Development of condition-based tamping process in railway engineering : operating phases and motion behavior, ballast condition determination, ballast fluidization

Abstract

Maintenance of ballasted tracks becomes an increasingly demanding task with the continuous increase of railway traffic of both passengers and freight. Nowadays, most of track maintenance work is conducted using modern tamping machines. The process of lifting, leveling and non-synchronous, directional constant pressure tamping has been proven to provide optimal results in regard to continuous ballast compaction and restoration of initial track geometry.Most desirable method of track maintenance, from an economic point of view, is condition- based predictive maintenance. This method dictates that decisive parameters should be adjusted to the encountered track condition. State-of-the-art tamping machines, however,operate with previously defined tamping parameter combination, where by only a minority of parameters are adapted to the ballast bed condition.Research conducted in the scope of this thesis investigates fundamentals of the tamping process and the soil mechanical component of ballast compaction. For this purpose, comprehensive investigation of the track tamping process during regular track maintenance indifferent ballast conditions is conducted, primarily focusing on the interaction between the tamping tine and the ballast matrix during ballast compaction. For the very first time, these two components are observed on a vibration cycle scale, and a new method of measuring and interpretation of their force-deformation relationship in form of a load-displacement diagram is developed. This presentation made it possible to determine tamping characteristics,such as reaction force and compaction energy, that result from a given set of tamping parameters. Comparison of tamping characteristics between tamping machine employment at different locations made it possible to clearly identify the ballast bed condition based on its interaction with the tamping tine. This observation represents the base for future development of condition-based tamping process in which the tamping parameters would be adapted to the ballast condition measured by the machine during tamping.Irrefutable evidence of a periodic loss of contact between tamping tine and ballast matrix is presented based on contact points obtained from load-displacement diagrams. Existence of this contactless phase in each vibration cycle reduces ballast wear and has a positive influence on the compaction process. Soil dynamic behavior of track ballast during compaction was investigated and in-situ tests were conducted in order to enable a qualitative description of track ballast dynamic fluidization, a phenomenon that plays a decisive role in clean ballast compaction by both tamping unit and dynamic track stabilizer.A numerical simulation of the tamping tine - ballast matrix interaction during compaction was developed, providing the possibility to model continuous fouling of the track ballast by adjusting one single parameter - elastic stiffness of the ballast model. Model calibration was conducted using in-situ measurement results and it was utilized to carry out a comprehensive study of tamping parameters and their effect on the load-displacement curve and tamping characteristics.Measurement system and analysis algorithm presented in this thesis provide the possibility to transform and upgrade the tamping unit from track maintenance into a Smarttamping tool, resulting in optimization of the tamping process and a prolongation of ballast life-cycle, while increasing the quality of the whole track system.

Mit der kontinuierlichen Zunahme des Personen- und Güterverkehrs auf der Schiene wird die Instandhaltung von Schottergleisen zu einer immer anspruchsvolleren Aufgabe. Heutzutage wird ein Großteil der Gleisinstandhaltungsarbeiten mit modernen Stopfmaschinen durchgeführt. Das Verfahren des Hebens, Nivellierens und des Asynchron-Gleichdruck-Stopfens liefert nachweislich optimale Ergebnisse im Hinblick auf die kontinuierliche Schotterverdichtung und die Wiederherstellung der ursprünglichen Gleisgeometrie. Die aus wirtschaftlicher Sicht wünschenswerteste Methode der Gleisinstandhaltung ist zustandsorientiert,wobei die entscheidenden Parameter an den vorgefundenen Gleiszustand angepasst werden sollten. Moderne Stopfmaschinen arbeiten jedoch mit vorher definierter Stopfparameterkombination,wobei nur wenige Parameter an den Schotterbettzustand angepasst werden.Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen befassen sich mit den Grundlagen des Stopfprozesses und den bodenmechanischen Aspekten der Schotterverdichtung.Dazu wurde eine umfassende Untersuchung des Stopfprozesses bei regelmäßiger Gleisinstandhaltung in unterschiedlichen Schotterzuständen durchgeführt, wobei vor allem die Wechselwirkung zwischen Stopfpickel und Schottermatrix bei der Schotterverdichtung im Vordergrund steht. Erstmals werden diese beiden Komponenten auf einer Schwingungszyklusskala betrachtet und eine neue Methode zur Messung und Interpretation ihrer Kraft-Verformungs-Beziehung in Form eines Arbeitsdiagramms entwickelt. Diese Darstellung ermöglichtes, Stopfkenngrößen wie Reaktionskraft und Verdichtungsenergie, die sich aus einemgegebenen Satz von Stopfparametern ergeben, zu bestimmen. Der Vergleich der Stopfkenngrößen zwischen Stopfmaschineneinsätzen an verschiedenen Standorten ermöglichte eine eindeutige Identifizierung des Schotterbettzustandes aufgrund seiner Wechselwirkung mit dem Stopfpickel. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage für die künftige Entwicklung eines zustandsabhängigen Stopfverfahrens, bei dem die Stopfparameter an den von der Maschine während des Stopfens gemessenen Schotterzustand angepasst werden.Der unwiderlegbare Beweis für einen periodischen Kontaktverlust zwischen Stopfpickel und Schottermatrix wird anhand der aus den Arbeitsdiagrammen gewonnenen Kontaktpunkte erbracht. Das Vorhandensein dieser kontaktlosen Phase in jedem Vibrationszyklus verringert den Schotterverschleiß und hat einen positiven Einfluss auf die Verdichtung. Bodendynamisches Verhalten des Gleisschotters während der Verdichtung wurde untersucht und In-situ-Versuche wurden durchgeführt, um eine qualitative Beschreibung der temporärendynamische Fluidisierung des Gleisschotterkorngerüstes zu ermöglichen, ein Phänomen, das bei der Verdichtung von neuem Schotter durch Stopfaggregat und dynamischenGleisstabilisator eine entscheidende Rolle spielt.Es wurde eine numerische Simulation der Wechselwirkung zwischen Stopfpickel und Schottermatrix während der Verdichtung entwickelt, die es ermöglicht, die kontinuierliche Verschmutzung des Gleisschotters durch die Anpassung eines einzigen Parameters -der elastischen Steifigkeit des Schottermodells - zu modellieren. Die Kalibrierung des Modells wurde anhand von In-situ-Messergebnissen durchgeführt und für eine umfassende Untersuchung der Stopfparameter und ihrer Auswirkungen auf das Arbeitsdiagram undauf Stopfkenngrößen genutzt.Das in dieser Arbeit vorgestellte Messsystem und der Analysealgorithmus bieten die Möglichkeit, das Stopfaggregat aus der Gleisinstandhaltungs- in ein intelligentes Stopfwerkzeug umzuwandeln und aufzurüsten, was zu einer Optimierung des Stopfprozesses und einer Verlängerung der Lebensdauer des Schotters führt, während die Qualität des gesamten Gleissystems erhöht wird.