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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Montage von Eisenbahnschienen.
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Sie
betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Befestigen von direkt
auf einem Fundament oder auf Schwellen verlegten Schienen.
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Stand der Technik
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Die
klassischen Schienenbefestigungsvorrichtungen umfassen wenigstens
eine Sohle aus elastischem Material, die dem Rad/Schiene-System eine
Elastizität
verleiht, so dass hinsichtlich der Vibrationen bzw. Schwingungen,
verursacht durch die dynamischen Kräfte, die beim Durchfahren der
Züge auf
die Schienen wirken, eine gewisse Isolation von der Umgebung gewährleistet
ist.
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Direkt
unter der Schiene befindet sich fast immer eine elastische Vorrichtung,
gebildet durch eine relativ steife Sohle. Eine zweite, nachgiebigere Sohle
befindet sich oft unter einer metallischen Sohle oder einer Schwelle.
Diese zweite Sohle gewährleistet
die Antivibrations-Isolation.
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Die
erste Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz des Rad/Schiene-Systems
ist durch die dynamische Steifigkeit der Sohlen bedingt. Diese Resonanzfrequenz
ist umgekehrt proportional zu der Antivibrationsleistung des Befestigungssystems
der Schiene: eine niedrige Resonanzfrequenz liefert eine bessere
Antivibrationsisolation als eine hohe Resonanzfrequenz.
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Mit
Sohlen, die eine niedrige dynamische Steifigkeit haben, reduziert
man die erste Resonanzfrequenz des Rad/Schiene-Systems, was eine
gute Antivibrationsfiltration bewirkt. Die beste Filtration erzielt
man also mit der niedrigsten dynamischen Steifigkeit bei den Sohlen.
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Es
gibt jedoch eine untere physikalische Grenze für diese dynamische Steifigkeit
der bei den aktuellen Schienenbefestigungssystemen verwendeten Sohlen.
Die dynamische Steifigkeit steht in einem direkten Verhältnis zu
der statischen Steifigkeit der Sohlen. Die statische Steifigkeit
der Sohlen darf nicht zu niedrig sein, denn sie beeinflusst direkt
die Durchbiegung der Schiene bei der Durchfahrt eines Zuges auf
den Schienen. Diese Durchbiegung der Schienen ist im Allgemeinen
auf ungefähr
3 mm begrenzt. Diese statische Durchbiegungsgrenze der Schiene erfordert
eine minimale statische Steifigkeit und folglich eine minimale dynamische
Steifigkeit der Antivibrationssohle. Dieses Phänomen begrenzt die Antivibrationsisolationsleistungen
der klassischen Schienenbefestigungssysteme. Bei der Mehrzahl der
bekannten Befestigungssysteme liegt die Resonanzfrequenz zwischen
35 und 60 Hz.
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Die
Veröffentlichung
WO 97/42376 beschreibt eine Befestigungsvorrichtung einer Schiene auf
einer metallischen Sohle mit Zwischenfügung einer Antivibrationssohle,
wobei die Sohle selbst sich auf einer zweiten Antivibrationssohle
befindet und auf einem Träger
befestigt wird durch einstellbare Befestigungsmittel, die durch
elastische Spanneinrichtungen gebildet werden, die direkt auf die
Sohle wirken, um die Sohle und die zweite Antivibrationssohle so
auf dem Träger
zu befestigen, dass auf die zweite Antivibrationssohle eine bestimmet
Druckkraft ausgeübt
wird, so dass sie sich in einem Vorspannungszustand befindet. Diese
Befestigungsvorrichtung ermöglicht,
die statische Verformung des Schiene auf einen akzeptablen Wert
zu begrenzen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, Vorrichtungen zur Befestigung
von Schienen zur realisieren, die direkt nicht nur auf Platten sondern
ebenfalls auf Stahl oder Schwelle auf einem Betonfundament oder
im Schotter verlegt werden und Antivibrations-Isolationsleistungen haben, die denen
nahe kommen, die man mit einer schwingungsfreien Platte erreicht,
und die gleichzeitig eine gute Stabilität der Schienen gewährleisten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Schienentragvorrichtung nach der Erfindung umfasst eine metallische
Unterlage, die auf einer Antivibrationssohle ruht, und einstellbare
Befestigungseinrichtungen, die direkt auf die Unterlage wirken,
um die Unterlage und die Antivibrationssohle auf einer Tragstruktur
zu befestigen, wobei die einstellbaren Befestigungseinrichtungen
wenigstens zwei elastische Einrichtungen umfassen, von denen jede eine
Gewindestange und ein vertikal wirkendes einstellbares Vorspannungssystem
umfasst. Das Vorspannungssystem umfasst eine erste Feder mit einer ersten
Steifigkeit und eine um diese erste Feder herum angeordnete zweite
Feder mit einer zweiten Steifigkeit, die größer ist als diejenige der ersten
Feder, wobei die zweite Feder länger
ist als die erste Feder, und umfasst Halteeinrichtungen, um die
erste und die zweite Feder derart zu halten, dass jede von ihnen unabhängig von
der anderen wirkt.
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Nach
einer speziellen Realisierungsart umfassen die Halteeinrichtungen
der Federn eine Tragscheibe, auf der sich ein erstes Ende der ersten
Feder abstützt,
wobei eine Abdeckung die erste Feder umgibt und diese Abdeckung
mit dem zweiten Ende der ersten Feder kooperiert und dabei so ausgebildet ist,
dass sie außerdem
mit einem ersten Ende der zweiten Feder kooperiert, und umfassen
eine mit dem zweiten Ende der zweiten Feder zusammenwirkende Haltescheibe.
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In
dem Fall, wo die Antivibrationssohle auf einer Grundplatte ruht,
mit eventuell einer Zwischenlage, befestigen die einstellbaren Befestigungsmittel die
Unterlage und die Grundplatte und spannen sie zusammen.
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Wenn
ein Rad über
einer Befestigungsvorrichtung über
die Schiene rollt, hält
die durch die Anordnung der beiden Federn auf die Antivibrationssohle
ausgeübte
Vorspannung den Betriebspunkt der Antivibrationssohle in der Zone
des quasi-linearen Verlaufs ihrer Durchbiegungskurve. Die Vorspannungskraft
wird beim Passieren des Rads sehr klein und die statischen Durchbiegungen
der Schiene sind begrenzt, während
die erwünschte
Antivibrationsisolation sichergestellt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
gewährleistet
also bei der Befestigung der Schiene eine hohe statische Scheinsteifigkeit,
kombiniert mit einer niedrigen dynamischen Steifigkeit. Eine weitere
Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Verlegen von zwei Kurvenschienen, wobei die Erfindung ermöglicht,
das Knirschgeräusch
zu reduzieren.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
einen Schnitt einer typischen erfindungsgemäßen Schienenbefestigungsvorrichtung;
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorspannungseinrichtung;
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3 zeigt
eine typische statische Durchbiegungskurve einer Antivibrationssohle;
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4 zeigt
eine typische Belastungskurve einer Antivibrationssohle mit einer
erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung;
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5 zeigt
die statische Steifigkeitskurve eines Schienenauflagebeispiels;
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6 zeigt
die dynamische Steifigkeitskurve eines Schienenauflagebeispiels;
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7 zeigt
die Belastungskurve der Vorspannungsfedern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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8 zeigt
die statische Belastungskurve einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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9 zeigt
Druckversuchsdiagramme für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung;
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10 bis 13 stellen
dynamische Steifigkeiten dar, beobachtet bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
für vier
Belastungsstufen der Auflagen bei einem mit einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
befestigten Schienenmuster.
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Beschreibung
einer Realisierungsart der Erfindung
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In
der 1 sieht man eine Schienentragvorrichtung mit einer
Grundplatte 11, befestigt auf einem Betonfundament oder
einer Schwelle (nicht dargestellt) durch Schrauben 12,
eventuell mit einer Zwischenlage 13, die dazu dient, den
Kopf der Befestigungsschrauben 12 und die Reliefs der Grundplatte 11 zu
nivellieren. Die Zwischenlage 15 dient der Abdeckung der
Löcher
in der Zwischenlage 13. Auf der Zwischenlage 15 ist
eine Antivibrationssohle 17 angeordnet, die Abmessungen
aufweist, die in Abhängigkeit
von der Eigenfrequenz der Schiene gewählt werden, und auf der Antivibrationssohle 17 ist
eine Unterlage 19 angeordnet, die der Befestigung der Schiene
dient. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine seitlichen
Anschlag für
die Unterlage 19, und das Bezugszeichen 16 bezeichnet
ein Element zur seitlichen Einstellung.
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Erfindungskonform
ist die Unterlage 19 auf der Grundplatte 11 durch
Hammerkopfschrauben, wie zum Beispiel die Schrauben 18,
und die Vorspannungseinrichtung 20 befestigt, die dazu
dient, die Antivibrationssohle 17 in den Vorspannungszustand
zu versetzen. Wenn keine Grundplatte 11 vorgesehen ist,
wird die Unterlage 19 in dem Fundament, in einer Schwelle
oder in irgendeiner Tragstruktur befestigt.
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Die
Vorspanneinrichtung 20 ist im vergrößerten Maßstab in der 2 dargestellt.
Erfindungsgemäß umfasst
diese Vorrichtung 20 eine integriertes System aus zwei
Federn 21 und 23. Die Feder 21 hat eine
kleinere Steifigkeit als die Feder 23, welche die erste
Feder umgibt. Die Feder 21 hat zum Beispiel eine Steifigkeit
von 1800 N/cm, während
die Feder 23 zum Beispiel eine Steifigkeit von 50 bis 150
kN/cm aufweist. Die Feder 21 ist umgeben von einer Blechhülle 25,
um die Einstellung der Vorspannung und die Rückstellung der die größere Steifigkeit
aufweisenden Feder 23 zu erleichtern. Das Ganze wird zusammengehalten
von zwei Schulterscheiben 27 und 29. Die Feder 23 ist
beim Passieren eines Rads auf der Schiene vollkommen vorspannungsfrei.
In diesem Moment leistet die Feder 23 keinen Beitrag zu
der dynamischen Steifigkeit des Rad/Schiene-Befestigungssystems.
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Festzustellen
ist, dass es schon Schienenbefestigungssysteme mit zwei elastischen
Stufen mit Federn gibt, aber diese bekannten Systeme haben nur den
Zweck, die Unterlage oder Schwelle mechanisch festzuhalten und die
Durchbiegung der Unterlage zu ermöglichen. Zudem beträgt die bei
diesen bekannten Systemen auf die Federn ausgeübte Vorspannung nur einige
Tausendstel Newton (N). Hingegen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die auf die Antivibrationssohle ausgeübte Vorspannung groß (ungefähr 10 kN).
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Die
Antivibrationssohlen haben eine statische Durchbiegungskurve wie
dargestellt in der 3. Bei dieser Kurve unterscheidet
man drei Zonen:
- (a) eine nicht-lineare Belastungszone
(A);
- (b) eine quasi-lineare Zone (B), in der das Produkt arbeiten
soll;
- (c) eine nicht benützte
nicht-lineare Zone (C).
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Im
Einsatz ist die Belastung, die beim Passieren eines Rads auf der
Schiene real auf eine Schienenauflage wirkt, quasi-statisch und
schnell. Um zu vermeiden, dass der Betriebspunkt der Antivibrationssohle
sich jedes Mal in die nicht-lineare Belastungszone seiner Durchbiegungskurve
verschiebt, ist es wichtig, die Antivibrationssohle kontinuierlich
in der nicht-linearen Zone der Kurve arbeiten zu lassen. Daher wird
bei der Befestigung einer Schiene die erfindungsgemäße Vorspannungseinrichtung
so eingestellt, dass sie auf die Antivibrationssohle eine große Vorspannung
ausübt,
so dass diese Sohle immer in der linearen Zone (B) arbeitet.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung erfolgt die Einstellung der Vorspannung
auf der Basis der technischen Daten des Fundaments des Gleises und
des rollenden Materials und vor allem unter Berücksichtigung der verlangten
Antivibrations-Isolationsleistungen
(Rad-Schiene-Resonanzfrequenz). Diese Leistungen erfordern im Allgemeinen
eine niedrige dynamische Steifigkeit. Von dieser dynamischen Steifigkeit
leitet man die verlangte dynamische Steifigkeit ab, die abhängig ist
von dem Material, aus dem die Antivibrationssohle besteht. Mit dieser
statischen Steifigkeit erhält
man generell große
statische Verschiebungen der Schiene, die nicht toleriert werden.
Die Vorspannungseinrichtung wird dann so eingestellt, dass sie auf
die Antivibrationssohle eine solche Vorspannung ausübt, dass
die Differenz zwischen der Verschiebung der Schiene vor dem Vorspannen
und der Verschiebung der Schiene nach dem Vorspannen unter der tolerierten
Schienenverschiebung bleibt (im Allgemeinen 3 mm). Vorzugsweise
wird die Sohle so gewählt,
dass sie – mit
der Vorspannung und der zusätzlichen
Belastung, die durch ein passierendes Rad auf sie ausgeübt wird –, in der
quasi-linearen Zone ihrer Durchbiegungskurve arbeitet.
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Bei
einem Schienenbefestigungssystem des Typs UIC 60, zum Beispiel auf
Beton mit einem Schwellenabstand von 60 cm, einer ungefederten Masse
des Fahrzeugs von 1000 kg, einem Achsdruck von 180 kN und einer
Rad-Schiene-Resonanzfrequenz von 22 Hz (ähnliche Isolation wie mit einer schwingungsfreien
Platte) ist eine dynamische Steifigkeit der Antivibrationssohle
in dem Befestigungssystem von ungefähr 10 kN/mm notwendig (bestimmt durch
die Finite-Elemente-Methode). Indem man dann für die Antivibrationssohle ein
Produkt mit einer statischen Steifigkeit gleich der dynamischen
Steifigkeit wählt,
erhält
man mit dem betrachteten Achsdruck (180 kN) eine Schienendurchbiegung
von 4,5 mm (3). Man kann für die Antivibrationssohle zum
Beispiel ein quasi-isotropes Mikrozellenprodukt wie etwa Polyurethan
mit Mischstruktur verwenden.
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Wenn
die Vorspannungseinrichtung 20 so eingestellt wird, dass
sie auf die Antivibrationssohle eine Vorspannung von ungefähr 30 kN
ausübt,
mit zwei Federn 23 mit 15 kN/mm, jede um 1 mm komprimiert,
beträgt
die Durchbiegung der Schiene in dem Moment des Passierens eines
Rads 1,5 mm, was absolut akzeptabel ist. Beim Passieren des Rads üben die
beiden Federn 23 keine Vorspannungskraft mehr aus. Nur
die Rückstellfedern 21 üben dann
eine kleine Vorspannungskraft aus, so dass das System in dynamischer
Hinsicht sehr elastisch bleibt.
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Die 4 zeigt
eine Belastungskurve einer Antivibrationssohle für einen Achsdruck von zum Beispiel
ungefähr
100 bis 120 kN. Unter Berücksichtigung
der statischen Belastung pro Achse auf einem Antivibrationslager
erhält
man zum Beispiel eine minimale Belastung von 20 kN auf der Antivibrationssohle.
Die auf die Einrichtung 20 ausgeübte Vorspannung wird dann gleich
dieser minimalen Belastung gewählt.
Beim Passieren eines Zugs kann die Belastung zwischen 20 und 30
kN variieren. Die gewählte Vorspannung
(zum Beispiel 20 kN) legt den minimalen Betriebspunkt des Systems
fest, bei dem eine Durchbiegung der Schiene von ± 4,5 mm stattfindet. Diese
Vorspannung wird zum Beispiel mit zwei Federn 23 von 10
kN/mm realisiert, die beide um 1 mm komprimiert werden.
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In
dem Fall, wo ein Zug pro Achse eine Belastung von 100 kN ausübt, beträgt die mittlere
Belastung pro Lager ungefähr
25 kN, was eine zusätzliche Durchbiegung
der Schiene um ± 1,3
mm verursacht. Bei einer Belastung von 120 kN pro Achse beträgt der mittlere
Druck pro Lager ungefähr
30 kN, was eine zusätzliche
Durchbiegung der Schiene um ± 3,1 mm
verursacht. Der Betriebspunkt des erfindungsgemäßen Systems verhält sich
also dynamisch, woraus folgende Durchbiegungen resultieren:
4,5
mm für
eine Belastung von 20 kN,
5,8 mm für eine Belastung von 25 kN,
7,6
mm für
eine Belastung von 30 kN.
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Man
stellt fest, dass die beiden Vorspannungsfedern 23 in der
erfindungsgemäßen Vorspannungseinrichtung 20 sich
beim Passieren eines Rads vollkommen entspannen. Die Erfindung ermöglicht also,
optimale Betriebsbedingungen für
die Antivibrationslager herzustellen, das heißt eine sehr niedrige dynamische
Steifigkeit bei gleichzeitiger Begrenzung der Schienendurchbiegung
auf den tolerierten Wert, zum Beispiel ± 3 mm (anstatt ± 8 mm).
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Es
sind Versuche mit einem ungefähr
6 m langen Schienenstück
mit sieben Befestigungspunkten durchgeführt worden, ausgerüstet mit
einer erfindungsgemäßen Vorspannungseinrichtung,
um das statische und dynamische Verhalten des Systems zu testen.
Die verwendeten Lager waren vom Typ SYL.S65.XS/300.180.50. Die Kurve
der 5 zeigt, dass die statische Steifigkeit des Musters
unter einer Belastung von 15.0 kN durchschnittlich 3600 N/mm betrug
und Durchbiegung unter einer Belastung von 25 kN ungefähr 8 mm.
Die Kurve der 6 zeigt, dass die dynamische
Steifigkeit ungefähr
5600 N/m betrug. Die maximal gemessene Druckkraft ist auf 15 kN
festgelegt worden.
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Die 8 bis 13 zeigen
die Resultate der nach der Montage des Systems durchgeführten Versuche.
Die Kurve der 8 zeigt die statische Belastung
des Systems. Man konstatiert ungefähr folgende statische Steifigkeit:
8600
N/mm für
eine Belastung unter 15,0 kN
3600 N/mm für eine Belastung über 15,0
kN.
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Die
restliche Durchbiegung bei 25 kN beträgt ungefähr 5 mm bei einer langsamen
Belastung. Die statische Durchbiegung ist immer größer als
bei einem schnellen Belastungsanstieg. Die 3 zeigt nämlich, dass
die Durchbiegung bei einer Belastung von 25 kN ungefähr 3 mm
beträgt.
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Das
dynamische Verhalten des Musters ist in den Diagrammen der 10 bis 13 für Belastungsstufen
von 10, 15, 20 und 25 kN dargestellt. Diese Diagramme zeigen die
ungefähre
dynamische Steifigkeit:
8600 N/mm für eine Belastung unter 15,0
kN
5600 N/mm für
eine Belastung über
15,0 kN.
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Diese
Resultate bestätigen
das exzellente dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
bei gleichzeitiger Begrenzung der Schienendurchbiegung auf ±3 mm.