２つの締固め工具を有するタンピングユニットを概略的に示す側面図である。

【図2】締固め工具の概略図である。

【図3】加速度信号を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

軌道２の下方に位置するバラスト道床のバラスト３をつき固めるための図１に概略的に示したタンピングユニット１は、主として、それぞれ旋回軸４を中心として旋回可能な２つのタンピングアーム５から成っている。これらのタンピングアームは、それぞれ下端部６では、バラスト３内に進入するように設けられた締固め工具またはタンピングツール７に接続されていて、上端部８では油圧的なスクイーズ駆動装置９に接続されている。

【0016】

各スクイーズ駆動装置９は、偏心駆動装置１０によって回転可能な偏心軸１１に支持されている。これにより振動揺動が発生し、この振動揺動は、スクイーズ駆動装置９、タンピングアーム５、および締固め工具７を介して、締固めるべきバラスト３へと伝達される。各タンピングアーム５の下端部６には、制御ユニット１２に接続された加速度センサ１３が配置されている。しかしながら、この加速度センサは、選択的に、締固め工具７に直接取り付けられていてもよい。

【0017】

本発明の図示されていない別の構成態様では、加速度センサが、軌道スタビライザとして形成された、軌道を振動させる締固め工具にも配置されていてよい。

【0018】

締固め工具７による締固め工程中にバラスト３内に導入される振動は、加速度センサ１３によって、バラスト締固めについての基準として記録される。このために、締固め工具７に直接作用する加速力が測定され、加速度信号として制御ユニット１２へと供給される。

【0019】

振動する締固め工具またはタンピングツール７の加速度は、締固め品質の算出のためのシステムへの入力量として利用される。通常、締固め工具は調和運動を行うのではなく、非線形的な運転で作動される。バラスト３への力は一方向でのみ伝達され、これによりバラスト粒がツール面により持ち上げられることがある。これにより、調和加速度信号を歪ませる跳躍箇所が力の経過の中に生じる。

【0020】

スクイーズ運動中、加速度センサ１３により所定の時間間隔内で可能な最大の締固め率を算出することができる。すなわち、締固め工具７の間にあるバラスト３が、加速度信号の所定の値に相当する最大の程度までまだ締固められていないという情報が得られる。必要であれば、さらなるつき固め工程を導入することもできる。好適には、特に比較的長いつき固め距離の間の締固め率が均一に形成されたことも示すことができる。

【0021】

励振器として機能する締固め工具７は、共振器としてのバラスト３と共に振動可能な系を形成する。動的な系の共振は締固めによって変化する。なぜならば、系の代替強度が変化するからである。動的な系の周波数応答を利用して、共振周波数を評価することができる。このような共振周波数の周波数をトラッキングすることも好適である。

【0022】

制御ユニット１２へと送られた加速度センサ１３の加速度信号が、全高調波歪（ＯＳＧ）のベースおよび基本波成分の出力（ＬＧＳ）として利用される。パワースペクトル密度または電力スペクトル密度は、無限小（ゼロに向かう極限値）の幅の周波数帯域における周波数に関する信号の出力を示す。

【0023】

荷重が生じるとすぐに加速度信号は変形する。これは、パワースペクトル密度の計算により可視化され、５０Ｈｚ未満の範囲では、基本波成分の出力に加算され、５０Ｈｚを超える範囲では、高調波成分の出力に加算される。

【0024】

バラスト締固めの基準として、全高調波歪（ＯＳＧ）が利用される。加速度の高調波の正弦波の基本信号のＯＳＧは、バラストの反作用（反射）の非線形の特性によって影響を受ける。全高調波歪は無次元の量として記載され、高調波成分の出力が、正弦波の基本波成分の出力にどの程度重畳するかを示す。

【0025】

図３には、電力スペクトル密度（またはPower Spectral Densityに由来のＰＳＤ）の評価の結果が示されている。図３ａに示した曲線は、無負荷の締固め工具７における加速度信号を示しており、図３ｂおよび図３ｃは、平均的な締固めまたは高い締固めの際の加速度信号を示す（ｘ軸にはそれぞれ時間ｔが、ｙ軸には加速度が示される）。比較によると正弦関数の形状の明らかな変化が示されている。高調波成分範囲における加速度信号のスペクトル成分が増加している。

【0026】

上記３つの加速度信号の電力スペクトル密度の経過が図３ｄに示されている（ｘ軸は周波数Ｈｚ、ｙ軸はパワースペクトル密度Ｗ／Ｈｚ）。実線で示した曲線では、主周波数成分は３５Ｈｚである。破線で示した曲線ではいくつかのより高い周波数成分が生じており、一点鎖線で示した曲線ではさらに多数のより高い周波数成分が生じている。これらのより高い周波数成分は、元々の正弦波状の加速度信号の変形によるものである。

【0027】

電力スペクトル密度の算出のために、加速度信号の時間的に区切られた成分が選択され、パワースペクトル密度のための計算ルーチンに供給される。これにより、５〜３００Ｈｚの周波数帯域におけるパワースペクトル密度が計算される。

【0028】

この場合、パワースペクトル密度は、周波数の関数として与えられる：
Ｓ_ｘｘ＝Ｆ（２×π×ｆ）。

【0029】

電力スペクトル密度を所望の周波数範囲にわたって積分することにより、出力の算出が行われる。基本波成分の出力（ＬＧＳ）と全高調波歪（ＯＳＧ）とは、次のように算出される。

【0030】

【数1】

【0031】

【数2】

【0032】

高調波成分の出力を基本波成分の出力（ＬＧＳ）で除算することにより、バラスト３に存在する締固めに関連する全高調波歪（ＯＳＧ）が求められる。この特性値（ＯＳＧ）は、全加速度信号における高調波成分の出力割合の大きさを示す。

【0033】

基本波成分（ＬＧＳ）と高調波成分との間にある境界周波数ｆ１は、タンピングユニット１の機械的構造の共鳴周波数に依存しており、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）の経過により算出される。

【0034】

以下に加速度信号の評価を説明する。締固め工具７のスクイーズ距離およびスクイーズ時間についての個々の測定値を、複数の時間区分に分割する。個々の区分に関して、タンピングマシンの作業方向に関して前方の締固め工具７および後方の締固め工具７に関するＬＧＳおよびＯＳＧの特性値を算出する。締固め工具７の締固め工程またはスクイーズ運動は、好適には、特性値ＯＳＧが所定の量に達したらすぐに終了することができる。

【0035】

皮相電力を算出するために、偏心駆動装置１０の駆動出力を用いる。偏心駆動装置１０の駆動出力は、その圧力経過により測定技術的に検出され、スクイーズ駆動装置９の無効電力は、この個所の電力は失われるので、減算される。

【0036】

有効電力は、締固め工具７のスクイーズ力の計算のために必要である。さらに、締固め工具７の測定された加速度によりバラスト力が算出される。バラスト力は、バラスト締固めの目安である。基本的に、バラスト締固めの作業プロセスは以下の区分に分けることができる：締固め工具７の下降、スクイーズ、および上昇。実際の締固め工程はスクイーズの最中に行われる。

【0037】

締固め工具７のスクイーズ運動中にはバラスト３の粒構造が再配列される。これにより締固めエネルギが締固め工具７からバラスト３へと伝達される。バラスト３内に吸収されたエネルギにより、粒構造の再配列が行われ、これにより結果として空隙率が減少する。まくらぎ下方のバラスト運動が終了すると、バラスト３のエネルギ吸収が減じられる。こうして、締固め工具７に加えられる力がより多く反射されるか、または反対側の締固め工具７がより強く制動される。バラスト３の強度は、締固めが進むにつれ上昇し、バラスト３において吸収される（緩衝）エネルギの割合は低下する。その結果、締固め工具７の作用力に対する比較的大きな反応力が生じる。したがって、バラストの良好な締固めが達成されると、締固め工具７の消費電力の増加が観察される。

【0038】

有効電力（バラストによって消費される電力）を表す測定値は、様々な形式で得ることができる。例えば、偏心駆動装置１０のトルクおよび回転数を介して駆動電力を測定し、この値からシステム自体で消費された無効電力を減算する。

【0039】

一方では、無効電力は、油圧システムにおける、ならびにスクイーズ駆動装置９内側における、内部の摩擦損失および流れ損失により生じ、これはシステム内の力を制限する過負荷安全装置としても機能する。力制限が作動されている場合は、より多くの無効電力が消費される。無効電力の算出は、スクイーズ駆動装置９における出力の測定により行うことができる。このために、生じるシリンダ力、ならびにピストンロッドがスクイーズ駆動装置９に対して進む速度が必要である。生じるシリンダ力の算出は、スクイーズ駆動装置９における２つの圧力センサにより行われる。油圧シリンダにおける距離変換器は、距離を一度微分することにより速度を算出するために考慮することができる。

【0040】

スクイーズシリンダの無効電力の算出は、測定された圧力と、対応する面積と速度（微分された距離）を乗じることにより行われる。

【0041】

Ｆ_ｈｙｄｒ＝（ｐ_Ａ×Ａ_Ａ−ｐ_Ｂ×Ａ_Ｂ）Ｂ_{ｂｅｉｓｔ}＝Ｆ_ｈｙｄｒ×ｄｘ／ｄｔ

【0042】

スクイーズ駆動装置９の無効電力は、選択されたスクイーズ圧力にも依存している。全無効電力は、始動中に、回転数、スクイーズ圧力、および皮相電力に依存して算出することができ、コンピュータの多次元表に保存することができる。これにより、システムの打撃力の算出には、トルクと回転数の算出しか必要ではない。したがって、バラスト３内に加えられる電力は以下のように計算することができる：

【0043】

Ｐ_{ｓｃｈｏｔｔｅｒ}＝Ｍ_Ｌ×２×π×ｎ_ａｎ−Ｂ_{ｂｅｉｓｔ}

【0044】

油圧駆動される締固め機器では、偏心駆動装置１０の油圧をトルクの計算のために、または測定値として使用すると有利である。

【0045】

締固め工具７のセットアップ中には、特別なテストシナリオにより、制動モーメントまたは損失モーメントを算出することができる。バラスト３に伝達される電力は、この個所で既知である。生じた締固め品質の目安である締固め力の大きさは、締固め工具７の加速度に依存する。バラスト力の計算のためには、相応の作業機器の、タンピングマシンの場合は締固め工具７の、代替モデルが必要である。

【0046】

タンピングアームまたはツールアーム５の動的運動式は、以下のモーメント均衡により表すことができる：

【0047】

I_{ｐｉｃｋｅｌａｒｍ}×α_ｐ／ｒ_ａ＝Ｆ_ｈｙｄｒ×ｒ_１−Ｆ_{ｓｃｈｏｔｔｅｒ}×ｒ_２

【0048】

Ｆ_ｈｙｄｒ（図２参照）は、（スクイーズ駆動装置９の両チャンバに圧力センサを設けることにより）オンラインで測定することができ、または偏心駆動装置１０の駆動電力を介しても算出することができる。加速度ａ_ｐは測定技術的に検出される。

【0049】

次の計算ステップのためには、締固め工具７の進んだ速度と距離が必要である。加速度信号を、速度に関しては一度、距離に関しては二度、積分する。

【0050】

タンピングツール７による締固め中にバラスト３内に流れるエネルギは以下のように記載することができる。

【0051】

【数3】

【0052】

このように算出されたエネルギは、締固めプロセス中のバラスト３のエネルギ吸収量を示し、その都度の締固め率の基準を表す。エネルギ入力が所定の値に向かって集束すると、バラスト３をそれ以上締固めることはできない。異なる形式の締固め工具７における締固め率を互いに比較可能とするために、タンピングツール面に加えられたエネルギと、使用されている締固め工具７とは以下のように規格化される。

【0053】

【数4】

【0054】

締固めの際のエネルギ入力がゼロに向かって収束すると、締固め力に応じて、線形の荷重たわみ特性線に従って変形が生じる。バラスト３はそれ以上エネルギを吸収しないので、物理的特性は、剛性の場合と同様であり、軌道バラスト弾性率として使用される。

【0055】

力距離グラフの上昇に相当する剛性は、バラスト３の弾性的な特性を示す。バラスト３に関する弾性率の算出は、二乗平均の最小化を伴う線形回帰直線により計算される。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図3d】