Sofortanalyse des Schotters

Sofortanalyse des Schotters

Präzise Zustandserfassung beim ersten Kontakt mit den Stopfpickeln

Die Auswahl optimaler Stopfparameter ist eng mit der Beschaffenheit des Schotters verknüpft. Dank eines neuen Systems ist es nun möglich, den Zustand des Schotters bereits während des Eindringvorgangs zu bestimmen. Dies wird durch die Messung spezifischer Bodenkennzahlen und die daraus resultierende Berechnung eines Schotterkoeffizienten ermöglicht. Im Rahmen eines kollaborativen Forschungsprojekts erfolgte eine detaillierte Analyse der Anwendung dieser Technologie.

Die bestehenden Methoden zur Ermittlung existierender Bodenkennzahlen verdeutlichen die Notwendigkeit eines Wertes, der vor Ort schnell bestimmt und kontinuierlich gemessen werden kann. Obwohl Laboruntersuchungen zur Bestimmung des Schotterzustands ein detailliertes Bild vermitteln, sind sie arbeits- und zeitintensiv und liefern lediglich punktuelle Daten. Zudem erfordern sie spezialisiertes Personal, und die Ergebnisse können nicht unmittelbar zur Festlegung der Betriebsparameter verwendet werden. Die logische Wahl fällt daher auf die Stopfmaschine und insbesondere die Stopfpickel als Messinstrumente. Dadurch wird eine lückenlose Erfassung und die Messung der unmittelbar benötigten Werte mit einer klaren örtlichen und zeitlichen Zuordnung ermöglicht. Diese Informationen sind sowohl für den Maschinenbetreiber als auch für den Infrastrukturbetreiber von hoher Relevanz. Der neu entwickelte, spezifisch angepasste Schotterkoeffizient liefert mit einem einzigen Wert einen unmittelbaren Überblick über den aktuellen Zustand des Schotters und unterstützt somit die fortlaufende Überwachung und Wartung des Gleissystems.

Dazu werden die Eindringgeschwindigkeit und die Vertikalkraft mittels eines erprobten Sensor-Setups am Stopfaggregat präzise erfasst. Die zugrundeliegenden Analysealgorithmen sind so konzipiert, dass sie eine Echtzeitauswertung aller relevanten Größen während des laufenden Betriebs ermöglichen. Da die Vertikalkraft und die Geschwindigkeit bereits während des Eindringvorgangs gemessen werden, ist eine frühzeitige Bestimmung des Schotterzustands möglich. Diese Erkenntnisse bilden die Basis für die automatisierte Anpassung der Parameter für das Verfüllen und Verdichten an jeder einzelnen Schwelle, wodurch eine konsistent hohe Qualität des Stopfvorgangs gewährleistet wird.

Der Schotterkoeffizient βBallast

In vorangegangenen Forschungsprojekten mit einem Unimat 09-4x4/4S E³, deren Stopfaggregate mit Sensoren ausgerüstet waren, stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung. Die Herausforderung bestand darin, aus der Fülle der Messdaten jene zu extrahieren, die den Schotterzustand am präzisesten abbilden und gleichzeitig effizient nutzbar sind. Eine eingehende Analyse dieses Datensatzes zeigte allerdings, dass die Maschineneinstellungen signifikante Auswirkungen auf die Messergebnisse hatten. Insbesondere wurde festgestellt, dass die von den Bedienern eingestellte Eintauchgeschwindigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die während des Eintauchvorgangs gemessene Kraft ausübt. Es ließ sich ein klarer direkter Zusammenhang zwischen der Eintauchgeschwindigkeit und der Vertikalkraft etablieren, der zur Definition des Schotterkoeffizienten βBallast führte. Weitere Untersuchungen bestätigten, dass dieser Koeffizient eine bedeutende Korrelation mit dem tatsächlichen Zustand des Schotters aufzeigt.

βBallast=Fmaxvmax

Maximale Vertikalkraft (F_max) während des Eindringvorgangs, in Kilonewton (kN), und maximale gemessene Eindringgeschwindigkeit (v_max) in Metern pro Sekunde (m/s).

Diese Gleichung trägt der Tatsache Rechnung, dass die Absenkgeschwindigkeit der Aggregate durch den Bediener einstellbar ist und daher die Vertikalkraft beeinflusst. Die Eindringkraft variiert somit mit der von dem Bediener eingestellten Geschwindigkeit. Trotz dieser Variationen liefert der Schotterkoeffizient, dessen Dimension [kNs/m] eine Dämpfungskonstante darstellt, zuverlässige Indikatoren für den Zustand des Schotters. Dieser Koeffizient muss folglich so kalibriert werden, dass er die Eindringkraft in Relation zur Absenkgeschwindigkeit setzt, um eine möglichst präzise Metrik zu schaffen, die sowohl die Bedingungen des Eindringvorgangs als auch den Zustand des Schotters berücksichtigt. Langjährige praktische Erfahrungen zeigen, dass Schotter mit höherem Verschmutzungsgrad das Eindringen der Stopfpickel erschwert, was zu einem Anstieg des Koeffizienten führt. Diese Beziehung zwischen Eindringkraft und Absenkgeschwindigkeit muss in der Bewertungsmetrik des Schotterzustandes entsprechend berücksichtigt werden.

Schotterzustandsklassen

Basierend auf der statistischen Verteilung der Daten sowie aus mehreren praktischen Erwägungen wurde eine quantitative Klassifizierung der Werte des Schotterkoeffizienten in vier vorläufige Zustandsklassen vorgenommen. Diese systematische Einordnung wurde aufgrund ihrer Praktikabilität und der Möglichkeit zur Standardisierung des Vergleichsprozesses gewählt.

SchotterzustandsklasseβBallast in kNs/m
Klasse I (bester Zustand)βBallast ≤ 35
Klasse II35 < βBallast ≤ 45
Klasse III45 < βBallast ≤ 60
Klasse IV (schlechtester Zustand)βBallast > 60

Wie aussagekräftig ist der Schotterkoeffizient βBallast?

Zur Validierung der Zustandsklassen unternahmen die ÖBB systematische Schotterbeprobungen, deren Ergebnisse mit den aus Messdaten ermittelten Klassifizierungen abgeglichen wurden. Die Analyse zeigte eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den expertenbasierten Bewertungen und der automatisierten, datengestützten Klassifizierung.

Um den Schotterkoeffizienten objektiv mit dem tatsächlichen Zustand des Schotters vergleichen zu können, benötigt man zusätzlich noch einen eindimensionalen Kennwert, der einerseits den Schotterzustand quantifiziert und andererseits aus den Analysedaten der entnommenen Schotterproben abgeleitet werden kann.

Die traditionellen Indizes zur Bewertung des Schotterzustands erweisen sich als unzureichend für diese Zwecke. Daher wurde ein alternativer Ansatz entwickelt: Im Labor werden die Massenprozente der Siebdurchgänge für die Öffnungsweiten 22,4 mm, 31,5 mm und 40 mm addiert. Diese Methode entspricht einer gewichteten Summe und bevorzugt kleinere Korngrößen, da sie in den Ergebnissen der größeren Sieböffnungen enthalten sind. Die kumulierten Werte dieser Summation variieren in Abhängigkeit vom Zustand des Schotters und stellen somit eine aussagekräftige Metrik dar.

Bei der Analyse der Beziehung zwischen dem Schotterkoeffizienten β und den gewichteten Summenwerten der Sieblinie wurde eine deutliche Korrelation festgestellt. Dies bestärkt die Annahme, dass der Schotterkoeffizient ein wirksames Instrument zur Bestimmung des Zustandes von Schotter darstellt.

Zukünftige Forschungsarbeiten sollen darauf abzielen, die Präzision des Schotterkoeffizienten weiter zu verbessern und verbleibende Einflüsse, die aus variierenden Maschinenkonfigurationen resultieren, zu eliminieren.

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