DE68905133T2 - Eisenbahn. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Eisenbahnen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verminderung des hierbei zwischen Rad und Schiene auftretenden Lärms.
• Da der Umwelt zunehmend Bedeutung zugemessen wird, und die Geschwindigkeit der Eisenbahnen ansteigt, stellt der Lärm, der durch die Eisenbahnen insbesondere in städtischen Bereichen erzeugt wird, einen besonders wichtigen Faktor dar. Aus diesem Grunde sind Verfahren zur Verminderung des durch die Eisenbahnen erzeugten Lärms von zunehmendem Interesse.
• Man weiß jetzt, daß die Schienen und Räder der Eisenbahnen als Schallstrahler wirken und es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um die Energie zu reduzieren, die von dem Rädern und Schienen abgestrahlt wird. Eine spezielle Anwendung auf Schienen ist in der französischen Beschreibung FR-A-2012921 beschrieben (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1). Dieses Dokument beschreibt das Verfahren der Aufbringung eines Mediums auf die Außenseite der Schiene, welches Energie absorbieren wird. Wie später in dieser Beschreibung erläutert, ist jedoch die Verminderung der Strahlungslänge der Schiene auch vorteilhaft im Hinblick auf eine Verminderung der von ihr emittierten Energie und deshalb wird vorgeschlagen, die physikalischen Eigenschaften des Dämpfungsmediums in der Weise auszunutzen, daß die Vibrationscharakteristiken der Schiene selbst geändert werden, indem die Vibrationen der Schiene gedämpft werden und die Energie hiervon direkt absorbiert wird, statt den Schall in einer Absorbtionsschicht zu absorbieren, der bereits von der Schiene emittiert wurde.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wirksamkeit von Dämpfungsschichten zu erhöhen, indem die Energie vermindert wird, die durch die Schiene in die Umgebung abgestrahlt wird.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stahlschiene, an der ein Verbundkörper befestigt ist, der ein Dämpfungsmedium umfaßt, das mit sowohl der Schiene als auch mit einem Einspannelement verbunden ist und in Sandwichform zwischen diesen liegt, wobei das Einspannelement wesentlich spannungssteifer als das Dämpfungsmedium ist, um die Schwingungsenergie zu absorbieren, die durch den Fahrzeugverkehr auf jener Schiene erzeugt wird, wobei es sich bei dem Dämpfungsmedium um ein viskoelastisches Material handelt.
• Das viskoelastische Material kann mit der Unterseite des Schienenfußes und/oder den Oberseiten des Schienenfußes und/oder einer oder beiden Seiten des Steges und/oder den meisten der mit den Rädern in Berührung stehenden Teilen des Kopfes verbunden sein. Das Einspannelement aus Bandstahl und das viskoelastische Material kann mit der Unterseite des Schienenfußes verbunden sein, und das Band kann um die Seite des Schienenfußes herum hochgebogen und über die Oberseite jenes Fußes umgefalzt sein.
• Das viskoelastische Medium und das Einspannelement können durchgängig entlang der Schiene verlaufen, und das viskoelastische Material kann mit der Unterseite des Schienenfußes verbunden sein, und das Einspannelement kann aus dem Gleistragwerk bestehen, das als gepflastertes Betonfundament ausgebildet sein kann. Das viskoelastische Material kann mittels eines Klebstoffes verbunden sein. Die Schiene selbst kann einen standardmäßigen Querschnitt haben, der jedoch verglichen mit herkömmlichen Oberbaueisenbahngleisen eine geringere Höhe aufweist, wobei verglichen mit der relativen Stärke des Schienenfußes in herkömmlichen Oberbaueisenbahngleisen der Fuß der Schiene eine größere Breite aufweist.
• Die Schiene kann in Verbindung mit einem Fahrzeugverkehr zum Einsatz kommen, bei dem die Räder zur Reduzierung ihrer eigenen Resonanzreaktion behandelt sind.
• Es wurde festgestellt, daß Eisenbahngeräusche etwa im gleichen Maße von den Rädern der Eisenbahn und von den Schienen herrühren, auf denen die Räder laufen, und die Erfindung bezweckt eine vollständige Auslöschung des von der Schiene herrührenden Anteils. Der Lärm, der von den Schienen abgestrahlt wird, besitzt normalerweise einen Frequenzbereich zwischen etwas unter 250 Hz bis höchstens 5 kHz. Bei dem Bestreben, den Schienenlärm zu vermindern, ist es erwünscht, die wirksame Strahlungslänge der Schiene zu reduzieren, d.h. die Schwingungsabklingrate der Wellenbewegungen, die längs der Schiene von der Berührungsstelle zwischen Rad und Schiene längs der Schiene fortschreiten, mit der Entfernung längs der Schiene zu erhöhen. Zu diesem Zweck ergibt die Anwendung der eingespannten Schicht aus Dämpfungsmaterial in der vorbeschriebenen Weise eine höchst zweckmäßige Wirkung über einer Frequenz von etwa 2 kHz, wo diese Bewegung insbesondere bei dem Ausführungsbeispiel gedämpft wird, wo die Schienenfußbewegung gedämpft wird, die zunehmend die immer mehr vorherrschende Strahlungskomponente wird. Was nunmehr die Frequenzen unterhalb dieses Pegels anbetrifft, so hängt die Geräuschabstrahlleistung eines schwingenden Trägers (Schiene) von dem projektierten Breiten-/Tiefenverhältnis ab, verglichen mit der Wellenlänge des Schalls in Luft bei der betreffenden Frequenz. Eine wirksame Strahlung tritt nur dann auf, wenn der 'wirksame Durchmesser' der Schiene größer ist, als die Wellenlänge - wenn die projektierte Breiten-/Tiefenabmessung beträchtlich kleiner ist als die Wellenlänge, dann fällt die Strahlungswirksamkeit drastisch ab. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist die kritische Frequenz und die Verwendung einer Schiene mit verminderter Höhe ist vorteilhaft bis zu etwa 1 kHz, basierend auf einem Ansteigen der kritischen Frequenz und dadurch einer Verminderung der Strahlungswirksamkeit. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der Benutzung dieses Schienenquerschnitts insofern, als die Strahlungsoberfläche vermindert wird.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden vier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, und in den vier Figuren ist jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schiene dargestellt.
• Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Der 'untersetzte' Stahlschienenquerschnitt 1 weist einen Kopf 2 mit einem in der Höhe verminderten vertikalen Steg 3 und einen Schienenfuß 4 auf. Die Schienenhöhe beträgt etwa 110 mm und die Breite des Fußes liegt bei etwa 140 mm; das Gewicht pro Längenmeter liegt bei etwa 50 kg. Am Schienenfuß ist beispielsweise mittels eines Klebers eine viskoelastische (d.h. nicht einfach elastische) Lage 5 festgelegt, die beispielsweise aus dem geschützten Material T.MAT PD4 besteht und in gleicher Weise ist diese Schicht auf der anderen Seite mit einer aus Metall, z.B. Stahl, bestehenden Einspannschicht 6 verbunden. Die Lage 5 kann zu diesem Zweck eine vorbehandelte Klebeoberfläche aufweisen. Die Viskoelastizität ist eine Materialeigenschaft, bei der bei Deformation unter einer Spannung eine vollständige Regenerierung erreicht wird, nachdem die Spannung wegfällt, obgleich ein Teil der Deformation viskos ist (vergl. beispielsweise 'An encyclopaedia of Metallurgy and Materials' von C R Tottle (The Metals Society/Mac Donald & Evans 1984), Seiten 351-352).
• Die Lage 5 kann außerdem genügend elastisch sein, um die Funktion eines Schienensitzkissens durchzuführen.
• Die Fig. 2 zeigt eine besser proportionierte Schiene, wodurch die Höhe des Schienenfußes um 5 mm erhöht ist. Dies ändert wirksam die neutrale Achse, um einen besseren Ausgleich der Spannungsverteilung zu erreichen und ein leichteres Abrollen zu ermöglichen, und insbesondere wird eine geradere Schiene auf den Kühlbetten erreicht. Das zusätzliche Gewicht dieser Schiene ermöglicht außerdem eine Anpassung dimesioneller Änderungen zwischen Schienen mit diesem Querschnitt und Schienen mit einem Standardquerschnitt, mit denen sie beispielsweise bei Weichen oder Kreuzungen verbunden werden müssen.
• Zusätzlich kann, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die Stahlschicht 6, die aus weichem Stahl bestehen kann, beispielsweise aus 110 Brinel wahlweise nach oben um die Seiten des Fußes herum und über seine Oberseite gefaltet werden, wie dies dargestellt ist, und auch die viskoelastische Lage 5 kann auf diese Weise, wie aus Fig. 4 ersichtlich, um den Fuß herumgelegt werden.
• Die Lagen 5 und 6 verlaufen kontinuierlich über die Länge der Schienen bei beiden Ausführungsformen und die Schiene wird periodisch über ihre Länge von nicht dargestellten Schwellen abgestützt. Statt dessen kann die Schiene in gewissen Fällen kontinuierlich über ihre Länge z.B. von einem Betonbett abgestützt werden, und in diesem Falle kann die getrennte Einspannschicht wegfallen und die Lage 5 kann an dem Bett, wie aus Fig. 3 ersichtlich, festgelegt werden.
• Statt dessen oder zusätzlich zur Anordnung des Verbundkörpers 5, 6 an der Unterseite des Schienenfußes kann der Verbundkörper irgendwo an der Schiene angeordnet werden, z.B. auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Steges und/oder um den Kopf an den vom Rad nicht berührenden Stellen und/oder am zweckmäßigsten auf den Oberseiten des Schienenfußes.
• Fig. 4 zeigt ein solches Ausführungsbespiel, bei dem die viskoseelastische Schicht auf einer Seite der Oberseiten des Schienenfußes festgelegt ist und auf der anderen Seite an einem Stahlband 7, das sonst freiliegen würde. Wie oben wird die innerhalb der Schiene entlangwandernde Vibrationsenergie durch die viskoelastische Schicht absorbiert und in Wärme innerhalb des Verbundkörpers umgewandelt. Wie oben angedeutet, kann sich der Verbundkörper über den Steg und die Unterseite des Kopfes erstrecken, wie dies strichliert in dieser Figur dargestellt ist und tatsächlich können auch noch die Seiten des Kopfes bedeckt werden.
• Obgleich die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, die in der Zeichnung dargestellt waren, ist es klar, daß zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnten die Dimensionierungsbeziehungen der dargestellten Verbundschichten in Bezug zueinander und zur Schiene leicht verändert werden und tatsächlich kann die Gestalt der Schiene selbst entsprechend de Erfindung bestehen und die Schiene könnte auch ohne Steg hergestellt sein. Außerdem ist es erwünscht, aber nicht wesentlich, daß die Verbundlage kontinuierlich ist, aber das gleiche Ziel könnte durch einzelne Verbundschichten zwischen jeder Schwelle und/oder Schienenbefestigung und der Schiene selbst erreicht ewrden, aber dies wäre bei niedrigeren Frequenzen weniger wirksam. Außerdem könnten die Schichten 5, 6/7, obgleich diese als vorgeformt dargestellt wurden, einzeln oder zusammen aufgespritzt oder aufgefugt werden und die Lagen 6/7 können aus irgendeinem Material bestehen, welches eine höhere Zugspannung als die Lage 5 besitzt und es könnte zum Beispiel ein Plastikmaterial benutzt werden.
• Natürlich wird der größte Vorteil im Hinblick auf eine Lärmverminderung erreicht, wenn die Räder der über die Schienen laufenden Wagen selbst in der Weise behandelt werden, daß ihr eigenes Resonanzansprechen vermindert wird; demgemäß ist die Erfindung insbesondere vorteilhaft, wenn die vorbeschriebenen Schienen in Verbindung mit gedämpften Rädern benutzt werden, d.h mit Rädern, deren Nabe und/oder Kranz mit einem Verbundkörper versehen ist, der in der beschriebenen Weise befestigt ist.

Claims (12)

1. Stahlschiene, an der ein Verbundkörper befestigt ist, der ein Dämpfungsmediuzn (5) umfaßt, das mit sowohl der Schiene als auch einen Einspannelement (6) verbunden ist und in Sandwichform zwischen diesen liegt, wobei das Einspannelement wesentlicher spannungssteifer als das Dämpfungsmedium ist, um durch Dämpfen der Schwingungen jener Schiene die durch den Fahrzeugverkehr auf jener Schiene erzeugte Schwingungsenergie zu absorbieren, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Dämpfungsmedium um ein viskoelastisches Material (5) handelt.

2. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Material (5) mit der Unterseite des Fußes (4) und/oder den Oberseiten des Fußes und/oder einer oder beiden Seiten des Steges (3) und/oder den meisten der mit den Rädern nicht in Kontakt stehenden Teilen des Kopfes (2) verbunden ist.

3. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Einspannelement um Bandstahl handelt.

4. Schiene nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Medium mit der Unterseite des Fußes verbunden ist und das Band um die Seite des Fußes herum hochgebogen und über die Oberseite jenes Fußes umgefalzt ist.

5. Schiene nach Anspruch 4, bei der das viskoelastische Medium auch um die Seiten herum und über die Oberseite jenes Fußes gebogen ist.

6. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Medium und das Einspannelement durchgängig entlang der Länge der Schiene verlaufen.

7. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Medium mit der Unterseite des Fußes der Schiene verbunden ist und das Einspannelement aus dem Gleistragwerk besteht.

8. Schiene nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Medium durchgängig entlang der Länge der Schiene verläuft und es sich bei dem Gleistragwerk um ein gepflastertes Betonfundament handelt.

9. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Medium mittels eines Klebstoffs verbunden wird.

10. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene selbst einen standardmäßigen Querschnitt hat, jedoch verglichen mit herkömmlichen Oberbaueisenbahngleisen eine geringere Höhe aufweist.

11. Schiene nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, verglichen mit der relativen Stärke des Schienenfußes in herkömmlichen Oberbaueisenbahngleisen, der Fuß der Schiene eine größere Stärke aufweist.

12. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit Fahrzeugverkehr zum Einsatz kommt, bei dem die Räder zur Reduzierung ihrer eigenen Resonanzreaktion behandelt sind.