DE102014203837A1

DE102014203837A1 - Computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils sowie lärmarme Schiene

Info

Publication number: DE102014203837A1
Application number: DE201410203837
Authority: DE
Inventors: Burchard Ripke
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-10-23
Also published as: WO2014173640A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils und eine Schiene deren Profil so gewählt ist, dass die Lärmemission im Vergleich zu Profilen des Stands der Technik deutlich reduziert ist. Das Verfahren modelliert das Schienenprofil einer Standard-Vignolschiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge, die als Referenz für die Beurteilung des Schwingungsverhaltens dient. Dann werden die Parameter des Schienenprofils systematisch verändert und für jedes Schienenprofil das Schwingungsverhalten errechnet. Unter Berücksichtigung der Rad-Schiene-Wechselwirkung und der Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs wird die Wirkung der Schallabstrahlung der Schienen für die veränderten Parameter bewertet und optimiert. Ein akustisch optimiertes Schienenprofil wird vorgestellt, bei dem der Schwerpunkt des Schienenkopfes einen geringeren Abstand zum Schwerpunkt des Schienenfußes aufweist als beim Normprofil der Vignolschiene.

Description

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils und eine Schiene, deren Profil so gewählt ist, dass die Lärmemission im Vergleich zu Profilen des Stands der Technik deutlich reduziert ist.
Wenn spurgebundene Fahrzeuge auf dem Fahrweg fortbewegt werden, handelt es sich zumeist um Fahrzeuge mit Stahlrädern, die auf Stahlschienen geführt werden. Aufgrund der Rad-Schiene-Wechselwirkungen entsteht Lärm, der insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten umweltbelastend wirkt. In der Entwicklungsgeschichte des Schienenverkehrs hat es eine ganze Reihe unterschiedlicher Schienenprofile gegeben, aus denen sich mit der Zeit die sogenannte Vignolschiene für Eisenbahn-Fahrwege als Standard-Profil herausgebildet hat. Die Vignolschiene hat einen breiten, flachen Fuß, einen schmalen Steg und einen Schienenkopf, der die Lauffläche für die Fahrzeugräder bildet. Die Querschnittsform des Schienenprofils wurde in der Vergangenheit hinsichtlich einer hohen Tragfähigkeit bei geringer Querschnittsfläche optimiert. Daraus resultieren der hohe Schienensteg und der große Schienenkopf der Vignolschiene. Im Schienennetz der DB Netz AG werden im Wesentlichen drei unterschiedliche Typen von Vignolschienen als Standardschienen verwendet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Belastbarkeit und werden nach ihrem Gewicht pro Meter benannt. Das wichtigste Standard-Profil ist das sogenannte UIC 60-Profil, mit einem Gewicht von etwa 60 kg/m, das heute in zwei Varianten vorliegt, die mit 60E1 und 60E2 bezeichnet werden. Es wird europaweit bei hochbelasteten Strecken eingesetzt, also überall dort, wo Züge entweder mit hohen Geschwindigkeiten oder mit hohem Gewicht fahren.
Die Profile S 49 (49E2) und S 54 (54E2) haben einen schmaleren Schienenfuß, eine geringere Höhe und eine geringere Breite des Schienenkopfes als das UIC 60-Profil und sind für geringere Belastungen ausgelegt. Die Querschnittsform der Vignolschiene weist jedoch vom Standpunkt der Akustik aus betrachtet erhebliche Nachteile auf. Insbesondere bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten führt die Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene dazu, dass eine recht hohe Lärmemission erfolgen kann. Um diese Lärmbelastung zu reduzieren, gibt es unterschiedliche Ansätze. Neben passiven Schallschutzmaßnahmen wie Schutzwänden in der Nähe des Gleisbereichs wurden auch Maßnahmen vorgeschlagen, die Schienen mit Dämm-Materialien zu isolieren, was sich jedoch aufgrund des hohen Aufwands und der Unbeständigkeit der Befestigung im rauen Bahnbetrieb als unzureichend erwiesen hat.
Die WO 2011/150006 A2 beschreibt eine lärmarme Schiene, bei der unterschiedliche Varianten der Verwendung von elastischen Dämm-Materialien vorgeschlagen werden, die zwischen dem oberen Teil des Schienenkopfes und dem darunter liegenden Rest der Schiene eingebracht werden. Hierbei ist die Herstellung und Wartung der Schiene mit einem hohen Aufwand verbunden. Erschwerend kommt hinzu, dass eine möglichst gleichbleibend hohe Belastbarkeit der aus mehreren Komponenten unterschiedlicher Materialien zusammengesetzten Schiene nicht ohne weiteres gewährleistet ist.
Eine einfache Herstellung der Schiene und eine Gewährleistung der Belastbarkeit sind gegeben, wenn die Schiene ähnlich der heute verwendeten, konventionellen Verfahren in einem Stück aus Stahl gefertigt wird. Daher wurden auch Versuche unternommen, das Schienenprofil zu verändern, um eine geringere Lärmemission zu erhalten.
Aus der DE 689 05 133 T2 ist neben Dämpfungsmedien, die an der Schiene befestigt werden, ein Schienenprofil bekannt, das zur Verminderung des zwischen Rad und Schiene auftretenden Lärms gegenüber dem Standard-Vignolprofil gestaucht ist, indem das Profil eine geringere Höhe aufweist. Ein Nachteil dieses Vorgehens ist jedoch, dass die Tragfähigkeit der Schiene reduziert wird und die aufgrund der Rad-Schiene-Wechselwirkung auftretenden Kräfte auf die Schiene ungünstig ausfallen können, und Resonanzfrequenzen in Frequenzbereiche verschoben werden, die vom menschlichen Gehör besser und somit lauter wahrgenommen werden. Die Reduktion der Schienenhöhe führt zu einer Verringerung der Biegesteifigkeit und somit zu einer schlechteren Lastverteilung, verbunden mit einer höheren Belastung und Schädigung der Oberbaukomponenten.
Die EP 0 815 324 B1 beschreibt eine Schiene mit geringerem abgestrahlten Luftschallpegel, bei der die wesentlichen Belastbarkeitswerte und Kenngrößen denen einer Normprofilschiene weitgehend entsprechen. Das Schienenprofil ist im Querschnitt über die gesamte Schienenlänge symmetrisch zur Höhenachse ausgebildet. Jede Stegseitenfläche ist im unteren Bereich zwischen fußseitiger Übergangskante und der Schwerpunktachse im Querschnitt der Schiene knickpunkt- oder knickbereichsfrei konkav gerundet ausgebildet. Diese Schienenform bringt eine gewisse Reduzierung des Lärmpegels mit sich, die jedoch bei anderer Gestaltung des Schienenprofils weiter verbessert werden kann. Gleichzeitig werden bestimmte Resonanzfrequenzen der Schiene in für Menschen besser hörbare Bereiche verschoben, so dass ein Teil der Lärmreduzierung wieder zunichte gemacht wird. Dieser Effekt führt dazu, dass nicht für alle Fahrzeuge eine Lärmreduktion erreicht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, ein Schienenprofil mit optimierter Lärmemission zu entwickeln, wobei auch die Belastbarkeit der Schiene und der Verschleiß an Schiene und Fahrzeugrädern nicht oder nur unbedeutend beeinträchtigt werden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schiene zu liefern, die diese Eigenschaften erfüllt und ohne aufwändige Anpassungen auch in bestehenden Schienennetzen verwendet werden kann.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren und eine lärmarme Schiene nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass horizontale Schwingungen der Schiene und Schwingungen des Schienenfußes wesentlich für die Lärmemission verantwortlich sind. Wenn die Schiene im Querschnitt betrachtet wird, so lässt sich diese Schwingung veranschaulichen, indem man die Schwerpunkte von Schienenkopf und Schienenfuß betrachtet (s. 1). Bei Krafteinwirkung auf den Schienenkopf verformt sich der mittlere Teil der Schiene zwischen diesen beiden Schwerpunkten, verbunden mit Drehungen des Schienenkopfes und -fußes. Diese Schwingungen führen zu Schallabstrahlungen über den Schienensteg und -fuß. Sie entstehen durch Einwirkung der Kontaktkräfte der Fahrzeugräder am Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene und breiten sich längs der Schiene aus. Die Art und Weise der auftretenden Verformungen hängt ab von der Richtung der angreifenden Kräfte, der Form des Schienenprofils und den mechanischen Umgebungsbedingungen, welche die Verformbarkeit der Schiene beeinflussen. Die Umgebungsbedingungen wiederum hängen von der Art des Oberbaus ab und davon, ob sich der Angriffspunkt der vom Rad auf die Schiene einwirkenden Kraft über einem Stützpunkt oder zwischen zwei Stützpunkten befindet. Bei einem klassischen Schotteroberbau dienen Schwellen im Schotterbett als Stützpunkte, bei der Festen Fahrbahn sind die Stützpunkte die Befestigungspunkte der Schienen auf der Festen Fahrbahn.
Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren nach Anspruch 1 modelliert das Schienenprofil einer Standard-Vignolschiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge. Solche Fahrwege werden insbesondere in Netzen des Eisenbahnverkehrs verwendet. Das Profil besteht aus einem Schienenfuß der Höhe H_F und Breite B_F, einem Schienensteg der Höhe H_S und Breite B_S und einem Schienenkopf der Höhe H_K und Breite B_K. Die Vignolschiene mit einem Schienenfuß der Höhe H_VF und Breite B_VF, einem Schienensteg der Höhe H_VS und Breite B_VS sowie einem Schienenkopf der Höhe H_VK und Breite B_VK, dient als Referenz für die Beurteilung des Schwingungsverhaltens. Die Schiene wird im Berechnungsverfahren so modelliert, dass auch die auf das Schwingungsverhalten einwirkenden Randbedingungen berücksichtigt werden. Bei einem Schotteroberbau werden demnach also auch das Schotterbett mit Schwellen und Befestigungselementen in die Modellierung aufgenommen. Ebenso ist die Berücksichtigung einer schotterlosen oder Festen Fahrbahn möglich. Das Schwingungsverhalten der Schiene kann nun sehr realitätsgetreu simuliert und analysiert werden. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf den horizontalen Schwingungen, den Querschnittverformungen und deren Ausbreitung entlang der Schiene. Um hinsichtlich der gewünschten Reduzierung der Lärmemission die optimale Schienenform zu ermitteln, werden nun die Parameter des Schienenprofils systematisch verändert und für jedes Schienenprofil das Schwingungsverhalten errechnet und bewertet. Als variierbare Größen stehen die geometrischen Abmessungen der Schiene zur Verfügung, d.h. der Schienenfuß mit der Höhe H_F und Breite B_F, der Schienensteg der Höhe H_S und Breite B_S und der Schienenkopf der Höhe H_K und Breite B_K. Für unterschiedliche Werte dieser Größen wird das Schwingungsverhalten mit dem der Vignolschiene als Referenz verglichen und bewertet. Außerdem werden bei der akustischen Optimierung der Vignolschiene die Randbedingungen, die einen Einbau und Einsatz der Schienen bei der Bahn ermöglichen, berücksichtigt. Hierzu zählen insbesondere die Randbedingungen hinsichtlich der Tragfähigkeit, Lastverteilung, Schienenfußbreite, Mindesthöhe der Laschenkammer und Breite des Schienenkopfes, die erfüllt werden müssen, um eine Schiene zu erhalten, die in der bestehenden Infrastruktur ohne weiteren Aufwand auch eingebaut und eingesetzt werden kann.
Das computerimplementierte Verfahren basiert im Wesentlichen auf drei Schritten, denen jeweils eigene Modelle zugrunde liegen.
Zunächst werden im Frequenzbereichsmodell das Schwingungsverhalten und die Querschnitts-Verformungen der Schiene modelliert, wenn sie mit einer harmonischen Kraft an einer beliebigen Stelle und in beliebiger Richtung angeregt wird. Das Frequenzbereichsmodell besteht aus einer Schiene, die auf dem Oberbau gelagert ist. Die Schiene ist so modelliert, dass ihre Schwingungen und die Verformungen bis in hohe Frequenzbereiche richtig berechnet werden. Die Schiene ist über viskoelastische Elemente, die als Feder und Dämpfer die Schienenbefestigung repräsentieren, auf den Stützpunkten gelagert. Der Oberbau wird ebenfalls mit Feder und Dämpfer beschrieben. Je nachdem, ob es sich beim Oberbau um eine Feste Fahrbahn oder einen Schotter-Oberbau handelt, werden die Parameter für Feder und Dämpfer geeignet gewählt. Durch die Anregung der Schiene mittels einer harmonischen Kraft an einer beliebigen Stelle und in beliebiger Richtung, wird die Schiene zu Schwingungen angeregt. Das Modell berechnet die Schwingungsantwort der Schiene am Anregungsort und an jeder anderen Stelle im Gleis. Es werden somit auch die Ausbreitungen der Schwingungen analysiert. Gleichzeitig werden die Querschnittsverformungen der Schiene berechnet, die die notwendigen Hinweise für eine Optimierung des Querschnittes liefern. Dort, wo ausgeprägte Verformungen auftreten, wird durch eine simulierte Querschnittsform-Änderung die Schwingungsantwort reduziert.
Im zweiten Schritt werden im Zeitbereichsmodell die Wechselwirkungen zwischen Rad und Schiene berücksichtigt. Das Zeitbereichsmodell beschränkt sich auf die Berechnung der Vertikaldynamik der Schiene, berücksichtigt aber im Gegensatz zum Frequenzbereichsmodell die Anregung durch ein Fahrzeug. Um im Zeitbereich rechnen zu können, ist die Schiene in diesem Modell beispielsweise nur als schubweicher Balken modelliert.
Auch in diesem Modell ist die diskrete Lagerung der Schiene auf dem Oberbau mithilfe von Federn und Dämpfern modelliert. Mit dem Zeitbereichsmodell können die Auswirkungen der im Frequenzbereichsmodell gefundenen Schienenprofile hinsichtlich der Stärke der Kräfte zwischen Rad und Schiene im gesamten Frequenzbereich berechnet und auf ein Referenzsystem, wie z.B. der Schiene 60E2, bezogen werden. Erhöht sich z.B. die Masse der Schiene durch eine Materialverstärkung, so kann das in bestimmten Frequenzbereichen negative Auswirkungen auf die maximale Kraft zwischen Rad und Schiene haben. Da eine stärkere Krafteinwirkung wieder einen erhöhten Lärmpegel zur Folge haben kann, könnte bei Vernachlässigung der Betrachtung im Zeitbereichsmodell der Anteil der schallreduzierenden Wirkung einer modifizierten Schiene deutlich überschätzt werden.
Im dritten Schritt werden im Auswertemodell die in den ersten beiden Schritten erfassten Ergebnisse zusammengeführt und bewertet. Um eine objektive Bewertung einer neuen Schienenform treffen zu können, werden sinnvolle Kennwerte definiert, die auf alle Schienenformen anwendbar sind. Das Auswertemodell fasst die Übertragungsfunktionen, die im Frequenzbereichsmodell für eine normierte Anregung ermittelt wurden, zusammen und skaliert diese mit der Normalkraftfunktion, die das Zeitbereichsmodell für die neue Schiene berechnet hat. Als Ergebnis erhält man Schwingungsantworten der Schiene, welche die Rad-Schiene-Dynamik berücksichtigen. Eine absolute Berechnung des resultierenden Schalldrucks ist nicht erforderlich, wenn die ermittelten Werte lediglich mit denen der Standardprofil-Vignolschiene verglichen werden. Hierfür reicht die Annahme aus, dass die Schallabstrahlung der Schiene proportional zu den Schwingungen der Schiene ist, um eine objektive, relative, Kennwert-basierte Beurteilung hinsichtlich einer Reduzierung der Lärmemission zu treffen. Weiterhin werden die Schwingungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das menschliche Gehör analysiert, indem eine sogenannte A-Bewertung durchgeführt wird und der Summenpegel berechnet wird. So werden für alle Anregungsszenarien (vertikal, horizontal, mindestens zwei Anregungsorte zwischen zwei Stützpunkten, Anregung über mindestens einem Stützpunkt) die Schwingungsantworten der Schiene an allen untersuchten Orten berechnet und entsprechend der A-Bewertung die Kennwerte gebildet. Ein Vergleich zu den Kennwerten des Referenzsystems zeigt dann auf, ob sich der modifizierte Schienenquerschnitt akustisch günstiger verhält und ob die Optimierung in die richtige Richtung erfolgt. Eine Gesamtbewertung der Schiene erfolgt über die Aufsummierung der einzelnen Kennwerte zu einem Gesamtkennwert.
Da die Schienenkopfbreite B_K als Rahmenbedingung i.A. fest vorgegeben ist und die Schienenfußbreite B_F aufgrund der Befestigungsmöglichkeiten auf bestehender Schieneninfrastruktur unverändert zum Standardprofil der Vignolschiene gehalten werden soll, werden vorteilhaft nur die Parameter H_F, H_S, H_K und B_S variiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Schienenmodellierungen, die auch die longitudinale Ausbreitung der Schwingungen entlang der Schiene berücksichtigen. Hierfür ist es insbesondere bei der Betrachtung höherer Schwingungsfrequenzen vorteilhaft, wenn die Schiene als „unendlich lange“ Schiene oder als in sich geschlossenes Schienenmodell modelliert wird, in dem alle geforderten Randbedingungen erfüllt werden.
Eine mit dem zuvor beschriebenen Verfahren berechenbare Vignolschiene, die hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften gegenüber dem Standardschienenprofil einer Vignolschiene optimiert ist, wird in Anspruch 5 beschrieben. Sie kann allgemein für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge eingesetzt werden, insbesondere für Eisenbahnfahrwege. Die Vignolschiene besteht aus einem Schienenfuß der Höhe H_F und einer Schienenfußbreite B_F, einem Schienensteg der Höhe H_S und der Breite B_S, einem Schienenkopf der Höhe H_K und einer Schienenkopfbreite B_K. Die Gesamthöhe der Schiene H ergibt sich als Summe von H_F, H_S und H_K. Damit die erfindungsgemäße Schiene problemlos im bestehenden Eisenbahnnetz eingesetzt werden kann, unterscheidet sich die Breite des Schienenkopfes B_K, nicht von der Breite des Schienenkopfes des Normprofils einer Vignolschiene B_VK. Die akustische Optimierung des Schienenprofils erfolgt dadurch, dass der Schwerpunkt des Schienenkopfes einen geringeren Abstand zum Schwerpunkt des Schienenfußes aufweist als beim Normprofil der Vignolschiene mit Schienensteghöhe H_VS und Schienenkopfhöhe H_VK. Die horizontalen Schwingungen, die zwischen diesen beiden Schwerpunkten durch äußere Krafteinwirkung entstehen, werden dadurch deutlich reduziert und in ihrer Frequenz verändert. Bei gleicher Gesamthöhe von lärmreduzierter Schiene und Referenzschiene kann dies über eine Vergrößerung der Schienenkopfhöhe H_K bei gleichzeitiger Verringerung der Schienensteghöhe H_S im Vergleich zu den Werten H_VS und H_VK der Normschiene erfolgen. Weiterhin führt auch eine Vergrößerung der Schienenfußhöhe H_F auf Kosten der Schienensteghöhe zu einer Reduzierung der Lärmbelastung. Noch etwas variabler können die Schienenprofilparameter gewählt werden, wenn man die Einschränkung der unveränderbaren Gesamthöhe fallen lässt und auch Schienenprofile verwendet, deren Gesamthöhe größer ist als die Gesamthöhe der Standard-Vignolschiene. Bei allen Veränderungen des Schienenprofils gilt, dass zur erfolgreichen Lärmreduzierung immer erfüllt sein muss, dass die Schienensteghöhe kleiner als bei der Standard-Vignolschiene ausfällt und gleichzeitig die Schienenkopfhöhe und die Schienenfußhöhe jeweils größer als bei der Standard-Vignolschiene gewählt sind. Bei der Verringerung der Steghöhe ist jedoch zu beachten, dass die geometrischen Randbedingungen erfüllt werden. Es muss am Steg noch eine ausreichende Steghöhe vorhanden sein, um an den Schienen in gewohnter Weise die Komponenten der LST etc. befestigen zu können.
Die erfindungsgemäße Schienenform sorgt ohne Einbußen bei der Einsatzfähigkeit für eine geringere Lärmbelastung, bei gleichzeitiger Einhaltung der Grenzwerte für die dynamische Rad-Schiene-Wechselwirkung. Aufgrund der Vergrößerung der Schienenkopfhöhe wird weiterhin erreicht, dass unter der Lauffläche der Schienenkopfoberfläche mehr Schienenmaterial zur Verfügung steht als beim Normprofil. Dies hat den günstigen Nebeneffekt, dass der Schienenkopf einer erfindungsgemäßen Schiene öfter nachgeschliffen werden kann als bei den bisher verwendeten Schienen. Die Lebensdauer einer erfindungsgemäß optimierten Schiene ist daher spürbar größer als bei einer Standard-Vignolschiene.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schiene verfügt zusätzlich über eine Schienenstegbreite B_S, die größer ist als die Schienenstegbreite B_VS einer Standard-Vignolschiene. Dadurch wird die Steifigkeit des Schienenstegs erhöht und somit die Schwingungsfähigkeit reduziert.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schiene betrifft ein Vignolschienprofil, bei dem der Abstand des Schwerpunkts des Schienenkopfes vom Schwerpunkt des Schienenfußes weniger als 80% der Gesamtschienenhöhe H beträgt.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel und zwei Abbildungen erläutert.
1 zeigt schematisch eine Querschnittsverformung einer Vignolschiene bei Belastung durch ein Schienenfahrzeug, die als Horizontalschwingung für die Lärmbelastung hauptverantwortlich ist. Die Horizontalschwingung ist zur besseren Erkennbarkeit übertrieben dargestellt. Die Schwerpunkte sind jeweils mit „SP“ gekennzeichnet.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Schienenprofil einer Standard-Vignolschiene UIC 60 des Stands der Technik. In der Zeichnung sind die für die Erfindung relevanten Bezugsgrößen Schienenfuß mit Höhe H_VF und Breite B_VF, Schienensteg mit Höhe H_VS und Breite B_VS, sowie Schienenkopf der Höhe H_VK und Breite B_VK definiert. Da sich die Standardprofile 60E1 und 60E2 nur unwesentlich voneinander unterscheiden, sei hier zur Erläuterung aufgrund einer besseren Übersichtlichkeit nicht weiter zwischen den Standardprofilen differenziert.
3 zeigt eine beispielhafte, erfindungsgemäße Ausführung einer akustisch optimierten Vignolschiene, mit B_K = 72 mm, H_K = 72,4 mm, B_S = 26,5 mm, B_F = 150 mm, H_F = 15 mm und einer Gesamthöhe H = 175 mm. Eine gute akustische Optimierung auf Basis der 60E1 bzw. 60E2 kann ausgehend vom obigen Bespiel auch beispielhaft mit folgenden Werten für die Schienenkopf- und Fußhöhe sowie Stegbreite erreicht werden: H_Ko = 72,4 ±4 mm, B_So = 26,5 ±1 mm, H_Fo = 15 –1,2 mm +2 mm. Die oberen Werte sind häufig auch durch technische Randbedingungen der Eisenbahn, wie z.B. Montagemöglichkeit von Laschen oder Gleisschaltmitteln begrenzt. Die Schienenkopfhöhe und die Schienenfußhöhe sind größer als bei der in 1 gezeigten Normschiene, während der Schienensteg dicker und niedriger ausfällt als bei der Normschiene. Die Parameter Schienenfußbreite und Schienenkopfbreite haben die gleichen Abmessungen wie bei der UIC 60-Schiene. Der Abstand des Schwerpunkts des Schienenkopfes vom Schwerpunkt des Schienenfußes beträgt in diesem Beispiel 77,4% der Gesamtschienenhöhe H, wobei die Gesamtschienenhöhe mit 175 mm etwas höher ausfällt als bei der UIC 60-Schiene. Schienenfuß und Schienensteg sind so gestaltet, dass sowohl die Befestigung der Schiene auf dem Oberbau als auch die Befestigung von LST-Komponenten am Schienensteg ohne größere Modifikationen bei der vorhandenen Infrastruktur möglich sind. Die Tragfähigkeit der Schiene und die Lastverteilung übertreffen die Werte bei Verwendung von UIC 60-Schienen. UIC 60-Schienen in bestehenden Schienennetzen können daher ohne größere Probleme gegen die erfindungsgemäßen Schienen ausgetauscht werden.
Eine Verbesserung der Lärmeigenschaften im Vergleich zur Standard-Vignolschiene, bei akzeptablen Werten bzgl. der Rad-Schiene-Wechselwirkung, ist auch bei anderen Werten für Schienenkopfhöhe, Schienenfußhöhe, Schienensteghöhe und -breite als in der Abbildung angegeben möglich. Entscheidend ist dabei, dass der Abstand der Schwerpunkte von Kopf und Fuß kleiner als 80% und dass die Stegbreite größer als 15% der Gesamthöhe ist. Die Schiene ist das Ergebnis eines erfindungsgemäßen computerimplementierten akustischen Optimierungsverfahrens, bei dem in diesem Beispiel eine UIC 60-Vignolschiene auf einem Schotteroberbau als Referenz für das Schwingungsverhalten dient. Die Schiene und die Referenzschiene werden dabei so modelliert, dass auch die auf das Schwingungsverhalten einwirkenden Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Bei einem Schotteroberbau werden demnach also auch das Schotterbett mit Schwellen und Befestigungselementen in die Modellierung aufgenommen. Dies geschieht, indem die Schiene über viskoelastische Elemente, die als Feder und Dämpfer die Schienenbefestigung repräsentieren, auf den Schwellen gelagert ist. Der Oberbau wird ebenfalls mit Feder und Dämpfer beschrieben. Die gesamte Schiene wird als unendlich lange Struktur modelliert. Als Anregung der Schienen dienen harmonische Kräfte mit vorgegebener Amplitude, die an drei Stellen auf die Schiene eingebracht werden. Je zwei Anregungsstellen befinden sich zwischen zwei Schwellen und ein Anregungspunkt über einer Schwelle. An diesen Stellen wird die Schiene sowohl in horizontaler als auch in longitudinaler und in vertikaler Richtung zu Schwingungen angeregt und die Schwingungsantwort der Schiene am Anregungsort und an anderen Stellen im Gleis berechnet. Die Schwingungen werden entlang der ganzen Schiene berechnet. Es werden somit auch die Ausbreitungen der Schwingungen analysiert. Gleichzeitig werden die Querschnittsverformungen der Schiene berechnet und analysiert. Sinnvolle Modifikationen des Querschnittes werden aus den Querschnittdeformationen der Schiene im Bereich der Resonanzfrequenzen abgeleitet. Dazu werden im untersuchten Frequenzbereich alle Resonanzen analysiert. Hierfür werden die Lage und die Amplitude der Resonanzfrequenz sowie die Schwingungsform in der Resonanz analysiert. Zusätzlich werden die Schwingungsamplituden der Schiene im gesamten übrigen Frequenzbereich berechnet und analysiert. Dort, wo bei den Resonanzfrequenzen ausgeprägte Verformungen auftreten, wird das Querschnittsprofil geeignet verändert. Geeignete Veränderungen können beispielsweise durch Materialverstärkung direkt an den Verformungsstellen oder durch Verkürzungen der horizontal schwingenden Bereiche oder Kombinationen davon erreicht werden. Das Schwingungsverhalten eines langen Schienenstegs kann beispielsweise durch Vergrößern von Schienenkopf- und Schienenfußhöhe sowie durch eine Materialverstärkung, d.h. einer Vergrößerung der Schienenstegbreite optimiert werden. Dabei werden bei der akustischen Optimierung der Vignolschiene die Randbedingungen, die einen Einbau und Einsatz der Schienen bei der Bahn ermöglichen, berücksichtigt. Hierzu zählen insbesondere die Randbedingungen hinsichtlich der Tragfähigkeit, Lastverteilung, Schienenfußbreite, Mindesthöhe der Laschenkammer und Breite des Schienenkopfes, die erfüllt werden müssen, um eine Schiene zu erhalten, die in der bestehenden Infrastruktur ohne weiteren Aufwand auch eingebaut und eingesetzt werden kann.
Durch erneute Berechnung der veränderten Schienenquerschnittsform in diesem Frequenzmodell und einen Vergleich mit den Ergebnissen der Referenzschiene wird analysiert, wie effektiv die Änderung hinsichtlich der gewünschten Schwingungsreduzierung war. Gegebenenfalls wird die neue Schienenform nun ebenfalls einer Optimierung unterzogen, etc.
Auf diese Weise erhält man im Frequenzmodell eine Reihe von erfolgversprechenden Schienenprofilen, die im Zeitbereichsmodell weiter analysiert werden.
Im Zeitbereichsmodell werden nun die Wechselwirkungen zwischen Rad und Schiene berücksichtigt.
Das Zeitbereichsmodell beschränkt sich auf die Berechnung der Vertikaldynamik der Schiene, berücksichtigt aber im Gegensatz zum Frequenzbereichsmodell die Anregung durch ein Fahrzeug, d.h. die Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene. Um im Zeitbereich rechnen zu können, ist die Schiene in diesem Beispiel als schubweicher Balken modelliert. Auch in diesem Modell ist die diskrete Lagerung der Schiene auf dem Schotteroberbau mithilfe von Federn und Dämpfern modelliert. Mit dem Zeitbereichsmodell können die Auswirkungen der im Frequenzbereichsmodell gefundenen Schienenprofile hinsichtlich der Stärke der Kräfte zwischen Rad und Schiene im gesamten Frequenzbereich berechnet werden. Wie beim Frequenzbereichsmodell werden auch hier dieselben Berechnungen mit dem Referenzprofil gemacht und die Werte entsprechend verglichen.
Im dritten Schritt werden im Auswertemodell die in den ersten beiden Schritten erfassten Ergebnisse zusammengeführt und bewertet. Das Auswertemodell fasst die Übertragungsfunktionen, die im Frequenzbereichsmodell für eine normierte Anregung ermittelt wurden, zusammen und skaliert diese mit der Normalkraftfunktion, die das Zeitbereichsmodell für die neue Schiene berechnet hat. Als Ergebnis erhält man dadurch Schwingungsantworten der Schiene, welche die Rad-Schiene-Dynamik berücksichtigen. Eine absolute Berechnung des resultierenden Schalldrucks ist nicht erforderlich, da die ermittelten Werte mit denen der Standardprofil-Vignolschiene verglichen werden. Somit erhält man eine relative Aussage darüber, ob und in welchem Ausmaß die neuen, erfindungsgemäßen Schienenprofile sich bzgl. ihrer akustischen Eigenschaften von denen der Standard-Vignolschiene unterscheiden. Hierfür wird die Schallabstrahlung der Schiene als proportional zu den Schwingungen der Schiene angesetzt, um einen objektiven Kennwert hinsichtlich einer Reduzierung der Lärmemission zu ermitteln. Weiterhin werden die berechneten Schwingungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das menschliche Gehör analysiert, indem eine sogenannte A-Bewertung durchgeführt und der Summenpegel berechnet wird.
So werden für alle Anregungsszenarien (vertikal, horizontal, mindestens zwei Anregungsorte zwischen zwei Stützpunkten, Anregung über mindestens einem Stützpunkt) die Schwingungsantworten der Schiene an allen untersuchten Orten berechnet und entsprechend der A-Bewertung die Kennwerte für jedes Anregungsszenario gebildet. Ein Vergleich zu den Kennwerten des Referenzsystems zeigt dann auf, ob sich der modifizierte Schienenquerschnitt akustisch günstiger verhält und ob die Optimierung in die richtige Richtung erfolgt. Ein Gesamt-Kennwert wird aus der Summe der einzelnen Kennwerte gebildet. Anhand der Gesamt-Kennwerte können alle Schienenprofile hinsichtlich der akustischen Belastung durch die Schiene objektiv verglichen werden.
Das Verfahren ist nicht auf den in diesem Beispiel beschriebenen Schotteroberbau beschränkt. Ebenso ist die Berücksichtigung einer Festen Fahrbahn möglich. Hierfür sind die Werte der Feder-/Dämpfungsglieder entsprechend anzupassen.
Ein Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder eine für die Übersendung über ein Datennetz geeignete, Daten repräsentierende Signalfolge, wird so eingerichtet, dass die Daten ein Programm zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils einer Vignolschiene für Eisenbahnfahrwege darstellen, das auf einem Computer ausgeführt wird, und das Programm so die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte durchführt.
Das Verfahren wird außerdem als Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte zur Verfügung gestellt. Wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einem Computernetzwerk ausgeführt wird, so kann die erfindungsgemäße Optimierung von Vignolschienen mithilfe dieses Computers durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/150006 A2 [0004]
DE 68905133 T2 [0006]
EP 0815324 B1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

UIC 60-Profil [0002]
UIC 60-Profil [0003]
Standard-Vignolschiene UIC 60 [0026]
UIC 60-Schiene [0027]
UIC 60-Vignolschiene [0028]

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils einer Vignolschiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge, insbesondere Eisenbahnfahrwege, bestehend aus einem Schienenfuß der Höhe H_F und Breite B_F, einem Schienensteg der Höhe H_S und Breite B_S, sowie einem Schienenkopf der Höhe H_K und Breite B_K, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend vom Normprofil einer Vignolschiene mit einem Schienenfuß der Höhe H_VF und Breite B_VF, einem Schienensteg der Höhe H_VS und Breite B_VS sowie einem Schienenkopf der Höhe H_VK und Breite B_VK, das Schienenprofil mit unterschiedlichen Parametern modelliert und das am wenigsten Lärm emittierende Schienenprofil ausgewählt wird, wobei a. das Schwingungsverhalten der unterschiedlichen Profile auf einem Gleisbett mit Schotteroberbau und Schwellen oder auf einer Festen Fahrbahn insbesondere im Hinblick auf die horizontale Schwingung des Schienenstegs und der Querschnittverformung simuliert und analysiert wird, wobei die Schwingungsanregung durch Kräfte in vertikaler, horizontaler und longitudinaler Richtung auf den Schienenkopf an mindestens drei räumlich getrennten Angriffspunkten erfolgt, wovon mindestens einer über einem Stützpunkt der Schiene und mindestens zwei weitere zwischen zwei Stützpunkten liegen, b. die im Schritt a) ermittelten Profile mit dem geringsten lärmrelevanten horizontalen Schwingungsanteil hinsichtlich der Rad-Schiene-Wechselwirkung analysiert werden, indem die durch mindestens ein Standard-Radprofil auf die Schiene ausgeübte Normalkraft berechnet wird, c. die im Schritt b) ermittelten Schienenprofile, die eine im Akzeptanzbereich liegende Normalkraft aufweisen, einer akustischen Frequenzbewertung unterzogen werden, der Summenpegel berechnet wird und ein akustischer Gesamt-Kennwert für jedes Schienenprofil ermittelt wird, d. die Kennwerte der ermittelten Schienenprofile mit den Kennwerten der Standard-Vignolschiene verglichen werden und diejenigen Profile bevorzugt werden, deren simulierte Lärmemission am wenigsten vom menschlichen Gehörsinn wahrgenommen werden.
Computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils gemäß Anspruch 1, wobei die Schienenkopfbreite B_K sowie die Schienenfußbreite B_F unverändert zum Standardprofil der Vignolschiene gehalten werden und nur die Parameter H_F, H_S, H_K und B_S variiert werden.
Computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils gemäß mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die longitudinale Ausbreitung der Schwingungen entlang der Schiene berücksichtigt wird,
Computerimplementiertes Verfahren zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils gemäß Anspruch 3, wobei die longitudinale Ausbreitung der Schwingungen entlang der Schiene insbesondere für höhere Schwingungsfrequenzen in einem unendlich langen oder einem bezüglich der Randbedingungen geschlossenen Schienenmodell simuliert wird.
Schiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge, insbesondere Eisenbahnfahrwege, bestehend aus einem Schienenfuß der Höhe H_F, einem Schienensteg der Höhe H_S, einem Schienenkopf der Höhe H_K und einer Schienenkopfbreite B_K, wobei sich die Gesamthöhe der Schiene H als Summe von H_F, H_S und H_K ergibt, wobei sich die Breite des Schienenkopfes B_K nicht von der Breite des Schienenkopfes des Normprofils einer Vignolschiene B_VK unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H größer oder gleich der Höhe Hv des Normprofils einer Vignolschiene mit Schienensteghöhe H_VS und Schienenkopfhöhe H_VK ist und das Schienenprofil so gewählt ist, dass H_S < H_VS und gleichzeitig H_K > H_VK und H_F > H_VF, so dass der Schwerpunkt des Schienenkopfes einen geringeren Abstand zum Schwerpunkt des Schienenfußes aufweist als beim Normprofil der Vignolschiene und die notwendigen geometrischen Randbedingungen erfüllt werden.
Schiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge gemäß Anspruch 5, wobei die Breite des Schienenstegs B_S größer ist als die Breite B_VS des Normprofils einer Vignolschiene.
Schiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge gemäß mindestens einem der vorgenannten Ansprüche 5 und 6, wobei der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Schienenkopfes und dem Schwerpunkt des Schienenfußes weniger als 80 % der Gesamtschienenhöhe H beträgt.
Datenträger mit darauf gespeicherten Daten oder für die Übersendung über ein Datennetz geeignete, Daten repräsentierende Signalfolge, wobei die Daten ein Programm zur Berechnung eines hinsichtlich reduzierter Lärmemission optimierten Schienenprofils einer Vignolschiene für Fahrwege spurgebundener Fahrzeuge, insbesondere Eisenbahnfahrwege, bestehend aus einem Schienenfuß der Höhe H_F und Breite B_F, einem Schienensteg der Höhe H_S und Breite B_S, sowie einem Schienenkopf der Höhe H_K und Breite B_K, darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm so ausgebildet ist, dass ausgehend vom Normprofil einer Vignolschiene mit einem Schienenfuß der Höhe H_VF und Breite B_VF, einem Schienensteg der Höhe H_VS und Breite B_VS sowie einem Schienenkopf der Höhe H_VK und Breite B_VK, das Schienenprofil mit unterschiedlichen Parametern modelliert und das am wenigsten Lärm emittierende Schienenprofil ausgewählt wird, wobei a. das Schwingungsverhalten der unterschiedlichen Profile auf einem Gleisbett mit Schotteroberbau und Schwellen oder auf einer Festen Fahrbahn insbesondere im Hinblick auf die horizontale Schwingung des Schienenstegs und der Querschnittverformung simuliert und analysiert wird, wobei die Schwingungsanregung durch Kräfte in vertikaler, horizontaler und longitudinaler Richtung auf den Schienenkopf an mindestens drei räumlich getrennten Angriffspunkten erfolgt, wovon mindestens einer über einem Stützpunkt der Schiene und mindestens zwei weitere zwischen zwei Stützpunkten liegen, b. die im Schritt a) ermittelten Profile mit dem geringsten lärmrelevanten horizontalen Schwingungsanteil hinsichtlich der Rad-Schiene-Wechselwirkung analysiert werden, indem die durch mindestens ein Standard-Radprofil auf die Schiene ausgeübte Normalkraft berechnet wird, c. die im Schritt b) ermittelten Schienenprofile, die eine im Akzeptanzbereich liegende Normalkraft aufweisen, einer akustischen Frequenzbewertung unterzogen werden, der Summenpegel berechnet wird und ein akustischer Gesamt-Kennwert für jedes Schienenprofil ermittelt wird, d. die Kennwerte der ermittelten Schienenprofile mit den Kennwerten der Standard-Vignolschiene verglichen werden und diejenigen Profile bevorzugt werden, deren simulierte Lärmemission am wenigsten vom menschlichen Gehörsinn wahrgenommen werden.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einem Computernetzwerk ausgeführt wird.