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Die Erfindung betrifft eine profilierte Fahrschiene, insbesondere Eisenbahnschiene, mit beim Befahren geringerem abgestrahlten Luftschallpegel, gebildet aus einem Schienenfuss mit einer Abstützfläche, einem Schienensteg und einem Schienenkopf mit einer Tragefläche sowie einer Schienenhöhe, vorzugsweise Schienenkopfbreite und insbesondere einem Trägheits- und Wider- standsmoment um die Schwerpunktsachse, im wesentlichen entsprechend den von jeweils gleiche Belastbarkeit aufweisenden genormten Normprofilschienen.
Fahrschienen sind profilierte gewalzte Stahlstäbe und dienen zur Erstellung von Rollwegen, insbesondere Gleisen, auf welchen ein wirtschaftlicher Transport von Lasten erfolgt. Dabei rollen metallische, vorzugsweise aus Stahl oder mit einer Stahlauflage gebildete Räder auf der Tragefl ä- che eines als Kopf bezeichneten Schienenteiles. Der dem Schienenkopf gegenüberliegende durch einen Steg mit diesem verbundene Schienenfuss ist mit dessen Abstützfläche mit einer Unterlage verbu nden.
Hinsichtlich einer geometrischen Ausformung von Schienen bzw. einer Metallverteilung sind mit Bezug zu einer Schienenhöhenachse sowohl asymmetrische Querschnittschnittsprofile be- kannt, beispielsweise aus der US 717,845 A oder der US 842,124 A als auch symmetrische Quer- schnittsprofile. Ein Profil der letztgenannten Art ist in FR 881,866 A für eine kaltverformte Schiene gezeigt.
Eine verbesserte Metallverteilung bei symmetrischen Schienen wird gemäss GB 650 732 A zur Verringerung von Spannungskonzentrationen in Stegübergangsbereichen vorgeschlagen. Dabei ist vorgesehen, die eingeschriebenen Radii der Übergänge vom Steg in den Kopf- bzw. Fussbereich grösser als 0,8 und kleiner als 1,6 mal die Dicke des Steges auszuführen. Ebenfalls zur Verminde- rung des Spannungskonzentrations-Faktors bei Belastung soll nach GB 650 711 A eine Verbesse- rung der Metallverteilung derart erfolgen, dass der Durchmesser des eingeschriebenen Kreises im Querschnitt im Kopfteil der Schiene mindestens 75% der Kopfquerschnittsfläche beinhaltet, wobei der Kopf nicht breiter als 0,5 mal die Fussbreite zu fertigen ist. Eine weitere Möglichkeit einer Me- tallverteilung ist in der US 1,188,149 A geoffenbart.
Zur Verminderung von Spannungsrissen in Schienen bei einer thermischen Vergütung derselben wird vorgeschlagen, de Querschnittsfläche des Schienenfusses zumindest gleich gross wie die Querschnittsfläche des Schienenkopfes zu halten und bestimmte, auf die Gesamtquerschnittsfläche der Schiene bezogene, Radien für die Übergänge von Kopf zu Steg einerseits und Steg zu Fuss andererseits einzuhalten.
Im Zuge der Entwicklung von Bahnsystemen wurden funktionsoptimierte Querschnittsprofile von Schienen den Belastungen und den unterschiedlichen Verwendungen entsprechend genormt.
Ein in Europa häufig verwendetes Normprofil von Eisenbahnschienen trägt die Bezeichnung UIC 60 mit einem Gewicht von ca. 60 kg/m und schreibt geringe Masstoleranzen, zum Beispiel bei der Schienenhöhe von 0,6 mm, bei der Schienenkopfbreite 0,5 mm, vor. Geringe Toleranzen des Schienenprofiles sind insbesondere für eine geometrisch genaue Gleisfertigung wichtig, wel- che ermöglichen soll, die Geschwindigkeit der Züge ohne Verlust von Fahrkomfort und ohne ein Auftreten von grossen dynamischen Belastungen zu erhöhen. Zur Verringerung der Abnutzung werden bereits Schienen mit einem Kopf, der eine höhere Materialhärte aufweist, hergestellt bzw. eingesetzt.
Trotz höchster Massgenauigkeit, bester Trag- oder Fahrflächengüte und Ebenheit der Schienen treten beim Befahren von Wagen Abrollschwingungen und somit Luftschallabstrahlungen bzw.
Geräusche auf, welche insbesondere bei hohen Transportgeschwindigkeiten eine grosse Intensität aufweisen und eine erhebliche Umweltbelastung darstellen können. Die Fahrgeräusche von Zügen sind, wie gefunden wurde, zu einem erheblichen Arteil durch von der Schienenoberfläche abge- strahlten Luftschall verursacht.
Es wurde schon versucht, durch eine Schallisolierung von Oberflächenteilen der Schiene eine Verringerung der abgestrahlten Luftschallintensität zu erreichen.
Eine Beschichtung aus enem vibrationsdämpfenden Werkstoff, wie gemäss DE 4225581 A oder AT 652/90 A vorgeschlagen wird, ist nur teilweise zielführend, verursacht hohe Aufwendun- gen, verhindert eine visuelle Inspektion der Schiene im Gleise und kann an sich durch eine Ver- wendung von insbesondere verstärkten Polymeren eine Umweltbelastung darstellen. Weiters erfolgte vielfach der Vorschlag, z. B. in der DE 4411833 A, durch elastische Teile der Befesti- gungselemente ein Übertragen von Schwingungen auf die Unterlage und dadurch ein Abstrahlen von Luftschall durch diese zu verringern.
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Ferner sind Composite-Schienen bekanntgeworden, beispielsweise aus der US 3,525,472 A, welche Composite-Schienen aus mehreren Teilen derart aufgebaut sind, dass zwischen einem zur Befahrung vorgesehenen Kopfteil und einem zur Befestigung vorgesehenen Fussteil elastische Vibrationsdämpfungsteile angeordnet sind.
Eine weitere Möglichkeit zur Schwingungsdämpfung soll nach der FR 1,198,376 A in einer hohlkörperförmigen Ausbildung von Schienen gegeben sein.
Ein anderer Ansatz zur Verringerung der Lärmabstrahlung von Fahrschienen kann der DE 1272950 A entnommen werden. Zufolge dieser Schrift sollen Schienen mit einem einseitig gekrümmten Steg und daher mit asymmetrischem Querschnittsprofil zusätzlich zu einer definierten Verbiegetendenz bei Längsdrücken auf die Schiene bei Befahrung auch eine geringere Geräusch- entwicklung aufweisen.
Alle bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen und Anordnungen zur Erniedrigung des abgestrahl- ten Luftschalles von Schienen bzw. Gleisanlagen haben den Nachteil gemeinsam, dass diese wenig wirkungsvoll und/oder sehr aufwendig sind und im wesentlichen auf eine Verminderung einer Übertragung von Schienenschwingungen ausgerichtet sind.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die Schwingung der Schiene beim Befah- ren, insbesondere mit hohen Transportgeschwindigkeiten, derart zu verringern bzw. auszubilden, dass der abgestrahlte Luftschallgesamtpegel verkleinert und die Lärmbelastung der Umwelt ver- mindert wird. Das erfindungsgemässe Ziel liegt somit insbesondere darin, die luftschallerzeugenden Schwingungen des Körpers bzw. der Schiene selbst zu verringern und dadurch auf einfache Weise eine Schallabstrahlung und eine Umweltbelastung herabzusetzen.
Diese Aufgabe bzw. dieses Ziel wird bei einer eingangs genannten profilierten Fahrschiene da- durch erreicht, dass die symmetrischen Stegseitenflächen zumindest im unteren Bereich zwischen fussseitiger Übergangskante, das ist jene Kante, die beim Übergang vom Fuss in die Stegseitenfl ä- che gebildet wird, und der Schwerpunktachse im Querschnitt der Schiene knickpunkt- oder knick- bereichfrei konkav gerundet ausgebildet und/oder die Schienenfusshöhe im Vergleich mit der Normprofilschiene vergrössert sind bzw. ist.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass nicht, wie von der Fachwelt angenommen, der Steg zwi- schen Schienenkopf und- fuss wie eine Membran schwingend einen Grossteil des abgestrahlten Geräusches verursacht. Vielmehr weisen der Schienenkopf und insbesondere der Schienenfuss hohe Körperschallpegel und somit hohe Beiträge am Pegel des gesamten Schalldruckes auf und bewirken ihrerseits hauptsächlich die Lärmbelastung der Umwelt. Die Ursachen einer verstärkten wellenartigen Schwingung in Längsrichtung bzw. der Schnellverlauf in Abhängigkeit von der Fre- quenz, zum Beispiel eines Schenkels eines Schienenfusses, sind wissenschaftlich noch nicht vollkommen geklärt, es wird jedoch angenommen, dass Knickpunkte bzw.
Knickbereiche der Ober- fläche oder diskontinuierliche Dickenänderungen des Querschnittes schwingungstechnisch Knoten oder Einspannpunkte darstellen können, wodurch verstärkte Schwingungen von Profilteilen, zum Beispiel eines Fussschenkels der Schiene, verursacht bzw. ermöglicht werden. Eine erfindungsge- mässe Vergrösserung der Schienenfusshöhe und/oder insbesondere ein knickpunkt- oder knickbe- reichfreier Übergang vom Fuss in die Stegseitenfläche bewirken eine Änderung der Schwingungen im Schienenfussbereich, wodurch eine Abstrahlung von Luftschall durch die Schienenfussoberfl ä- chen an die Umgebung und gegebenenfalls eine diesen reflektierende Unterlage verringert ist.
Eine weitere Verminderung der Schallabstrahlung wird erreicht, wenn das Querschnittsprofil symmetrisch zur Höhenachse ausgebildet wird, wodurch die Tendenz zur Ausbildung von lokalen Schwingungsknoten im profilierten Stab weiter herabgesetzt ist.
Wenn, wie weiters in günstiger Weise vorgesehen, der untere Teil und der obere Teil der Sei- tenfläche des Schienensteges zwischen der fussseitigen Übergangskante und der kopfseitigen Übergangskante, das ist jene Kante, die beim Übergang der Seitenfläche des Schienenkopfes in die obere Schienenstegfläche gebildet wird, im Querschnitt der Schiene im wesentlichen knick- punkt- oder knickbereichfrei konkav gerundet ausgebildet ist, wird eine Entstehung von Schwin- gungen, insbesondere in Profilteilen, welche demzufolge Luftschall abstrahlen, weiter verringert.
Herstellungs- bzw. walztechnisch sowie zur Gewichtsminimierung, jedoch insbesondere auch hinsichtlich der Verminderung der Luftschallemission kann es weiters vorteilhaft sein, wenn die Schienenstegseitenfläche im Querschnitt der Schiene aus einem kreisförmigen und/oder einem ellipsenförmigen unteren und oberen Teil gebildet ist und vorzugsweise einen in diesen tangential
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überegehendenn geradlinigen Mittel- oder Zwischenbereich, durch welchen die Schwerpunktachse verläuft, aufweist. Dabei kann es günstig sein, wenn die geringste Dicke des Schienensteges gleich oder grösser als diejenige von Normschienen ausgebildet ist.
Eine besonders günstige Ausführungsform mit einer hohen Tragfähigkeit der Schiene bei nied- riger Luftschallabstrahlung wird erreicht, wenn der Abstand der Schwerpunktachse von der Ab- stützfläche am Schienenfuss einen Wert zwischen (0,5 und 0,38), vorzugsweise zwischen (0,47 und 0,41 )mal der Höhe (A) der Schiene aufweist.
Auf einfache Weise kann eine Schwingungssensibilisierung der Aussenteile der Fussflanken weitgehend ausgeschaltet bzw. minimiert werden, wenn der Fuss der Schiene im Vergleich mit dem jeweiligen Schienennormprofil eine geringere Breite und/oder eine grössere Höhe aufweist.
Wenn, wie vorteilhaft vorgesehen, der Kopf, insbesondere der die Tragefläche beinhaltende Bereich der erfindungsgemässen Schiene, wie an sich bekannt, eine erhöhte Härte des Werkstoffes aufweist, kann eine bei Normprofilen dadurch vergrösserte Schallabstrahlung wesentlich vermindert werden, wobei, wenn zusätzlich der Fuss, insbesondere der die Abstützfläche beinhaltende, zentri- sche, im wesentlichen symmetrisch zur Achse gelegene Bereich der Schiene eine erhöhte Härte des Werkstoffes aufweist, eine besonders stabile, beste Gebrauchseigenschaften aufweisende Ausführungsform erreicht wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungswegen und Untersuchungsergebnissen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 den Querschnitt einer Normschiene UIC 60
Fig. 2 einen erfindungsgemäss im Fussbereich verstärkten Schienenquerschnitt
Fig. 3 den Querschnitt einer an den fussseitigen Stegseitenflächen knickpunktfrei gerundeten Schiene
Fig. 4 eine an der Stegfläche vollgerundete Schienenquerschnittsform
Fig. 5 den Körperschallsummenpegel und die Gewichte von Schienen in Abhängigkeit von der Querschnittsform
In Fig. 1 ist eine Normschiene UIC 60 im Querschnitt dargestellt. Die Schiene weist eine Ge- samthöhe A von 172 mm, eine Kopfhöhe von der Tragefläche 41 bis zur Übergangskante 34 in eine Stegseitenfläche 31 von 37,5 mm und eine Fussbreite B von 150 mm auf. Der Abstand S der Schwerpunktachse X von Abstützfläche 21 am Schienenfuss 2 beträgt 80,95 mm.
Eine derartige Normschiene UIC 60 mit einem Gewicht bzw. einer Masse von 60,34 Kg/m wur- de durch Anregung seitlich bzw. exzentrisch an der Tragefläche 41 quer zur Längserstreckung in einer vertikalen und horizontalen Richtung durch Impulse zu Schwingungen angeregt und ein maximaler Körperschallsummenpegel sowie eine abgestrahlte Schalleistung ermittelt. Die bei einer Normschiene festgestellten Werte stellen, wie in Fig. 5, Balken B dargestellt, Basiswerte der UIC 60 dar, denen Ergebniswerte von erfindungsgemässen Schienen gegenüberstellbar sind.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Schiene mit einem gegenüber einer Normschiene UIC 60 verstärkten Fuss 2 bzw. mit einer grösseren Fussdicke H dargestellt. Dadurch ist bei gleicher Schie- nengesamthöhe A ein Abstand S der Schwerpunktachse (X) zur Abstützfläche 21 verringert und, wie auch aus Fig. 5, Balken 1 ersichtlich, das Schienengewicht geringfügig erhöht. Dies bewirkt bei gleicher Anregung im Vergleich mit einer Normschiene eine Verringerung des maximalen Körper- schallsummenpegels und ene deutliche Absenkung des Luftschallsummenpegels wie auch aus Fig. 5. Balken 1 hervorgeht.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes Schienenprofil, bei welchem der Fuss 2 eine Höhe H ent- sprechend dem Normprofil UIC 60 aufweist, der untere Teil 31' der Seitenfläche 31 des Schienen- steges 3 zwischen der fussseitigen Übergangskante 32 und dem Schnitt mit der Schwerpunktachse X ist jedoch symmetrisch knickpunktfrei kreisförmig gerundet ausgebildet. Durch diese Ausbil- dungsform war gegenüber der Normschiene bei gleicher pulsierender Anregung ein, wie in Fig. 5, Balken 2 schematisch dargestellt, wesentlich erniedrigter Körperschallsummenpegel und ein um ca. 1,05 dB verringerter Schalleistungssummenpegel der abgestrahlten Schalleistung ermittelt worden, wobei die Masse der Schiene (siehe unterer Bildteil von Fig. 5, Balken 2) nur geringfügig
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erhöht war.
Aus Fig. 4 ist ein weiterer erfindungsgemässes Schienenprofil ersichtlich, welches vollgerundete Laschenkammern bzw. knickbereichfreie Stegseitenflächen 31 von der fussseitigen Übergangskan- te 32 bis zur kopfseitigen Übergangskante 34 bei einem in diesen tangential übergehenden planpa- rallelen Mittelteil des Steges 3 im Bereich der Schwerpunktachse aufweist. Eine zum Kopf 4 und zum Fuss 5 gerichtete kontinuierliche Verdickung des Schienensteges 3 bewirkt zwar, wie aus Fig. 5, unteres Teilbild, Balken 3, hervorgeht, eine Erhöhung der Masse der Schiene 1 je Meter.
Der maximale Körperschallsummenpegel wie auch mittels Balkens 3 im oberen Teilbild von Fig. 5 dargestellt, ist auf einen geringen Prozentsatz im Vergleich mit dem Normprofil UIC 60 verkleinert, wobei auch der ermittelte Schalleistungssummenpegel der abgestrahlten Schalleistung um ca. 3,0 dB vermindert ist.
Im Vergleich mit anderen Normschienenprofilen wiesen entsprechend kennzeichengemäss ges- taltete erfindungsgemässe Schienen ebenfalls wesentlich geringere abgestrahlte Summenschalleis- tungen auf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Profilierte Fahrschiene (1), insbesondere Eisenbahnschiene, mit beim Befahren geringe- rem abgestrahlten Luftschallpegel mit einem zur Höhenachse (Y) symmetrischen Quer- schnittsprofil, gebildet aus einem Schienenfuss (2) mit einer Abstützfläche (21), einem
Schienensteg (3) und einem Schienenkopf (4) mit einer Tragefläche (41) sowie einer
Schienenhöhe (A), vorzugsweise einer Schienenkopfbreite und insbesondere einem Träg- heits- und Widerstandsmoment um die Schwerpunktachse, im wesentlichen entsprechend den von jeweils gleiche Belastbarkeit aufweisenden Normprofilschienen, dadurch ge- kennzeichnet, dass die symmetrischen Stegseitenflächen (31) zumindest im unteren Be- reich (31') zwischen fussseitiger Übergangskante (32), das ist jene Kante, die beim Über- gang vom Fuss (2) in die Stegseitenfläche (31) gebildet wird, und der Schwerpunktachse (X)
im Querschnitt der Schiene (1) knickpunkt - oder knickbereichfrei konkav gerundet ausgebildet und/oder die Schienenfusshöhe (H) im Vergleich mit der Normprofilschiene vergrössert sind bzw. ist.