DE3250083C2 - Gerichtete Eisenbahnschienen - Google Patents
Gerichtete EisenbahnschienenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf gerichtete Eisenbahnschienen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Herkömmliche Eisenbahnschienen aus üblichen oder extra-harten
Schienenstahllegierungen haben nach dem Richten hohe innere
Restspannungen, die auf folgende Ursachen zurückzuführen sind:
Nach dem Walzen wird die noch warme und gegenüber Verformungen
empfindliche Schiene einer Reihe von Handhabungen und
Behandlungen ausgesetzt wie beispielsweise dem Transport auf
Rollenstraßen, dem Trennen und Abschaben, die zu Formänderungen
führen können. Die Kühlung ist gleichfalls eine Ursache erheblicher
Formänderungen, obwohl alle Vorkehrungen getroffen werden, um
diese zu verringern oder zu vermeiden. Die ungleichmäßige Kühlung
der verschiedenen Teile der Schiene, deren Profil im Hinblick auf
seine beiden Hauptebenen nicht symmetrisch ist, führt dazu, daß die
aus dem Kühlbett herauskommende Schiene eine mehr oder weniger
deutliche Krümmung aufweist, die von den Abkühlbedingungen
abhängig ist. Die Länge der Fasern des Kopfes, Steges und des
Fußes der Schiene sind unterschiedlich. Unabhängig davon, welche
Vorkehrungen man für die Vermeidung oder Verringerung der durch
die Kühlung bedingten Krümmung trifft, ist es im industriellen
Maßstab unmöglich, am Ausgang des Kühlbetts 100% an Schienen
zu erhalten, die ausreichend gerade sind, um sie als fertige
Eisenbahnschienen ausliefern zu können. Die durch das
asymmetrische Profil bedingte, unvermeidbar ungleichmäßige
Kühlung der Schiene ist andererseits die Ursache für
Restspannungen, die die Ausbildung von Rissen begünstigen können,
wenn die Schiene sich auf dem Bahndamm befindet. Dies gilt
insbesondere für extra-harte Schienen, wie man sie für hochbelastete
Schienennetze verwendet (beispielsweise für Schienen im Bergbau
oder Schienennetze für den Transport von schweren Lasten).
Gegebenenfalls vor dem Durchlauf durch das Kühlbett
vorgenommene Wärmebehandlungen der Schienen, die sich auf das
gesamte Profil oder einen Teil davon erstrecken, vergrößern die
Gefahr von Verformungen und großen Restspannungen. Selbst
weniger strenge Vorschriften für die Herstellung der Schienen
ermöglichen es nicht mehr, die Schienen in einem Richtzustand
auszuliefern, wie er am Ausgang des Kühlbetts vorliegt, so daß es
unerläßlich ist, die Schienen zu richten. Bei jedem Richtvorgang ist
es erforderlich, das zu richtende Metall einer Spannung auszusetzen,
die oberhalb der Streckgrenze liegt, so daß die Schienen wenigstens
örtlich begrenzt im plastischen Bereich verformt werden.
Bis heute verwendet man zwei zum Stand der Technik gehörende
Richtmaschinen. Die älteste Richtmaschine ist eine Presse, in der ein
zu richtender Teil der Schiene auf Ambosse aufgelegt wird. Ein in
vertikaler Richtung beweglicher Pressenkolben, an dem ein den
Schienenabmessungen angepaßter Preßstempel befestigt ist,
verformt durch Druck den betreffenden Teil der Schiene und gibt ihm
eine entgegengesetzte Krümmung. Seitlich angeordnete Ambosse
und Kolben ermöglichen es nach dem selben Prinzip, die Schiene
auch seitlich zu richten. Die Bedienungsperson der Presse bestimmt
die zu richtenden Teile auf visuellem Wege und kontrolliert nach
jedem Pressenhub die erzielte Geradlinigkeit mit einem Lineal. Dieses
Richtverfahren, das eine erfahrene Bedienungsperson erforderlich
macht, bedingt für die verschiedenen Teile der Schiene eine Vielzahl
von Pressenhüben und ist gewaltsam und kostspielig. Das erzielte
Ergebnis entspricht nicht mehr den Anforderungen moderner
Schienennetze.
Im allgemeinen wird heutzutage die Presse nur mehr als Ergänzung
des Richtens durch eine Rollenrichtmaschine angewandt, die den
zweiten Typ der Richtmaschine darstellt. Diese Maschinen richten die
Schienen in Richtung einer oder zweier Ebenen für die
Trägheitsmomente der Schienen und besitzen im allgemeinen
zwischen fünf und neun Rollen. Zwischen diesen wird die Schiene
alternierend Verformungen in entgegengesetzter Richtung ausgesetzt.
Die oberen, angetriebenen Rollen bewegen die Schiene und
unterwerfen sie zusammen mit den unteren, nicht angetriebenen
Rollen den besagten entgegengesetzten Verformungen. In dem durch
die ersten drei Rollen gebildeten Dreieck wird der Schiene zur
Korrektur eine erste Verformung aufgezwungen, die von der
ursprünglichen Verformung unabhängig ist. Innerhalb des zweiten
Dreiecks, das durch die zweite, dritte und vierte Rolle gebildet wird,
erhält die Schiene eine zur ersten Verformung entgegengesetzte
Verformung. Die fünfte sowie die folgenden Rollen haben die
Aufgabe, die Schiene durch entsprechende alternierende
Verformungen gerade zu richten. Die Enden der Schiene sind auf
einer bestimmten Länge nicht gerichtet, die dem Achsabstand der
Rollen entspricht. Diese Enden müssen infolgedessen mittels einer
Presse gerichtet werden. Das mittels Rollen durchgeführte
Richtverfahren unterwirft bestimmte Fasern des Metalls nacheinander
Zug- und Druckspannungen. Am Ausgang der Rollenrichtmaschine
befindet sich der Steg der Schiene unter einer in Längsrichtung
verlaufenden elastischen Druckspannung, während Kopf und Fuß
unter einer in Längsrichtung verlaufenden Zugspannung stehen.
Diese inneren Spannungen sind auf das Richten durch Rollen
zurückzuführen. Unabhängig von anfänglichen Richtzustand der
Schienen am Ausgang der Kühleinrichtung unterliegen die Schienen
in den Rollenrichtmaschinen beträchtlichen Verformungen, die zu den
folgenden Nachteilen führen:
- - merkliche Verkürzung der Schiene,
- - Verringerung der Höhe des Schienenprofils,
- - Vergrößerung der Breite von Kopf und Fuß der Schiene,
- - systematische Unterschiede der Schienenabmessungen zwischen den nicht durch die Rollen bearbeiteten Enden und dem bearbeiteten Mittelstück der Schienen,
- - häufig auftretende Notwendigkeit, das Richten der Enden auf einer Presse zu beenden, was eine leichte Vieleckbildung an den Enden verursacht, wodurch es unmöglich ist, eine vollkommene Fortsetzung der Geradlinigkeit mit dem Mittelstück der Schiene zu erzielen,
- - bei allen Schienen systematische Erzeugung von Spannungen, die die Ausbreitung von Rissen begünstigen,
- - Gefahr der Entstehung von Sprödrissen in den Übergängen des Steges zum Kopf und zum Fuß. Es handelt sich um innere Risse, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind und ein potentielles Risiko schwerer Unfälle darstellen,
- - Gefahr der Entstehung sinus-ähnlicher Wellen mit mehr oder weniger großer Amplitude auf dem Schienenkopf aufgrund von schwer zu vermeidenden Exzentrizitäten der Rollen. Diese Wellen können bei hohen Fahrgeschwindigkeiten auf dem Schienenstrang eine mehr oder weniger große Unruhe verursachen.
Die Richtverfahren mittels Rollen, ggf. durch Richtverfahren mittels
Pressen ergänzt, ermöglichen die Einhaltung der heutzutage bei der
Schienenherstellung anzuwendenden Normen nur unter Inkaufnahme
einer äußersten Sorgfalt und hoher Herstellkosten. Die Norm UIC 860
schreibt beispielsweise eine Geradheit des Materials mit einer
maximalen Durchbiegung von 0,7 mm auf einer Länge von 1,5 m für
die Schienenenden vor, wobei die Geradlinigkeit im Hinblick auf den
Schienenkörper mit dem Auge beurteilt wird. Für Schienen, die für
Hochgeschwindigkeitsstrecken (T.G.V.) vorgesehen sind, auf denen
Züge mit einer Reisegeschwindigkeit von 260 km/h fahren
(Schienenstränge, auf denen eine Geschwindigkeit von 380 km/h
erreicht worden ist), werden die Vorschriften gemäß der Norm UIC
860 durch folgende zusätzliche Vorschriften ergänzt:
- - maximale Durchbiegung von 40 mm für Schienenlängen von 18 m und von 160 mm für Schienenlängen von 36 m,
- - senkrechte Amplitude der Wellen in der Schienenlauffläche kleiner als 0,3 mm,
- - horizontale Amplitude der querverlaufenden Wellen des Schienenkopfs kleiner als 0,5 mm,
- - Ausrichtung der Enden zum Mittelteil der Schiene in vertikaler Richtung, definiert durch eine maximale Auslenkung von 0,3 mm, gemessen mit einem Lineal von 3 m Länge, welches, ausgehend von den Enden, auf der Lauffläche aufliegt.
Die Erfindung dieser zusätzlichen Normen, die die Ausnutzung der
Rollenrichtmaschinen und der Pressen bis an die Grenze ihrer
Möglichkeiten erforderlich macht, erhöht die Kosten der
Richtbehandlung.
Es wurde bereits vorgeschlagen, irgendwelche Metallprofile durch
Ziehen zu richten (FR-PS 573 675 vom 23. 02. 1923). Bei diesem
bekannten Verfahren wird ein mehr oder weniger verformtes Profil
dadurch gerichtet, daß man es in der Weise streckt, daß seine Fasern
regelmäßig gelängt werden, bis die Streckgrenze des Metalls erreicht
und sogar überschritten wird. Man weiß auch, daß das Strecken eines
Metalls seine Härte erhöht, währenddessen die Eigenschaften der
Streckbarkeit und der Kerbzähigkeit durch merkliche Verformungen
beim Strecken verringert werden. Dabei ist es insbesondere die
Zähigkeit, die bei einer Eisenbahnschiene wichtig ist. Dies ist
vermutlich der wesentliche Grund, der den Fachmann bis heute daran
gehindert hat, das Verfahren des Streckens oder Ziehens beim
Richten der Schienen anzuwenden.
Aus wirtschaftlichen Gründen setzt man zunehmend Schienen aus
hartem Stahl ein, der schon aufgrund seiner Zusammensetzung
spröde ist und härtende Elemente enthält, darunter insbesondere
Kohlenstoff. Es ist bei dieser Art von Schienen festgestellt worden,
daß die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ermüdungsrissen
erhöht ist. Man weiß, daß das Phänomen der Werkstoffermüdung
dann entsteht, wenn die Restspannungen einen hohen Betrag
erreichen. Aus der nachfolgenden Tabelle ist zu entnehmen, daß bei
Schienen, die mittels Walzen gerichtet wurden, die inneren
Spannungen folgende Beträge erreichen:
Durch den Aufsatz von Schweitzer und Heller "Rißzähigkeit,
Eigenspannungen und Bruchsicherheit von Schienen", veröffentlicht
in "Tech. Mitt. Krupp Werksberichte", Bd. 39 (1981) Heft 1, S. 33 bis
41, ist es bekannt, Eisenbahnschienen mit Rollenrichtmaschinen zu
richten und die solcher Art gerichteten Schienen alternativ entweder
nachfolgend über sechs Stunden bei 550°C spannungsarm zu glühen
oder ohne Nachbehandlung aus der Walzhitze abzukühlen. Bei den
lediglich gerichteten Rollenmaschinen wurden sehr hohe
Längseigenspannungen am Schienenfuß sowie am Schienenkopf
beobachtet. Bei den unbehandelten Schienen wurden zwar wesentlich
geringere Längseigenspannungen gemessen, jedoch waren diese
Schienen für den Fahrbetrieb nicht brauchbar. Bei den gerichteten
und spannungsarm geglühten Schienen haben die Autoren
festgestellt, daß die Eigenspannungen nahezu oder tatsächlich gleich
Null sind, und daß derartige Schienen bei gleicher Rißtiefe eine
größere von außen aufgebrachte Spannung ertragen, bevor sie
spröde brechen. Es ist jedoch bekannt, daß beim Richten von
Schienen mittels Richtwalzen ungerichtete Schienenenden entstehen,
die abgetrennt werden müssen, und daß die Schienen nach dem
Spannungsarmglühen nicht mehr ausreichend gerade für den
Fahrbetrieb sind. Im Ergebnis kommen die Autoren zu dem Schluß,
daß sich damals die Forderungen nach ausreichender Geradheit der
Schienen und gleichzeitiger Freiheit von Eigenspannungen nicht
verwirklichen ließen. Damit war auch die Lösung der Aufgabe nicht
möglich, die Gefahr von Sprödbrüchen zu vermeiden, wenn man
Eisenbahnschienen ausreichender Geradlinigkeit erhalten wollte. Aber
auch dann war es noch erforderlich, die Schienenenden nach dem
Richten mittels Rollen abzutrennen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Eisenbahnschienen
anzugeben, die hohe Achslasten und/oder hohe
Fahrgeschwindigkeiten bei verringerter Gefahr einer Ausbildung von
Sprödbrüchen aushalten, insbesondere von Sprödrissen, die in den
Hohlkehlen an den Verbindungsstellen des Steges mit dem Fuß und
dem Kopf auftreten können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer
gerichteten Eisenbahnschiene mit den Merkmalen im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1.
Zum Unterschreiten der angegebenen Grenzwerte ist es mithin
erforderlich, daß man die Eisenbahnschienen einer Zugspannung
aussetzt, die oberhalb der 0,2%-Dehngrenze (Streckgrenze) des
Schienenstrahls liegt und eine vollständige plastische Verformung der
gesamten Schiene bewirkt.
Aufgrund dieser, vollständig im plastischen Bereich liegenden
Verformung der Schiene durch Zug werden durch den Richtvorgang
nicht nur keine zusätzlichen Restspannungen erzeugt, sondern
bereits vorhanden gewesene Restspannungen werden abgebaut.
Im Gegensatz zum Stande der Technik zeichnet sich die
erfindungsgemäß gerichtete Eisenbahnschiene durch folgende
Vorteile aus:
- - hohe Sicherheit gegen Sprödbruch,
- - keine Verkürzung der Schiene,
- - keine Verringerung der Höhe des Schienenprofils,
- - keine Vergrößerung der Breite von Kopf und Fuß der Schiene,
- - keine Unterschiede zwischen dem Schienen-Mittelstück und den Schienenenden,
- - kein zweiter Richtvorgang auf einer Presse,
- - keine Vieleckbildung an den Enden,
- - keine Gefahr der Entstehung sinusähnlicher Wellen mit mehr oder weniger großer Amplitude auf dem Schienenkopf aufgrund von schwer zu vermeidenden Exzentrizitäten der Rollen.
Anders ausgedrückt gewährleistet eine Restdehnung der Schiene von
0,3% nach der Aufhebung der Zugbelastung die vorstehend
angegebenen Vorteile. Die Absenkung der inneren Restspannungen
der Schiene auf niedrige Werte verbessert die Zähigkeit und das
Ermüdungsverhalten der Schiene. Wenn die Schiene auf dem
Bahnkörper liegt wird sie u. a. durch Spannungen beaufschlagt, die
von den langen geschweißten Schienensträngen sowie vom
Fahrverkehr herrühren. Solange, wie die Überlagerung dieser
Spannungen nicht die Grenze der Dauerfestigkeit überschreitet,
führen evtl. bereits vorhandene Anrisse in der Schiene nicht zu deren
Bruch. Daraus ergibt sich das Interesse an Schienen mit inneren
Restspannungen, die so gering wie möglich sind.
Es hat sich herausgestellt, daß die vorhandenen Restspannungen
nicht mehr merklich verringert werden können, sobald die Gesamtheit
des die Schiene bildenden Materials einer völlig plastischen
Verformung ausgesetzt worden ist. Infolgedessen ist es nicht
erforderlich, die Schiene solchen Zugspannungen auszusetzen, die zu
einer Restdehnung oberhalb 1,5% führend.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften einer solchen Eisenbahnschiene
sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
Eigenschaften und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden
anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den
Fig. 1-9 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schiene unter
Hervorhebung ihrer Einzelheiten wie der neutralen
Ebene XX′ (neutrale Faser) und ihrer vertikalen
Symmetrieebene YY′,
Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einer aus dem
Kühlbett kommenden Schiene,
Fig. 2b eine Seitenansicht der gleichen Schiene,
Fig. 3 ein Spannungs-Dehnungsdiagramm für Stahl, welches
die Kurve der Spannungen in Abhängigkeit von der
erzielten Dehnung zeigt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verringerung der
Restspannungen in den verschiedenen Teilen der
Schiene in Abhängigkeit von der Restdehnung ε,
Fig. 5 im oberen Bereich (eingerahmt) einen Schienen
abschnitt, der auf einer Länge L durch einen
Sägeschnitt eingeschnitten ist und für einen
Test zur Feststellung des Vorhandenseins
innerer Spannungen verwendet wird, sowie darunter
ein Diagramm, welches die Ergebnisse eines em
pirischem Vergleichs des Zustandes der Rest
spannungen aufgrund einer Durchtrennung des Steges
und der Auslenkung des Schienenkopfes am Schienen
ende darstellt, und zwar für ungerichtete, rollen
gerichtete und erfindungsgemäß gerichtete Schienen,
Fig. 6a und 6b die Bruchflächen einer naturharten Schiene B
nach UIC, die in bekannter Weise mittels Rol
len gerichtet wurde (Fig. 6a) sowie einer Schiene
der gleichen Stahlsorte, die durch Strecken
gerichtet wurde (Fig. 6b). Fig. 6b zeigt, daß
die Fläche des Ermüdungsbruchs vor dem Gewalt
bruch der gestreckten Schiene größer ist als
die Fläche des Ermüdungsbruchs einer mittels
Rollen gerichteten Schiene, die eine eindeutig
größere Sprödigkeit aufweist,
Fig. 7 Kurven 11 und 12 für die Rißbildung zum Ver
gleich der Ausbreitung von Rissen während der
Biege-Wechselfestigkeitstests von Schienen der
Stahlsorte extrahart-legiert (UIC naturhart,
Rm kleiner als 1100 N/mm2). Es ist zu erkennen,
daß das Ermüdungsverhalten der durch Strecken
gerichteten Schiene (Kurve 12) besser ist als
dasjenige der mittels Rollen gerichteten Schiene
(Kurve 11),
Fig. 8a, 8b, 8c, 8d Bruchflächen von vier Proben einer extraharten
legierten Schiene (Rm größer oder gleich 1080 N/mm2);
und zwar gerichtet durch Rollen,
durch Strecken, ungerichtet (unmittelbar aus
dem Kühlbett), und gerichtet durch Rollen
und nachfolgend durch Strecken. Daraus ist zu
ersehen, daß das beschriebene Verfahren des
Streckens jede Spur einer Sprödbrüchigkeit durch
Rissebildung beseitigt,
Fig. 9 die entsprechenden Kurven für die Rißbildung an
den Proben gemäß den Fig. 8a, 8b, 8c und 8d.
Eine Schiene 1, die aus einem Kühlbett austritt, weist
eine Linkskrümmung auf (Fig. 2a und 2b). Die Längen
der Fasern des Kopfes 2, des Stegs 3 und des Fußes 4 der
Schiene, die den Fasern CC′, AA′ und PP′ entsprechen, sind
voneinander verschieden. Es geht
darum, die Schiene an jedem ihrer Enden einer Zugspannung
auszusetzen, die für alle Fasern unter dem Einfluß einer
Zugspannung ε, die größer ist als die 0,2%-Dehn
grenze (in Fig. 3 bestimmt durch Rp 0,2), innerhalb
des vollständig plastischen Bereichs des betreffenden Schienen
stahls die gleiche Faserlänge herbeiführt. Der für diese
Maßnahme notwendige Dehnungsgrad muß für die am wenigsten
unter Spannung stehende Faser größer sein als der entsprechende
Dehnungsgrad am Knick bzw. Anfang des Fließens des Stahls.
Infolgedessen wird auf die zu richtende Schiene eine Zug
spannung zur Einwirkung gebracht, die größer ist als die
Dehngrenze, um auf diese Weise nach der Aufhebung
der Belastung eine bleibende Dehnung von mindestens 0,27%
zu erhalten. Diese geringe Restdehnung ermöglicht es, gerade
Schienen zu erhalten, wobei das Material weniger geschädigt
wird, als beim Richten durch Rollen. Da die Biegung der
Schienen über die gesamte Länge nicht immer gleichmäßig ist,
sind örtlich Krümmungsradien anzutreffen, die kleiner sind,
als die Gesamtkrümmung. Eine Restdehnung in der Größenordnung
von einigen zehntel Prozent ermöglicht die Beseitigung
sowohl scharfer als auch weniger scharfer Krümmungen.
Das Vorhandensein von inneren Spannungen aufgrund des
Abkühlvorgangs bringt außerdem Ungleichförmigkeiten
hinsichtlich der Länge der Walzfasern innerhalb der
Schiene mit sich. Das Richten der Schiene durch plas
tisches Strecken sämtlicher Fasern und durch plas
tisches Strecken vorzugsweise der kürzeren Fasern
führt zu einer Beseitigung der inneren Restspannungen
des Stahls. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Ent
wicklung der längsgerichteten Restspannungen in Ab
hängigkeit vom Verhältnis der Restdehnung für eine
Schiene aus handelsüblichem Stahl. Das Diagramm ge
mäß Fig. 4 zeigt auf der Abszisse die Restdehnung ε
und auf der Ordinate die längsgerichtete Rest
spannung σ (- für Druck; + für Zug) in N/mm2.
Die Kurve 5 stellt die Restspannung im Fuß und die
Kurve 6 stellt die Restspannung im Kopf der Schiene
dar. Es ist zu erkennen, daß die Restspannungen kon
stant bleiben und einen hohen Betrag aufweisen,
solange, wie die auf die Schiene aufgebrachte Zug
spannung noch im elastischen Bereich des Stahls
liegt (ε ∼0,185%), und daß die Restspannungen
oberhalb des elastischen Bereichs sich gleichmäßig
verringern, bis sie Minimalwerte einnehmen, und zwar
ab einer Restdehnung in der Größenordnung von 0,27%.
Hieraus ist ersichtlich, daß der Bereich der Rest
dehnung zwischen der 0,2%-Dehngrenze
(ε = 0,2%) und den Minimalwerten für die Rest
spannung (hier σ ∼10 N/mm2 für ε ≈ 0,27%) zu
unsicheren Verhältnissen führt und infolgedessen zu
vermeiden ist, und daß oberhalb der Werte für eine
minimale Restspannung (ausgehend von ε ≈ 0,27%
oder 0,3%) eine Erhöhung der Restdehnung keine wesent
liche Verbesserung der Verhältnisse in dieser Hinsicht
mehr mit sich bringt, es sei denn zur Erhöhung der Streck
grenze durch den Effekt der Kaltverformung. Diese Er
höhung der Streckgrenze kann bewußt vorgenommen
werden, beispielsweise bei einer naturharten Stahl
sorte A gemäß UIC oder bei einer Stahlsorte gemäß
AREA, bei denen die Erhöhung der Streckgrenze
etwa bei 100 N/mm2 für 1% zusätzlicher Restdehnung
liegt.
Anders ausgedrückt genügt ein Verhältnis der Restdehnung
von 0,3% zur Beseitigung der Restspannungen, die in
einem Verhältnis von etwa 10 : 1 reduziert werden. Meßwerte
für Restspannungen, die durch die oben beschriebene
Methode des Trennschnitts erhalten und durch andere
Methoden des Lochens und Bohrens bestätigt wurden,
werden nachfolgend in den Tabellen I bis III wiederge
geben. Die betreffenden Schienen, an denen die Messungen
durchgeführt wurden, wurden mit den Bezeichnungen 073
D 09; 236 D 23 und 150 C 13 versehen, soweit sie durch
das beschriebene Verfahren gestreckt wurden. Weitere
Schienen wurden mit den Bezeichnungen 073 B 10; 236 D 23
und 150 C 13 versehen, soweit sie in der Herstellung
unmittelbar benachbart sind, aus dem selben Guß stammen
und sich in dem Kühlbett in unmittelbarer Nachbar
schaft der ersten Schienen aufgehalten haben, und soweit
sie mit den bekannten Rollen-Richtmaschinen gerichtet
wurden:
Daraus ergibt sich, daß die Höhe der Restspannungen bei
einem Verhältnis der Restdehnung zwischen 0,3 und 1,0%
bei einem Richtverfahren durch Strecken um mindestens
5 bis 10 Mal geringer ist als bei einem Richtverfahren
durch Rollen, und daß die Streuung der Werte der Rest
spannungen, die beim Richtverfahren durch Strecken ge
messen wurden fünf Mal geringer ist als beim Richtverfahren
durch Walzen.
Diese Versuchsergebnisse konnten durch Messungen der Rest
spannungen durch unterschiedliche Methoden verschiedener
Laboratorien (SACILOR, IRSID) bestätigt werden.
Die Beseitigung der inneren Restspannungen ist von
solcher Art, daß die Laboratorien keine bedeutsamen
Unterschiede zwischen der Höhe der Restspannungen in
den durch Streckung gerichteten Schienen und der Höhe
der Spannungen in dem entspannten Werkstoff sehen, die
als Bezugsgröße bei der Eichung der Dehnungsmeßgeräte
dienen. So findet man beispielsweise beim Richten mittels
Rollen Druckspannungen, die in Längsrichtung ebenso groß
sind wie in senkrechter Richtung im Steg und in den Hohl
kehlen, wobei diese Spannungen, ganz besonders diejenigen
in Längsrichtung, durch Zugspannungen im Schienenkopf
und -fuß kompensiert werden. Beim Richtverfahren durch
Strecken sind die Restspannungen durchweg geringer und
sehr viel gleichmäßiger. Es ist festzuhalten, daß die
Werte für die Restspannungen, die nach der Methode des
Trennschnitts gemessen werden (Methode nach YASOJIMA
und MACHII (1965) angewandt u. a. vom Büro für Forschungen
und Studien des UIC "Office de Recherche et D′Essais de
L′UIC" in seiner Studie C53 "Restspannungen in Schienen")
in zufriedenstellender Weise durch die genannten Methoden
des Lochens und des Bohrens bestätigt wurden. Eine empirische
Bestätigung der Beseitigung innerer Restspannungen aufgrund
des Richtens durch Strecken wurde mit Hilfe eines Tests
durchgeführt, bei dem der Kopf vom Rest des Profils ge
trennt wurde und bei dem die Auslenkung "f" an der Stoßfuge
in dem Maße gemessen wurde, wie der Vorschub "L"des Säge
schnitts erfolgte (schematische Darstellung eingerahmt
im oberen Teil der Fig. 5). Die Ergebnisse dieses Tests,
der bei einer Schiene UIC 60 NDB angewandt wurde, sind
in dem Diagramin in Fig. 5 dargestellt, dessen Abszisse
die Länge L des Sägeschnitts in Millimetern und dessen
Ordinate den Abstand bzw. die Auslenkung "f" des Kopfes
in Millimetern angibt, der im Verhältnis zum Rest des
Schienenabschnitts ausgehend von der Stoßfuge abgesägt
wird.
Die Kurve 7 zeigt, daß eine Schiene UIC 60 NDB, die durch
Rollen gerichtet wurde, eine Auslenkung "f" des Kopfes
von zwei Millimetern für eine Länge des Sägeschnitts
L von 500 mm aufweist. Die Kurve 8 zeigt, daß sich die
Auslenkung "f" für eine ungerichtete Schiene verändert
und zwischen 0 und 8/10 mm liegt. Die Kurven 9 und 10
zeigen, daß die durch Strecken mit einer Restdehnung
von 0,3 bzw. 1% gerichteten Schienen eine Auslenkung
"f" von 2/10 bzw. - 1/10 mm bei einer Länge des Säge
schnitts von L = 500 mm aufweisen (in dem zuletzt ge
nannten Fall findet ein leichtes Schließen des Säge
spalts statt). Zu erkennen ist ein Verhältnis der Werte
für "f" in der Größenordnung von 1 : 10 zu Gunsten des
erfindungsgemäßen Produkts. Ein Verhältnis einer mini
malen Restdehnung von etwa 0,3% erscheint notwendig,
um eine maximale Beseitigung der inneren Restspannungen
zu erhalten, und es hat nicht den Anschein, daß ein Ver
hältnis der Restdehnung oberhalb von 1,5% zusätzliche
Vorteile bringt.
Das Strecken einer Schiene bis oberhalb seiner
0,2%-Dehngrenze hätte an sich Schädigungen des Materials
befürchten lassen müssen, die geeignet sind, eine schnellere
Ausbreitung evtl. quergerichteter Ermüdungsrisse zu be
günstigen. Ein Ermüdungstest durch Biegungen an vier Stellen
hat jedoch gezeigt, daß dies nicht der Fall ist. Der Test
bestand darin, daß ein am Schienenkopf vorgekerbter
Schienenabschnitt auf einer Länge von 1,400 m einer
alternierenden Biegung mit einer Frequenz von 10 Hz
ausgesetzt wurde. Dies geschah unter einer Belastung
von 14 Tonnen in einer Zeitspanne bis zum Anfang einer
Rißbildung und unter einer Belastung von 9 Tonnen in
der nachfolgenden Zeitspanne des Fortschreitens der
Rißbildung. Die Belastung wurde am Kopf der Schiene
an zwei verschiedenen Punkten aufgebracht, die einen
Abstand von 150 mm voneinander aufwiesen und symmetrisch
beiderseits der querverlaufenden, in der Mitte angebrachten
Einkerbung lagen.
Hierbei läßt sich die Ausbreitung des Ermüdungsbruchs aus
gehend von der Einkerbung mit Hilfe einer Dehnungsmeßma
schine und einer elektrischen Meßmethode beobachten,
die auf der Veränderung des Widerstandes der Schienen
im Zuge des Fortschreitens des Bruchs beruht. Durch
Veränderung der Amplitude der aufgebrachten Spannungen
wird eine Reihe von Markierungen bei einer vorgegebenen
kumulierten Anzahl von Lastwechseln herbeigeführt, wobei
der Verlauf der Kurve verfolgt wird, die die Tiefe p des
Risses bzw. Bruchs in Abhängigkeit von der Zahl N der
aufgebrachten Lastwechsel darstellt.
Der betreffende Test wurde bei einem ersten Versuchsbeispiel
bei zwei Abschnitten der Schiene UIC 60 der Sorte naturhart
B durchgeführt, die aus der selben Schiene entnommen wurden,
und zwar wurde der eine Schienenabschnitt mittels Rollen
und der andere Schienenabschnitt durch Strecken gerichtet.
Die Fig. 6 zeigt, daß die durch Rollen gerichtete Schiene
eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die ziemlich
schmal ist und mit spröden Rissen übersät ist. Die Fig. 6b
zeigt das Aussehen der durch Strecken gerichteten Schiene,
die eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die deutlich
stärker entwickelt und frei von spröden Rissen ist. Die
nachfolgende Tabelle IV zeigt, daß die Anzahl der Last
wechsel, die bis zum Beginn der Rißbildung notwendig
sind und die Anzahl der Lastwechsel, die für die Aus
breitung des Risses notwendig sind unter denselben
Versuchsbedingungen bei einer durch Strecken gerichteten
Schiene deutlich größer sind, was der Beweis für eine
größere Zähigkeit und infolgedessen für eine größere
Sicherheit ist.
Die Kurven 11 und 12 in Fig. 7 zeigen die selben Ver
hältnisse p = f (n), die in der vorstehenden Tabelle
IV aufgeführt sind. Daraus ergibt sich, daß das Ver
hältnis:
Der vorstehend beschriebene Test wurde bei einem zweiten
Verfahrensbeispiel an vier Abschnitten einer Schiene
136RE einer Chrom-Silicium-Vanadium-Stahllegierung
mit einer Zugfestigkeit Rm größer als oder gleich 1080 N/mm2
angewandt. Die Abschnitte wurden aus der selben
Schiene hergestellt, und es wurde das Ermüdungsver
halten für die folgenden vier Zustände untersucht:
- - durch Rollen gerichtet
- - durch Strecken gerichtet
- - ungerichtet (unbehandelt aus dem Kühlbett)
- - gerichtet durch Rollen und nachfolgend durch Strecken.
Fig. 8a zeigt das halbspröde Aussehen der Bruchfläche einer
durch Rollen gerichteten Schiene, bei der keine Ermüdungs
bruchfläche wahrnehmbar ist. Fig. 8b zeigt die große
Ermüdungsbruchfläche einer durch Strecken gerichteten
Schiene. Fig. 8c zeigt eine Ermüdungsbruchfläche einer
nicht gerichteten Schiene, die sehr geringfügig kleiner
ist als im vorstehenden Fall. Fig. 8d zeigt, daß ein
Richten durch Strecken im Anschluß an ein Richten durch
Rollen zu einem guten Aussehen der Ermüdungsbruchfläche
führt.
Die nachfolgende Tabelle V zeigt die Verbesserung, die
durchweg beim Richten durch Strecken für eine Anzahl
von Lastwechseln bis zur ersten Rißbildung und für eine
Anzahl von Lastwechseln bis zum Fortschreiten der Rißbil
dung gegenüber dem Richtverfahren durch Rollen erzielt
wird.
Die Kurven 13-16 in Fig. 9 zeigen die gleichen Verhältnisse
p = f (N), die in der vorstehenden Tabelle V aufgeführt
sind, für Schienen, die aus dem Stahl 136 RE bestehen
und mittels Rollen gerichtet wurden (Kurve 13), unge
richtet waren (Kurve 14), mittels Strecken (Kurve 15)
und sowohl mittels Rollen als auch mittels Strecken
gerichtet wurden (Kurve 16). Aus der Tabelle V und aus
den Kurven 13-16 der Fig. 9 ergibt sich sehr klar, daß
man die Festigkeit einer Schiene gegenüber der Ausbreitung
von Rissen noch über längere Zeit verbessert, wenn eine
mittels Rollen gerichtete Schiene einer Zugspannung mit
Erzeugung einer entsprechenden Restdehnung ausge
setzt wird, um die Restspannungen zu beseitigen.
Die Verbesserung des Verhaltens im Hinblick auf die Ge
schwindigkeit der Rißbildung in erfindungsgemäß gerichteten
Schienen ist mit der Verringerung der Restspannungen ver
knüpft und insbesondere an das praktisch vollständige
Verschwinden restlicher Zugspannungen im Schienenkopf,
die auf das Richten durch Rollen zurückzuführen sind, gebunden.
Die durch das beschriebene Richtverfahren geförderte
Verringerung der Restspannungen ermöglicht die Erfüllung
von Wünschen zahlreicher Eisenbahnnetze, insbesondere
solcher, die stark belastet sind (wie Gleise im Bergbau)
und die berücksichtigen, daß die Restspannungen für gefähr
liche Brüche verantwortlich sind, die überraschend in den
Gleisen auftreten. Das beschriebene Richten durch Strecken
verbessert erheblich die Dauerwechselfestigkeit der Schienen
im Verhältnis zu denjenigen Schienen, die mittels Richt
rollen gerichtet worden sind.
Der Richtvorgang durch Strecken hat darüber hinaus den Vor
teil, die Streckgrenze des Metalls anzuheben, im
Gegensatz zum Richtverfahren durch Rollen, das die Tendenz
hat, die Streckgrenze herabzusetzen. Dieser Vorteil
ist insbesondere im Hinblick auf den Schienenkopf wünschens
wert, weil eine höhere Streckgrenze einen besseren
Widerstand gegen das plastische Fließen mit sich bringt,
welches hochbelastete Räder auf der Schienenlauffläche
erzeugen können. Diese Anhebung der Streckgrenze
für Stahlsorten vom Typ UIC 90 A oder B, AREA, und ähnliche
liegt in der Größenordnung von 100 N/mm2 für 1% Dehnung.
Diese Eigenschaft läßt sich bei sämtlichen Stahlsorten beo
bachten, d. h. bei legierten oder behandelten extra-harten
Stählen. Der Unterschied in der Streckgrenze zwischen
dem Richtverfahren durch Rollen und demjenigen durch
Strecken kann üblicherweise 20% betragen.
Es wurde festgestellt, daß diese Verbesserung der Streck
grenze ohne Verschlechterung des Fließvermögens
erzielt wird (Bruchdehnung und Brucheinschnürung) sowie
ohne Beeinträchtigung der Zähigkeit (K1c, dem kritischen
Faktor für die Querschnittsverminderung oder Einschnürung).
Die Messungen der Restdehnung auf einer gewissen Anzahl
von Längeneinheiten, die entlang der Schiene markiert
worden sind, hat gezeigt, daß die partiellen Restdehnungen,
die für jede Längeneinheit gemessen wurden, konstant und
völlig gleich der gesamten Restdehnung der Schiene sind.
Es wurden keinerlei Effekte einer örtlichen Einschnürung
über die Länge der Schienen festgestellt. Die Verminderung
der Höhe ist über die gesamte Länge der Schienen gleich
förmig, desgleichen die Verminderung der Breite des Fußes.
Die geringen Änderungen der beobachteten Abmessungen werden,
wie im Fall des Richtens durch Rollen, im voraus durch
eine geeignete Kalibrierung im Walzwerk kompensiert.
Dies ermöglicht die Einhaltung der Vorschriften für die
Abmessungstoleranzen mindestens ebenso leicht wie beim
Richtverfahren mittels Rollen. Bei dem zuletzt genannten
Verfahren bleiben trotzdem sämtliche Unregelmäßigkeiten
der Abmessungen erhalten, denn die Enden behalten die
ursprünglichen Abmessungen aus dem Walzvorgang bei.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf Eisenbahnschienen
mit extrem niedrigen Restspannungen. Diese Art von Schienen
ist bis zur Stunde unbekannt, weil in einer kürzlich
durchgeführten Studie (April 1981, unveröffentlicht,
durchgeführt durch: R. Schweitzer und W. Heller, Duisburg-
Rheinhausen) mit dem Titel "Kritischer Einschnürungsfaktor,
Eigenspannungen und Bruchfestigkeit von Schienen" als
Schlußfolgerung gesagt worden ist:
"Es liegt viel daran, daß die Eigenspannungen (= innere
Restspannungen) auf einem kleinstmöglichen Niveau
gehalten werden,wenn man die Bruchfestigkeit erhöhen
will. Bis zur Stunde ist dieser Gedanke jedoch kaum
zu verwirklichen, um so weniger, als das für die Her
stellung einer geradlinigen Gestalt unerläßliche
Richten der Schienen zu beträchtlichen Eigenspannungen
führt."
Claims (3)
1. Gerichtete Eisenbahnschiene aus einer Schienenstahlsorte
mit einer vorgegebenen Festigkeit Rm, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Eisenbahnschiene durch das Richten
gegenüber dem Anlieferungszustand so weit über die
0,2%-Dehngrenze hinaus gestreckt ist, daß eine bleibende
Dehnung von mindestens 0,3% vorhanden ist, derart, daß
innere Restspannungen kleiner als +/- 100 N/mm2
(+100 N/mm2 Zugspannung; -100 N/mm2 Druckspannung).
2. Gerichtete Eisenbahnschiene nach Anspruch 1, bestehend
aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit Rm
kleiner oder gleich 1000 N/mm2, gekennzeichnet durch
innere Restspannungen kleiner als +/- 50 N/mm2
(+50 N/mm2 Zugspannung; -50 N/mm2 Druckspannung).
3. Gerichtete Eisenbahnschiene nach Anspruch 1, bestehend
aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit Rm
größer als 1000 N/mm2, gekennzeichnet durch innere
Restspannungen kleiner als +/- 100 N/mm2 (+100 N/mm2
Zugspannung; -100 N/mm2 Druckspannung).
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8202817A FR2521883B1 (fr) | 1982-02-19 | 1982-02-19 | Procede de dressage d'un rail de chemin de fer et rail de chemin de fer dresse |
DE3223346A DE3223346C2 (de) | 1982-02-19 | 1982-06-23 | Verfahren zum Richten von Eisenbahnschienen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3250083C2 true DE3250083C2 (de) | 1994-04-21 |
Family
ID=25802559
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3250083A Expired - Lifetime DE3250083C2 (de) | 1982-02-19 | 1982-06-23 | Gerichtete Eisenbahnschienen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3250083C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112378757A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-02-19 | 张家港荣盛特钢有限公司 | 一种不需要人工时效的盘螺钢筋拉伸试验方法 |
-
1982
- 1982-06-23 DE DE3250083A patent/DE3250083C2/de not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DE-Z: Tech.Mitt. Krupp Werksberichte, Bd. 39, 1981, H. 1, S. 33-41 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112378757A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-02-19 | 张家港荣盛特钢有限公司 | 一种不需要人工时效的盘螺钢筋拉伸试验方法 |
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