DE19539590A1 - Verfahren zum Reprofilieren auftraggeschweißter Rillenschienen - Google Patents

Description

Im Nahverkehrsbereich werden zur Führung schienengebundener Transportmittel insbesondere von Straßenbahnen, Rillenschienen eingesetzt. Diese unterliegen auf­ grund der meist starren Fahrzeugachsen und infolge der während des Fahrbetriebes wirkenden Kräfte, z. B. von Zentrifugalkräften bei Kurvenfahrten, an ihren Fahrkanten einem mehr oder weniger starken Verschleiß. Ein maximaler Verschleiß von ca. 15 mm in seitlicher Richtung und 20-25 mm von der Oberfläche des Schienenkopfes nach unten führt im Regelfall zum Auswechseln des verschlissenen Schienenberei­ ches.

Um jedoch die Nutzungsdauer der eingesetzten Rillenschienen zu erhöhen, wird auf den Austausch geschädigter Schienenstücke verzichtet, und es erfolgt eine Regenerie­ rung der geschädigten Bereiche durch Auftragschweißen. Dafür werden sowohl das Lichtbogenhandschweißen als auch die mechanisierten Verfahren Metallschutzgas- und UP-Schweißen eingesetzt, letztere besonders aus Gründen der Produktivität und der Arbeitserleichterung. Spezielle Gerätetechniken zur Durchführung der mechani­ sierten Schweißverfahren wurden entwickelt, die zur Regenerierung verschlissener Ril­ lenschienen auf der Strecke und während des Fahrbetriebes der Nahverkehrsmittel eingesetzt werden (Z. "ZIS-Mitteilungen", 28 (1986) H. 2, S. 237-242). in DD 2 37 130 wird unter besonderer Berücksichtigung des mechanischen Aufbaus und der Führung im Schienenstrang ebenfalls ein spurgeführtes Auftragschweißgerät beschrieben, das aus Effektivitätsgründen zur Regenerierung von Rillenschienen für Straßenbahnschie­ nen Verwendung findet.

Um die Funktion derartig auftraggeschweißter Rillenschienen zu gewährleisten, ist eine Nachbearbeitung bzw. Reprofilierung der aufgetragenen Flächen erforderlich. Mittels separater Schleifeinrichtungen, die in ihren Ausführungen unterschiedlich gestaltet sind, werden die beim Auftragschweißen anfallende und in ihrer Geometrie unregelmä­ ßige Nahtüberhöhung und der Nahtüberhang abgeschliffen. Aufgrund des z. T. großen Nahtüberhanges sind hohe Schleifkräfte erforderlich, die wiederum einen sehr hohen Geräuschpegel zur Folge haben (100-105 dB). Die fahrbaren Schleifvorrichtungen werden von Hand auf dem Schienenstrang bewegt, und die notwendige Schleifkraft wird durch das Gewicht der Schleifeinrichtung, aber auch vom Bediener der Schleifein­ richtung durch Ausüben eines mit erheblicher Kraftanstrengung erzeugten zusätzlichen Anpreßdruckes bereitgestellt.

Sowohl das Auftragschweißen als auch das anschließende Reprofilieren durch Schlei­ fen erfolgt jeweils mit separater Gerätetechnik. Die Arbeitsprozesse laufen nacheinan­ der und zeitlich versetzt ab.

Zur Verringerung der notwendigen Nach- bzw. Schleifarbeiten bei der Reprofilierung der Rillenschienen wird daher versucht, das beim Auftragschweißen entstehende über­ flüssige und deshalb für die Funktion der Rillenschiene nicht notwendige Schweißgut durch formgerechtes, adaptives Auftragschweißen unter Nutzung von Sensoren zu mi­ nimieren. Gleichzeitig damit wurde in die neu entwickelte Gerätetechnik zum Rillen­ schienenauftragschweißen die gesamte erforderliche Meß-, Schweiß- und Schleiftech­ nik integriert, so daß für den kompletten Prozeß des Auftragschweißens mit anschlie­ ßender Reprofilierung der Rillenschiene durch Schleifen nur noch ein kompaktes Gerät mit zwei Arbeitsstationen zur Verfügung steht (Informationsblatt der SLV Halle GmbH: "Rillenschienenauftragschweißgerät mit integrierten Schleifköpfen", März 1995). Ein z. T. paralleler Ablauf der Arbeitsprozesse Schweißen und Schleifen ist möglich.

Die beschriebenen Einrichtungen zur Reprofilierung verschlissener und auftragge­ schweißter Rillenschienen haben aber die gemeinsamen Nachteile, daß das Schleifen im Vergleich zum Schweißen mit geringerer Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt werden muß und damit sehr zeitintensiv ist, und daß der abgegebene Geräuschpegel beim Schleifen die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte für nächtliche Arbeiten innerhalb von Wohngebieten überschreitet (auch bei der Variante mit minimierter Schweißguteinbringung). Die Arbeit mit der Gerätetechnik wird dadurch auf den Tag­ bereich eingeschränkt und vorhandene Produktivitätsvorteile können nicht genutzt wer­ den. Der Schleifprozeß ist außerdem mit der Entwicklung von Stäuben verbunden, die eine Umweltbelastung, besonders in Verbindung mit Feuchtigkeit, darstellen. Nicht zu vernachlässigen ist der hohe und damit kostenwirksame Verschleiß an Schleifschei­ ben.

Zum Bearbeiten und Profilieren von Bauteilen und Halbzeugen aus Metallen ist das Schleifen eines von mehreren aus der Praxis bekannten Verfahren. Bekannterweise werden auch die thermischen Schneidverfahren dazu genutzt. So wird z. B. die Naht­ vorbereitung an ebenen oder gekrümmten metallischen Bauteilen zum Schweißen durch Brennschneiden vorgenommen. Dabei spielt es keine Rolle, ob als Schneidver­ fahren das konventionelle autogene Brennschneiden oder das moderne Plasma­ schneiden eingesetzt wird. Mit beiden Verfahren ist es möglich, sowohl senkrechte als auch geneigte und mit einer Fase versehene Schnitte auszuführen. Die Kombination mehrerer Brenner mit unterschiedlichen Arbeitswinkeln ist möglich (J. Ruge: Handbuch der Schweißtechnik, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1974, S. 336).

Als thermisches Verfahren zur Oberflächenbearbeitung metallischer Bauteile ist eben­ falls das Flammschälen bekannt, vorzugsweise zur Bearbeitung rotationssymmetri­ scher Teile (Schlebeck, Anacker, Lambert: Flammschälen - ein neues Fertigungsver­ fahren, ZIS-Mitteilungen, 6 (1964) H. 1, S. 30-49). Metallisch blanke Oberflächen sind damit möglich. Verfahrensvarianten sind das Flämmen und Fugenhobeln, auch unter Verwendung eines Plasmastrahls (Remmel, Koetting: Joint gouging using the plasma arc, Svetsaren, English Edition, Bd. 45 (1991) H1, S. 29-31).

Die Geometrie der Schnittfläche und die nach der Bearbeitung gewünschte Bauteilform lassen sich durch die Wahl geeigneter Schneiddüsen und Brennerstellungen bestim­ men.

Nicht bekannt ist der Einsatz dieser thermischen Trenn- bzw. Bearbeitungsverfahren für die Profilierung auftraggeschweißter Flächen und speziell bei der Reprofilierung von auftraggeschweißten Rillenschienen.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, ein nach dem Auftragschweißen verschlissener Ab­ schnitte von Fahr- und Leitkantenflanken sowie Schienenköpfen an Rillenschienen er­ forderliches Reprofilieren technisch sinnvoll und wirtschaftlich durchzuführen, bei Ver­ meidung der für mechanische Reprofilierungsverfahren bekannten Nachteile.

Dies wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bearbeitung zur Reprofilierung der mit Übermaß auftraggeschweißten Schienenabschnitte unüblicherweise mit dem Plasmastrahl durchgeführt wird, in der Art, daß in einem ersten Schritt die Fahr- oder Leitkantenflanke von einem ersten Plas­ mabrenner formgerecht bearbeitet und daß in einem zweiten Schritt die Anfasung des Schienenkopfes durch einen zweiten Plasmabrenner durchgeführt wird.

Ein weiteres die Erfindung kennzeichnendes Merkmal sieht vor, daß der erste Plasma­ brenner stechend oder schleppend in einem Winkel von 30° bis 150° zu seiner Bewe­ gungsrichtung und mit einer dem Profil der Fahrkantenflanke angepaßten Neigung in einem Winkel von 4° bis 10° eingestellt wird.

Der Erfindung zufolge wird der zweite Plasmabrenner in der Horinzontalen rechtwinklig zu seiner Bewegungsrichtung und in der Senkrechten um einen Winkel von 30° bis 60° in Richtung der äußeren Fahrkantenflanke eingestellt.

Kennzeichend für das Verfahren ist weiterhin, daß die formgerechte Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanken sowie des Schienenkopfes mit für das Plasmaschneiden üblichen Bearbeitungsgeschwindigkeiten von 0,50 bis 1 ,00 m/min, aber mit ansonsten unüblichen Prozeßparametern als Plasmaschälen durchgeführt wird. Ein weiteres we­ sentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke sowie des Schienenkopfes mittels Plasmaschälen in der Art durchge­ führt wird, daß während des Schälprozesses der Querschnitt des Plasmastrahls voll­ ständig oder teilweise auf das mit einem beim Auftragschweißen vorgewählten Über­ maß aufgetragene Material auftrifft und dieses definiert und formgerecht abgetragen wird.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Verfahrensschritte zur Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke sowie der Anfasung des Schienen­ kopfes zeitlich von einander getrennt, bei Verwendung ebenfalls getrennter Geräte­ techniken durchgeführt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Verfahrensschritte zur Be­ arbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke sowie der Anfasung des Schienenkopfes pa­ rallel oder nur geringfügig zueinander zeitlich versetzt durchgeführt werden, wobei die beiden Plasmabrenner eine Geräteeinheit bilden. Erfindungsgemäß ist durch ein weite­ res Merkmal vorgesehen, daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Plasmabrenner zwischen 250 und 500 mm eingestellt wird, sofern die Plasmabrenner eine Geräteeinheit bilden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf überraschend einfache, jedoch wir­ kungsvolle Weise eine technisch sinnvolle und wirtschaftliche Reprofilierung auftragge­ schweißter Rillenschienen möglich. Das bisher für derartige Anwendungsfälle nicht eingesetzte Plasmaschneiden und insbesondere die Nutzung des durch Verfahrens­ modifizierung technisch anwendbaren Plasmaschälens in Verbindung mit den erfin­ dungsgemäßen Merkmalen bietet dafür die notwendigen Vorausetzungen. Mit der Ver­ wendung eines thermischen Bearbeitungsverfahrens ist außerdem der Vorteil gekop­ pelt, die dem Verschleiß unterliegenden Rillenschienenbereiche gezielt einer in den Bearbeitungsablauf intergrierten Wärmebehandlung zu unterziehen. Durch die Wahl der geometrischen und prozeßspezifischen Parameter kann der Wärmeeintrag in die mit dem Plasmaschälen zu bearbeitenden Abschnitte der Rillenschiene so beeinflußt werden, daß ihre anschließende Abkühlung auf Umgebungstemperatur an der stehen­ den Luft oder unterstützt durch eine nachlaufende, angepaßte Luft- oder Flüssigkeits­ dusche zu einer dem künftigen Verschleiß vorbeugenden Oberflächenhärtung führt. Insbesondere der beim Einsatz von gleichzeitig 2 in einer Bearbeitungseinheit ange­ ordneten Plasmabrennern variable Brennerabstand ermöglicht es, ein gleichmäßiges Aufheizen der zu härtenden Rillenschienenabschnitte durch eine gezielte Überlage­ rung des Wärmeeintrages zu erreichen, wodurch wiederum die Einhärttiefe eingestellt werden kann.

Die mit der Erfindung erzielten weiteren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß

• - ein gleichmäßiges Abtragen des aufgetragenen überschüssigen Zusatzwerkstof­ fes bei Gewährleistung des erforderlichen Schienenprofils durch den Einsatz von 2 Brennern erfolgt.
• - eine gegenüber dem bisher zur Reprofilierung eingesetzten Schleifen wesentlich höher Bearbeitungsgeschwindigkeit mit großer Konstanz möglich wird. Sie beträgt etwa das zwei- bis dreifache und übersteigt auch die beim Auftragschweißen er­ reichte Geschwindigkeit.
• - die Gerätemobilität aufgrund des verringerten Gewichtes durch den Wegfall der Schleiftechnik erhöht wird.
• - die Lärmbelästigung um ein Vielfaches verringert wird, wodurch eine Reprofilie­ rung auch in bisher vorgeschriebenen Ruhezeiten möglich wird.
• - die Belästigung der Umwelt durch mechanische Stäube wegfällt.
• - der Werkzeugverschleiß durch eine längere Standzeit der Brennerdüsen im Ver­ gleich zur Lebensdauer der Schleifscheiben geringer wird.
• - die physische Belastung des Bedienpersonals bedeutend gemindert wird. Das Verfahren ist mit wesentlichen Arbeitserleichterungen verbunden.

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Zeichnungen für 2 Verfahrensvarianten näher erläutert werden.

Fig. 1 Rillenschienenprofil im Zustand

• a) neu
• b) verschlissen
• c) aufgetragen
• d) reprofiliert

Fig. 2 Positionierung der Plasmabrenner zur Reprofilierung von Rillenschienen

Fig. 3 Positionierung der Plasmabrenner zur Reprofilierung von Rillenschienen auf einem Geräteträger
Eine neue Rillenschiene 1 hat das in Fig. 1a dargestellte Schienenprofil. Diese Schie­ nenart wird vorzugsweise zum Betrieb von Nahverkehrsmitteln eingesetzt und weist nach einer gewissen Einsatzzeit einen mehr oder weniger großen Verschleiß vorzugs­ weise im Bereich der inneren Fahrkantenflanke 2 der Rillenschiene 1 auf (Fig. 1b). Verschleißerscheinungen können in Abhängigkeit von der Belastung der Rillenschiene 1 im Fahrbetrieb auch an der inneren Leitkantenflanke 3 oder am Schienenkopf 4 auf­ treten. Um die Liegezeit der Rillenschiene 1 zu erhöhen, wird sie durch mechanisiertes Auftragschweißen im verschlissenen Bereich regeneriert (Fig. 1c). Das mit Übermaß 6 und 7 aufgetragene Material 5 besitzt an der inneren Fahrkantenflanke 2 einen Naht­ überhang 6 von 2 mm und am Schienenkopf 4 eine Nahtüberhöhung 7 von 2 mm. Die Übermaße 6 und 7 sind erforderlich, um mit der anschließenden Reprofilierung das verlangte Schienenprofil (Fig. 1d) der Rillenschiene 1 zu erreichen.

Zur Reprofilierung einer nach Fig. 1c aufgetragenen Rillenschiene 1 werden 2 mecha­ nisch von einander getrennte und auf verschiedenen Antriebseinheiten befindliche Plasmabrenner 8 und 9 eingesetzt (Fig. 2). Der erste und damit vorlaufende Plasma­ brenner 8 wird mit 30° "schleppend" zur Fahrtrichtung des Plasmabrenners 8 (Fig. 2a) und mit 7° zur Senkrechten in Richtung der äußeren Fahrkantenflanke 10 (Fig. 2b) po­ sitioniert. Der Plasmastrahl selbst wird von einer für das Plasmatrennen üblicherweise eingesetzten Gerätetechnik erzeugt. Als Arbeitsgas wird Druckluft verwendet. Während die Bearbeitungsgeschwindigkeit von 0,60 m/min der des Plasmatrennens bei vergleichbarer Schneiddicke entspricht, werden die Strom- und Spannungswerte so gewählt, daß der Effekt des Plasmaschälens erzielt wird. Durch die über die zwei Anstellwinkel festge- legte Positionierung des Plasmabrenners 8 in Zusammenwirkung mit den eingestellten Prozeßparametern wird gewährleistet, daß das Aufschmelzen des Schienengrundes 11 minimiert und der Schneidaustrieb von der Schneidfront weggeblasen wird.

In einem zweiten Arbeitsschritt wird durch den zweiten Plasmabrenner 9 der Übergang zwischen Fahrkantenflanke 2 und Schienenkopf 4 winkelgerecht erzeugt. Dazu wird der Plasmabrenner 9 mit einem Winkel von 45° zur Senkrechten (Fig. 2c) und in der Horizontalen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung (Fig. 2d) positioniert, unter Verwen­ dung der auch für den Plasmabrenner 8 relevanten Prozeßparameter. Damit wird die Reprofilierung der Rillenschiene 1 in zwei Arbeitsschritten durchgeführt. Die zeitliche Aufeinanderfolge der Arbeitsschritte 1 und 2 hängt davon ab, inwieweit eine Wärme­ überlagerung zur Erzielung einer den Verschleiß hemmenden Oberflächenbehandlung der inneren Fahrkantenflanke 2 wünschenswert ist.

In einer zweiten Verfahrensvariante befinden sich die Plasmabrenner 8 und 9 auf einem gemeinsamen Geräteträger (Fig. 3). Der Abstand zwischen den Plasmabren­ nern 8 und 9 beträgt 300 mm. Winkelstellungen der Plasmabrenner 8 und 9 und Pro­ zeßparameter zur Reprofilierung der aufgetragenen Rillenschiene 1 unterscheiden sich nicht oder nur unwesentlich von denen der ersten Verfahrensvariante, jedoch erfolgt die Bearbeitung der Rillenschiene 1 durch die Plasmabrenner 8 und 9 annähernd zeit­ gleich und parallel. Durch die Veränderung des Abstandes zwischen den Plasmabren­ nern 8 und 9 kann durch die gezielte Überlagerung der entstehenden zwei Wärmefel­ der die Härte an der inneren Fahrkantenflanke 2 sowie die Einhärttiefe bestimmt wer­ den. Mit den für die zweite Verfahrensvariante angegebenen geometrischen und technologischen Daten ergibt sich an der inneren Fahrkantenflanke 2 eine Härte von 400 HV3 bei einer Einhärttiefe von 0,50 mm.

Eine mögliche Ausführungsform innerhalb der Verfahrensvarianten 1 und 2 besteht auch darin, daß die Plasmabrenner 8 und 9 derart ausgetauscht werden, daß der Plasmabrenner 9 zur Herstellung des Überganges Schienenkopf 4 / innere Fahrkan­ tenflanke 2 der vorlaufende und der Plasmabrenner 8 zur Bearbeitung der Fahrkanten­ flanke 2 der nachlaufende ist.

Bezugszeichenliste

1 Rillenschiene
2 innere Fahrkantenflanke
3 innere Leitkantenflanke
4 Schienenkopf
5 aufgetragenes Material
6 Übermaß; Nahtüberhang
7 Übermaß; Nahtüberhöhung
8 1. Plasmabrenner
9 2. Plasmabrenner
10 äußere Fahrkantenflanke
11 Schienengrund

Claims (8)

1. Verfahren zum Reprofilieren von vorzugsweise im Kurven-, Weichen- und Kreu­ zungsbereich verschlissenen und durch Auftragschmelzschweißen regenerier­ ten Abschnitten der Fahr- und Leitkanten sowie des Schienenkopfes von Rillen­ schienen, insbesondere für Nahverkehrsmittel, unter Verwendung eines vom thermischen Trennen her bekannten Plasmastrahls, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bearbeitung zur Reprofilierung der mit Übermaß (6) und (7) auftraggeschweißten Abschnitte einer Rillenschiene (1) unüblicherweise mit dem Plasmastrahl durchgeführt wird, in der Art, daß in einem ersten Schritt die Fahr- oder Leitkantenflanke (2) oder (3) von einem ersten Plasmabrenner (8) formgerecht bearbeitet und daß in einem zweiten Schritt die Anfasung des Schienenkopfes (4) durch einen zweiten Plasmabrenner (9) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der er­ ste Plasmabrenner (8) stechend oder schleppend in einem Winkel von 30° bis 150° zu seiner Bewegungsrichtung und mit einer dem Profil der Fahrkantenflan­ ke (2) angepaßten Neigung in einem Winkel von 4° bis 10° eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Plasmabrenner (9) in der Horizontalen rechtwinklig zu seiner Bewe­ gungsrichtung und in der Senkrechten um einen Winkel von 30° bis 60° in Rich­ tung der äußeren Fahrkantenflanke (10) geneigt eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die formgerechte Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke (2) oder (3) sowie des Schienenkopfes (4) mit für das Plasmaschneiden üblichen Bearbeitungsge­ schwindigkeiten von 0,50 bis 1,00 m/min, aber mit ansonsten unüblichen Pro­ zeßparametern als Plasmaschälen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die formgerechte Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke (2) oder (3) sowie des Schienenkopfes (4) mittels Plasmaschälen derartig durchgeführt wird, daß während des Schälprozesses der Querschnitt des Plasmastrahls vollständig oder teilweise auf das mit einem beim Auftragschweißen vorgewählten Über­ maß (6) und (7) aufgetragene Material (5) auftrifft und dieses definiert und formgerecht abgetragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke (2) oder (3) sowie der Anfasung des Schienenkopfes (4) zeitlich von einander ge­ trennt, bei Verwendung ebenfalls getrennter Gerätetechniken durchgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Bearbeitung der Fahr- oder Leitkantenflanke (2) oder (3) sowie der Anfasung des Schienenkopfes (4) parallel oder nur geringfü­ gig zueinander zeitlich versetzt, bei Verwendung einer gemeinsamen Geräte­ technik durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Plasmabrenner (8) und (9) im Bereich von 250 bis 500 mm eingestellt wird.