Innenverdichter



Eine neue Methode für 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 Stahldrähten, perfekt zu umschließen.

 

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

 

Schnittbild einer Betonschwelle

 

Motivation für den Entwicklunganstoß waren zwei herausragende Aspekte:


• Reduzierung der sehr hohen Instandhaltungs- und Ersatzteilkosten, die aufgrund der konventionellen Verdichtungsmethode – Prellschlag der Vibrationseinrichtung gegen den Formenboden bzw. die Trägerstruktur – entstehen

• Eine durch das bisherige Fertigungsprinzip sehr hohe Lärmbelästigung, die aufgrund zunehmend strenger ausgelegter Vorschriften nicht mehr tolerierbar ist

 

Die Ausgangslage

 

Das Fertigungsverfahren, das bei Weichenschwellen immer und bei Normalschwellen häufig 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 Außenrüttlern 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 Rüttelfrequenz - 50Hz bis 70Hz - in die unteren Schenkel der C-Profile. Die Seitenwände und der Boden der Formkästen, die aus Stahlblechen bestehen, werden zu mechanischen Schwingungen angeregt, die an das Betongemenge übertragen werden und es verdichten.

Der gravierende Nachteil dieser Methode ist, dass der gesamte Tragrahmen aus Strahlprofilen sowie die Formkästen in hochfrequente Schwingungen geraten, die vom Schlagen der Kufen überlagert werden. Die riesige Oberfläche strahlt Luft- und Körperschall ab. Der Lärmpegel beträgt während des Rüttelns 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 heißt, über den Umweg durch die Formwände eingetragen. Bei der neuen Methode sollen sie vielmehr direkt von einem in das Betongemenge eingetauchten „Arbeitsteil“ an das Gemenge abgegeben werden, grundsätzlich also nach dem Wirkprinzip des Betoninnenrüttlers – aber eben mit leistungsstarken Außenrüttlern.

Mehrfache, methodisch durchgeführte Versuche, für die eigens eine entsprechende Einrichtung geschaffen wurde, erlaubten es hinreichend, die grundsätzliche „Tauglichkeit“ dieser Methode zu belegen. Zudem konnten bei diesen Versuchen auch ausreichende Erkenntnisse für eine praxisgerechte Ausführung der Baugruppen – Schwinger/Rüttler/ Arbeitsgeräte/elastische Lagerung – gewonnen werden.

 

Versuchseinrichtung

 

Übertragung der Idee in eine Maschinenkonstruktion, die eine industriegerechte, prozessichere Fertigung erlaubt
Mit den bekannten Betoninnenrüttlern kann eine solche Fertigung nicht betrieben werden. Die bekannten systembedingten Einschränkungen dieser Rüttlerbauform - eine sehr hohe Betriebsdrehzahl von 12000 1/min um eine für diesen Anwendungsfall entsprechende Zentrifugalkraft zu generieren, sowie die damit verbundene Ableitung der Prozesswärme – schließen einen Einsatz dieser Innenrüttler praktisch aus. Hinzu kommt, dass  aufgrund der Baugröße dieser Innenrüttler ein Eintauchen zwischen die Stahldrähte und die Formenwände nicht möglich ist.

Entwickelt wurde deshalb ein spezieller "Schwinger", d.h. ein Basisrahmen, der auf seiner Oberseite einen Elektroaußenrüttler aufnimmt und an seiner Unterseite zwei Arbeitsteile trägt, 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 – unabhängig voneinander operierenden- Schwinger zu einer Baueinheit zusammengefasst. Diese Baueinheit besteht aus einem Rahmen der mittels eines robusten Führungssystems vertikal verfahrbar ist. Damit wird erreicht, dass die Arbeitsteile jeweils bei Formenanfang bzw. –ende eingetaucht und ausgefahren werden können. Zudem kann durch eine zweite Führungseinrichtung 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 können.

 

Verdichtungseinheit

 

Der Verdichtungseinheit vorgelagert, befindet sich die Betonaustrageinheit, die auf konventionelle Weise mittels Förderschnecken arbeitet. Der aus der Kübelbahn bereitgestellte Beton wird in das Silo, das oberhalb der Förderschnecken im Maschinenrahmen eingebaut ist, eingetragen. Beide Hauptkomponenten – kompletter Betonaustrag und Verdichtungseinheit – sind in einem kompakten Maschinenrahmen integriert, der auf Lauf- und Spurrädern  mittels elektromotorisch betätigten 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. Die Steuerung der Maschine erfolgt zum einen über die an der Maschine angebrachte Bedieneinheit und – zur optimalen Bewegungsfreiheit für den Bediener – zusätzlich mittels einer Kabelfernbedienung, die ebenfalls mit den Haupt-Steuerfunktionen ausgerüstet ist. Damit ist der Bediener jederzeit in der Lage, in den Produktionsprozess situationsbedingt eingreifen zu können. Dabei liegt die durchschnittliche Zykluszeit für die Befüllung und Verdichtung einer 6fach-Form konnte mit diesem neuen Verfahren gegenüber dem ursprünglichen Verfahren reduziert werden.

 

Bedienpult

 

 

Produktionsprozess mit Verdichtungseinheit

 

Erfreulich für die Beschäftigten im Fertigungsbereich ist dabei auch die Tatsache, dass mit  diesem Fertigungsverfahren der Lärmpegel deutlich verringert werden konnte. Die erreichte Reduzierung des Lärmpegels von 103 dbA auf ca. 87 dbA ist auch auf eine sehr positive Resonanz seitens der Steinbruchs-Berufsgenossenschaft gestoßen.

 

Teamwork:

 

Die Entwicklung eines neuartigen Fertigungsprozesses kann nur in enger Zusammenarbeit mit einem kompetenten Partner aus der Industrie erfolgen. Die Bündelung der Kompetenzen einerseits, die Bereitschaft, sich aktiv in ein solches Projekt einzubringen andererseits sowie ein gewisses Durchhaltevermögen sind unabdingbare Voraussetzungen für 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. Während im Werk Coswig mehrere erfolgreiche Grundlagenversuche zum Nachweis der prinzipiellen „Machbarkeit“ dieser verbesserten und „leisen“ Verdichtungsmethode stattfanden, erfolgte die Umsetzung in eine prozessfähige Produktionsmaschine im spanischen Werk bei Travipos S.A. Nur durch die tatkräftige Unterstützung der Partnerfirma und deren sehr guten Kenntnisse in den Bereichen Verfahrenstechnik und Betontechnologie, war es möglich, 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 gegenwärtig darüber 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 übernimmt die Maschine.

Es ist als konsequenter Schritt zu sehen, dass dieses Verfahren nicht nur für die Herstellung von Betonschwellen geeignet ist sondern sich auch auf ähnlich geformte Betonteile adaptieren läßt. Ob als komplette verfahrbare Maschine mit entsprechender Peripherie oder als reine stationäre Verdichtungseinheit – der Anwendungsfall entscheidet über die Ausführung.