DE4314578A1 - Elastische Schienenunterlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elastische Zwischenlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine damit ausgestattete Schienenbefestigung und ein Werkzeug zu seiner Herstellung.

Moderne Schienenbefestigungen auf Schwellen eines Eisenbahn­ gleises werden in der Regel mit Zwischenlagen zwischen dem Schienenfuß und der Schwelle ausgestattet, um einen elastischen Zuglauf zu gewährleisten. Dabei spielt es keine Rolle, ob Be­ tonschwellen, z. B. der jetzt üblichen Größe B 70 oder Holz- oder Stahlschwellen, als Trogschwelle oder Y-Schwelle mit zwei Auflagern pro Schwelle für jede Schiene, eingesetzt werden.

In der Regel werden die Schienen zudem elastisch verspannt durch Federelemente, die auf den Schienenfuß wirken und ihrer­ seits durch Schrauben oder Ösen an dem Auflager, den Schwellen oder auch einem Brückenunterbau oder sonstigen festen Unter­ gründen, verankert sind. Eine derartige federnde Befestigungs­ anordnung für Schienen auf Schwellen mit elastischer Zwischen­ lage ist in der DE-A 32 43 895 für ein Gleis in Schotterbettung offenbart.

Für höhenverstellbare Schienenbefestigungen, insbesondere anzu­ wenden bei einem schotterlosen Oberbau, sind ebenfalls der­ artige elastische Zwischenlagen bekannt (DE-A 26 00 416), die zugleich eine elektrische Isolierwirkung haben können, sofern die Verspannung auf dem Auflager selbst gegenüber der Schiene isoliert ist. Ansonsten ist die Verspannung separat mit einer Isolierung zu versehen. Die seitliche Schienenführung wird in der Regel durch Winkelführungsplatten gewährleistet, die ihrer­ seits aus Kunststoff oder Stahl bestehen können.

Anstelle derartiger Winkelführungsplatten und einer Verschrau­ bung, die auf ein den Schienenfuß haltendes Federelement drückt, kann auch das Federelement selbst in einem besonderen Auflager, z. B. einer Rippenplatte, arretiert sein und den Schienenfuß auf der Rippenplatte halten. In einer derartigen für schotterlosen Oberbau bestimmten Schienenbefestigung gemäß CH 396 960 ist als elastische Schienenunterlage eine Gummiplatte gewählt worden, die sowohl zur Schienenfußseite als auch zur Auflagerseite mit einer durchgehenden Rillenprofilierung in Schienenlängsrichtung ausgestattet ist. Dadurch soll der Gummizwischenplatte offen­ sichtlich eine erhöhte Elastizität gegeben werden, obwohl dies in der CH-Patentschrift nicht offenbart ist.

Aus der Praxis ist eine Vielzahl weiterer Schienenunterlagen bekannt, die aus Polyethylen oder Polyurethan, also thermopla­ stischen Kunststoffen, bestehen, wobei die Kompressionsflächen, d. h. die Oberflächen der Zwischenlage, die dem Auflager oder dem Schienenfuß zugewandt sind, glattflächig sein können oder auch - von der Schienenfußseite her - mit einer Profilierung versehen sein können.

Es hat sich herausgestellt, daß derartige elastische Zwischen­ lagen aus den genannten Materialien für den jeweiligen speziel­ len Einsatzfall konstruiert oder in ihrer Materialkomposition speziell modifiziert werden müssen, um der Forderung nach ruhi­ gem Lauf des Zuges, geringer Schallemission in die Umgebung und möglichst konstanten Federeigenschaften bei hohen und niedrigen Außentemperaturen zu gewährleisten. Dies ist in der Praxis jedoch nie optimal gelungen und insbesondere bei Schnellfahr­ strecken der Eisenbahn stellt sich heraus, daß die Elastizität des Gleises unzureichend ist und sich negativ auf die Lebens­ dauer sowohl der Fahrbahn als auch der Fahrzeuge auswirkt. Ein besonderer Nachteil der Zwischenlage nach dem Stand der Technik ist eine extreme Verhärtung bei Temperaturen von -20°C und tiefer, die noch verstärkt wird durch sich ansammelnde Ver­ schmutzung zwischen der Unterfläche des Schienenfußes und der Zwischenlage, insbesondere wenn die Zwischenlage keine glatte Oberfläche hat. Bedingt durch die heute zu verwendenden elasti­ schen Schienenbefestigungen und das bei den stabförmigen Quer­ schwellen nicht vermeidbare Kippen der Schwellen während der Überrollung sowie dem herrschenden Luftsog kann sich auf der Oberfläche der Zwischenlagen feiner Staub und Wasser ansammeln. Insbesondere im Winter ist dann durch gefrierendes Wasser und die versteifende Verschmutzung eine starke Veränderung der Federkennziffern sowohl im statischen als auch dynamischen Belastungszustand festzustellen. Die zunächst konzipierte fe­ dernde Eigenschaft der Schienenbefestigung wird dadurch negativ in nicht vorhersehbarem Maße verändert.

Im übrigen ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß beim Kippen der Querschwellen insbesondere Gummizwischenlagen, aber auch übliche Kunststoffzwischenlagen aus Polyurethan oder Poly­ ethylen, derart gequetscht werden, daß die Unterlage zerstört wird. Gleiches ist für die schwellenseitigen Randbereiche der Zwischenlagen festzustellen, wenn entsprechende Querkräfte ein Kippen des Schienenfußes verursachen und die Unterlage über die konzipierte Flächenpressung hinaus belasten.

Polyurethan ist zwar prinzipiell als Werkstoff geeignet, jedoch ist entweder nicht hydrolysebeständig oder bei entsprechender Modifizierung teuer. Vulkanisierte Gummizwischenlagen können durch Zerreißen der Molekülvernetzung total zerstört, insbeson­ dere zerquetscht werden.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine ela­ stische Zwischenlage vorzuschlagen, bei der die umweltbedingten und belastungsbedingten, zerstörend wirkenden und die Feder­ kennziffer ändernden Bedingungen weitestgehend kompensiert werden können, wobei elastische Zwischenlage den speziellen Anwendungsfällen anpaßbar und preiswert zu fertigen sein sol­ len.

Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die in den An­ sprüchen 1, 9 und 10 angegebenen Merkmale. Weiterbildende Merk­ male der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Die neue Zwischenlage vermeidet eine Verschmutzung des Schie­ nenauflagers bzw. das Eindringen von Wasser in die Spalte zwi­ schen den Schienen und der Schwelle oder dem festen Untergrund dadurch, daß zur Schienenfußseite hin die Zwischenauflage mit einer glatten Fläche versehen ist und die Einstellung der für die verschiedenen Anwendungsflächen variablen Federkennziffer durch eine entsprechende Variation der Kompressionsflächen, die dem Auflager, der Schwelle, zugewandt sind. Dabei wird die entsprechende Oberfläche der Zwischenlage mit einer durchgehen­ den, geschlossenen Randleiste versehen, die eine Vertiefungs­ fläche umschließt, aus der sich selbst weitere Kompressions­ flächenanteile in Form keilflächiger Kompressionspunkte erheben und als Auflagerfläche dienen. Dieser - mit der Schwelle gebil­ dete - geschlossene Raum wird durch die beim Schienenauflager übliche Kompression der Randleisten auf Grund von Schienen­ durchbiegung bzw. Schienenfußverkantung bei Auftreten entspre­ chender Vertikal- und Seitenkräfte im wesentlichen dicht gehalten, so daß sich die Vertiefung nicht durch Luftsog oder ähnliche Umweltbedingungen mit Wasser oder Schmutz füllen kann.

Hilfsweise wird die Randleiste quer zur Schienenlängsrichtung durch Dränagekanäle unterbrochen, die mit den Vertiefungsflä­ chen in Verbindung stehen. Beim Überrollen der Befestigungs­ punkte wird die elastische Zwischenlage komprimiert und damit Luft oder ausnahmsweise eingedrungenes Wasser aus dem Bereich der Auflagerfläche verdrängt.

Die Federsteifigkeit der Zwischenunterlagen, d. h. ihre den spezifischen Bedingungen angepaßte Federziffer kann durch die Größenwahl der kleinflächigen Kompressionspunkte in Kombination mit einer gegebenenfalls variablen Breite der Randleiste für jeden Einzelfall abgestimmt werden. Als Einzelfall ist hierbei die Art der Unterschwellung, z. B. Schotterbett oder feste Fahr­ bahn, sowie das Belastungsspektrum, z. B. einer Schnellfahr­ strecke oder Langsamfahrstrecke, geringe oder große Kurvenra­ dien und ähnliches anzusehen.

Dabei wird zunächst davon ausgegangen, daß die Summe der tra­ genden Kompressionspunkte innerhalb der Vertiefungsfläche ge­ ringer ist als die Hälfte des Flächenanteiles der Vertiefungs­ fläche, so daß ein genügend großer Raum bleibt, in dem mögli­ cherweise sich ansammelnde Verschmutzungen ohne Abstützwirkung gegenüber den sie umgebenden Kompressionsflächen so lange ver­ bleiben können, bis sie beispielsweise durch die Dränagekanäle aus der Vertiefungsfläche abgeführt werden.

Ein besonderes Problem löst dabei die Erfindung dem die Technik bisher nicht genügend Beachtung geschenkt hat. Seit langem sind Berechnungen der an den Schienenkopf angreifenden Führungskräf­ te und vertikalen Belastungskräfte bekannt, deren Resultieren­ des als Flächenpressung auf Teile des Schienenauflagers wirken. Die vertikalen Belastungskräfte resultieren aus dem Gewicht der überrollenden Fahrzeuge, während die horizontal am Schienenkopf angreifenden Führungskräfte zum kleineren Teil aus dem Sinus­ lauf der Fahrzeuge auf dem Gleis und das dadurch bedingte An­ schlagen der Spurkränze an den Schienenkopf, zum größeren Teil durch Fliehkräfte entsprechend einem Bogenradius des Gleises, dem Gewicht des schwersten Fahrzeuges und der gegebenenfalls vorhandenen Schienenüberhöhung erzeugt werden. Die Kräfte an einem Schienenauflager können ohne weiteres den Wert von 6 MP erreichen. Je nach Belastungszustand, z. B. langsamfahrendem oder stehendem Zug bzw. schnellfahrendem Zug hohen Gewichtes in einer engen Kurve ergibt sich daraus eine Flächenpressung des Schienenfußes, bei gegebener Vorspannung der Schiene durch die Schienenbefestigungsmittel, von 0 bis etwa 1 kN/cm². Bei ste­ hendem Zug können an dem Schienenfuß zur Gleismitte hin, bei­ spielsweise bei der Schiene S 54, bis zu 400 N/cm², auf der Gegenseite des Schienenfußes jedoch nur 10% dieser Belastung auftreten, bedingt durch die der Schiene zur Gleismitte hin erteilte übliche Neigung von beispielsweise 1 : 40. Die durchgehenden Randleisten an den Schienenfußkanten tragen die­ ser Belastung Rechnung, weil dort ein größerer tragender Flä­ chenanteil an der elastischen Zwischenlage existiert. Ein ähn­ liches Kompressionsbild für die elastische Zwischenlage ergibt sich in Schienenlängsrichtung bedingt durch die Schienendurch­ biegung und das Spiel in der elastischen Schienenfußverspan­ nung. Auch hier sorgen die Randleisten homogener Dicke für eine entsprechende Unterstützung des Schienenfußes.

Die spezielle Geometrie der erfindungsgemäßen Zwischenlagen, gegebenenfalls in Kombination mit dem bevorzugten thermoplasti­ schen Material, einem Elastomer aus der Gruppe der unvernetzten Kautschuke, hat in der Praxis gezeigt, daß dadurch Zwischenla­ gen herstellbar sind, die bei dynamischer Belastung nur geringe Änderungen in den Kennwerten ihrer Elastizität zeigen, inner­ halb der zulässigen Toleranzen für derartige Schienenlagerungen liegen, und so ein Zerstören der elastischen Unterlage bei den spezifischen Anwendungsfällen verhindern. Durch die geschlosse­ nen Randleisten wird auch ein Schrägstellen der Schiene bei größeren seitlichen Führungskräften verhindert, weil die ört­ lich größere Federsteifigkeit eine entsprechende Reaktionskraft bewirkt.

Die Unterseite der Zwischenlage ist an den in Schienenlängs­ richtung liegenden Rändern mit einer Umgriffleiste oder Rippe versehen, die eine formschlüssige Lagesicherung der Zwischenla­ ge auf der Schwelle darstellt. In einer besonderen Ausführungs­ form für Betonschwellen oder sonstige Schwellen, die mit Win­ kelführungsstücken für die Schienenbefestigung versehen sind, weisen die elastische Zwischenlagen in Schienenquerrichtung eine überstehende Rippe auf, auf die die Winkelführungsstücke auflegbar sind. Damit wird die elastische Zwischenlage zugleich mit der Verspannung des Schienenfußes in ihrer Sollage fixiert.

Bei Praxisversuchen hat sich herausgestellt, daß bei Schotter­ bettung für Belastungsfrequenzen < 50 Hz, also insbesondere für den Schnellverkehr der Bahnen eine statische Federziffer von etwa 50 kN/mm bei Raumtemperatur günstig ist. In gleicher Weise sind Versuche für den Langsamverkehr, z. B. Güterverkehr mit verringerter Geschwindigkeit, durchgeführt worden, die es als sinnvoll erscheinen lassen, derartige Zwischenlagen mit einer Federziffer von < 30 kN/mm bei Raumtemperatur einzustellen, d. h. entsprechende Flächenverhältnisse vorzusehen. Etwa diesel­ be Federziffer ist praxisgerecht bei schotterlosem Oberbau - fester Fahrbahn - und den für einen elastischen Zuglauf notwen­ digem größeren Einsenktiefen der Zwischenlage, die entsprechend dicker auszubilden ist.

Obwohl derartige Zwischenlagen auch bei dem herkömmlichen K- Oberbau einsetzbar sind, entfalten sie ihre volle Wirkung erst bei federnden Schienenbefestigungen, z. B. der sogenannten W- Befestigung mit einer Stahlfeder, die durch eine Verschraubung an dem Auflager, den Schwellen, fixiert ist und so den Schie­ nenfuß spannt.

Die unterschiedliche Ausbildung der Flächentragelemente, ins­ besondere der Kompressionspunkte innerhalb der Vertiefungsflä­ che läßt sich zweckmäßigerweise durch Anordnen einer auswech­ selbaren Werkzeugplatte innerhalb des Spritzgußwerkzeuges rea­ lisieren. Derartige Platten können vorrätig gehalten werden für eine unterschiedliche Anzahl von Kompressionspunkten und/oder unterschiedliche Größen der Kompressionspunkte, auch für unter­ schiedliche oder gleiche Gesamtoberflächen. Dadurch ist es möglich, mit ein und demselben Werkzeug Unterlagen verschiedener Gesamtfedersteifigkeit herzustellen.

Anhand von schematischen Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine federnde Schienenbefestigung mit elastischer Unterlage im Teilschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Ansicht A in Fig. 1 auf die elastische Unterlage,

Fig. 3 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 2 durch eine elasti­ sche Unterlage.

Auf einer Betonschwelle 6 der Kategorie B 70, ist eine Schiene 1 der Größe UIC 60 mit einer Neigung 1 : 40 zur Gleismitte (nach links) an ihrem Befestigungspunkt dargestellt. (Fig. 1) Der Fuß 2 der Schiene 1 wird durch Winkelführungsplatten 5 in seitli­ cher Richtung und von oben durch eine federnde Schienenbefesti­ gung 4 gespannt. Zwischen der Auflagerfläche 21 der Beton­ schwelle 6 und der Schienenfußsohle 3 ist eine elastische Un­ terlage 8 angeordnet, deren seitliche Rippen 7, 9 durch Winkel­ führungsstücke 5 gehalten werden.

Die Unteransicht (Pfeil A) der elastischen Zwischenlage ist in Fig. 2 dargestellt. Die nichtdargestellte Oberseite der elasti­ schen Zwischenlage ist plan und hat daher vollständigen Kontakt mit der Schienenfußsohle 3.

Die elastische Zwischenlage 8 weist innerhalb einer weitestge­ hend geschlossenen Randleiste, in Schienenlängsrichtung mit den Teilen 12, 13 und Schienenquerrichtung mit den Teilen 10, 11 auf, die eine Vertiefungsfläche 17 umschließen. Innerhalb der Vertiefungsfläche 17 sind 42 Kompressionspunkte 18, die sich als Erhebungen innerhalb der Vertiefungsfläche 17 darstellen, angeordnet. Die gesamte Kompressionsfläche zwischen der Schie­ nenfußsohle 3 und der nichtdargestellten Schwelle 6 ergibt sich also aus der Flächensumme der Randleisten 10-13 und der Summe der Flächen der Kompressionspunkte 18. Als Material für die Zwischenlage wurde ein thermoplastischer unvernetzter Kautschuk verwendet. Die erreichte Federkennziffer bei einer Abmessung der Zwischenlage von nominell 165 × 148 mm und einer Gesamtdicke von 7 mm und einer Vertiefung von 5 mm ist in diesem Fall 52 kN/mm bei Raumtemperatur. An einer Seite der Vertiefungsfläche sind quer durch die Randleiste 10 Dränagekanäle 20, 22 geführt, die es ermöglichen, Luft und/oder Wasser, das in die Vertiefungsfläche geraten ist, bei Kompres­ sion der elastischen Unterlage aus der Vertiefungsfläche 17 zu drücken. Die Dränagekanäle 20, 22 sind quer zur Schiene ange­ ordnet, damit der Sog durch überrollende Fahrzeuge kein Staub oder Wasser in die Vertiefungsfläche eintragen kann. Bei Bedarf können weitere Dränagekanäle z. B. an der gegenüberliegenden Randleiste angeordnet werden. Die Rippen 15, 40 umgreifen mit ihren Radien 16 den Schwellenkörper 6 und sorgen so für eine formschlüssige Arretierung der elastischen Zwischenlage 8 in Schienenlängsrichtung. In Schienenquerrichtung, d. h. auf der Oberfläche 21 der Schwelle 6 werden die seitlichen Randleisten 10, 11 durch Rippen 9, 7 überragt, die gemäß Darstellung in Fig. 1 - unter den Winkelführungsstücken 5 geklemmt werden können. Die geschützt liegenden Felder 23 dienen der Kennzeich­ nung des Herstellers und Fabrikationsdatums der Zwischenlage.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt B-B gemäß Fig. 2, der zum Teil durch die Randleiste 13 und die Vertiefungsfläche 17 mit den Noppen 18 führt und dann (rechts Teilbild) eine Seitenansicht der elastischen Zwischenlage 8 dargestellt. Die Rippen 14, 15 mit den Radien 16 dienen der Anlage an die Schwelle. Von der Rand­ leiste 13 aus erstreckt sich die Vertiefung 17 aus der mit pyramidenstumpfförmiger Mantelfläche 19 die Kompressionspunkte 18 hervorragen. Die Rippe 9 vor der Randleiste 10 dient der Fixierung der elastischen Unterlage, während der Dränagekanal 22 von der äußeren Kante der Randleiste 10 bis zur Vertiefungs­ fläche 17 innerhalb der elastischen Unterlage reicht.

Claims (10)

1. Elastische Zwischenlage, angeordnet zwischen einem Schie­ nenfuß und einem harten Auflager, wobei mindestens eine der als Kompressionsflächen wirkenden Oberflächen eine Profilierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Auflager (6) zugewandte Kompressionsfläche (21) mit im wesentlichen geschlossener Randleiste (10, 11, 12, 13) ausgebildet ist, die eine Vertiefungsfläche (17) um­ schließt, aus der kleinflächige Kompressionspunkte (18) hervorragen.

2. Elastische Zwischenlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ihre Federsteifigkeit durch eine Veränderung der Größe der Kompressionsfläche (21), insbesondere der Kompressionspunkte (18), änderbar ist.

3. Elastische Zwischenlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungsfläche (17) mit minde­ stens einem Dränkanal (20, 22) in der Randleiste (10, 11) verbunden ist.

4. Elastische Zwischenlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Flächen der Kompressionspunkte (18) geringer als die Hälfte der Ver­ tiefungsfläche (17) ist.

5. Elastische Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Randleisten (10 bis 13) mit Rippen (7, 9, 14, 15) zur form- oder kraftschlüssigen Fixierung auf dem Auflager (6) versehen sind.

6. Elastische Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Zwischen­ lage (8) ein thermoplastisches Elastomer aus Gruppe der unvernetzten Kautschuke verwendet wird.

7. Elastische Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Federziffer der Zwischenlage etwa 50 kN/mm bei Raumtemperatur beträgt für eine Belastungsfrequenz von < 50 Hz, vorzugsweise < 100 Hz.

8. Elastische Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Federziffer der Zwischenlage < 30 kN/mm bei Raumtemperatur beträgt für eine Belastungsfrequenz von < 50 Hz, vorzugsweise < 40 Hz.

9. Federnde Schienenbefestigung mit einer elastischen Zwi­ schenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verspannung des Schienenfußes (2) durch ein Federelement (4), das am Auflager (6) arretiert ist, bewirkt wird.

10. Werkzeug zur Herstellung einer elastischen Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9 im Spritzgußverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselplatte zur Aus­ bildung einer unterschiedlichen Anzahl und/oder Größe der Kompressionspunkte (18) in das Werkzeug integrierbar ist.