?Eine neue Methode f?r den Produktionsschritt ?VERDICHTUNG? bei der Herstellung von Betonfertigteilen?

Herstellung von Eisenbahnschwellen aus Spannbeton mittels verbessertem Produktionsverfahren

Normale Bahnschwellen -  in Deutschland z.B. die Variante ?B 70? - wie auch Weichenschwellen, werden als vorgespannte Betonfertigteile produziert. Das in die Schwellenformen eingetragene Betongemenge muss stark verdichtet werden, um zum einen die geforderte Festigkeit zu erreichen und zum anderen die Armierung, in Form von vorgespannten Stahldr?hten, perfekt zu umschlie?en.

In Abbildung 1 ist dargestellt, wie das neue Produktionsverfahren den hohen Forderungen an die Verdichtung in hervorragender Weise gerecht wird.

 
Abb. 1: Schnittbild einer Betonschwelle

Motivation f?r den Entwicklungansto? waren zwei herausragende Aspekte:

? Reduzierung der sehr hohen Instandhaltungs- und Ersatzteilkosten, die aufgrund der
   konventionellen Verdichtungsmethode ? Prellschlag der Vibrationseinrichtung gegen den
   Formenboden bzw. die Tr?gerstruktur ? entstehen

? Eine durch das bisherige Fertigungsprinzip sehr hohe L?rmbel?stigung, die aufgrund zunehmend
   strenger ausgelegter Vorschriften nicht mehr tolerierbar ist

Die Ausgangslage

Das Fertigungsverfahren, das bei Weichenschwellen immer und bei Normalschwellen h?ufig genutzt wird, ist die so genannte ?Long-Line? Methode. Hierbei liegen die Formen zwischen der Spannstation und dem Widerlager in einem 80 bis 140m langen Spannbett.

Der kritische Fertigungsschritt ist das Verdichten des Betongemenges. Die bislang praktizierte Verdichtungsmethode bestand darin, einen Stahlschlitten mit aufgebauten Au?enr?ttlern mittels Seilzug (Endlosseil) durch parallele C-Profile, der ein Teil des Tragrahmens der Formanlage ist,  zu ziehen. Die Kufen des Schlittens schlagen dabei im Takt der R?ttelfrequenz - 50Hz bis 70Hz - in die unteren Schenkel der C-Profile. Die Seitenw?nde und der Boden der Formk?sten, die aus Stahlblechen bestehen, werden zu mechanischen Schwingungen angeregt, die an das Betongemenge ?bertragen werden und es verdichten.

Der gravierende Nachteil dieser Methode ist, dass der gesamte Tragrahmen aus Strahlprofilen sowie die Formk?sten in hochfrequente Schwingungen geraten, die vom Schlagen der Kufen ?berlagert werden. Die riesige Oberfl?che strahlt Luft- und K?rperschall ab. Der L?rmpegel betr?gt w?hrend des R?ttelns bis zu 103,5 dBA.

Idee zu einer neuen Methode, mit der die geforderten Verbesserungen (Zielsetzungen) zu erreichen sind

In das Betongemenge werden die mechanischen Schwingungen nicht - wie im vorigen Absatz beschrieben - indirekt, das hei?t, ?ber den Umweg durch die Formw?nde eingetragen. Bei der neuen Methode sollen sie vielmehr direkt von einem in das Betongemenge eingetauchten ?Arbeitsteil? an das Gemenge abgegeben werden, grunds?tzlich also nach dem Wirkprinzip des Betoninnenr?ttlers ? aber eben mit leistungsstarken Au?enr?ttlern.

Mehrfache, methodisch durchgef?hrte Versuche, f?r die eigens eine entsprechende Einrichtung geschaffen wurde, erlaubten es hinreichend, die grunds?tzliche ?Tauglichkeit? dieser Methode zu belegen (s. Abbildung 2). Zudem konnten bei diesen Versuchen auch ausreichende Erkenntnisse f?r eine praxisgerechte Ausf?hrung der Baugruppen ? Schwinger/R?ttler/ Arbeitsger?te/elastische Lagerung ? gewonnen werden.

Abb. 2: Versuchseinrichtung

?bertragung der Idee in eine Maschinenkonstruktion, die eine industriegerechte, prozessichere Fertigung erlaubt

Mit den bekannten Betoninnenr?ttlern kann eine solche Fertigung nicht betrieben werden. Die bekannten systembedingten Einschr?nkungen dieser R?ttlerbauform -  eine sehr hohe Betriebsdrehzahl von 12000 1/min um eine f?r diesen Anwendungsfall entsprechende Zentrifugalkraft zu generieren, sowie die damit verbundene Ableitung der Prozessw?rme ? schlie?en einen Einsatz dieser Innenr?ttler praktisch aus. Hinzu kommt, dass  aufgrund der Baugr??e dieser Innenr?ttler ein Eintauchen zwischen die Stahldr?hte und die Formenw?nde nicht m?glich ist.

Entwickelt wurde deshalb ein spezieller "Schwinger", d.h. ein Basisrahmen, der auf seiner Oberseite einen Elektroau?enr?ttler aufnimmt und an seiner Unterseite zwei Arbeitsteile tr?gt, die in das Betongemenge eingetaucht werden.

Der Schwinger ist durch eine aus Gummipuffern gebildete elastische Lagerung so mit einem Tragrahmen verbunden, dass die Arbeitsteile eine zirkulare Schwingbewegung in Form einer Ellipse beschreiben.

Die Maschinenkonstruktion

Im konkreten Anwendungsfall wurden sechs dieser ? unabh?ngig voneinander operierenden- Schwinger zu einer Baueinheit zusammengefasst. Diese Baueinheit besteht aus einem Rahmen der mittels eines robusten F?hrungssystems vertikal verfahrbar ist. Damit wird erreicht, dass die Arbeitsteile jeweils bei Formenanfang bzw. ?ende eingetaucht und ausgefahren werden k?nnen. Zudem kann durch eine zweite F?hrungseinrichtung die gesamte Schwingeinheit horizontal quer zu den Formen verfahren werden. Dies dient dazu, eventuelle seitliche Differenzen in den Spurlagen der einzelnen Formen per ?Knopfdruck? kompensieren zu k?nnen (s. Abbildung 3).

Abb. 3: Verdichtungseinheit

Der Verdichtungseinheit vorgelagert, befindet sich die Betonaustrageinheit, die auf konventionelle Weise mittels F?rderschnecken arbeitet. Der aus der K?belbahn bereitgestellte Beton wird in das Silo, das oberhalb der F?rderschnecken im Maschinenrahmen eingebaut ist, eingetragen. Beide Hauptkomponenten ? kompletter Betonaustrag und Verdichtungseinheit ? sind in einem kompakten Maschinenrahmen integriert, der auf Lauf- und Spurr?dern  mittels elektromotorisch bet?tigten Fahrwerks schienengebunden bewegt wird.

Einsatz in der Produktion

In einem perfekt aufeinander abgestimmten Ablauf arbeiten der Betoneintrag in die Formen und die Verdichtung optimal zusammen (s. Abbildung 5). Die Steuerung der Maschine erfolgt zum einen ?ber die an der Maschine angebrachte Bedieneinheit (s. Abbildung 4) und ? zur optimalen Bewegungsfreiheit f?r den Bediener ? zus?tzlich mittels einer Kabelfernbedienung, die ebenfalls mit den Haupt-Steuerfunktionen ausger?stet ist. Damit ist der Bediener jederzeit in der Lage, in den Produktionsprozess situationsbedingt eingreifen zu k?nnen. Dabei liegt die durchschnittliche Zykluszeit f?r die Bef?llung und Verdichtung einer 6fach-Form konnte mit diesem neuen Verfahren gegen?ber dem urspr?nglichen Verfahren reduziert werden.

 
Abb. 4: Bedienpult

Abb. 5: Produktionsprozess mit Verdichtungseinheit

Erfreulich f?r die Besch?ftigten im Fertigungsbereich ist dabei auch die Tatsache, dass mit  diesem Fertigungsverfahren der L?rmpegel deutlich verringert werden konnte. Die erreichte Reduzierung des L?rmpegels von 103 dbA auf ca. 87 dbA ist auch auf eine sehr positive Resonanz seitens der Steinbruchs-Berufsgenossenschaft gesto?en.

Teamwork:

Die Entwicklung eines neuartigen Fertigungsprozesses kann nur in enger Zusammenarbeit mit einem kompetenten Partner aus der Industrie erfolgen. Die B?ndelung der Kompetenzen einerseits, die Bereitschaft, sich aktiv in ein solches Projekt einzubringen andererseits sowie ein gewisses Durchhalteverm?gen sind unabdingbare Voraussetzungen f?r das Gelingen eines Projekts dieser Dimension. Der, nun in die Fa. RAIL.ONE eingegliederte, ehemalige Unternehmensbereich ?Infrastrukturtechnik? der Pfleiderer AG mit seinen Werken in Coswig sowie Travipos im spanischen Constanti ist diesen Schritt zusammen mit der Fa. Knauer Engineering in Geretsried gegangen. W?hrend im Werk Coswig mehrere erfolgreiche Grundlagenversuche zum Nachweis der prinzipiellen ?Machbarkeit? dieser verbesserten und ?leisen? Verdichtungsmethode stattfanden, erfolgte die Umsetzung in eine prozessf?hige Produktionsmaschine im spanischen Werk bei Travipos S.A. Nur durch die tatkr?ftige Unterst?tzung der Partnerfirma und deren sehr guten Kenntnisse in den Bereichen Verfahrenstechnik und Betontechnologie, war es m?glich, die Maschine in kurzer Zeit komplett in den Produktionsablauf zu integrieren.  

Aussichten:

Nach fast einem dreiviertel Jahr Einsatzdauer und den daraus gewonnen Erfahrungswerten mit der Maschine im Betrieb, wird gegenw?rtig dar?ber nachgedacht, einzelne Schritte im Produktionszyklus, die momentan noch vom Bediener per Hand einzeln aufgerufen werden, zu automatisieren. Ziel soll es sein, dass der Bediener nur mehr dort in den Prozess eingreift, wo seine Erfahrung und sein geschultes Auge entscheidend sind ? alle anderen Aufgaben ?bernimmt die Maschine.

Es ist als konsequenter Schritt zu sehen, dass dieses Verfahren nicht nur f?r die Herstellung von Betonschwellen geeignet ist sondern sich auch auf ?hnlich geformte Betonteile adaptieren l??t. Ob als komplette verfahrbare Maschine mit entsprechender Peripherie oder als reine station?re Verdichtungseinheit ? der Anwendungsfall entscheidet ?ber die Ausf?hrung.