DE102008049947A1

DE102008049947A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Schienenenden sowie Vorrichtung zur Vibrationsentspannung der Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102008049947A1
Application number: DE102008049947A
Authority: DE
Inventors: Rolf Ploetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-08
Also published as: WO2010037362A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit Maßnahmen, um an Schweißstellen von Schienensträngen die Gefahr von Brüchen im Bereich der Schweißstelle infolge von Eigenspannungen zu mindern. Vorgeschlagen wird hierzu zunächst ein Verfahren zum Verbinden zweier Schienenenden zwecks Herstellung oder Reparatur eines Schienenstrangs, bei dem die zueinander fluchtenden Enden, vorzugsweise nach deren vorheriger Erwärmung, durch Einlagerung eines Zusatzwerkstoffes unter starker Hitzeentwicklung miteinander verschweißt werden, wobei die Schweißstelle einschließlich der angrenzenden Schienenenden anschließend einer Abkühlung ausgesetzt wird. Während der Abkühlung wird zumindest eines der beiden Schienenenden unter Einsatz eines Schwingungserregers (20) einer Vibrationsbelastung ausgesetzt. Ferner vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur gezielten Vibrationsbelastung metallischer Bauteile unter Einsatz eines Schwingungserregers (20), wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch Befestigungsmittel (10, 11, 12, 18, 19) zur lösbaren Verbindung des Schwingungserregers (20) mit der Fahrschiene (1).

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbinden zweier Schienenenden zwecks Herstellung oder Reparatur eines Schienenstrangs, bei dem die zueinander fluchtenden Enden, vorzugsweise nach deren vorheriger Erwärmung, durch Einlagerung eines Zusatzwerkstoffes unter starker Hitzeentwicklung miteinander verschweißt werden, und die Schweißstelle einschließlich der angrenzenden Schienenenden anschließend einer Abkühlung ausgesetzt wird.
Beim Verschweißen von Fahrschienen, sei dies nun im Rahmen der Erstellung oder der Reparatur von Gleisanlagen, kommt es zu hohen Eigenspannungen in der Schweißnaht selbst, wie auch im Bereich der angrenzenden Schienenenden. Diese Eigenspannungen können so hoch sein, dass die Schweißung schon bei geringer Belastung bricht. Die Neigung zu solchen Brüchen infolge einer zu hohen Eigenspannung wird von verschiedenen Faktoren begünstigt. So weisen bereits die zu verschweißenden Schienen häufig erhöhte Eigenspannungen infolge vorangegangener Richtprozesse und/oder Wärmebehandlungen auf. Ferner werden Eigenspannungen durch das in der Praxis angewandte System der Vorwärmung der beteiligten Schienenenden vor dem Verschweißen begünstigt. Des weiteren werden Eigenspannungen auch durch den Abkühlprozess nach erfolgter Schweißung begünstigt. Ferner spielen auch die Härte der zu verschweißenden Schienen sowie die Härte des verwendeten Schweißgutes, z. B. eines aluminothermischen Schweißstoffs, eine Rolle. Hinsichtlich der Härte der zu verschweißenden Schienen geht die technische Entwicklung zu härterem, teilweise sogar durchgehärtetem Schienenmaterial. Schließlich spielt für die Eigenspannungen auch der Zeitpunkt der ersten Belastung nach dem Schweißprozess eine Rolle, d. h. der Zeitraum bis zum Überfahren des neu geschweißten Gleises durch Schienenfahrzeuge.
Bekannt ist, dass sich die in der Schweißung und in deren Umfeld vorhandenen Eigenspannungen mit der Zeit abbauen. Die Gefahr eines Bruchs der Schweißung ist daher besonders groß, wenn nach dem Schweißprozess die Eigenspannungen noch hoch sind, und Fremdspannungen durch hohe Achslasten beim Überfahren durch Schienenfahrzeuge hinzutreten.
Ziel der Erfindung sind daher Maßnahmen zur Reduzierung der Gefahr von Brüchen im Bereich der Schweißung von Schienen infolge zu hoher Eigenspannungen im Material der Schweißnaht selbst oder in den angrenzenden Bereichen der Schienenenden.
Erfindungsgemäß wird hierzu bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art vorgeschlagen, dass während der Abkühlung zumindest eines der beiden Schienenenden unter Einsatz eines Schwingungserregers einer Vibrationsbelastung ausgesetzt wird.
Durch Einbringen von Vibrationen in die verschweißte Schiene werden daher die Eigenspannungen abgebaut (Vibrationsentspannung). Einsetzen sollte die Vibrationsentspannung unmittelbar nach dem Schweißprozess, und damit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Schweißgut und der Bereich um die Schweißung herum noch relativ hohe Temperaturen von 400° bis 700°C aufweisen. Auf diese Weise kann es gar nicht erst zu einem hohen Spannungsaufbau kommen, und bereits vorhandene Eigenspannungen werden leichter abgebaut.
Vorzugsweise sollte der Schwingungserreger möglichst nah an der Schweißnaht angebracht werden. Zugleich muss aber eine zu starke Hitzebelastung des Schwingungserregers vermieden werden. Von daher ist es ausreichend und sinnvoll, wenn der Schwingungserreger oder auch zwei Schwingungserreger in einem Abstand von ca. 600 mm von der Schweißstelle entfernt angebracht werden.
Ein gleichzeitiges Einbringen von Vibrationen von beiden Seiten her, oder ein wechselseitiges Vibrieren kann den Spannungsabbau weiter verbessern. Sehr gute Ergebnisse werden schon nach jeweils acht Minuten Vibrationsbelastung von beiden Seiten erreicht. Aber auch ein nur einseitiges Einbringen einer Vibrationsbelastung bringt ausreichende Ergebnisse.
Die Vibrationsbelastung sollte hochfrequent mit Schwingfrequenzen bis zum Beispiel 7000 Hz erfolgen. Niederfrequente Schwingungen sind zwar im Prinzip auch geeignet, erfordern jedoch eine längere Belastungsdauer. Wenngleich es von Vorteil ist, wenn die Schwingungserregung bei einer Temperatur an der Schweißstelle von 400° bis 700°C gestartet wird, werden auch durch Vibrationen bei niedrigeren Temperaturen von 100° bis 200°C bereits gute Wirkungen erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt auch Vorteile wenn es darum geht, Eigenspannungen aufgrund von Wärmebehandlungen oder Richtarbeiten abzubauen.
Zu dem oben genannten Ziel der Vermeidung von Brüchen infolge zu hoher Eigenspannungen wird ferner eine Vorrichtung zur gezielten Vibrationsbelastung metallischer Bauteile unter Einsatz eines Schwingungserregers vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtung gekennzeichnet ist durch Befestigungsmittel zur lösbaren Verbindung des Schwingungserregers mit einer Fahrschiene.
Als Schwingungserreger geeignet sind z. B. elektrisch betriebene Unwuchtmotoren. Ebenfalls geeignet sind druckluftbetriebene Rollenvibratoren oder Kugelvibratoren, da diese mit hohen Erregungsfrequenzen arbeiten.
Der Schwingungserreger lässt sich vorzugsweise am Fuß oder am Steg der Fahrschiene spaltfrei anklemmen oder anschrauben. Bei dieser Positionierung bleibt der obere Bereich der Fahrschiene frei, wodurch die geschweißte Fahrschiene bereits zu einem Zeitpunkt wieder durch ein Schienenfahrzeug überfahrbar ist, zu dem die Vorrichtung noch an der Fahrschiene befestigt ist.
Mit einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Befestigungsmittel zur Befestigung des Schwingungserregers eine von unten gegen den Schienenfuß abstützbare Druckplatte und mindestens ein von oben gegen den Schienenfuß abstützbares Gegendruckelement umfassen, und dass der Schwingungserreger an der Druckplatte befestigt ist, und vorzugsweise an deren Unterseite.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Auf der Zeichnung zeigen:
1 einen vertikalen Schnitt durch eine Fahrschiene nahe des Schienenendes einschließlich einer dort lösbar befestigten Vorrichtung zur gezielten Vibrationsbelastung der Schiene und
2 die Gegenstände nach 1 in einer Seitenansicht, wobei von der Schiene nur ein kurzer Längsabschnitt dargestellt ist.
Die in 1 im Querschnitt und in 2 in einem kurzen Längsabschnitt dargestellte Schiene 1 besteht, wie bei Fahrschienen für Eisenbahngleise üblich, aus dem Kopfbereich 2 mit Abrollfläche 2a, dem vertikalen Schienensteg 3 und dem an seiner Unterseite eben gestalteten Schienenfuß 4 zum Abstützen auf dem Gleisbett bzw. den Schwellen. Bei der Herstellung oder auch bei der Reparatur des Gleisstrangs werden einzelne Schienen nach vorheriger bereichsweiser Erhitzung miteinander verschweißt, wobei bei einem weit verbreiteten aluminothermischen Schweißverfahren, welches in der WO99/61 194 und der DE 197 02 410 C1 beschrieben ist, ein aluminothermischer Zusatzwerkstoff in einen Spalt zwischen den beiden vorerhitzten Schienenenden eingelagert wird. Dies alles erfolgt unter starker Hitzeentwicklung mit der Folge starker Eigenspannungen in dem Verbundsystem aus Schweißwerkstoff und den angrenzenden Schienenabschnitten. Diese Eigenspannungen werden im Anschluss an den Schweißprozess durch Einbringen hochfrequenter mechanischer Schwingungen, d. h. Vibrationen, abgebaut. Dies geschieht noch in der Abkühlphase bei relativ hohen Temperaturen zwischen 400 und 700 Grad Celsius.
Dazu wird nahe eines oder auch beider der angrenzenden Schienenenden ein Schwingungserreger 20 starr befestigt. Diese Befestigung kann bereits frühzeitig bei noch kalten Schienen erfolgen, d. h. vor Durchführung der Schweißung und vor der gezielten Vorerhitzung der zu verschweißenden Schienenenden. Die Größe und Anordnung der für die Schwingungserzeugung eingesetzten Vorrichtung ist dergestalt, dass der Bereich um den Kopfbereich 2 der Schiene 1 herum frei bleibt, so dass der Schwingungserreger 20 einschließlich der zu seiner Verbindung mit der Schiene erforderlichen Befestigungsmittel ein frühzeitiges Überfahren der Schweißstelle durch ein Schienenfahrzeug nicht behindert.
Der Schwingungserreger 20 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein elektrisch betriebener Unwuchtmotor. Besonders geeignet sind aber auch druckluftbetriebene Rollenvibratoren oder Kugelvibratoren, mit denen ebenfalls hochfrequente Vibrationen erzielbar sind. Der Schwingungserreger 20 ist an der Unterseite einer Druckplatte 10 befestigt. Die Druckplatte 10 ist von unten gegen den Schienenfuß 4 abgestützt, wobei die Druckplatte 10 deutlich breiter als der Schienenfuß 4 ist. Die Befestigung des Gehäuses des Schwingungserregers 20 an der Druckplatte 10 erfolgt mittels Schrauben 22 oder Klemmen.
Zur lösbaren Befestigung der Druckplatte 10 sind auf deren Oberseite, beidseits des Schienenfußes 4, Gegendruckelemente 11, 12 angeordnet. Die Gegendruckelemente 11, 12 sind derart gestaltet, dass sie sich links bzw. rechts des vertikalen Schienenstegs 3 auf dem Schienenfuß 4 abstützen, welcher in diesem Bereich nach außen hin abfallend gestaltet ist. Entsprechend können auch die Gegendruckelemente 11, 12 in diesen Bereichen schräg bzw. geneigt gestaltet sein.
Zur Erzielung einer Verbindung unter Einklemmen der Schiene ist jedes Gegendruckelement 11, 12 zu der Druckplatte 10 hin spannbar. Als Spannelemente dienen Verschraubungen 18, 19, wobei die Verschraubung 18 das in 1 links angeordnete Gegendruckelement 11 gegen die Druckplatte 10 und gegen den Fuß der Schiene zieht, und die Verschraubung 19 das in 1 rechts angeordnete Gegendruckelement 12 beaufschlagt.
Bei gelösten Spannelementen 18, 19 ist das jeweilige Gegendruckelement 11, 12 horizontal bezüglich der Druckplatte 10 schwenkbar, wobei das Spannelement 18, 19 die Schwenkachse bildet. Zur Montage der Vibrationsvorrichtung ist es daher nicht erforderlich, die als Spannelemente dienenden Verschraubungen 18, 19 vollständig zu entfernen. Sobald die Verschraubungen 18, 19 hinreichend gelöst sind, lassen sich die Gegendruckelemente 11, 12 entweder seitlich herausziehen, oder um 90° oder mehr zur Seite schwenken. Hierdurch kommen sie, auch wegen ihrer relativ geringen Breite B in Schienenlängsrichtung, von dem Schienenfuß 4 frei, so dass die gesamte Vorrichtung nach unten abgesenkt und entfernt werden kann. In umgekehrter Reihenfolge erfolgt die schnelle Montage der Vorrichtung an der Schiene. Um die Masse und damit die Trägheitskräfte der Vorrichtung gering zu halten, sind nicht nur die Gegendruckelemente 11, 12 schmal mit einer Breite B (2), sondern auch die Druckplatte 10.
Der Schwingungserreger 20 kann stufenlos regelbar sein. Eine Schwingfrequenz von mehr als 3000 Hz ist anzustreben, höhere Frequenzen bis zu 7000 Hz sind von Vorteil für den angestrebten Abbau von Eigenspannungen. Gestartet wird die Schwingungserregung bei einer Temperatur an der Schweißstelle von 200° bis 800°C, vorzugsweise 400° bis 700°C. Beide Schienenenden können gleichzeitig, oder auch im Wechsel der Vibrationsbelastung ausgesetzt werden. In diesem Fall wird an beiden beteiligten Schienenenden ein Schwingungserreger 20 des auf der Zeichnung dargestellten Typs befestigt und betrieben. Die Schwingungsamplituden, denen das eine und das andere der beiden Schienenenden ausgesetzt werden, können auch gegenläufig sein.
Um eine Schädigung der Vorrichtung infolge der vor allem zu der Schweißstelle hin hohen Temperaturen zu vermeiden, sollte die Schwingungseinleitung an einem Ort erfolgen, der einen Abstand von 200 bis 1.000 mm zu der Schweißstelle aufweist, vorzugsweise einen Abstand von 600 mm.

1: Schiene
2: Kopfbereich der Schiene
2a: Abrollfläche
3: Schienensteg
4: Schienenfuß
10: Druckplatte
11: Gegendruckelement
12: Gegendruckelement
18: Spannelement, Verschraubung
19: Spannelement, Verschraubung
20: Schwingungserreger
22: Schraube
B: Breite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 99/61194 [0018]
- DE 19702410 C1 [0018]

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Schienenenden zwecks Herstellung oder Reparatur eines Schienenstrangs, bei dem die zueinander fluchtenden Enden, vorzugsweise nach deren vorheriger Erwärmung, durch Einlagerung eines Zusatzwerkstoffes unter starker Hitzeentwicklung miteinander verschweißt werden, und die Schweißstelle einschließlich der angrenzenden Schienenenden anschließend einer Abkühlung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlung zumindest eines der beiden Schienenenden unter Einsatz eines Schwingungserregers (20) einer Vibrationsbelastung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schwingungserregung von mindestens fünf Minuten Dauer.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungserregung bei einer Temperatur an der Schweißstelle von 200° bis 800°C, vorzugsweise 400° bis 700°C, gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch eine Schwingfrequenz von mehr als 3000 Hz.
Verfahren nach einer der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schienenenden gleichzeitig oder im Wechsel der Vibrationsbelastung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplituden, denen das eine und das andere der beiden Schienenenden ausgesetzt werden, gegenläufig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungseinleitung an einem Ort erfolgt, der einen Abstand von 200 bis 1.000 mm zu der Schweißstelle aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungseinleitung an einem Ort unterhalb des Kopfbereichs (2) der Schiene (1) erfolgt.
Vorrichtung zur gezielten Vibrationsbelastung metallischer Bauteile unter Einsatz eines Schwingungserregers (20), gekennzeichnet durch Befestigungsmittel (10, 11, 12, 18, 19) zur lösbaren Verbindung des Schwingungserregers (20) mit einer Fahrschiene (1).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerfrequenz des Schwingungserregers (20) mehr als 3000 Hz beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (10, 11, 12, 18, 19) zur Verbindung des Schwingungserregers (20) mit dem Schienenfuß (4) oder dem Schienensteg (3) der Fahrschiene (1) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel eine von unten gegen den Schienenfuß (4) abstützbare Druckplatte (10) und mindestens ein von oben gegen den Schienenfuß (4) abstützbares Gegendruckelement (11, 12) umfassen, und dass der Schwingungserreger (20) an der Druckplatte (10) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger an der Unterseite der Druckplatte (10) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Spannelement (18, 19), mittels dessen das Gegendruckelement (11, 12) unter Zwischenlage des Schienenfußes (4) zur Druckplatte (10) hin spannbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im entspannten Zustand des Spannelements (18, 19) das Gegendruckelement (11, 12) horizontal bezüglich der Druckplatte (10) schwenkbar ist, wobei das Spannelement (18, 19) die Schwenkachse bildet.