DE4319416C1

DE4319416C1 - Verfahren zum Hochrichten von in der Fahrfläche tiefliegenden Schienenverbindungsschweißungen im Gleis von Eisenbahnen

Info

Publication number: DE4319416C1
Application number: DE4319416A
Authority: DE
Inventors: Gerhardus Johannes Mulder; Frank Dr Kuster
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2013-06-12
Also published as: US5486245A; AU6453094A; AU665910B2; CA2125507A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hochrichten von in der Fahr fläche tiefliegenden Schienenverbindungsschweißstößen im Gleis von Ei senbahnen durch Erwärmen des Schweißstoßes mittels eines aluminothermi schen Gemisches, welches nach erfolgter Reaktion in verfestigter Form vorliegt.

Im Gleisnetz von Eisenbahnen wird ein ebener Fahrspiegel von den Ver bindungsschweißungen gefordert, um einen ruhigen Radlauf zu gewähr leisten. So wird beispielsweise nach Ausführung einer Schweißung die beschliffene Fahrfläche mit einem äußerst präzise gefertigten 1-Me ter-Lineal und Meßfühlerlehre geprüft. Das 1-Meter-Lineal wird mittig zur Schweißung auf die Fahrfläche aufgesetzt. Dabei ist an der Fahr fläche 50 cm rechts und links der Schweißung nur eine Abweichung von +0,3 mm bis -0,2 mm gegenüber dem horizontalen Fahrspiegel der Schiene zulässig. Diese Werte sollen auch unter Verkehr erhalten bleiben.

Es ist jedoch nicht zu vermeiden, daß mitunter nach erfolgter Ver schweißung oder im Verlauf des Befahrens des Gleises Abweichungen von dem idealen Fahrspiegel auftreten.

Dabei ist zwischen einem positiven und einem negativen Abweichen des Fahrspiegels zu unterscheiden.

Ein positives Abweichen des Fahrspiegels wird z. B. dann beobachtet, wenn Verbindungsschweißstöße gegenüber der Schiene einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisen. Der beim Befahren im Laufe der Zeit entstehende Fahrflächenbuckel kann von Zeit zu Zeit durch profilge rechtes Nachschleifen entfernt werden.

Größere Probleme entstehen bei negativem Abweichen des Fahrspiegels. Besonders nachteilig sind dabei Ausfahrungen im Schweißbereich, die durch einen verminderten Verschleißwiderstand der Schweißung im Ver gleich zur Schiene entstehen können. Ein negatives Abweichen ist auch dann zu beobachten, wenn vor der Ausführung des Schweißstoßes die Schie nenenden unfachmännisch ausgerichtet werden. Während der Abkühlung des Schweißstoßes auf Umgebungstemperatur schrumpft die Schweißung nach un ten. Dies muß durch Überhöhung der Schienenenden vor der Schweißung kompensiert werden.

Die Beseitigung solcher negativer Abweichungen des Fahrspiegels ist besonders im Hochgeschwindigkeitsverkehr von besonderer Bedeutung. Hier führen bereits kleinere Ausfahrungen zu einer Schlagbeanspruchung der Verbindungsschweißung, deren Lebensdauer dadurch vermindert wird. Auch der Schotter unter den dem Schweißstoß benachbarten Schwellen wird in Mitleidenschaft gezogen. Neben der Verminderung des Fahrkomforts infolge der Schlagbeanspruchung und der Geräuschbelästigung beim Pas sieren eines Zuges über einen ausgefahrenen Schweißstoß ist noch der rein wirtschaftliche Aspekt, den eine solche negative Abweichung im Fahr spiegel nach sich zieht, zu erwähnen.

Ein Ausschleifen einer selektiven Abfahrung im Bereich eines Schweiß stoßes ist in den meisten Fällen nicht möglich, da die Ausfahrung als solche bestehen bliebe und lediglich in ihrer Längenabmessung vergrö ßert würde.

Die Erfindung befaßt sich mit dem technischen Problem, negativ vom Fahrspiegel abweichende Schweißstöße durch eine Wärmebehandlung wieder nach oben zu richten und in die Ideallage zu bringen. Ist erst einmal der horizontale Verlauf des Fahrspiegels wieder hergestellt, bleibt dieser auch erhalten. Dies gilt selbst für den Fall eines verminderten Verschleißwiderstandes des Schweißstoßes im Vergleich zur Schiene, da un ter der Schlagbeanspruchung des Fahrbetriebes die ausgefahrene Fahr fläche des Schweißstoßes plastisch kaltverformt wird und somit aufhärtet. Ihr Verschleißverhalten entspricht nach der Fahrflächennivellierung dann im allgemeinen dem der Schiene.

Es ist bereits bekannt, Rillen- oder Vignolschienenverbindungsschwei ßungen durch Einwirkung von Wärme hochzurichten. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich um elektrisch, aluminothermisch oder durch Abbrennstumpfschweißung hergestellte Stöße handelt. Dabei werden zu tief liegende Schweißstöße z. B. mit Gas-Sauerstoff-Brennern hochge richtet, indem man die Flammen insbesondere auf den Schienenfuß rich tet. Der partiell erwärmte Fuß wird dadurch plastisch verformt und nach Beendigung der Wärmezufuhr und Abkühlung auf Umgebungstemperatur richtet sich dann der Schweißstoß nach oben.

Dieses Verfahren birgt jedoch einige schwerwiegende Nachteile in sich. Im Gleis wird es grundsätzlich manuell ausgeführt. Dies hat zur Folge, daß, je nach Geschicklichkeit des Ausführenden, unterschiedliche Er gebnisse erhalten werden. Bei zu langer Wärmezufuhr fällt das Maß des Hochrichtens zu groß aus und ein übermäßiges, nicht gewünschtes Ab schleifen des Fahrflächenbuckels ist dann notwendig. Außer dem Zeit verlust ist auch die spitze Lage der Schienenfußenden unerwünscht. Demgegenüber fällt das Maß des Hochrichtens zu gering aus, wenn die Wärmezufuhr ungenügend war. Es ist sehr schwierig, das richtige Maß der Wärmezufuhr abzupassen, wenn manuell mit Brennern gearbeitet wird. Bei zu ra scher Wärmezufuhr besteht sogar die Gefahr einer zu raschen Abkühlung des austenitischen Schienenfußes mit der Folge einer Martensit-Bil dung, die zu Brüchen führen kann. Auch übermäßiges Erhitzen im Schie nensteg wirkt sich nachteilig aus. Bedingt durch ein Ansteigen der Ei genspannungen können dann dort Risse oder Brüche auftreten.

Die Erfindung befaßt sich mit dem technischen Problem des Nivellierens negativ von dem Fahrspiegel abweichender Schienenverbindungsschweißstöße durch kontrollierte Erwärmung der Schweißstöße. Dieser Nivellier vorgang soll möglichst unabhängig von menschlichen Faktoren und in be sonderem Maße reproduzierbar sein.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zum Hochrichten von in der Fahrfläche tiefliegenden Schienenverbindungsschweißstößen im Gleis von Eisenbahnen durch Erwärmen der Schweißstöße mittels eines alu minothermischen Gemisches, welches nach erfolgter Reaktion in ver festigter Form vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das aluminothermische Gemisch in einer Menge verwendet wird, die dem 5. bis 10. Teil des Metergewichtes der Schiene entspricht, wobei
- a1) 30 bis 60% dieser Menge zur Erwärmung des Schienenfußes in ei ner Länge von 150 bis 300 mm (symmetrisch zum Schweißstoß in Längsrichtung der Schiene gemessen) und
- a2) der Rest des aluminothermischen Gemisches zu gleichen Teilen zur beidseitigen Erwärmung des Schienensteges verwendet wird,
b) das aluminothermische Gemisch entzündet wird,
c) an der Schiene nach erfolgter Zündung für eine Zeitdauer, gemessen in Minuten, verbleibt, die dem 0,7- bis 1,5fachen des Zahlenwertes des Gewichtes des aluminothermischen Gemisches, gemessen in kg, entspricht, worauf
d) das ausreagierte und verfestigte Gemisch vom Schienenfuß und Schie nensteg entfernt wird.

Pulverförmige aluminothermische Gemische, die im Verlauf der Reaktion und danach feste, zusammenhängende Reaktionsprodukte bilden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um aluminother mische Gemische, welchen Quarzsand, Aluminiumsilikate oder andere mo derierende Feststoffe beigemischt sind, um die Reaktion zu dämpfen und die Reaktionsprodukte durch Sintern zu verfestigen. Solche Gemische können folgende Zusammensetzung haben:

30 bis 40 Gew.-% Al-Pulver, Teilchengröße ≦ 1,5 mm,
30 bis 40 Gew.-% Fe₃O₄ oder Fe₂O₃ oder Gemisch beider Oxide, Teilchengröße ≦ 3 mm,
20 bis 40 Gew.-% Quarzsand, Teilchengröße ≦ 2 mm.

Von wesentlicher Bedeutung ist die Bemessungsregel für die auf das Me tergewicht der Schiene bezogene Gewichtsmenge des zu verwendenden aluminothermischen Gemisches. Sie soll dem 5. bis 10. Teil des Metergewichtes der Schiene entspre chen. Hierdurch wird die Wärmemenge festgelegt, welche bei der alumi nothermischen Reaktion freigesetzt wird und auf die Schiene einwirkt.

Es ist weiter von Bedeutung, daß 30 bis 60% dieser Menge aluminother mischen Gemisches im Schienenfußbereich angeordnet sind, und zwar auf einer Strecke von 150 bis 300 mm in Längsrichtung der Schiene, sym metrisch zum Schweißstoß. Der Rest des aluminothermischen Gemisches wird zur Erwärmung des Steges verwendet, wobei das aluminothermische Gemisch zu gleichen Teilen auf beiden Seiten des Steges angeordnet wird. Durch beide Maßnahmen wird die Verteilung der bei der Reaktion freiwerdenden Wärmemenge auf Schienensteg und Schienenfuß geregelt.

Bei einer bevorzugten Verfahrensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter den Schienenfuß 10 ein Unterkasten 12 mit einer Länge von 150 bis 300 mm und beidseitig des Schienensteges 18 Haltebleche 16, 17 angeordnet und fixiert. Das pulverförmige aluminothermische Gemisch 21 wird in den geforderten Teilmengen in den Unterkasten 12 und zu glei chen Teilen zwischen Schienensteg 18 und Haltebleche 16, 17 einge füllt.

Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Bezug auf Fig. 1 wie folgt ausgeführt:

Zunächst wird der Schienenfuß 10 freigelegt und eventuell Schotter 11 in einem solchen Maß entfernt, daß sich der Unterkasten 12 unter dem Schienenfuß 10 im Bereich der Verbindungsschweißung symmetrisch hierzu anordnen läßt. Es empfiehlt sich, auf das Schotterbett 11 eine Stahl platte 13 zu legen und den Unterkasten 12 mit einigen Stahlkeilen 14, die sich auf der Stahlplatte 13 abstützen, von unten gegen den Fuß 10 der Schiene 15 (Schweißstoß) zu klemmen. Die beiden Haltebleche 16, 17 werden auf beiden Seiten des Schienensteges 18 mittels Klammern 19 aus Federstahl gegeneinander fixiert. Der Unterkasten 12 und die beiden Haltebleche 16, 17 werden in üblicher Weise, z. B. mit Klebsand, gegen die Schiene abgedichtet.

Dieser Aufbau ist im Hinblick auf die Anwendung unter Baustellenbe dingungen einfach und robust gehalten.

Die zu verwendende Teilmenge des aluminothermischen Gewichtes von 30 bis 60 Gew.-% der Gesamtmenge wird in den Unterkasten 12 eingefüllt, der Rest wird zu gleichen Anteilen zwischen Haltebleche 16, 17 und Steg 18 eingefüllt. Anschließend werden die drei in den Behältern be findlichen Gemische mittels eines Entzündungsstäbchens zur Reaktion gebracht. Die aluminothermische Reaktion verläuft langsam, aber stetig und ist in etwa 2 Minuten abgeschlossen. Die dabei entstehende Wärme überträgt sich auf die Schweißstelle, wobei aufgrund der Anordnung der Schienenkopf 22 wie gewünscht auf relativ geringen Temperaturen ver bleibt. Steg 18 und Fuß 10 erfahren demgegenüber einen Temperaturan stieg in das Gebiet des Austenits hinein.

In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf an vier Meßstellen 1, 2, 3 und 4 wiedergegeben. Man erkennt, daß bis zum Reaktionsende nach 2 Minuten kaum ein Temperaturanstieg zu verzeichnen ist. Dann aber erwärmen sich Steg 18 und Fuß 10 recht schnell. Der Steg 18 verbleibt nach ca. 6 Mi nuten auf einer konstanten Temperatur, während die Fußaußenseite (Meß stelle 4) sich weiter erwärmt. Diese Temperaturdifferenz ist für das Hochrichten des Schweißstoßes während der Abkühlung auf Umgebungstem peratur erforderlich und ergibt sich aus der Menge und der erfindungs gemäßen Anordnung des aluminothermischen Gemisches 21.

Die durch die Reaktion gebildeten gesinterten Blöcke werden nach einer Zeitdauer, gemessen in Minuten, die dem 0,7- bis 1,5fachen Zahlenwert des Gewichtes des aluminothermischen Gemisches, gemessen in kg, ent spricht, von dem erhitzten Schweißstoß entfernt. Grundsätzlich gilt, daß das gewünschte Maß des Hochrichtens am besten erreicht wird, wenn einerseits viel Wärme zugeführt wird und andererseits die Temperatur differenz vom Kopf 22 zum Fuß 10 möglichst groß ist. Bei dem Tempera turverlauf von Fig. 2 ist dieser Zeitpunkt 10 Minuten nach Einleitung der Reaktion am stärksten ausgeprägt. Es handelt sich hier um eine 132-RE-Schiene (USA) mit einem Metergewicht von ca. 66 kg.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht darin, daß das aluminothermische Gemisch 21 in Form vor geformter und verfestigter Formkörper eingesetzt wird, welche jeweils unter dem Schienenfuß bzw. beidseits der Stege angeordnet und fixiert werden, wobei die Formkörper das aluminothermische Reaktionsgemisch in der geforderten Mengen enthalten und in ihrer Formgebung dem Schienen fuß bzw. dem Schienensteg angepaßt sind.

Derartige Formkörper können in an sich bekannter Weise dadurch herge stellt werden, daß man die aluminothermischen, sandgefüllten Gemische mit Wasserglaslösung tränkt und durch Einwirkung von CO₂ verfestigt. Die erhaltenen Blöcke, welche in ihrer Formgebung dem Schienenfuß bzw. dem Schienensteg angepaßt sind, können nun ohne besondere Formkästen oder Haltebleche direkt an der Schiene, z. B. durch Klemmen, fixiert werden. Die Formkörper behalten auch während und nach der Reaktion ihre Festigkeit und Form bei. Sie werden nach der in Merkmal c) ange gebenen Zeitdauer nach der Reaktion von der Schiene 15 entfernt. Es ist natürlich möglich, zur Schonung des Schotterbettes 11 oder zur besseren Fixierung zusätzliche Formbleche zu verwenden, die dann ent sprechend dünn gestaltet sein können.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß das gewünschte Maß des Hochrichtens von tiefliegenden Schweißstößen meistens 1,5 bis 2,0 mm beträgt. Die Schweißung kommt einerseits dann fast immer über die horizontale Null-Linie, andererseits ist das notwendige Beschleifen der Fahrfläche nach Abkühlung auf Umgebungstemperatur dann nicht allzu aufwendig bzw. die Lage der Schienenfüße gegeneinander ergibt sich nicht zu spitz. Sobald der Schweißstoß auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, erfolgt ein sogenannter Fertigschliff, nach dessen Ausführung dann das oben beschriebene Prüfverfahren mit dem 1-Meter-Lineal und der Meßfühler lehre angewendet wird.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Schweißstoß im Fuß und Steg einer Normalisierung unterworfen wird. Dies macht sich bei den Festigkeits- und Verformungswerten be merkbar. Eine typische Prüfung an Schienenverbindungsschweißstößen ist z. B. der sogenannte Biegebruchversuch, bei dem der Schweißstoß mittig ruhend auf zwei Auflagern mit 1 Meter Abstand zueinander mittels Stem pel bis zum Bruch belastet wird. Durch den Normalisierungsvorgang steigt die Bruchlast um 10 bis 15% und die Durchbiegung, gemessen im Moment des Bruches, um 90 bis 100% an, verglichen mit einer nicht er findungsgemäß wärmebehandelten Schiene.

Claims

1. Verfahren zum Hochrichten von in der Fahrfläche tiefliegenden Schienenverbindungsschweißstößen im Gleis von Eisenbahnen durch Er wärmen der Schweißstöße mittels eines aluminothermischen Gemisches, welches nach erfolgter Reaktion in verfestigter Form vorliegt, da durch gekennzeichnet, daß

a) das aluminothermische Gemisch (21) in einer Menge verwendet wird, die dem 5. bis 10. Teil des Metergewich tes der Schiene (15) entspricht, wobei
- a1) 30 bis 60% dieser Menge zur Erwärmung des Schienenfu ßes (10) in einer Länge von 150 bis 300 mm (symmetrisch zum Schweißen in Längsrichtung der Schiene gemessen) und
- a2) der Rest des aluminothermischen Gemisches (21) zu gleichen Teilen zur beidseitigen Erwärmung des Schienensteges (18) verwendet wird,
b) das aluminothermische Gemisch (21) entzündet wird,
c) an der Schiene (15) nach erfolgter Zündung für eine Zeitdauer, gemessen in Minuten, verbleibt, die dem 0,7- bis 1,5fachen des Zahlenwertes des Gewichtes des aluminothermischen Gemisches (21), gemessen in kg, entspricht, worauf
d) das ausreagierte und verfestigte Gemisch vom Schienenfuß (10) und Schienensteg (18) entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Schienenfuß (10) ein Unterkasten (12) mit einer Länge von 150 bis 300 mm und beidseitig des Steges (18) Haltebleche (16), (17) angeordnet und fixiert werden und das aluminothermische Ge misch (21) in den geforderten Teilmengen in den Unterkasten (12) und zu gleichen Teilen zwischen Schienensteg (18) und Halteble che (16), (17) eingefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das alumino thermische Gemisch (21) in Form vorgeformter und verfestigter Form körper eingesetzt wird, welche jeweils unter dem Schienenfuß (10) bzw. beidseits des Steges (18) angeordnet und fixiert werden, wobei die Formkörper das aluminothermische Reaktionsgemisch (21) in der geforderten Menge enthalten und in ihrer Formgebung dem Schienen fuß (10) bzw. dem Schienensteg (18) angepaßt sind.