EP0013313A1

EP0013313A1 - Eisenbahnschiene

Info

Publication number: EP0013313A1
Application number: EP79104463A
Authority: EP
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Herbst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-08
Filing date: 1979-11-13
Publication date: 1980-07-23
Also published as: DE2900436A1

Abstract

Diese Eisenbahnschiene besteht aus einem Schienenkopf (1), Schienensteg (2), der doppelt ausgebildet ist, und daran sich anschließenden Schienenfußflanschen (3), Damit der Schienenkopf (1) der Schiene, die ein hohes Widerstandsmoment gegen vertikale und horizontale Durchbiegung hat, bei horizontalen und vertikalan Stößen elastisch nachgeben kann, wobei der Schienenkopf eine größtmögliche Verschleißmasse aufweist, steht der doppelte Schienensteg (2) im oberen Bereich (4), der annähernd vertikal in den beidseitig überstehenden Schienenkopf (1) mündet, nahe zusammen und läuft im unteren Bereich (6) gewölbeartig bis zu den nach außen abgewinkelten Schienenfußflanschen (3) auseinander.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnschiene mit Schienenkopf, doppeltem Schienensteg und Schienenfußflanschen.
Eisenbahnschienen sind seit langem bekannt. Durch die geringe Rollreibung von Eisenrädern auf Eisenschienen wird ein wirtschaftlicher Transport von Gütern auf dem Lange ermöglicht, Dabei werden die verschiedensten Anforderungen an die Schiene gestellt. Um ein Austauschen der Schiene in möglichst langen Zeitintervallen zu erreichen, wird der Schienenkopf als Verschleißbereich möglichst großvolumig ausgebildet. Um die Durchbiegung der Schiene gering zu halten und dadurch eine größtmögliche Trägerwirkung der Schiene in Längsrichtung zur Reduzierung der Beanspruchung des Schotters und Untergrundes zu erzielen, ist das vertikale Widerstandsmoment gegen Biegung so groß wie möglich zu gestalten. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Materialvolumen möglichst klein gehalten und der Schienenfuß genügend breit ausgebildet wird, um die aus horizontalen Kräften herrührenden Kippmomente ohne Überbeanspruchung der Schienenbefestigungen auf die Schwelle übertragen zu können.
Diese Forderungen können mit dem heute eingesetzten Schienenprofil, das T-förmig ausgebildet ist, nur noch mit Einschränkungen erfüllt werden. Das erklärt sich insbesondere aus der Tatsache, daß auf den gleichen Strecken sowohl sehr schnell gefahren wird, aber auch schwere Züge mit hohen Achslasten verkehren. Mit der Tendenz, die Fahrgeschwindigkeiten einerseits und die Achslasten andererseits zu erhöhen, vergrößert sich diese Problematik.
Nachteilig bei den bekannten T-förmigen Schienenprofilen ist, daß zwar das Widerstandsmoment gegen vertikale Durchbiegung einfach und mit geringem Materialaufwand durch die Erhöhung des Schienensteges erreicht werden kann. Durch diese Maßnahme ergibt sich aber, daß die horizontale Biegesteifigkeit verringert wird, was zu einer größeren seitlichen Auslenkung des Schienensteges führt. Die Folge ist bei höheren Geschwindigkeiten eine Verschlechterung des Fahrzeuglaufes und eine Herabsetzung der "kritischen Geschwindigkeit", bei der der Radsatzlauf instabil wird.
Die Vergrößerung der Schienensteghöhe führt bei den bekannten T-förmigen Schienen außerdem zu einer Vergrößerung des Kippmomentes, hervorgerufen durch Seitenkräfte, wodurch entweder die Schienenbefestigungen überlastet werden oder der Schienenfuß breiter ausgeführt werden muß.
Ein weiterer Nachteil bei der Erhöhung des Schienensteges entsteht bei der Fertigung derartiger Schienen. Durch die anterschiedliche Abkühlung der Schiene nach dem Walzen im großvolumigen Schienenkopf im Gegensatz zum dünnen Schienensteg und dünnen Schienenfuß entstehen in der Schiene Eigenspannungen, die dazu führen, daß sich die Schiene verbiegt. Sie müssen deshalb nach dem Erkalten "gerichtet", d. h. gerade gebogen werden. In den fertigen Schienen sind die Eigenspannungen, die unter anderem die Riffelbildung begünstigen, umso größer, je höher die Schiene, je größer der Schienenkopf und je breiter und dünner der Schienenfuß ist. Als Gegenmaßnahme wird derzeit bei großen Schienenprofilen der Schienenkopf verkleinert, weil die Vergrößerung der Dicke des Schienenfußes aus Gründen des Materialverbrauches und der Kosten usw. nur in geringem Maße möglich ist, Im Hinblick auf die Liegedauer im Gleis ist die Verkleinerung des Schienenkopfes nachteilig, weil sie die Lebensdauer der Schienen verkürzt, insbesondere bei großen Profilen für hohe Achsfahrmassen, bei denen aus statischen Gründen auch ein größerer Schienenkopfrestquerschnitt erforderlich ist.
Ein weiterer gravierender Nachteil der bekannten Schienen liegt darin, daß bei einer Erhöhung des Schienensteges (Vergrößerung des Schienenprofiles) die Schienentoleranzen zunehmen und damit z. B. auch die Spurweiten- und Richtungsfehler im Gleis, obwohl bei höheren Geschwindigkeiten kleinere Toleranzen notwendig wären.
Die größeren Toleranzen führen zu einer Verschlechterung des Fahrzeuglaufes, zu größeren dynamischen Kräften und Verschleiß und zu einer verstärkten Schallabstrahlung beim Befahren.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Schiene liegt in ihrer vertikalen Starrheit. Je größer die Schienenprofile werden, um so steifer werden sie in vertikaler Richtung. Die abnehmende Fahrbahnelastizität führt zu einer größeren "Vertikalkraftdynamikt" wodurch die Schienenfahrfläche stärker beansprucht wird, größerer Materialverschleiß auftritt und die periodischen "Kontaktschwingungen" verstärkt werden, die zu Plastifizierungen im Kontaktbereich von Rad und Schiene führen, was einerseits die Riffelbildung begünstigt und andererseits die Schiene und das Fahrzeug zu starker Schallerzeugung veranlaßt.
Mit diesem Problem befaßt sich die DE-PS 245 764. Sie schlägt als Lösung ein halbkreisförmiges Schienenprofil vor. Dabei gehen die Schienenstege seitlich horizontal vom Schienenkopf ab. Dieses Schienenprofil hat den Nachteil, daß der Schienenkopf unnötig hoch ausgebildet werden muß, damit der Radkranz nicht in den Schienensteg läuft und dadurch die Schiene zerstört. Ein abgefahrenes Profil nach diesem Patent weist noch unnötiges Material am Schienenkopf auf, das nicht gänzlich abgefahren werden kann.
Xeiterhin nachteilig erweist sich dieses Schienenprofil in der horizontalen Richtung als zu starr. Dadurch entstehen in den Kurven sehr schnell Wellen auf den Schienen, die sich durch starken Verschleiß und Schallerzeugung nachteilig bemerkbar machen.
Ferner zeigt die DE-PS 554 960 eine Schiene mit doppeltem Schienensteg. Diese Schiene besitzt ein etwa A-förmiges Profil und beseitigt die Nachteile, die das T-förmige Profil der heutigen Schiene bei Erhöhung des Schienensteges aufweist. Die Schiene ist seitlich gegen Ausbiegung starr und besitzt auch ein großes Widerstandsmoment gegen vertikale Durchbiegung. Nachteilig bei dieser Ausbildung ist die geringe Elastizität des Schienenkopfes in horizontaler und vertikaler Richtung mit der vorher beschriebenen erhöhten Riffel- und Wellenbildung und dem damit verbundenen erhöhten Verschleiß des Schienenkopfes in den Gleisbögen.
Weiterhin führt diese Erscheinung zu erhöhter Schallabstrahlung. Die Schallabstrahlung wird noch durch die Form der Schienenstege erhöht. Die geradlinig ausgebildeten Schienenstege bei dieser Schienenform wie auch bei der heute eingesetzten T-förmigen Schiene wirken schallmäßig wie eine Membrane, die die eingeleiteten Schwingungen verstärkt als Schall seitlich bzw. seitlich nach oben abstrahlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenprofil mit doppeltem Schienensteg zu schaffen, das ein. hohes Widerstandsmoment gegen vertikale und horizontale Durchbiegung, wobei der Schienenkopf jedoch bei horizontalen und vertikalen Stößen elastisch nachgeben kann, und dessen Schienenkopf eine größtmögliche Verschleißmasse hat, wobei jedoch die inneren Spannungen der Schiene hervorgerufen durch den Abkühlprozeß nach dem Walzen und dem anschließenden Richten, so gering wie möglich sein sollen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der doppelte Schienensteg im oberen Bereich nahe zusammenstehend annähernd vertikal in den beidseitig überstehenden Schienenkopf einmündet, im unteren Bereich gewölbeartig auseinanderläuft und horizontal nach außen abgewinkelt in die Schienenfußflansche übergeht.
Um, wenn erforderlich, die vertikale Nachgiebigkeit des Schienenkopfes noch zu erhöhen, kann nach einer besonderen Ausbildung der doppelte Schienensteg im unteren Bereich einfach oder mehrfach gewellt auseinanderlaufen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung stehen ein oder beide Schienenfußflansche nach innen über.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Formgebung der Schienenstege die Schienenhöhe und damit die Trägerwirkung der Schiene ohne sonstige Nachteile nahezu beliebig vergrößert werden kann, wobei aber trotzdem sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung nahezu jede gewünschte Elastizität eingestellt werden kann. Da durch die "Stegspreizung" auch das horizontale Trägheitsmoment des Schienenprofiles in weiten Grenzen beliebig eingestellt werden kann, erhält man erstmals eine Schiene, deren "Trägerwirkung" und "Fahrbahnelastizität" vertikal und horizontal in weiten Bereichen unabhängig voneinander und im Einzelfall optimal eingestellt werden kann.
Weiterhin vorteilhaft wird die Schallabstrahlung der Schiene nicht nur durch die Elastizität des Schienenkopfes bei horizontaler und vertikaler Stoßbeanspruchung herabgesetzt, sondern auch durch ihre Formgebung. Die Schienenstege wirken nicht mehr als Membrane, die die eingeleiteten Schwingungen verstärkt und als Schall abstrahlt, sondern sie vernichten die Schwingungen dadurch, daß sie als herablaufende Schwingungen infolge der Biegespannungen durch innere Materialreibung in Wärme umgesetzt und dadurch weitgehend vernichtet werden.
Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schiene mit Doppelsteg sei zu erwähnen, daß im Hohlraum zwischen dem Doppelsteg schwingungsdämpfende Massen, evtl. in Verbindung mit Schwingungsabsorbern usw., untergebracht werden können, ebenso übrigens wie signaltechnische Einrichtungen (Schaltelemente oder Steuerungseinrichtungen - sogar Mikrokomputer). Es können aber auch Kabel und Leitungen geschützt verlegt werden. Rippenplatten können schmaler ausgeführt werden, weil ihre Rippen an der Innenkante der Schienenfußflansche angeordnet werden können, Dieser Vorteil wird noch mit der Ausbildung nach Anspruch 3 erhöht.
Weiterhin sei vorteilhaft die gute Stapelbarkeit der Schiene nach der Erfindung und die beidseitige seitliche Abfahrmöglichkeit des Schienekopfes erwähnt. Die Verschleißmasse des Schienenkopfes kann voll ausgenutzt werden, weil der "Schienenkopfrestquerschnitt" extrem klein gehalten werden kann,
Vorteilhaft ermöglicht weiterhin die große Abstützbreite des Schienenfußes und die Doppelausbildung des Schienensteges, daß die Schienenkopfneigung entsprechend dem Verschleißprofil 1 : 20 bzw. 1 : 40 ausschließlich durch entsprechende Profilierung des Schienenkopfes erzielt werden kann. Es muß nicht mehr wie bisher die ganze Schiene schräg eingebaut werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Schienenprofil.
Die Schiene besteht aus Schienenkopf 1, Schienensteg 2 und Schienenfußflansche 3. Der Schienensteg ist als doppelter Schienensteg 2 ausgeführt. Dabei geht er im oberen Bereich 4 nahe zusammenstehend senkrecht in den Schienenkopf 1 über, wobei durch die doppelte Schienensteganordnung die Innenkontur des Schienenkopfes 1 zu einer Hohlkopfsausbildung führt. Der untere Bereich 6 des Schienensteges 2 läuft gewölbeartig auseinander. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann er auch einfach oder mehrfach gewellt auseinanderlaufen. Schienenfußflansche 3 an beiden Seiten der Schiene bilden horizontal nach außen abgewinkelt im unteren Stegbereich 6 den Schienenfuß. An der Innenkante 7 der Schienenfußflansche 3 können Innenrippen einer Rippenplatte anliegen. Die Verschleißmasse 8 des Schienenkopfes 1 ist durch die Verschleißgrenze 9 begrenzt, Um Dämpfungselemente im Schieneninnern und Schienenstoßverbindungen leicht anbringen zu können, kann der Schienenfußflansch 3 auch nach innen 10 überstehen (gestrichelt dargestellt).

Claims

1. Eisenbahnschiene mit Schienenkopf (1), doppeltem Schienensteg (2) und Schienenfußflanschen (3), dadurch gekennzeichnet, daß der doppelte Schienensteg (2) im oberen Bereich (4) nahe zusammenstehend annähernd vertikal in den beidseitig überstehenden Schienenkopf (1) einmündet, im unteren Bereich (6) gewölbeartig auseinanderläuft und horizontal nach außen abgewinkelt in die Schienenfußflansche (3) übergeht.

2. Eisenbahnschiene nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelte Schienensteg (2) im unteren Bereich (6) einfach oder mehrfach gewellt auseinanderläuft.

3. Eisenbahnschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Schienenfußflansche (3) nach innen (10) überstehen.