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Verfahren zur Vermeidung von Schienenriffeln-und Einrich-
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tungen zur Durchführung der Verfahren Die Erfindung bezieht sich auf
Verfahren zur Vermeidung von Schienenriffeln und Einrichtungen zur Durchführung
der Verfahren.
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Die Schienenriffeln in Eisenbahngleisen, über die zum erstenmal Ende
der neunziger Jahre des vorigen Jahrhunderts und inzwischen sehr häufig berichtet
wurde und deren Erforschung heute auch Gegenstand staatlich geförderter Forschungsbemühungen
ist, sind die Quelle einer starken Geräuschabstrahlung bei der Befahrung der Gleise.
Die mechanischen Erschütterungen, die dabei hervorgerufen werden, führen darüber
hinaus zu einer raschen Lockerung der Schienenbefestigung und zu starker Materialbeanspruchung.
Das Abschleifen der Schienenriffeln ist kostspielig und verhindert nicht das neuerliche
Auftreten der Schienenriffeln.
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Seit dem Bekanntwerden der Schienenriffeln wurden Mittel und Wege
gesucht, Schienenriffeln gar nicht erst entstehen zu lassen. Durch die Veröffentlichungen
[1,2,3] und die DT-AS 22 10 581 ist bekannt, daß hochfrequente Ultraschallschwingungen
eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung
der Schienenriffeln spielen.
In Schienenquerrichtung stehende Ultraschallwellen sind die Ursache der äquidistanten
"weißen" Längsstreifengruppen, als die sich die Schienenriffeln zunächst darstellen.
Die Längsstreifen erscheinen, aus geeigneter Richtung betrachtet, weiß, weil diese
Stellen offenbar einer geringeren Korrosion unterliegen und einfallendes Licht besser
reflektieren als benachbarte Stellen der Schienenfahrfläche. Die weißen Längsstreifen
dürften Reibmartensitschichten darstellen, sie wachsen durch viele Überrollungen
langsam in Querrichtung zusammen und werden wegen ihrer geringeren Korrosion und
größeren Härte weniger abgetragen. An ihrer Stelle bildet sich ein Riffelberg aus,
während die weniger harte dunkelbleibende Stelle stärkeren Korrosionsangriffes zum
Riffeltal wird.
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Ein Weg, die Riffelbildung zu vermeiden, stellt die ultraschallschwächende
Ausführung des Schienenkopfs und/oder die Ankopplung ultraschallabsorbierender Werkstoffe
an den Schienenkopf dar, wie sie in der obengenannten DT-AS 22 10 581 beschrieben
sind.
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In den Veröffentlichungen [1,2,3] wurde gezeigt, daß auf Eisenbahnrädern
entstehende Riffeln im Zusammenhang stehen müssen mit axialen Biegeeigenschwingungen
des Radkörpers. Auf einem Versuchs-Rollstand hatten sich bei jeweil; bestimmten
Geschwindigkeiten, die längere Zeit eingehalten
wurden, Radriffeln
ausgebildet, die in ihren Abständen den jeweils gefahrenen Geschwindlgkeiten proportional
waren. Das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Riffelabstand konnte als Eigenfrequenz
der axialen Blegeeigenschwingung gedeutet werden Es liegt nun einerseits nahe anzunehmen,
daß auch die AbstAnde der Schienenriffeln, wie sie in geraden oder nur schwach gekrümmten
Streckenabschnitten vorkommen, durch axiale Biegeeigenschwingungen der darüberrollenden
Eisenbahnrader bestimmt sind Andererseits sollte aber wegen der unterschiedlichen
Geschwindigkeit, mit der Eisenbahnräder über die gleichen Schienen rollen - man
denke an schnelle Reisezüge und langsame Güterzüge oder an auf freier Strecke anhaltende
und anfahrende Züge -, die Ausprägung diskreter Schienenriffeln unterbleiben. Hier
ist nun die Tatsache bedeutsam, daß - wie in [4] beschrieben -auf allen Strecken,
den langsamer wie den schneller befahrenden Strecken, ein gleicher durchschnittlicher
Riffelabstand von etwa 4,3 em gefunden wurde. Dies ist mit der Vorstellung der Erzeugung
der Schienenriffeln durch axiale Biegeeigenschwingungen des Eisenbahnrades nur dann
vereinbar, wenn man annimmt, daß die Riffeleinprägung bei einer bestimmten - relativ
niedrigen - Geschwindigkeit stattfindet. Diese Geschwindigkeit sollte, wenn man
von der in [5] angegebenen Grundfrequenz des ruhenden Eisenbahnrades
von
340 Hz ausgeht, bei etwa 340 [Hz]. 4,3 [cm] = 14,6 m/s = 52,5 km/h liegen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und
Einrichtungen zu schaffen, mit denen die Entstehung von Schienenriffeln vermieden
wird.
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Der Grundgedanke der erfinderischen Überlegungen ist, daß in der Umgebung
der vorgenannten Geschwindigkeit eine große Schwingungsamplitude zwischen Rad und
Schiene auftreten kann, hervorgerufen durch Resonanz einer Gleiseigenschwingung
oder einer Achswellenbiegeeigenschwingung mit einer Schwingung geschwindigkeitsproportionaler
Frequenz, die unter der gegebenen Voraussetzung nichtlinearer Kontaktkräfte die
Folge einer beim rollenden Rad auftretenden Schwebung ist.
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Eine Schwebung des Rades ergibt sich dann, wenn eine Eigenfrequenz
des ruhenden Rades proprotional zur Rollgeschwindigkeit in eine geringere und eine
größere Frequenz aufspaltet. Dieser Vorgang ist so zu verstehen, daß beim Rad die
Radkranibiegeschwingung aus zwei in verschiedener Richtung das Rad umlaufenden Radkranzbiegewellen
zusammengesetzt zu denken ist. Beim ruhenden Rad besitzen beide fortschreitenden
Wellen die gleiche Frequenz; bei rollendem Rad erfährt die im Drehsinn des Rades
fortschreitende Welle eine
Frequenzvergrößerung und die gegen den
Drehsinn fortschreitende Welle eine Frequenzverkleinerung jeweils vom gleichen Betrag
#f. Der Betrag ist außer von der Rollgeschwindigkeit v vom Laufkreisumfang u und
der auf den Ruhezustand bezogenen Zahl von Knotendurchmessern (n=2,3,...) des Eisenbahnrades
abhängig, er ist in der Veröffentlichung [6] angegeben zu:
Die Überlagerung beider fortschreitender Wellen ergibt jeweils am Ort der Berührungsfläche
eine Schwebung mit dem erwähnten Betrag Af als Schwebungsfrequenz. Die nichtlinearen
Kontaktkräfte zwischen Rad und Schiene lassen die obengenannte Resonanz bei einer
Frequenz erwarten, die doppelt so groß wie #f ist.
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Eine Berechnung mit Gleichung (1) zeigt, daß bei dem normalen Eisenbahnrad
von 92 cm Laufkreisdurchmesser, bei der Grundfrequenz der axialen Radkranzbiegeschwingung
(n = 2) und einer Rollgeschwindigkeit von 57 km/h = 15,85 m/s 32 Hz ist:
worin 1,46 der zahlenmäßige Wert von H(n) für n = 2 ist.
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Die aus der Schwebung durch nichtlineare Kontaktkräfte entstehende
Schwingung besitzt also eine Frequenz von 2 . 32 Hz = 64 Hz. Für die Richtigkeit
des o. g. Grundgedankens der erfinderischen Überlegung spricht, daß einerseits 64
Hz als Durchschnittswert der Grundfrequenz des Gleises mit 65 cm Schwellenteilung
gefunden wurde [4] und daß andererseits die genannte Geschwindigkeit von 57 km/h
nahe bei der Geschwindigkeit von 52,5 km/h liegt, die sich als Produkt aus dem in
[5] angegebenen Riffelabstand und der Grundfrequenz des normalen Eisenbahnrades
ergab.
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Für die Richtigkeit der vorgenannten Überlegungen spricht außerdem,
daß sich auf Schienen Riffeln finden, die das Bild einer Schwebung aufweisen [6].
Dabei treten die Riffeln etwa mit dem o. g. Abstand von 4,3 cm klar ausgeprägt auf,
geraten aber periodisch ca. alle 25 cm "außer Tritt". Dieses stimmt qualitativ und
quantitativ mit dem Ergebnis einer Berechnung überein, die mittels einer aufgrund
vorgenannter Überlegungen abgeleiteten Formel für die Schwebungslänge S angestellt
worden ist:
Für ein normales Eisenbahnrad von 92 cm Laufkreisdurchmesser ergibt sich demnach
bei der Grundfrequenz der axialen Radkranzbiegeschwingung (n=2) mit null Knotenkreisen
eine Schwebungslänge von
wobei sich die Schwebung infolge der nichtlinearen Kontaktkräfte in halber Länge
von S - mit ca. 25 cm - auf der Schiene abbildet.
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Der erste von mehreren aus dem Vorstehenden sich ergebenden erfindungsgemäßen
Gedanken ist folgender: Unterdrückt man von den beiden obengenannten im und gegen
den Drehsinn fortschreitenden Radkranzbiegewellen mindestens eine, dann kann sich
keine Schwebung und damit keine Schwingung ausbilden, die mit der Eigenschwingung
des Gleises oder der Achswelle in Resonanz treten kann. Es gibt danach keine Resonanz-Geschwindigkeit,
bei der sich wegen relativ großer Bewegungsamplitude und damit großer Kontaktkräfte
zwischen Rad und Schiene diskrete Riffeln einprägen können.
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Die Riffelbildung wird, wenn nur solche Räder die Schiene überrollen,
gar nicht eintreten können.
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Die Frequenzunterdrückung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß
an sich bekannte [8], am Rad angreifende Resonanzabsorber auf die um die halbe Gleiseigenfrequenz
oder die halbe Achsbiegeeigenfrequenz vergrößerte oder verkleinerte Radkranzbiegeeigenfrequenz
des ruhenden Rades eingestellt werden, beispielsweise im Fall einer Radkranzbiegeeigenfrequenz
von 340 Hz und einer Gleiseigenfrequenz von 64 Hz auf
Ein zweiter erfindungsgemäßer Gedanke besteht in folgendem: Anstelle einer Unterdrückung
einer von den beiden möglichen in verschiedenem Sinne um das Eisenbahnrad umlaufenden
Radkranzbiegewellen wird eine der Biegewellen vorzugsweise angeregt, so daß die
jeweils andere Welle erst gar nicht entsteht. Zu der Anregung werden die Rayleighwellen
genutzt, die in der Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene bei den nichtlinearen
Vorgängen erzeugt werden und deren Wellenlänge klein gegen die Querschnittsabmessungen
des Radkranzes und insbesondere klein gegen den Raddurchmesser ist, und die sich
auf Stahlrädern mit einer Geschwindigkeit CR von 2950 m/s nur wenig gedämpft längs
der Radlauffläche ausbreiten. Da aus den Veröffentlichungen [1,2,3] bekannt ist,
daß der Wirkung Rayleighscher Oberflächenwellenimpulse periodische Verschleißerscheinungen
auf Radlaufflächen zugeordnet werden können, darf vielmehr auch eine Wechselwirkung
zwischen den tonfrequenten Biegewellen und
den ultraschallfrequenten
Rayleighwellen erwartet werden.
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Die Wechselwirkung wird dann besonders groß sein, wenn die Rayleighwellen-Impulsumlaufsfrequenz
gleich einer der beiden möglichen Radkranzbiegewellenfrequenzen oder gleich einem
kleinen ganzzahligen Vielfachen davon ist. Da die Biegewellenfrequenzen und die
Rayleighwellen-Impulsumlaufsfrequenz verschiedene Funktionen des Laufkreisdurchmessers
des Eisenbahnrades darstellen, führt die vorgenannte Bedingung zu einer Bestimmungsgleichung
für den jeweils - zur Riffelvermeidung - günstigsten Laufkreisdurchmesser d, wie
im folgenden und in der Veröffentlichung [6 ] explizit gezeigt.
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Setzt man beispielsweise die Rayleighwellen-Impulsumlaufsfrequenz
gleich dem Dreifachen der um die halbe Gleisgrundfrequenz fSm verminderten Grundfrequenz
f2 (2 Knotendurchmesser, null Knotenkreise) des Rades, dann ergibt sich daraus eine
Bestimmungsgleichung für den Durchmesser eines Rades, das in seinen übrigen Abmessungen
und in seinem Werkstoff dem "Normalrad" der meisten europäischen Eisenbahnen von
92 cm Laufkreisdurchmesser entspricht:
Setzt man in diese Gleichung empirische Werte ein, für 64 Hz und für f2 = 340 Hz,
so erhält man einen günstigen
Rqddurchmesser für das "Normalrak"
von ca. 85 cm, bei dem die umlaufenden Rayleighwellen eine der beiden Biegewellen
bevorzugt anregen. Im Vergleich dazu stellt sich das Rad mit 92 cm Laufkreisdurchmesser,
weil bei ihm die umlaufenden Rayleighwellenimpulse beide möglichen Biegewellen gleichstark
anregen - wie in [ 6 2 gezeigt wird -als die Bildung der Schienenriffeln besonders
fördernd dar.
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Dem Grundgedanken zur Riffelentstehung entsprechend können Schienenriffeln
erfindungsgemäß auch vermieden werden, wn die vorgenannten Gleis und/oder Achswellenoiege-Eigenschwingungen
unterdrückt werden. Das kann dadurch bewirk@ werden, daß am unabgefederten, nicht
rotierenden Teil des Radsatzlagers und oder am Gleis Resonanzabsorber angebracht
sind, deren Eigenfrequenz gleich einer der Aenswellemgiegeeigenfrequenzen und/oder
einer der Gleiseigenfrequenzen ist.
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Im Gleis wären die Resonanzabsorber beispielsweise an der Schiene
oder Schwelle oder an der Verbindungsstelle von Schiene und Schwelle anzubringen,
beim Fahrzeug wäre beispielsweise das nicht abgefederte Radsatzlager ein Angriffspunkt
des Resonanzabsorbers.
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Aus diesen Überlegungen ergibt sich ferner eine Empfehlung zur Fahrweise
auf den Eisenbahnstrecken, und zwar sollte der Geschwindigkeitsbereich, in dem sich
vorzugsweise Riffeln bilden, möglichst gemieden bzw. schnell durchfahren werden
Die in dieser Hinsicht "kritische" Geschwindigkeit VR ergibt sich aus vorstehenden
Überlegungen zu
wobei ggf. statt der Grundfrequenz fSm der Gleiseigenschwingung die Frequenz der
ersten Biegeeigenschwingung der Achswelle einzusetzen ist (die, wie empirisch gefunden
wurde, verschiedentlich übereinstimmen). Bei fSm = 64 Hz liegt demnach für ein Rad
mit einem Laufkreisdurchmesser von 0,92 m die riffelbildende Geschwindigkeit bei
ca. 15,5 m/s = 56 km/h.
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Zusammengefaßt ist also zu sagen: Die Aufgabe, ein Verfahren zur Vermeidung
von Schienenriffeln zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst - einzeln oder
in Kombination daß am Eisenbahnrad die um die halbe Achswellenbiegeeigenfrequenz
oder um die halbe Gleiseigenfrequenz vergrößerte oder verminderte Grundfrequenz
der axialen Biegeeigenschwingung des ruhenden Eisenbahnrades mit null Knotenkreisen
bevorzugt gedämpft oder/und die
jeweils andere der beiden Frequenzen
bevorzugt angeregt wird. Ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung der
vorliegenden Aufgabe besteht darin, daß am Radsatz, am unabgefederten Teil des Laufwerkes
und/oder am Gleis eine der Achswellenbiegeeigenschwingungen und/oder eine der Gleiseigenschwingungen
gedämpft wird. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren besteht darin, daß in dem
Geschwindigkeitsbereich, in dem sich vorzugsweise Riffeln bilden, Fahrten mit konstanter
Geschwindigkeit vermieden werden und daß dieser Geschwindigkeitsbereich beim Beschleunigen
und Verzögern schnell durchfahren wird. Die Aufgabe der Schaffung von Einrichtungen
zur Vermeidung von Riffeln wird in Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß an geeigneten Stellen des Radsatzes, des Laufwerkes und/oder
des Gleises Resonanzabsorber angebracht bzw. daß ohnehin notwendige Bauteile als
Resonanzabsorber ausgebildet sind. Eine besonders günstige erfindungsgemäße Einrichtung
stellt ein Eisenbahnrad dar, das unter Berücksichtigung seines Werkstoffes so dimensioniert
ist, daß die Umlauffrequenz der von der Berührungsfläche zwischen Rad und Schiene
ausgehenden Rayleighwellenimpulse gleich der um die halbe Achswellenbiegeeigenfrequenz
oder um die halbe Gleiseigenfrequenz vergrößerten oder verminderten Grundfrequenz
der axialen Biegeeigenschwingung des ruhenden Eisenbahnrades mit null Knotenkreisen
oder gleich einem kleinen ganzzahligen Vielfachen davon ist.
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Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen gehen, soweit sie nicht im
vorhergehenden beschrieben sind, aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung betrifft
Eisenbahnen im allgemeinen Sinne, also auch Straßen- und Untergrundbahnen.
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In Betracht gezogene Druckschriften: 1 Werner, K.: Riffeln und Grübehen
auf Roll- und Wälzkörpern - sind sie ultraschallbedingt? Eisenbahntechn.
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Rundschau Band 22 (1973), S. 142...149.
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2 Werner, K.: Radriffeln und periodischer Grübchenverschleiß bei Rollstandsversuchen
durch Wechselwirkungen mit tonfrequenten Eigenschwingungen und kohärenten Ultraschallfeldern.
Archiv für Eisenbahntechnik Folge 28 (1973), S. 1...27.
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3 Werner, K.: Corrugation and Pitting of Rolling Surfaces -Are they
contingent upon Ultrasonics? Wear 32 (1975), S. 233...248.
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4 Birmann, F.: Schienenriffeln, ihre Erforschung und Verhütung VDI-Z.
Band 100 (1958), S. 1251...1262 und S. 1453...1462.