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Verfahren zur Bestimmung von Längsspannungen in lückenlos verlegten Eisenbahnschienen
Die durch eine Temperaturänderung bedingte Längenänderung einer frei liegenden Eisenbahnschiene ist abhängig von der Höhe der Temperaturänderung, der Wärmedehnungszahl des Schienenstahles und der Lange der Schiene.
Eine im Gleis verlegte und befestigte Schiene ist an der freien Dehnung ganz oder teilweise behindert. Temperaturänderungen einer befestigten Schiene können sich nicht mehr zur Gänze in Längen- änderungen auswirken. Je nach dem Grad der Unterdrückung der Längsbewegung treten bei Temperatur- änderungen in den Schienen demzufolge Längsspannungen auf. Ist die Längsbeweglichkeit vollständig unterdrückt, wie dies im mittleren Teile eines idealen, lückenlos verschweissten Gleises der Fall sein sollte, so setzt sich jede Temperaturänderung in eine entsprechende Änderung der Schienenlängsspannung um. Die Grösse der Schienenlängsspannung wird dabei allein durch die Temperaturänderung und die Kenn- zahlen des Schienenstahles bestimmt.
Von den Temperaturänderungen hervorgerufene axiale Zug-und Druckspannungen können bei Überschreiten gewisser Grenzen im Winter zu Schienenbrüchen und im Sommer zu Gleisverwerfungen führen, falls nicht entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Die Kenntnis der Art und Grösse der auftretenden Spannungen bzw. Spannungsänderungen ist daher für den Gleisbau, insbesondere für die Herstellung lückenloser Gleise, von grosser Wichtigkeit. Bisher war es nur möglich, die Schienenspannungen theoretisch zu ermitteln, wogegen praktische Messmethoden fehlten.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich geworden, Spannungsänderungen bzw. Spannungszustande in lückenlos verlegten Eisenbahnschienen zu bestimmen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Messpunkten an einer Schiene und einem beweglich zwischen den Messpunkten angeordneten Messstab schienengleichen Materials bei jeweils gleicher Temperatur von Schiene und Messstab die durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Längendifferenzen zwischen Schienenmesslänge und Messstab durch wiederholte Messungen, z. B. mittels einer Messuhr, bestimmt und zur Ermittlung von Spannungsänderungen in den lückenlos verlegten Schienen ausgewertet werden.
Es entspricht dem bekannten Hooke'sehen Gesetz, dass die Differenz der Längenänderung von Schienenabschnitt und Messstab ein Mass für die Spannungsänderung der Schiene ist. Wird die Länge des Schienenabschnittes im spannungslosen Zustand mit der Länge des frei beweglich unter gleicher Temperatur stehenden Messstabes verglichen, so ergeben sich aus den späteren Vergleichsmessungen die absoluten Langsspannungen der Schiene.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es bekannt ist, mechanische Spannungen in Konstruktionsteilen ohne Eingriff in den Zustand dieser Teile mit Hilfe der bekannten Beziehung zwischen elastischer Form- änderung und Spannung zu ermitteln, indem die durch Belastungsänderungen bedingten Abstandsänderungen zwischen zwei festgelegten Punkten gemessen und daraus die Spannungsänderungen in den Konstruktionsteilen errechnet werden. Die Anwendung der bekannten Verfahren setzt aber voraus, dass tatsächlich elastische Form- bzw. Längenänderungen des zu untersuchenden Konstruktionsteilos auftreten, da sie ausschliesslich auf der Messung dieser tatsächlichen Längenänderungen beruhen. Eine bekannte Einrichtung zum Messen der Längenänderungen von Konstruktionsteilen besteht z.
B. aus einer mit dem zu messenden Teil fest verbundenen, seitlich ausgebogenen Feder, deren Pfeilhöhe sich bei einer Längenänderung des
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betreffenden Teiles ändert. Die Beziehung zwischen der Längenänderung, der Sehne einer flachen Kurve und der dadurch bedingten Änderung der Pfeilhöhe gestattet, durch Messung der Pfeilhöhenänderung die Spannungsänderung des betreffenden Teiles festzustellen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren handelt es sich jedoch nicht darum, tatsächlich Längenänderungen eines Konstruktionsteiles bzw. von Schienen zu messen, sondern das Verfahren gestattet es, die verhinderten Längenänderungen der in der Längsbeweglichkeit gehemmten Schiene bei Temperaturänderungen zu bestimmen, um daraus den Spannungszustand der Schienen zu ermitteln. Diese durch Temperaturänderungen an der Schiene selbst nicht unmittelbar feststellbare Auswirkung ist mit den bekannten Messverfahren nicht erfassbar, weil diese nur bei Auftreten einer tatsächlichen Längenänderung eines Konstruktionsteiles infolge einer ausseren Belastung anwendbar sind.
Die praktische Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann in der nachstehend an Hand der Zeichnung beschriebenen Weise erfolgen.
In der Zeichnung stellt Fig. l die am Schienensteg angeordnete Messvorrichtung in Seitenansicht und und Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-B in Fig. 1 dar.
Gemäss der Erfindung wird am Steg der Schiene 1 ein Schienenabschnitt mittels in einem bestimmten Abstand angebrachter Messpunkte 2 und 3, die sich z. B. an beliebig befestigten Nocken 4 und 5 befinden, gekennzeichnet. Der lichte Abstand 1 zwischen den Messpunkten der Nocken dient als Bezugslänge. Zwischen den Messpunkten 2 und 3 ist ein um einige Millimeter kürzerer Messstab 6, der möglichst die gleiche Wärmedehnungszahl und bei den Messungen die gleiche Temperatur wie die Schiene hat, horizontal verschiebbar gelagert. Die Lange der möglichen Schubbewegung des Messstabes, die von den festen Mess-
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liche Messung erfolgt in der Weise, dass zuerst das eine Ende des Messstabes an den Messpunkt 3 zur Anlage gebracht und die Messuhr 7 mit dem Stift 8 gegen das andere Ende des Messstabes gedrückt wird.
Nachdem der Nullpunkt der Messskala mit dem Zeiger der Messuhr zur Deckung gebracht worden ist, wird der Messstab horizontal bis zur Anlage an den Messpunkt 2 verschoben, wobei die Schubbewegung von der Messuhr 7 gemessen wird. Die von der Messuhr angezeigte Grösse der Schubbewegung ist damit gleich dem von Fall zu Fall verschiedenen Längenunterschied zwischen dem gekennzeichneten Schienenabschnittund dem Messstab. Aus der Differenz der auf diese Weise bei den verschiedenen Messungen ermittelten Längenunterschiede kann die Spannung bzw. Spannungsänderung der Schiene leicht errechnet werden.
Beträgt z. B. bei einer Messlänge von 1 = 200 cm der Längenunterschied bei spannungsloser Schiene 2 mm und nach dem Einbau der Schiene bei einer andern Messung bei Temperaturgleichheit von Schiene und frei beweglichem Messstab 1 mm, so entspricht die Differenz der Längenänderung von 1 mm einer Schienenlängsspannung nach der Formel
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worin a die Spannung, E das Elastizitätsmodul und A l die Längenänderung bedeuten.
Die in Deutschland vorkommenden höchsten Schienentemperaturen im Sommer können bei direkter Sonnenbestrahlung zirka 600 C sein. Die tiefsten Schienentemperaturen im Winter wurden mit etwa - 300 C gemessen. Sind die Schienen bei einer mittleren Schienentemperatur von 150 C verlegt worden, so können im Sommer Druckspannungen in den Schienen von 1080 kg/cm2 und im Winter Zugspannungen von ebenfalls 1080 kg/cm2 entstehen, wie die theoretische Berechnung ergibt. Die entsprechenden Längenänderungen von etwa 1 mm bei einer Messlänge von 2 m können mit Hilfe einer Messuhr also genügend genau bestimmt werden, um eine Übersicht über die im Schienenabschnitt vorkommenden Spannungen zu geben.