CH633847A5

CH633847A5 - Gleis fuer schienenfahrzeuge.

Info

Publication number: CH633847A5
Application number: CH1552977A
Authority: CH
Inventors: Erwin Dr Raquet; Gerhard Dr Tacke; Wilhelm Dr Heller
Original assignee: Krupp Stahl Ag
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1977-12-16
Publication date: 1982-12-31
Also published as: DE2657860B1; BE861987A; AT346883B; DK569177A; NL7713863A; IT1089774B; FR2375390A1; DE2657860C2; JPS5380606A; FR2375390B1; GB1574192A; ATA43077A; US4203546A; JPS5755843B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleis für Schienenfahrzeuge, bei dem jede auf dem Untergrund befestigte Schiene ohne zusätzliche Dämpfungsmittel durch die pulsierende Kraft eines über die Schiene rollenden Fahrzeuges breitbandig zu Schwingungen angeregt wird, wobei zur Dämpfung dieser

Schwingungen an der Schiene über deren Länge verteilt zusätzliche Massen angebracht sind.

Im Betrieb entstehen auf der Lauffläche der Schiene in Schienenlängsrichtung sich abwechselnde Berge und Täler, sogenannte Riffeln. Ein über eine Schiene mit Riffeln rollendes Rad erzeungt ein mit der Geschwindigkeit des Rades zunehmendes Geräusch, das im Vergleich zu dem von einem über eine riffelfreie Schiene rollenden Rad stark erhöht ist. Nicht erst in jüngster Zeit, wo das Geräuschproblem aus Gründen des Umwaltschutzes von Bedeutung ist, sondern schon seit vielen Jahrzehnten, beschäftigt man sich mit der Entstehung und Beseitigung der Riffeln, denn neben der Lärmbelästigung werden auch der Schienenunterbau und die Schienenbefestigung durch die beim Befahren von Schienen mit Riffeln entstehenden Erschütterungen stark beansprucht und sogar beschädigt. Entsprechende Gefahren bestehen für das über eine Schiene mit Riffeln rollende Fahrzeug.

Ohne den Mechanismus der Entstehung der Riffeln im einzelnen erklären zu können, hat man bisher allgemein vermutet, dass die Riffelbildung mit den Schwingungen des Systems Schiene-Rad zusammenhängt.

Zur Verkleinerung bzw. zur Beseitigung der Riffelbildung gibt es eine Reihe von ausgeführten und nicht ausgeführten Vorschlägen. So wurde vorgeschlagen («Eisenbahningenieur» 27 [1976], 5, Seiten 200-207), eine besondere Legierung für das Schienenmaterial zu verwenden und/oder die Schiene auf einem weniger elastischen Oberbau anzuordnen. Ferner wurde vorgeschlagen, besondere Massnahmen am Rad bzw. am Radsatz, z.B. Verkleinerung der ungefederten Radsatzmasse, vorzunehmen. Ferner wurde vorgeschlagen (DE-PS 966 656, CH-PS 321 783), zur Dämpfung der Eigenschwingungen der Schiene in ungleichen Abständen über die Schienenlänge verteilte Querschnittsveränderungen, z.B. in Form von Verdickungen (zusätzliche Massen), vorzusehen. Alle diese Vorschläge haben bis heute zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt. Nach wie vor ist es nötig, die Riffeln auf der Oberfläche der Schiene von Zeit zu Zeit abzuschleifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleis für Schienenfahrzeuge zu schaffen, bei dem sich auf der Schienenlauffläche keine Riffeln bilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst^

dass die Massen Teile eines aus Masse, Feder und Dstnp^ fungselement bestehenden, an der Schiene angekoppelten Schwingungssystems sind, und mit der Schiene zusammen als Koppelschwingungssystem bewirken, dass die Eigenfrequenzen des Systems von der Eigenfrequenz der Schiene verschieden sind.

Mit diesen Merkmalen (Resonanzabsorber) wird ein Abbau der Schwingungen in allen Richtungen erreicht. Es werden also nicht nur die für die Riffelbildung verantwortlichen Vertikalschwingungen, sondern auch die insbesondere für die Schallabstrahlung verantwortlichen Horizontal- und Torsionsschwingungen abgebaut.

Vorzugsweise ist das Schwingungssystem derart auf die Schiene abgestimmt, dass die Schiene bei auf sie einwirkender, pulsierender Kraft, die sie ohne das Schwingungssystem zu Vertikalschwingungen mit der Eigenfrequenz anregen würde, nicht mit dieser Frequenz schwingt. In Abhängigkeit von Schienenprofil (z.B. S 49 oder UIC-60) und dem Schwellenabstand (ca. 0,6 m) liegt das Maximum im Bereich von etwa 900 bis 1200 Hz. Vergleichsmessungen an Schienen mit und ohne das erfindungsgemässe Schwingungssystem ergeben folgendes:

Bei einer UIC-60-Schiene im Schotterbett mit Betonschwellen lag das ausgeprägte Maximum der Vertikalschwingungen bei 1130 Hz. Die Schiene wurde mit 160 km/h be5

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fahren. Bei riffelfreier Schienenlauffläche betrug die Amplitude bis zu 0,01 mm, wobei eine Beschleunigung von etwa 50 g erreicht wurde. Infolge der im Betrieb sich bildenden Riffeln stieg die Amplitude auf etwa den zehnfachen Wert und auch die Beschleunigung sowie die Kräfte zwischen der Schiene und dem darüberrollenden Rad an. Bei einem Gleis mit dem erfindungsgemässen Schwingungssystem dagegen wurde das ausgeprägte Maximum der Amplitude der vertikalen Schwingungen unterdrückt. Es entstanden zwar zwei neue Nebenmaxima, deren Werte lagen aber etwa um den Faktor 10 unter dem Wert des ersten einzigen Maximums. Für die Belastung der Schiene und auch des Rades sowie des Fahrzeuges bedeutet das eine Verringerung der Kräfte. Wie gross im einzelnen die Masse, die Federsteifigkeit und die Dämpfung des Schwingungssystems zu wählen ist, lässt sich durch einfache Versuche aber auch durch Rechnung bestimmen.

Eine weitere Verringung der Belastung lässt sich gegebenenfalls dadurch erreichen, dass das Schwingungssystem derart auf die Schiene abgestimmt ist, dass sie bei einer auf sie einwirkenden, pulsierenden Kraft, die die Schiene ohne das Schwingungssystem zu Vertikalschwingungen mit Eigen-i'requenz anregen würde, mit maximaler Amplitude bei zwei verschiedenen Frequenzen schwingt, die verschieden von der Eigenfrequenz der Schienen sind.

Für die Ausführung des Schwingungssystems gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nach einer ersten Ausführung besteht es aus einer Vielzahl von Einzelschwingungssystemen, die längs der Schiene mit Abstand voneinander insbesondere zwischen und/oder im Bereich der Schwellen angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass sich das Schwingungssystem lückenlos in Längsrichtung der Schiene erstreckt.

Auch hinsichtlich der Lage der Masse an der Schiene gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei einer ersten Ausführung ist die Masse unter dem Schienenfuss angeordnet, während sie bei einer zweiten Ausführung am Schienensteg, insbesondere aufgeteilt auf beide Seiten des Schienensteges, angeordnet ist.

Die Masse kann über eine Tellerfeder an der Schiene angekoppelt sein. Diese Kopplungsmöglichkeit bietet sich vor allem dann an, wenn die Masse unter dem Schienenfuss befestigt ist. Ist die Masse am Steg angeordnet, wird sie bevorzugt über eine Biegebalkenfeder daran befestigt.

Als Dämpfung für die Feder eignet sich vor allem ein elastomerer Stoff. Eine ähnliche Wirkung könnte auch er-ziehlt werden, wenn dasSchwingungssystem in Öl eingebettet wäre. Als geeignet hat sich unter Vorspannung stehendes Gummi erwiesen, zwischen dem die Feder angeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Diagramm einer Schiene ohne und mit Schwin-gungssystem,

Fig. 2 eine Schiene im Querschnitt mit zwischen Scnwel-len unter dem Sehienenfuss angeordnetem Schwingungssystem,

Fig. 3 eine Schiene im Querschnitt mit unter dem Schienenfuss im Bereich der Schwelle angeordnetem Schwrngungs-system,

Fig. 4 eine Schiene im Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 5 mit einem beidseitig des Schienensteges angeordneten Schwingungssystem und

Fig. 5 eine Seitenansicht der Schiene gemäss Fig. 4 mit einem Schnitt längs der Linie 1-1 der Fig. 4 durch das Schwingungssystem.

Die Schiene 1 eines Schienenfahrzeuges ist über nur in Fig. 3 dargestellte Rippenplatten 2 auf nicht dargestellten

Schwellen auf dem Untergrund, z.B. einem Schotter- oder Betonuntergrund, festgelegt. Wird eine solche Schiene 1 von einem Rad eines Schienenfahrzeuges überrollt, dann wird die Schiene zu Schwingungen angeregt. Bei einer Schiene 1 vom Typ UIC-60, die auf Schwellen in einem Abstand von 0,6 m angeordnet ist, entstehen durch Anregung des darüberrollenden Rades Schwingungen. Es hat sich gezeigt, dass das Maximum dieser Schwingungen (Resonanzstelle) praktisch unabhängig von der Art der Schwellen und unabhängig vom Untergrund und unabhängig von der Geschwindigkeit des darüberrollenden Fahrzeuges bei etwa 1130 Hz liegt. So wurde festgestellt, dass der Riffelabstand einer normalerweise mit 160 km/h befahrenen Masstrecke 40 mm betrug. Dieser Abstand von 40 mm ist die Entfernung, die das Fahrzeug innerhalb einer Schwingungsdauer bei einer Schwingungsfrequenz von 1130 Hz zurück legt. Aus diesen Messdaten lässt sich der Mechanismus der Riffelentstehung erklären: Bei einer zufälligen Unebenheit in der Schienenlauffläche wird die Schiene zu hohen Schwingungsamplituden mit einer Frequenz von 1130 Hz angeregt. Dabei entstehen so grosse Kräfte, dass in der Schienenlauffläche und am Rad plastische Deformationen entstehen. Nach der Schwingungsanregung schwingt die Schiene zunächst in der ersten Schwingungsphase vom Rad weg. Es erfolgt also eine Entlastung zwischen Rad und Schiene. In der anschliessenden Schwingungsphase schwingt die Schiene nach oben und es erfolgt eine hohe Belastung im Berührungspunkt zwischen Rad und Schiene, so dass es an der Schiene und am Rad zu plastischen Deformationen kommt. Während die plastischen Markierungen auf dem Rad sich durch natürlichen Verschleiss bald zurückbilden, verstärken sich die Markierungen auf der Schienenlauffläche durch die immer wieder phasengerechten Belastungen der nachfolgenden Räder, so diiss allmählich Riffeln entstehen. Es wurde nun festgestellt, dass die Beschleunigung der Schiene und damit auch die Belastung um ein Vielfaches ansteigt, sobald sich an der Schienenoberfläche Riffeln gebildet haben.

In Fig. 1 ist das Diagramm (ausgezogene Kurve) für die Amplitude der Schwingungen über die Frequenz am Beispiel einer UIC-60-Schiene mit glatter Oberfläche bei einem Schwellenabstand von 60 cm dargestellt.

Fig. 1 zeigt ferner, dass das Schwingungssystem bei 1130 Hz unterdrückt wird und zwei neue Nebenmaxima (gestrichelte Linie) entstehen, deren Absolutwerte aber mindestens um den Faktor 10 kleiner sind. Die neue Kurve gilt für ein Schwingungssystem gemäss Fig. 2 mit einer Masse von 6 kg, einer Federkonstanten von 2,8X10° N/m und einer Dämpfungskonstanten von 4920 Ns/m.

Das unter dem Schienenfuss angeordnete Schwingungssystem gemäss Fig. 2 besteht aus einer Tellerfeder 3, die zwischen unter Vorspannung stehenden und in allseits verschlossenen Kammern eingebetteten Hartgummikörpern 4, 5 eingespannt ist, und aus einer mittig an der Tellerfeder 3 mittels eines Schraubenbolzens 6 befestigten Masse 7. An dem Rand der Tellerfeder 3 ist ein Befestigungselement 8 angeschlossen, das die seitlichen Ränder des Schienenfusses klemmend umgreift. Die Kammern für die unter Vorspannung stehenden Gummikörper 4, 5 werden gebildet von der Tellerfeder 3, dem Befestigungselement 8 und darin eingebetteten Deckeln 9, 10.

Das in Fig. 3 dargestellte Schwingungssystem unterscheidet sich von dem der Fig. 2 nur darin, dass das Befestigungselement 8a an der Rippenplatte 2 statt am Schienenfuss unmittelbar befestigt ist. Während das Schwingungssystem gemäss Fig. 2 zwischen den Schwellen angeordnet ist, wird das Schwingungssystem gemäss Fig. 3 für die Be5

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festigung im Bereich der Schwelle vorgesehen. Die Kopplung an die Schiene 1 erfolgt hier über die Rippenplatte 2. Die Schiene 1 ist durch nicht dargestellte Klemmittel gegen Abheben von der Rippenplatte 2 gesichert.

Das Schwingungssystem gemäss Fig. 4 und 5 ist für die Befestigung am Schienensteg bestimmt. Es eignet sich insbesondere dann, wenn das Schwingungssystem sich lückenlos in Längsrichtung der Schiene erstrecken soll. Dieses Schwingungssystem kann aber selbstverständlich auch aus Einzelsystemen bestehen, die dann in Abständen voneinander an der Schiene angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 ist das Schwingungssystem zu beiden Seiten des Schienensteges angeordnet und hat den gleichen Aufbau. Es besteht aus einer sich in Längsrichtung der Schiene 11 erstreckenden Biegebalkenfeder 12, die an beiden Enden über brückenartig sich am Schienenfuss und Schienenkopf abstützende Elemente mit diese Elemente 13, 14 durchdringende Schraubenbolzen 15,16 am Schienen-steg befestigt ist. Die Schraubenbolzen 15, 16 können entweder unmittelbar am Schienensteg befestigt sein oder aber den Schienensteg durchdringen und gleichzeitig die gegenüberliegenden brückenartigen Elemente befestigen. Mittig an der Biegebalkenfeder 12 ist eine Masse 17 mittels eines Schraubenbolzens 18 befestigt. Die Masse 17 besteht aus zwei länglichen quaderförmigen Blöcken 17a, 17b, die zu 5 beiden Seiten der Biegebalkenfeder 12 angeordnet und in der Mitte über einen Steg 17c miteinander verbunden sind. An diesem Steg 17c ist die Biegebalkenfeder 12 mittels des Schraubenbolzens 18 befestigt. In den Spalten zwischen den quaderförmigen Blöcken 17a, 17b der Masse 17 und der Biege-io balkenfeder 12 sind Blöcke 19 aus Hartgummi als Dämpfung eingeklemmt.

Wie bereits ausgeführt, lässt sich durch einfache Versuche, aber auch nach der Schwingungslehre durch Rechnung, für ein bestimmtes System Schiene die Zusatzmasse, 15 die Federkonstante und die Dämpfungskonstante bestimmen. Für eine Schiene vom Typ UIC-60 mit einem Schwellenabstand von 0,6 m setzt man beispielsweise zwischen den Schwellen jeweils ein Schwingungssystem gemäss Fig. 2 ein, das eine Masse von 4 bis 8 kg, eine Federkonstante von 2 20 bis 3 X108 N/m und eine Dämpfungskonstante von 4 bis 6 X103 Ns/m hat.

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4 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Gleis für Schienenfahrzeuge, bei dem jede auf dem Untergrund befestigte Schiene ohne zusätzliche Dämpfungsmittel durch die pulsierende.Kraft eines über die Schiene rollenden Fahrzeuges breitbandig bei zufällig vorhandenen Unebenheiten der Laufflache.der Schiene zu Schwingungen angeregt wird, wobei zur Dämpfung dieser Schwingungen an der Schiene über deren Länge verteilt Massen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen (7, 17) Teile eines aus Masse (7, 17), Feder (3, 12) und Dämpfungselement (4, 5, 19) bestehenden, an der Schiene angekoppelten Schwingungssystems sind und mit der Schiene (1, 11) zusammen als Koppelschwingungssystem bewirken, dass die Eigenfrequenzen des Systems von der Eigenfrequenz der Schiene verschieden sind.

2. Gleis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssystem (3, 4, 5, 7, 12, 17, 19) derart auf die Schiene (1, 11) abgestimmt ist, dass die Schiene bei auf sie einwirkender, pulsierender Kraft, die sie ohne das Schwingungssystem zu Vertikalschwingungen mit der Eigenfrequenz anregen würde, nicht mit dieser Frequenz schwingt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gleis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssystem (3, 4, 5, 7, 12, 17, 19) derart auf die Schiene (1, 11) abgestimmt ist, dass sie bei einer auf sie einwirkenden, pulsierenden Kraft, die die Schiene ohne das Schwingungssystem zu Vertikalschwingungen mit Eigenfrequenz anregen würde, mit maximaler Amplitude bei zwei verschiedenen Frequenzen schwingt, die verschieden von der Eigenfrequenz der Schiene sind.

4. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssystem (3, 4, 5, 7, 12, 17, 19) aus einer Vielzahl von Einzelschwingungssystemen besteht, die längs der Schiene (1, 11) mit Abstand voneinander, insbesondere zwischen und/oder im Bereich der Schwellen (2) angeordnet sind.

5. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungssystem (12, 17, 19) sich lückenlos in Längsrichtung der Schiene (11) erstreckt.

6. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (7) unter dem Schienenfuss angeordnet ist.

7. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (17) am Schienensteg, insbesondere aufgeteilt auf beide Seiten des Schienensteges, angeordnet ist.

8. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (7) über eine Tellerfeder (3) an der Schiene angekoppelt ist.

9. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (17) über eine Biegebalkenfeder (12) an der Schiene angekoppelt ist.

10. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (4, 5, 19) aus einem elastomeren Stoff besteht.

11. Gleis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stoff für das Dämpfungselement unter Vorspannung stehendes Gummi vorgesehen ist.

12. Gleis nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das unter Vorspannung stehende Gummi (4, 5, 19) das Federelement (3) einklemmt.