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Schwellenlose Schienenbefestigung
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Die Erfindung betrifft eine schwellenlose Schienenbefestigung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Schienenbefestigungen dienen als Unterkonstruktion für schienengebundene
Transportgeräte und Hebezeuge, wie z.B. Krane, Flurförderzeuge und andere langsamfahrende
Lastenträger. Die Schienenbefestigung hat die Aufgabe, die Fahrschienen in ihrer
Lage zu sichern und die Vertikal- und Horizontal lasten aus Laufrädern und ggf.
Führungsrollen in das Fundament zu übertragen.
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Zur Durchführung einer lage- und höhenrichtigen Schienenmontage ist
es bekannt, eine Auflagerplatte aus Stahl in einer bestimmten Höhe über einem Fundament
anzuordnen und den Raum unterhalb der Auflagerplatte durch Untergießen mit Beton
auszufüllen. Dabei werden alle
Unebenheiten und Ungenauigkeiten
der Gründungskörper kompensiert und es wird sichergestellt, daß die Auflagerplatte
die richtige Höhe und Ausrichtung erhält und beibehält. Als Untergußmaterial wird
aus Gründen der Schwingungsdämpfung häufig ein relativ weicher Beton, also ein Beton
mit kleinem Elastizitätsmodul, benutzt. Verwendet man Schienenauflager aus hartem
Beton, dann können zwar sehr hohe Druckspannungen aufgenommen und sehr hohe Radlasten
übertragen werden, andererseits besteht aber der Nachteil, daß sich die Kraftübertragung
auf eine Teilfläche im Lastzentrum des Untergusses konzentriert. Es treten also
hohe örtliche Flächenpressungen im Lastzentrum des Untergusses auf, während die
Ränder des Schienenauflagers lastfrei bleiben und sogar von ihrer Unterlagen abheben
können. Die Konzentration der Druck spannung auf eine kleine Teilfläche führt zu
extrem hohen Spannungsspitzen, mit der Folge, daß durch zu große Druckspannungen
in Verbindung mit zu großen Spaltzugkräften im Zentrum des Schienenauflagers Rißbildung
auftreten kann, die schließlich zur Zerstörung führt. Der zweite systembedingte
Nachteil der bekannten Schienenbefestigung besteht darin, daß die lastfreien Ränder
der Auflagerplatte im Wechselspiel von Be- und Entlastung ständig von dem Schienenauflager
abheben und dabei zusätzlich Winkeldrehungen ausführen, die von den Winkeldrehungen
der Fahrschiene erzwungen werden. Die ständigen Vertikal-und Drehbewegungen führen
unter ungünstigen Bedingungen zur Rißbildung und zum Abplatzen des Materials des
Schienenauflagers.
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Ein weiterer systembedingter Nachteil der bekannten Schienenbefestigung
besteht im praktisch fehlenden Verbund in den Kontaktflächen zwischen Auflagerplatte
und
Schienenauflager. Anfänglich noch vorhandene Haftwirkung läßt
nach einiger Betriebszeit unter dem ständigen Lastspiel vollstandig nach, so daß
die Auflagerplatte auf dem Schienenauflager gleitet. Die Übertragung von Horizontalkräften,
wie Seitenkräften, Anfahr- und Bremskräften u.dgl., erfolgt dann nur noch durch
Reibung zwischen Auflagerplatte und Schienenauflager. Die Folge ist ein mahlendes
Schieben der Auflagerplatte auf dem Schienenauflager. Im ungünstigsten Fall weichen
die Ankerbolzen seitlich aus und erzeugen Risse oder Abplatzungen in dem umgebenden
Beton-Schienenauflager.
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Alle vorstehend aufgeführten systembedingten Nachteile wirken sich
bei Anlagen im Freien infolge Wasserzutritt in verstärktem Maße aus. Die Beanspruchung
des Schienenauflagers wird durch moderne und schnellere Hebezeuge, die für hohe
Lasten ausgelegt sind, noch erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schienenbefestigung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art dahingehend zu verbessern,
daß eine günstigere Lastverteilung erreicht wird, um die Belastbarkeit und die Lebensdauer
der Schienenbefestigung zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schienenbefestigung wirkt die Auflagerplatte
als elastisches Spannelement zur Erzeugung bzw. Aufnahme einer definierten Vorspannung
der Ankerbolzen. Während nach dem Stand der Technik die Ankerbolzen in beliebiger
Weise undefiniert festgezogen
werden, damit sie die Fahrschiene
lediglich auf der Auflagerplatte festhalten, erfolgt nach der Erfindung ein definiertes
Spannen der Ankerbolzen derart, daß sich die Druckspannung im unbelasteten Zustand
der Fahrschiene weitgehend gleichmäßig über den Querschnitt der Auflagerplatte verteilt.
Insbesondere werden auch die Plattenränder der Auflagerplatte fest gegen das Schienenauflager
gedrückt. Diese Vorspannung im Bereich der Auflagerplattenränder ist wichtig, weil
hierdurch sichergestellt wird, daß die Auflagerplattenränder im Falle einer Belastung,
bei der sie die Tendenz haben, von dem Schienenauflager abzuheben, immer noch fest
gegen das Schienenauflager drücken. Wichtig ist also, daß im unbelasteten Zustand
eine annähernd lineare Biegelinie der Auflagerplatte erzeugt wird. Diese lineare
Biegelinie verformt sich im Belastungsfall, ohne daß die Ränder der Auflagerplatte
lastfrei werden oder gar abheben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen
Auflagerplatte und Schienenauflager eine elastische Druckverteilschicht aus Kunststoff
angeordnet. Diese Druckverteilschicht, die vorzugsweise aus Lupolen besteht, erzwingt
ein vollflächiges Mitwirken der gesamten Auflagerfläche, wodurch örtliche Spannungsspitzen
vermieden und das Abheben und Drehen der Randzonen der Auflagerplatte ausgeschaltet
wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Schienenbefestigung erfolgt die Übertragung
der Horizontalkräfte von der Schiene auf das Fundament ausschließlich über den Reibungs-
und Haftverbund, welcher infolge der gleichmäßig über die Kontaktfläche verteilten
Vorspannung ständig wirksam ist. Auch dann, wenn keine vertikale Radlast auf den
Schienenbefestigungspunkt
einwirkt, sondern nur eine Horizontalkraft, beispielsweise durch eine Führungsrolle,
die gegenüber dem Lastrad versetzt am Fahrzeug angeordnet ist, ist infolge der Vorspannung
eine vollflächige Lastverteilung sichergestellt. Die Ankerbolzen werden somit von
horizontal gerichteter Querbeanspruchung und Biegung freigehalten. Die Wirksamkeit
dieser Bolzenentlastung kann noch durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 erhöht
werden, wobei die Distanzhülsen Querkraftbeanspruchungen und Biegungen von den Ankerbolzen
fernhalten.
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Von besonderer Bedeutung ist die Ausgestaltung der Klemmteile, die
nicht nur gegen den Schienenrand drücken, sondern die sich außerdem mit einem Klemmrand
auf dem Randbereich der Auflagerplatte abstützen. Durch derartige Klemmteile wird
der Randbereich der Auflagerplatte in verstärktem Maße niedergedrückt, so daß die
angestrebte weitgehend gleichmäßige Flächenbelastung auch bis in den Bereich der
Randbereiche der Auflagerplatte ermöglicht wird.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schienenbefestigung,
Fign. 2a und 2b das Spannungsbild und die Biegelinie der Auflagerplatte ohne Schienenbelastung,
also nur unter der Wirkung der Vorspannung, Fign. 3a und 3b Spannungsbild und Biegelinie
bei Einwirkung einer vertikalen Radlast, ohne Seitenkraft,
Fign.
4a und 4b Spannungsbild und Biegelinie bei vertikaler Radlast mit horizontaler Seitenkraft,
Fign. 5a und 5b zum Vergleich Spannungsbild und Biegelinie der Auflagerplatte bei
einer Schienenbesfestigung nach dem Stand der Technik bei ausschließlich vertikaler
Schienenlast.
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In Fig. 1 ist von der Fahrschiene 10 nur der Schienenfuß oder Schienenflansch
11 dargestellt, während der Schienenkopf fortgelassen ist. Unter dem Schienenfuß
11 befindet sich eine Kunststoffschicht 12 aus Lupolen, die ihrerseits auf einer
ebenen Auflagerplatte 13 aus Metall ruht. Unter der Auflagerplatte 13 befindet sich
das Schienenauflager 14 aus einem sehr harten Beton.
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Das Schienenauflager 14 ruht seinerseits auf dem Tragbeton 16, der
weicher sein kann und das Fundament für das Schienenauflager bildet. In vertikalen
Löchern 17 im Tragbeton 16 sind die Ankerbolzen 19 in dem harten Mörtel 18 des Schienenauflagers
14 vergossen. Die Ankerbolzen 19 gehen durch Bohrungen 20 der Auflagerplatte hindurch.
An dem oberen Ende eines jeden Ankerbolzens 19 ist ein Klemmteil 21 angebracht,
das nach oben hin durch eine auf den Ankerbolzen 19 aufgeschraubte Mutter 22 mit
unterlegtem Federring 23 abgestützt ist. Jedes Klemmteil 21 liegt mit einer Klemmfläche
24 auf der seitlichen Kante des Schienenfußes 11 auf, während der gegenüberliegende
Klemmrand 25 direkt auf der ebenen Oberseite der Auflagerplatte 13 aufliegt. Die
Unterseite des Klemmteils 21 verläuft schräg, weil die Klemmfläche 24 auf einem
höheren Niveau liegt als der untere Klemmrand 25, der außerhalb des von den Ankerbolzen
begrenzten Mittelbereichs 13a
der Auflagerplatte 13 an den Randbereichen
13b bzw. 13c angreift.
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Zwischen dem Schienenauflager 14 und der Auflagerplatte 13 befindet
sich eine Druckverteilschicht 26 aus einem elastischen Kunststoff, z.B. Lupolen.
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Bei der Montage der Schienenbefestigung werden zunächst die Ankerbolzen
19 in die Löcher 17 eingebetoniert.
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Dann werden auf die oberen Gewindeteile der Ankerbolzen Haltemuttern
27 aufgeschraubt, auf die zunächst die Druckverteilschicht 26 und dann über dieser
die Auflagerplatte 13 aufgelegt wird. Durch Drehen der Muttern 27 kann die Auflagerplatte
13 genau ausgerichtet werden, so daß sie zunächst frei über dem Tragbeton 16 schwebt.
Die Auflagerplatte 13 wird anschließend mit dem Mörtel des Schienenauflagers 14
untergossen, so daß sie die eingenommene und vorjustierte Postion genau einhält.
Nach dem Abbinden der Druckverteilschicht 26 wird die Schiene 10 durch Festziehen
der Muttern 22 mit den Klemmteilen 21 verspannt, um vollflächig gegen die Oberseite
der Auflagerplatte 13 gedrückt zu werden. Die Mutter 27, die lediglich zu Montagezwecken
benutzt worden sind, erfüllen nach der Herstellung des Schienenauflagers 14 keinen
wesentlichen Zweck mehr. Diese Muttern 27 können daher beim Spannen der Ankerbolzen
19 von diesen abgeschert werden. Sie können beispielsweise aus Kunststoff bestehen.
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Das Schienenauflager 14, das einen auf dem Tragbeton 16 aufliegenden
Betonblock bildet, besteht aus sehr hartem Material. Beim Spannen der Ankerbolzen
19 durch Drehen der Muttern 22 wird das Schienenauflager 14 daher praktisch überhaupt
nicht zusammengedrückt. Die Auflager-
platte 13 besteht dagegen
aus Stahl St 37.2, der einen Elastizitätsmodul von 21.000 kN/cm2 hat. Die Stärke
der Auflagerplatte 13 beträgt etwa das 0,3 - 0,4-fache der Stärke des Schienenauflagers
14. Beim Spannen der Ankerbolzen 19 wird die Spannkraft der Mutter 22 einerseits
über den Schienenfuß 11 auf den Mittelbereich 13a der Auflagerplatte 13 und andererseits
über die Klemmränder 25 auf die Außenbereiche 13b und 13c der Klemmplatte übertragen.
Die elastische Auflagerplatte 13 wird daher durch die Vorspannung vollflächig zusammengedrückt.
Fig. 2a zeigt ein Diagramm der Spannungsverteilung über die Breite der Auflagerplatte
13 ohne externe Belastung der Schiene 10. Man erkennt, daß die Druckspannungen sich
relativ gleichmäßig über die gesamte Breite der Auflagerplatte 13 verteilen und
zu den Seitenrändern hin leicht ansteigen. Einen entsprechenden Verlauf hat die
in Fig. 2b dargestellte Biegelinie.
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Diese Biegelinie ist über den Querschnitt der Auflagerplatte 13 fast
linear. Die seitlichen Ränder der Auflagerplatte sind ganz leicht nach unten abgebogen.
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In den Fign. 3a und 3b sind die Verhältnisse bei auf die Schiene 10
einwirkender vertikaler Radlast, ohne Seitenkräfte, dargestellt. Man erkennt, daß
die Druckspannungen an den Seitenrändern der Auflagerplatte 13 sich gegenüber Fig.
2a ein wenig verringert haben, während sie im Mittelbereich 13a stark zugenommen
haben. Die Biegelinie in Fig. 3b hat in diesem Lastfall einen entsprechenden Verlauf.
Die Auflagerplatte 13 wird über ihre gesamte Länge auf Druck beansprucht und nach
unten durchgebogen, so daß ihre Unterseite vollflächig gegen die Oberseite des Schienenauflagers
14 drückt, ohne daß die äußeren Kanten der Randbereiche 13b,13c abheben würden.
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Die Fign. 4a und 4b zeigen das Spannungsbild (Fig. 4a) und die Biegelinie
(Fig. 4b) für den Fall, daß außer der vertikalen Radlast noch eine Seitenkraft auf
die Schiene 10 einwirkt. Eine solche Seitenkraft kann beispielsweise durch eine
seitliche Führungsrolle oder durch einen kurvenförmigen Verlauf der Schiene 10 hervorgerufen
werden. Die Maxima des Spannungsverlaufs und der Biegelinie liegen hierbei natürlich
nicht mehr symmetrisch zur Quermittelebene, sondern sie sind entsprechend der einwirkenden
Horizontalkraft (im vorliegenden Fall nach rechts) verschoben. Auch bei diesem Belastungsfall
ist an den äußeren Rändern der Auflagerplatte 13 die Druckspannung, mit der die
Auflagerplatte gegen das Schienenauflager 14 drückt, noch größer als Null. Die Auflagerplatte
13 haftet daher unter Zwischenlage der Druckverteilschicht 26 vollflächig an dem
Schienenauflager 14 an, so daß die Schienenkräfte über die gesamte Fläche des Schienenfußes
11 auf die Auflagerplatte 13 und von dieser über ihre gesamte Unterseite auf das
Schienenauflager 14 übertragen werden.
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Die Ankerbolzen 19 werden keiner wesentlichen Scher-oder Biegebeanspruchung
ausgesetzt, sie dienen lediglich dazu, in Verbindung mit der elastischen Auflagerplatte
13 für eine elastische Vorspannung der Schienenbefestigung zu sorgen, um sicherzustellen,
daß ohne externe Belastung der Schiene 10 eine möglichst lineare Querschnitts-Druckbeanspruchung
über die gesamte Breite der Auflagerplatte 13 erfolgt.
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Im Vergleich zu Fign. 3a und 3b zeigen Fign. 5a und 5b das Spannungsbild
und die Biegelinie bei einer Schienenbefestigung nach dem Stand der Technik, also
ohne entsprechende vollflächige Vorspannung der Auflagerplatte 13. Man erkennt in
Fig. 5a, daß der Schienen-
druck sich lediglich auf den mittleren
Bereich 13a beschränkt, während die seitlichen Bereiche 13b und 13c der Auflagerplatte
nicht auf Druck beansprucht werden.
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Anhand der Biegelinie in Fig. 5b ersieht man, daß die Seitenbereiche
sogar von dem Schienenauflager 14 abheben. Man erkennt, daß ohne entsprechende Vorspannung
der Auflagerplatte 13 und ohne eine Linearisierung des Spannungsverlaufs im unbelasteten
Zustand, eine hohe Belastungsspitze im mittleren Bereich 13a auftritt, während die
Plattenränder der Auflagerplatte abheben und frei schwingen und sich drehen können.
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Die gleichmäßige Spannungsverteilung auch in den Randbereichen der
Stüztplatte 13 wird einerseits durch die exakt bemessene Vorspannung erzeugt, die
von den Muttern 22 auf die Ankerbolzen 19 ausgeübt wird und andererseits auch durch
die spezielle Gestaltung der Klemmteile 21, die mit den Klemmrändern 25 auf die
äußeren Bereiche 13b und 13c einwirken. Die Muttern 22 werden mit Drehmomentschlüsseln
so angezogen, daß sich die gewünschte Zugkraft in den Ankerbolzen 19 ergibt. Die
Stützteile 21 sind so ausgebildet, daß sie pendelnd an den Ankerbolzen 19 geführt
sind und kein Moment auf den Ankerbolzen ausüben. Sie können sich in Abhängigkeit
vom Schienenfuß 11 und von der Oberseite der Auflagerplatte 13 frei einstellen.
Die Stützteile 21 sind im Gesenk geschmiedet und bestehen aus Stahl St 37.