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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Prüfung der Rollkontaktermüdung des Werkstoffes im Arbeitsbereich von Schienen, wobei auf eine Schienenprobe ein zyklisches Abrollen eines Rades unter Belastung erfolgt und an der Probe ein Auftreten von Fehlern und/oder Verschleiss in Abhängigkeit von den Lastspielen bzw. Lastzyklen ermittelt wird.
Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Prüfung der Rollkontaktermüdung des Werkstoffes im Arbeitsbereich von Schienen, bestehend aus einem Einspannteil mit einer darauf befestigten Schienenprobe und einer Halterung mit einem Probenrad, welche relativ zueinander in Schienenlängsrichtung hin-und herbewegbar und aneinander anstellbar sind mit einer Bewegungsablaufsteuerung.
Die Gleisbelastung und damit die Beanspruchung der Schienen hat sich, verursacht durch höhere Fahrgeschwindigkeiten, gestiegene Achslasten und Tonnagen sowie erhöhte Zugkräfte der Lokomotiven, stark erhöht. Obwohl durch Neu- und Weiterentwicklungen im Bereich der Werkstoffe und der thermischen Behandlungsverfahren von Schienen deren Güte und Zuverlässigkeit verbessert bzw. erhöht werden konnten, treten insbesondere bei Bergstrecken mit engen Kurvenradien Schienenschäden in den hoch beanspruchten Arbeitszonen auf.
Es ist bekannt, dass die Schädigungen insbesondere durch eine sogenannte Rollkontaktermü- dung des Werkstoffes verursacht werden. Zur Feststellung der Ursachen dieser Rollkontaktermü- dung, in Fachkreisen auch mit Rolling Contact Fatigue (RCF) bezeichnet, des Werkstoffes, welche zu Rissbildungen an der Fahrkante der Schiene führen kann, sind eine Vielzahl von Erprobungen vorgenommen worden. Alleine durch theoretische Ermittlungen, zum Beispiel an Modellen, und durch Ergebnisse von Untersuchungen der chemischen Zusammensetzung, des Mikrogefüges und der Härte des Werkstoffes in der hochbeanspruchten Arbeitszone können keine sicheren Aussagen über ein Zeitstandsverhalten der Schiene im praktischen Betrieb in Abhängigkeit von den Belastungszyklen gemacht werden.
Um jedoch als Grundlage für eine Weiterentwicklung zur Erhöhung der Schienenqualität, zur Feststellung der erforderlichen Schienengüte für Bahnstrecken und zur Instandhaltungsplanung von Strecken weitgehend sichere Daten zur Verfügung zu haben, wurden praxisnahe Prüfeinrichtungen geschaffen, wobei die Überrollprüfeinrichtungen gute Ergebnisse, Insbesondere bei vertikaler Belastung, erbrachten.
Zur Prüfung einer Materialermüdung von Schienen wird gemäss SU 1783367 A1 vorgeschlagen, eine Schienenprobe im mittleren Teil derart zu befestigen, dass zwei Konsolenden entstehen, wobei ein Anlegen einer zyklischen Biegebelastung an einem Ende und eine Torsionsbelastung am anderen Ende der Schienen probe erfolgen.
Bei diesen Überrollprüfungen wird eine Schienenprobe durch ein auf dieser hin- und herbewegtes Probenrad mit einer vorgesehenen Last beaufschlagt. Diese Überrollprüfung kann zwar durchaus brauchbare Ergebnisse hinsichtlich der Abnutzung und/oder Beschädigung von Schienen In Abhängigkeit von der Anzahl der Belastungszyklen erbringen, ist aber mit ausreichender Genauig- keit nur für gerade Gleise mit wechselseitigem Befahren derselben aussagekräftig.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mittels weichen praxisnahe im wesentlichen alle Fahrzustände mit dem sich daraus ergebenden Rad-Schienekontakt nachgebildet werden können. Dies umfasst auch die Schienenbeiastungen von Gleisanlagen mit grossen Steigungen und engen Kurven.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Prüfung der Rollkontaktermüdung des Werkstoffes im Arbeitsbereich von Schienen zu schaffen, mittels welcher die Wirkung im wesentlichen aller im Bahnbetrieb möglichen Belastungszustände nachbildbar ist.
Das Ziel wird bei einem gattungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass das Rad und die Schienenprobe in Längsrichtung derselben relativ zueinander hin- und herbewegt werden und die Anstellung von Rad und Schiene derart zyklisch gesteuert vorgenommen wird, dass die Abrollvorgänge unter Last nur In einer Bewegungsrichtung auf der Schienenprobe mit einem Anlauf- oder Belastungsbereich, einem Last- oder Prüfbereich und einem Ablauf- oder Entlastungsbereich erfolgen, wobei bezogen auf das Probenrad durch dieses im Last- oder Prüfbereich der Schiene auf die Arbeitsfläche derselben jeweils eine im wesentlichen gleichbleibende radiale Last und/oder eine axiale Last und/oder eine tangentiale Last wirken gelassen wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die besonderen Belastungen in den Überrollbereichen der Schiene, die bei extremer Gleisführung entstehen, nachge-
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bildet werden können und somit auch die voraussichtlichen Zeitstandswerte in praktisch allen
Streckenbereichen ermittelbar sind. Die radiale Last oder Vertikallast, mit welcher das Probenrad mit beispielsweise bis zu 100 t auf die Schiene gedrückt werden kann, repräsentiert die Achslast.
Eine axiale Last oder Horizontal- bzw. Seiten last mit bis zu 16 t und mehr, die vom Radkranzbe- reich auf die Schiene übertragen wird, ermöglicht eine Nachbildung von Fliehkräften, zum Beispiel bei einem Befahren von Kurven. Brems- oder Beschleunigungsbelastungen können durch eine tan- geniale Last nachgebildet werden.
Weil nun erfindungsgemäss die Anstellung des Prüfrades an die
Schiene zyklisch gesteuert vorgenommen wird, kann auf einfache Weise der Befahrungsrichtung
Rechnung getragen werden. Weil nun die Schienenprobe üblicherweise eine Gesamtlänge von 1 bis 2 m aufweist und die Erprobungslänge, in welcher eine weitgehend gleich hohe Belastung auf die Arbeitsfläche der Schiene aufgebracht wird, etwa 0, 5 m beträgt, ist erfindungswesentlich, vor dem Last- oder Prüfbereich einen Anlauf- oder Belastungsbereich vorzuordnen und nach dem
Prüfbereich einen Ablauf- oder Entlastungsbereich vorzusehen. Dadurch können wesentlich ver- besserte Messergebnisse erzielt werden.
Die Verfahrensführung wird mit Vorteil so getroffen, dass die Anstellung von Rad und Schiene derart zyklisch gesteuert wird, dass die jeweils der Bewegung beim Abrollvorgang nachfolgende
Rückführbewegung im wesentlichen berührungsfrei erfolgt. Dadurch können Verfälschungen der
Prüfergebnisse ausgeschaltet und eine Fehlerdarstellung verbessert werden.
Um eine Kurvenfahrt zu simulieren, kann es vorteilhaft sein, wenn die tangentiale Last in einem Winkel zur Schienenlängserstreckung wirken gelassen wird. Beispielsweise kann ein sogenannter Anlaufwinkel des Rades 0, 5 oder 1 Grad betragen.
Um praxisnahe Betriebsbedingungen beim Prüfverfahren weiter zu fördern, kann In günstiger Weise vorgesehen sein, dass der Radkranz und/oder die Arbeitsfläche mit Stoffen, beispielsweise Schmierstoffen, Wasser, Wasser-Laubgemischen, beaufschlagt wird.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher im wesentlichen die Schienenprobe und das Probenrad relativ zueinander hin-und herbewegbar und aneinander anstellbar sind, wird dadurch gelöst, dass durch Druck oder Drehmoment erstellende oder begrenzende Mittel in Verbindung mit einer Ablaufsteuerung in Abhängigkeit von der Relativbewegung in Schienenlängsrichtung die Anstellung des Probenrades an die Schiene und die Ausbildung von Belastungen im Erprobungsbereich auf die Arbeitsflächen der Schiene in radialer und/oder axialer und/oder tangentialer Richtung, bezogen auf das Probenrad, im wesentlichen gleichbleibend einstellbar sind.
Anlagen- bzw. Vorrichtungstechnisch bestehen die mit der Erfindung erzielten Vorteile darin, dass unter Zugrundelegung der Schienen belastung im praktischen Gleisbetrieb alle Belastungsarten einstellbar sind. Die Vorrichtung ermöglicht es also, die Erprobungstechnologie wirklichkeitsgetreu nachzubilden. Einzig der Geschwindigkeit der Belastungszyklen kann mit den Probendimensionen nicht entsprochen werden, jedoch ist die Zuverlässigkeit der Prüfvorrichtung dadurch nicht beeinträchtigt, lediglich die Prüfdauer bedingt einen höheren Zeitaufwand.
Die Brems- oder Beschleunigungsbelastung sowie die Belastung der Schiene bei Bergfahrten kann besonders betriebssicher simuliert werden, wenn das Probenrad durch Drehmoment erstellende oder begrenzende Mittel relativ zur Bewegung der Schienenprobe antreibbar und/oder bremsbar ist.
Wenn, wie erfindungsgemäss vorgesehen sein kann, die Schiene einen schwenkbaren Einspannteil besitzt und im Einspannteil mit einer Neigung, das ist mit einem Winkel der Symmetrieachse des Querschnittes der Schiene zur Radachse, von ungleich 900 befestigbar ist, sind die Betriebsbedingungen, insbesondere bei einer Schienenneigung von 1 : 20 und 1 : 40, in der Vorrichtung genau einhaltbar.
Die Ausbildung der Vorrichtung ist mit Vorteil so getroffen, dass das Probenrad zur Schiene zumindest im Erprobungsbereich durch Schwenken des Hebelbauteiles mit einem Anlaufwinkel, das ist der Winkel zwischen Schienenachsrichtung und Radlaufrichtung, ausrichtbar ist. Derart können Kurvenfahrten hinsichtlich der Schienenbelastung besonders praxisgetreu nachgestellt werden.
Der erforderlichen Kraftwirkung, aber auch der Stellgeschwindigkeiten wegen ist es günstig, wenn die Bewegungseinrichtungen als Hydraulikaggregate ausgebildet sind.
Insbesondere für eine Simulierung von Bergfahr- und Bremsvorgängen kann es vorteilhaft sein, wenn im Erprobungsbereich ein Schlupf zwischen Schiene und Probenrad, das ist eine Differenz
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zwischen Radumfang und Abrollstrecke, einstellbar ist. Derart können besonders gut Bedingungen im Grenzbereich der Belastungen untersucht werden.
Schliesslich ist es für die Auswertung der Prüfwerte günstig, wenn eine Registriereinrichtung für die Systemparameter mit der Steuerungseinheit und/oder mit Sensoren für den Bewegungsablauf verbunden und für eine Erstellung von Prüfergebnissen einsetzbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Ansicht einer Prüfeinrichtung
Fig. 2 einen teilweisen Schnitt der Einrichtung senkrecht zur Längserstreckung der Schienenprobe.
In Flg. 1 ist schematisch eine Schienenprobe 1, die mit einem Einspannteil 4 in Richtung A,-A hin- und herbewegbar ist, dargestellt. Die Bewegung wird durch einen Hydraulikantrieb (nicht dargestellt) bewirkt. Ein Probenrad 2 ist mittels eines Lagers 31, 31'an einem Hebelbauteil 3, 3' befestigt, welcher Bauteil einerseits ein Schwinglager 32 aufweist und andererseits durch einen Hydraulikantrieb 33 in Richtung B,-B bewegbar ist. Eine Anstellung des Probenrades 2 an die Schiene 1 und eine Aufbringung einer Radiallast ist durch Aktivierung des Hydraulikantriebes 33 in Richtung B gegeben, hingegen wird für ein Abheben des Probenrades bei einer Rückführung der Schienenprobe, zum Beispiel in Richtung-A, der Hydraulikantrieb 33 in Richtung -B wirken gelassen.
In Fig. 2 ist eine um 900 gedrehte schematische Ansicht der Prüfeinrichtung teilweise dargestellt.
Das Probenrad 2 ist mit seiner Achse 21 in den Lagerteilen 31, 31'gehalten, welche Teile selbst mit dem Hebelbauteil 3, 3' verbunden sind. Die Probenradachse 21 ist wirkungstechnisch mit einer Motor/Bremseinheit 5 verbunden, durch welche positive und negative Tangentialbelastungen des Probenrades 2 auf die Schiene 1 in Richtung derselben aufbringbar sind. Diese Belastungen dienen der Simulation der Brems- und Beschleunigungsbelastung. Eine Schienenneigung ist durch eine Verdrehung der Symmetrieachse 11 in Richtung D um einen oberen Auflagepunkt 12 einstellbar. Eine Aufbringung einer Horizontal- oder Seiten last bzw. eine Belastung der Schiene, bezogen auf das Probenrad, in axialer Richtung ist durch ein Verschieben des Einspannteiles 4 in Richtung C einstellbar.
Schliesslich kann durch ein vertikales Verdrehen des Hebelteile 3 gegenüber der Schiene 1 bzw. des Einspannteiles 4 ein Anlaufwinkel des Rades 2 an die Schiene 1 zur Simulation einer Kurvenfahrt eines Zuges am Gleis dargestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1 Verfahren zur Prüfung der Rollkontaktermüdung des Werkstoffes im Arbeitsbereich von
Schienen, wobei auf einer Schienenprobe ein zyklisches Abrollen eines Rades unter Be- lastung erfolgt und an der Probe ein Auftreten von Fehlern und/oder Verschleiss in Abhän- gigkeit von den Lastspielen bzw.
Lastzyklen ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad und die Schienenprobe in Längsrichtung derselben relativ zueinander hin- und herbewegt werden und die Anstellung von Rad und Schiene derart zyklisch gesteuert vor- genommen wird, dass die Abrollvorgänge unter Last nur in einer Bewegungsrichtung auf der Schienenprobe mit einem Anlauf- oder Belastungsbereich, einem Last-oder Prüfbe- reich und einem Ablauf- oder Entlastungsbereich erfolgen, wobei bezogen auf das Proben- rad durch dieses im Last-oder Prüfbereich der Schiene auf die Arbeitsfläche derselben jeweils eine im wesentlichen gleichbleibende radiale Last und/oder eine axiale Last und/ oder eine tangentiale Last wirken gelassen wird.